The hypoxic cell a target for selective cancer therapy

Wstęp
Hipoksja w raku szyjki macicy jest czynnikiem niekorzystnym, który nie tylko predysponuje do bardziej agresywnego przebiegu choroby i szybszego powstawania przerzutów, ale też do oporności pacjentek na standardowe schematy leczenia [1]. Paradygmatem jest stwierdzenie, że wzrost guza nowotworowego jest zależny od ilości tlenu i produktów odżywczych dostarczonych poprzez nowo powstałą sieć naczyń krwionośnych (angiogeneza), a bezpośrednim efektem tego wzrostu jest powstawanie przerzutów odległych poprzez nową sieć naczyń limfatycznych (limfangiogenza). Patofizjologicznym fundamentem angiogenezy i limfangiogenezy w guzie nowotworowym jest niedotlenienie – spadek poziomu tlenu w komórce nowotworowej. Niedotlenienie jest wspólną cechą wszystkich guzów litych, wpływającą na ich biologię i prognozowanie odpowiedzi na leczenie i tym samym na rokowanie dla pacjentów [2]. Badania nad metodami przezwyciężenia problemu, jakim dla radioterapii i chemioterapii jest niedotlenienie komórek w guzach litych, trwają od ponad 50 lat [3]. Ostatnie badania kliniczne jednoznacznie potwierdzają, że niedotlenienie jest głównym problemem dla radioterapii, a małe wysycenie komórek tlenem przyśpiesza progresję nowotworu, bez względu na to, jakie leczenie przeciwnowotworowe jest stosowane [4]. Wdrażanie nowych leków do badań klinicznych, które są wybiórczo toksyczne dla niedotlenionych komórek, ma teoretyczne podstawy oraz pozytywne kliniczne potwierdzenie wyników [5]. Prezentowany przegląd piś-miennictwa zwraca uwagę na kilka ważnych pojęć i koncepcji związanych ze ścieżkami sygnalizacyjnymi komórki niedotlenionej, które doprowadziły do obecnego stanu wiedzy i rozpoczęcia badań nad selektywnym leczeniem niedotlenionej masy guza nowotworowego.

Rola hipoksji w radioterapii i chemioterapii
Pionierskie badania Graya i wsp. wykazały, że za oporność na promieniowanie jonizujące jest odpowiedzialna hipoksja [6]. Badania, wykonane tuż po II wojnie światowej, pokazały, że niedotlenienie wywołuje radiooporność w szerokim zakresie komórek i tkanek. Ponadto zaobserwowano, że prawidłowe ciśnienie parcjalne tlenu w czasie naświetlania powoduje większą promieniowrażliwość niż jakiekolwiek inne efekty metaboliczne w komórce [3]. Różnica we wrażliwości na promieniowanie pomiędzy komórkami z prawidłowym ciśnieniem parcjalnym tlenu a komórkami w stanie hipoksji, a nawet anoksji, jest znana jako wskaźnik wzmocnienia tlenowego, zdefiniowany w formie stosunku dawek napromieniowania w celu zniszczenia komórek nowotworowych na takim samym poziomie w warunkach hipoksji, jak również prawidłowego ich utlenowania. Wartość prawidłowa tego wskaźnika zawiera się w zakresie 2,5–3 dla komórek człowieka.
Przyczyną tego efektu jest fakt wiązania się tlenu z miejscem uszkodzenia DNA wywołanego promieniowaniem jonizującym. Tlen, będąc najbardziej powinowatą elektronowo cząsteczką w komórce, reaguje nadzwyczaj szybko z wolnym elektronem wolnego rodnika, przez co utrwala uszkodzenie w strukturze DNA. W przypadku nieobecności tlenu wiele z powstałych uszkodzeń może być przywróconych do ich prawidłowej struktury, przez donację wodoru od niebiałkowych grup tiolowych w komórkach. Tak więc promieniowanie jonizujące jest wysoce nieskuteczne w niszczeniu niedotlenionych komórek wszystkich typów zarówno normalnych, jak i nowotworowych [7]. Hipoksyczne (niedotlenione) komórki są ok. 3 razy mniej wrażliwe na fotonowe promieniowanie jonizujące. Wynikają stąd istotne implikacje kliniczne w radioterapii guzów, w których część słabo unaczyniona i tym samym niedotleniona jest znacznie mniej wrażliwa na napromienianie [7].
W wycinkach histologicznych guzów litych Thomlinson i Gray wykazali, że odległość ognisk martwicy od naczynia krwionośnego jest stała i wynosi zwykle 100–150 µm – jest to odległość dyfuzji tlenu w tkance zależna od ciśnienia parcjalnego w naczyniach włoskowatych oraz od tempa zużycia tlenu przez komórki [8].
Mając na uwadze powyższe patofizjologiczne podstawy, należy stwierdzić, że wnioski wysunięte przez powyższych badaczy były niezwykle istotne dla poznania negatywnego wpływu niedotlenienia komórki w guzach litych na wynik radioterapii. Nie umniejszając rangi tego faktu, należy jednak zauważyć, że dopiero wyniki badań molekularnych pozwoliły na pełne poznanie zjawiska niedotlenienia guza nowotworowego w aspekcie klinicznym znacznie szerszym, niż badacze ci przypuszczali.
Niedotlenione komórki in vitro są oporne na promieniowanie jonizujące, lecz wrażliwe na działanie chemioterapeutyków. Leki te, podobnie jak promieniowanie, są bardziej toksyczne dla utlenowanych komórek nowotworowych, jednak w guzie litym in vivo pewna liczba czynników, skojarzona bezpośrednio albo pośrednio z niedotlenieniem guza, przyczynia się do lekooporności [9, 10]. Po pierwsze, niedotlenienie skojarzone z niedoborem glukozy powoduje zwolnienie tempa progresji poprzez zatrzymanie cyklu komórkowego [11]. Po drugie, stężenie leków przeciwnowotworowych będzie większe bliżej naczyń krwionośnych z powodu gorszego rozprzestrzeniania się w tkance nowotworowej w wyniku spadku pH pozakomórkowego [12]. Hipoksja może przyczynić się do powstania oporności na leki poprzez amplifikację genów powodujących występowanie lekooporności [13] oraz indukcję związanych z hipoksją białek stresu [14, 15].

Szlaki metaboliczne niedotlenienia w komórce nowotworowej
Odpowiedź komórkowa na zmniejszenie stężenia O2 poniżej 2% zarówno zewnątrzkomórkowa, jak i wewnątrzkomórkowa jest skomplikowanym procesem, na który składa się odbiór bodźca przez odpowiedni receptor, jego przetworzenie oraz przesłanie informacji do jądra komórki, w celu wywołania odpowiedniej reakcji na hipoksję [16]. W komórkach prawidłowych sygnały proliferacyjne, migracyjne, apoptotyczne i ich wzajemne relacje podlegają ścisłej kontroli wewnątrzkomórkowej we wszystkich kompartmentach i pozostają w stanie równowagi. Wzrost guza nowotworowego odbywa się dzięki desynchronizacji wymienionych procesów oraz promowaniu „nieśmiertelności” komórek [17]. Głównym białkiem odpowiedzi komórki na brak tlenu jest czynnik transkrypcyjny o charakterze heterodimeru – HIF-1 (hypoxia inducible factor-1 – czynnik indukowany przez hipoksję 1) [18], którego regulacja przebiega wieloetapowo (ryc. 1.).
W warunkach hipoksji HIF-1a po połączeniu z podjednostką HIF-1b tworzy aktywną formę czynnika transkrypcyjnego, który indukuje transkrypcję szeregu genów, m.in. genu VEGF [19]. W warunkach normoksji czynnik HIF-1 jest nieaktywny z powodu hydroksylacji (przy prolinie w pozycji 402 i 564), która jest katalizowana przez specyficzne hydroksylazy. Następnie do podjednostki tej przyłącza się białko vHL (białko von Hippla-Lindaua) i ubikwityna, co prowadzi do degradacji całego kompleksu za pomocą systemu proteosomów. Mutacje supresorowego genu vHL, występujące często w chorobie von Hippla-Lindaua, powodują powstawanie zmutowanego białka vHL, które nie wiąże się z podjednostką HIF-1a, co powoduje, że również w warunkach normoksji gen VEGF jest konstytutywnie aktywny, w wyniku czego powstają mnogie nowotwory – mnogie naczyniaki, raki jasnokomórkowe nerki, raki nadnercza [20].
Dotychczas zidentyfikowano kilkadziesiąt genów regulowanych przez HIF-1, w wyniku czego białko to uczestniczy w szlakach metabolicznych większości procesów odpowiedzialnych za powstanie złośliwego („przerzutowego”) fenotypu komórki nowotworowej (tab. I) [21–38].
Geny produkujące białka, które uczestniczą w procesie powstawania nowych naczyń krwionośnych i limfatycznych są pierwszymi, których ekspresja regulowana jest bezpośrednio stężeniem HIF-1 w guzie nowotworowym [21].
Białko p53, produkt genu TP53, ma zasadnicze znaczenie w odpowiedzi komórki na stres indukowany niedotlenieniem, a w stanach przewlekłego niedotlenienia w guzie nowotworowym konkuruje z białkiem HIF-1a o wiązanie p300, mogąc tym samym osłabiać przenoszenie sygnału pobudzających zainicjowanych HIF-1a [28]. Gwałtowny rozwój wiedzy dotyczącej zaburzeń w transdukcji sygnału, mogącego wybitnie zakłócić takie mechanizmy komórkowe, jak proliferacja, apoptoza czy adhezja, umożliwił opracowanie nowych, celowanych terapii przeciwnowotworowych, mających za zadanie wybiórcze hamowanie funkcji białek kodowanych przez uszkodzone geny [39].

Cele terapeutyczne metabolicznego szlaku niedotlenienia w komórce nowotworowej
Od początku lat 90. XX w., kiedy odkryto HIF-1, stał się on niezwykle intensywnie badanym czynnikiem transkrypcyjnym zależnym od stężenia tlenu w tkance. Czy HIF-1 jest dobrym celem terapeutycznym w leczeniu onkologicznym? Trudno jednoznacznie odpowiedzieć na to pytanie w aspekcie wyników uzyskanych z prowadzonych aktualnie programów badawczych, niemniej w licznych ośrodkach testowane są różne małocząsteczkowe inhibitory tego czynnika transkrypcyjnego [40]. Wśród badanych inhibitorów są echinomycyna [41] i syntetyczne poliamidy [42], które blokują wiązanie się HIF-1 z DNA w jądrze komórkowym, oraz chetomin hamujący przyłączenie białka p300 – koaktywatora czynnika transkrypcyjnego (ryc. 2.) [43].
Małocząsteczkowe inhibitory HIF-1 są często identyfikowane jako białka opiekuńcze, białka mikrotubul, topoizomeraza I, tioredoksyna, jak również liczne białka metabolicznego szlaku aktywacji HIF-1 (pkt 1., ryc. 2.). Drugim celem terapeutycznym metabolicznego szlaku niedotlenienia jest synteza i stabilizacja białka HIF-1 w cytoplazmie komórkowej, a wśród inhibitorów tego procesu najczęściej wymieniany jest topotekan, stosowany w wielu schematach leczenia zwłaszcza drugiego rzutu [44].
Aktualnie w badaniach klinicznych ocenia się skuteczność różnych nieselektywnych inhibitorów HIF-1 w leczeniu nowotworów (m.in.: 17-N-allylamino-17-demetoksygeldanamycyna, 2-metoksyestradiol, małocząsteczkowe białka – ligandy dla receptora kinazy tyrozynowej) [40].

Piśmiennictwo
1. Markowska J, Mądry R, Grabowski JP i wsp. Niedotlenienie w raku szyjki macicy a odpowiedź na leczenie. Współcz Onkol 2008; 12: 11-5.
2. Harris AL. Hypoxia – a key regulatory factor in tumour growth. Nat Rev Cancer 2002; 2: 38-47.
3. Brown JM. The hypoxic cell: a target for selective cancer therapy – Eighteenth Bruce F. Cain Memorial Award Lecture. Cancer Res 1999; 59: 5863-70.
4. Marples B, Greco O, Joiner MC, Scott SD. Radiogenic therapy: strategies to overcome tumor resistance. Curr Pharmacol Design 2003; 9: 2105-12.
5. Lunt SJ, Telfer BA, Fitzmaurice RJ, et al. Tirapazamine administered as a neoadjuvant to radiotherapy reduces metastatic dissemination. Clin Cancer Res 2005; 11: 4212-6.
6. Gray LH, Conger AD, Ebert M, et al. Concentration of oxygen dissolved in tissues at the time of irradiation as a factor in radiotherapy. Br J Radiol 1953; 26: 638-48.
7. Malicki J, Kornafel J. Podstawy fizyczne i radiobiologiczne radioterapii. W: Markowska J (red.). Ginekologia onkologiczna. Wydawnictwo Medyczne Urban & Partner, Wrocław 2006: 169-99.
8. Thomlinson RH, Gray LH. The histological structure of some human lung cancers and the possible implications for radiotherapy. Br J Cancer 1955; 9: 539-49.
9. DiSaia PJ, Creasman WT. Ginekologia onkologiczna. Wydawnictwo Czelej Sp. z o.o., Lublin 1999.
10. Song X, Liu X, Chi W, et al. Hypoxia-induced resistance to cisplatin and doxorubicin in non-small cell lung cancer is inhibited by silencing of FIF-1alfa gene. Cancer Chemother Pharmacol 2006; 58: 776-84.
11. Airley RE, Mobasheri A. Hypoxic regulation of glucose transport, anaerobic metabolism and angiogenesis in cancer: novel pathways and targets for anticancer therapeutics. Chemotherapy 2007; 53: 233-56.
12. Byrne AM, Bouchier-Haynes DJ, Harmey JH. Angiogenic and cell survival functions of vascular endothelial growth factor (VEGF). J Cell Mol Med 2005; 9: 777-94.
13. Morales C, Ribas M, Aiza G, Peinado MA. Genetic determinants of methotrexate responsiveness and resistance in colon cancer cells. Oncogene 2005; 24: 6842-7.
14. Lee JH, Sun D, Cho KJ, et al. Overexpression of human 27 kDa heat shock protein in laryngeal cancer cells confers chemoresistance associated with cell growth delay. J Cancer Res Clin Oncol 2007; 133: 37-46.
15. Szymala B, Olejek A, Bodzek P i wsp. Co wiemy o białkach szoku termicznego. Onkol Radioter 2008; 3: 22-34.
16. Kruszyna K, Stokłosa T. Czynnik indukowany przez hipoksję-1 (HIF-1): budowa, regulacja ekspresji, funkcja oraz rola w progresji nowotworowej. Post Biol Kom 2005; 32: 707–728.
17. Zieliński T, Michalski B, Belowska A, Mazurek U. Wewnątrzkomórkowe szlaki przekazywania sygnałów indukowanych w drodze aktywacji VEGFR2 w angiogennym stadium rozwoju raka szyjki macicy. Gin Onkol 2006; 4 (supl. 1): 28-31.
18. Dewhirst MW, Cao Y, Moeller B. Cycling hypoxia and free radicals regulate angiogenesis and radiotherapy response. Nat Rev Cancer 2008; 8: 425-37.
19. Oh JM, Ryoo IJ, Yang Y, et al. Hypoxia-inducible transcription factor (HIF)-1 alpha stabilization by actin-sequestering protein, thymosin beta-4 (TB4) in Hela cervical tumor cells. Cancer Lett 2008; 264: 29-35.
20. Łojko A, Komarnicki M. Naczyniowo-śródbłonkowy czynnik wzrostu w angiogenezie w chorobach nowotworowych. Współcz Onkol 2004; 8: 1-4.
21. Giatromanolaki A, Koukourakis MI, Turley H, et al. Phosphorylated KDR expression in endometrial cancer cells relates to HIF1a/VEGF pathway and unfavourable prognosis. Mod Pathol 2006; 19: 701-7.
22. Patel N, Gonsalves CS, Malik P, Kalra VK. Blood 2008; 112: 856-65.
23. Okuyama H, Krishnamachary B, Zhou YF, et al. Expression of vascular endothelial growth factor receptor 1 in bone marrow-derived mesenchymal cells is dependent on hypoxia-inducible factor 1. J Biol Chem 2006; 281: 15554-63.
24. Yu JX, Cui L, Zhang QY, et al. Expression of NOS and HIF-1alpha in human colorectal carcinoma and implication in tumor angiogenesis. World J Gastroenterol 2006; 12: 4660-4.
25. Salani D, Di Castro V, Nicotra MR, et al. Role of endothelin-1 in neovascularization of ovarian carcinoma. Am J Pathol 2000; 157: 1537-47.
26. Fritz-Six KL, Dunworth WP, Li M, Caron KM. Adrenomedullin signaling is necessary for murine lymphatic vascular development. J Clin Invest 2008; 118: 40-50.
27. Gellhaus A, Schmidt M, Dunk C, et al. Decreased expression of the angiogenic regulators CYR61 (CCN1) and NOV (CCN3) in human placenta is associatedwith pre-eclampsia. Mol Hum Reprod 2006; 12: 389-99.
28. Kilic M, Kasperczyk H, Fulda S, Debatin KM. Role of hypoxia inducible factor-1 alpha in modulation of apoptosis resistance. Oncogene 2007; 26: 2027-39.
29. Maina EN, Morris MR, Zatyka M, et al. Identification of novel VHL target genes and relationship to hypoxic response pathways. Oncogene 2005; 24: 4549-58.
30. Urano N, Fujiwara Y, Doki Y, et al. Overexpression of hypoxia-inducible factor-1 alpha in gastric adenocarcinoma. Gastric Cancer 2006; 9: 44-9.
31. Varghese A, Burness M, Xu H, et al. Site-specific gene expression profiles and novel molecular prognostic factors in patients with lower gastrointestinal adenocarcinoma diffusely metastatic to liver or peritoneum. Ann Surg Oncol 2007; 14: 3460-71.
32. Tabatabai G, Frank B, Möhle R, et al. Irradiation and hypoxia promote homing of haematopoietic progenitor cells towards gliomas by TGF-beta-dependent HIF-1alpha-mediated induction of CXCL12. Brain 2006; 129: 2426-35.
33. Colombo E, Marine JC, Danovi D, et al. Nucleophosmin regulates the stability and transcriptional activity of p53. Nature Cell Biol 2002; 4: 529-33.
34. del Casar JM, Corte MD, Alvarez A et al. Lymphatic and/or blood vessel invasion in gastric cancer: relationship with clinicopathological parameters, biological factors and prognostic significance. J Cancer Res Clin Oncol 2008; 134: 153-61.
35. Lee MY, Chou CY, Tang MJ, Shen MR. Epithelial-mesenchymal transition in cervical cancer: correlation with tumor progression, epidermal growth factor receptor overexpression, and snail up-regulation. Clin Cancer Res 2008; 14: 4743-50.
36. Gius D, Funk MC, Chuang EY, et al. Profiling microdissected epithelium and stroma to model genomic signatures for cervical carcinogenesis accommodating for covariates. Cancer Res 2007; 67: 7113-23.
37. Tsunedomi R, Iizuka N, Tamesa T, et al. Decreased ID2 promotes metastatic potentials of hepatocellular carcinoma by altering secretion of vascular endothelial growth factor. Clin Cancer Res 2008; 14: 1025-31.
38. Airley RE, Mobasheri A. Hypoxic regulation of glucose transport, anaerobic metabolism and angiogenesis in cancer: novel pathways and targets for anticancer therapeutics. Chemotherapy 2007; 53: 233-56.
39. Melillo G. Targeting hypoxia cell signaling for cancer therapy. Cancer Metastasis Rev 2007; 26: 341-52.
40. Semenza GL. Targeting HIF-1 for cancer therapy. Nat Rev Cancer 2003; 3: 721-32.
41. Kong D, Park EJ, Stephen AG, et al. Echinomycin, a small-molecule inhibitor of hypoxia-inducible factor-1 DNA-binding activity. Cancer Res 2005; 65: 9047-55.
42. Olenyuk BZ, Zhang GJ, Klco JM, et al. Inhibition of vascular endothelial growth factor with a sequence-specific hypoxia response element antagonist. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 16768-73.
43. Kung AL, Zabludoff SD, France DS, et al. Small molecule blockade of transcriptional coactivation of the hypoxia-inducible factor pathway. Cancer Cell 2004; 6: 33-43.
44. Puppo M, Battaglia F, Ottaviano C, et al. Topotecan inhibits vascular endothelial growth factor production and angiogenic activity induced by hypoxia in human neuroblastoma by targeting hypoxia-inducible factor-1alpha and -2alpha. Mol Cancer Ther 2008; 7: 1974-84.