Fotografija: Zavod za transfuzijsko medicino T E M A M E S E C A – M AT I Č N E C E L I C E Rakave celice, ki nastanejo iz prednic spolnih celic. Rdeče je obarvan protein, značilen za ta tip celic, modro pa so obarvana celična jedra. Rak in matične celice – dve plati medalje Rak ni bolezen moderne dobe, res pa je, da ga je vsak dan več. Tveganje za nastanek raka povečujejo zunanji dejavniki – kemijski in fizikalni onesnaževalci okolja, sevanje in neravnotežje v našem organizmu, od stresa do imunskih obolenj. Res je tudi, da bi z dobro preventivo po nekaterih virih lahko zmanjšali njegovo pojavnost kar za polovico. Upoštevati je treba tudi dejstvo, da vse večji obseg temeljnih raziskav in njihove uporabe precej prispevajo k ozdravitvi tega obolenja. Zmanjšano umrljivost opažamo predvsem pri levkemiji in raku na dojki, kmalu pa pričakujemo podobne rezultate tudi pri raku na pljučih. V zadnjih 20 letih so se začele pojavljati dobro utemeljene hipoteze o ob- stoju rakavih matičnih celic. Znanstvene revije s področja raka in celične biologije danes pogosto objavljajo poročila o raziskavah s tega področja. Uporaba spoznanj o rakavih matičnih celicah bo drastično vplivala na nove pristope k zdravljenju te bolezni, saj ta spoznanja razlagajo, zakaj nekatere konvencionalne terapije niso uspešne ali celo poslabšajo bolnikovo stanje. Čeprav ti pristopi še niso del klinične medicine, se na tem področju pojavlja vse več novih proizvodov in storitev. Pričakujemo, da bodo povečana vlaganja v razvoj znanja, predkliničnih študij in novih zdravil, ki naj bi bila usmerjena v uničevanje rakavih matičnih celic, kmalu obrodila sadove v onkologiji. Besedilo: Tamara Lah Turnšek GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 24 20.1.2011 18:20:59 Prof. dr. Tamara Lah Turnšek je od leta 1996 direktorica Nacionalnega inštituta za biologijo, na katerem je ustanovila Oddelek za genetsko toksikologijo in biologijo raka in je vodja raziskovalnega programa tega oddelka. V zadnjih 15 letih s svojo skupino raziskuje področje molekularnih mehanizmov v zvezi z nastankom in napredovanjem raka, s poudarkom na raku dojke in možganov. V zadnjem času se osredotoča predvsem na raziskave rakavih matičnih celic in na raziskave mezenhimskih matičnih celic v povezavi z zdravljenjem raka. Je tudi profesorica na dodiplomskem študiju biokemije na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo ter na podiplomskem študiju biomedicine. Redno sodeluje v mednarodnih raziskovalnih projektih in na konferencah, je soorganizatorka mednarodnih konferenc o eksperimentalni in translacijski onkologiji – CETO v Kranjski Gori ter predsednica nacionalne Komisije za uveljavitev vloge žensk v znanosti in visokem šolstvu. V biologiji je mogoče karkoli razumeti le, če na to gledamo z vidika evolucije. Znani evolucijski biolog Theodorus Dobzhansky je to zapisal že v 80. letih prejšnjega stoletja. Morda se zdi nenavadno, a to velja tudi za razvoj rakavih bolezni, saj je maligni tumor pravi evolucijski mikrokozmos. Hipoteza o klonalni evoluciji tumorskih populacij, ki se je pojavila v tistem času in pravi, da tumor nastane iz, enake vrste celic, velja še danes. Skupaj s spoznanji o lastnosti matičnih celic predstavlja nov koncept razvoja raka. Hipoteza o monoklonalnem razvoju tumorjev pa trdi, da nastane tumor iz ene same poškodovane (mutirane) celice. Začetnim mutacijam* sledijo nove, ki destabilizirajo celice tako, da postajajo dovzetnejše za nove mutacije in tako pridobijo večjo evolucijsko prednost, kar pomeni, da lažje preživijo v spreminjajočem se tkivu, v katerem nastaja nova tumorska masa. Gre torej za pravo darvinistično teorijo evolucije, ki v tem primeru velja za rast novega, sistemu tujega organa – tumorja. Kakšne so mutacije, ki so ugodne za preživetje tumorske celice? Gre za zaporedje sprememb v jedru oziroma genskem zapisu v tako imenovanih onkogenih* in tumor-supresorskih genih* in v določenih genih (CIN-genih*), ki so odgovorni za dodatno destabilizacijo novo nastajajoče tumorske celice. Rak je bolezen različnih celic, zato je tudi njegov potek precej specifičen. Do bolezni pride zaradi različ- primer kožo, kosti, jetra, možgane itn. nih vzrokov, preživetje je različno, Iz neoblikovane kroglaste mase celic v v različnih delih sveta se bolezen blastocisti (zarodku s približno 100 cepojavlja v različnih oblikah in pri licami) tako dobimo natančno oblikorazličnih segmentih populacije. V van organizem. zadnjem desetletju je bilo dokazano, da lahko tudi v genetsko enakih Razvoj modelov nastanka in celicah prihaja do razlik v delovanju delovanja rakavih matičnih celic in obnašanju zaradi epigenetskih* Raziskave raka so privedle tudi do sposprememb v izražanju genov, ki niso znanja, da gre pri nastanku bolezni za posledic a sprememb v zaporedju DNK. To Slovar področje je razmeroma Asimetrična delitev – delitev, pri kateri iz ene celice novo in ga za zdaj še ne nastaneta dve enaki, ampak je ena hčerinska celica slabo razumemo, prispeenaka materinski, druga hčerinska celica pa se od nje va pa h kompleksnemu razlikuje. Tej pravimo tudi progenitorska celica. Biomarker – je molekula – protein (beljakovina) ali gen, problemu razvoja raka ki označuje neko biološko stanje, kot na primer obstoj oziroma nastanka rakave raka (tumorski biomarker) ali matičnih celic (biomarker matične celice. matičnih celic). Biomarkerji se izražajo samo v celicah s Matične celice Zarodne celice so prve celice, ki nastanejo po spojitvi semenčice in jajčeca. Zarodna matična celica se deli naprej – v skupku celic, ki nastanejo iz zarodne celice po oploditvi (blastula), nastane vrsta embrionalnih matičnih celic, ki se ločijo v tri vrste zarodnih plasti, te pa dalje v tkiva, v katerih obstajajo tkivne, odrasle matične celice. Njihov skupni imenovalec je embrionalna matična celica, iz katere lahko teoretično in vitro (v nadzorovanem okolju zunaj organizma) razvijemo praktično vse tkivne celice – razen seveda embrionalne ali zarodne. Preobrazba v tkiva poteka tako, da se celice delijo asimetrično. To pomeni, da v eni delitvi ne nastaneta dve enaki celici, ampak ena enaka in ena spremenjena, ki ji rečemo progenitorska ali prehodno pomnoževalna celica. Simetrična delitev torej pomeni povečevanje zaloge matičnih celic, asimetrična pa le ohranjanje enakega števila in razvoj oziroma oblikovanje novega tkiva prek vedno bolj specializiranih celic v neki organ, na + specifičnimi lastnostmi in ne v drugih celicah istega tkiva, organa ali organizma. CIN-gen (chromosome instability gene) je gen, ki kodira beljakovino (protein), potrebno za ohranitev stabilne zgradbe kromosoma, ki je porušena v začetnih fazah karcinogeneze in vodi do nastanka mutacij. Diferenciacija celic – pri delitvi matičnih celic je ena od nastalih celic hčerinska ali progenitorska celica, ki je bolj specifična oziroma dozorela v svoji funkciji (bolj diferencirana). Končno diferencirana (dozorela) je celica, ki je odgovorna za opravljanje neke naloge v delovanju določenega organa. Epigenetske spremembe – poškodbe DNK, ki niso ne posledica mutacij ne sprememb zgradbe molekule DNK, kljub temu pa se kažejo v spremenjeni beljakovini (proteinu). Med drugim sem spadajo določene vrste kemijskih reakcij z molekulami DNA in/ali drugimi strukturami v jedru, ki vplivajo na prepisovanje genov v delujoče beljakovine (proteine). Glioblastom je najpogostejša in najnevarnejša oblika možganskega tumorja, ki izvira iz glialnih celic. Karcinogeneza – nastanek rakave celice. Metastaziranje – pojav, ko se tumor iz organa, v katerem nastane, po krvnem ali limfnem obtoku razširi v druge organe in tvori zasevke (metastaze) z enako gensko zasnovo, kot jo ima primarni tumor. Mezenhimska matična celica – matična celica, ki obstaja v odraslem tkivu. Imenujemo jo tudi odrasla ali telesna (somatska) matična celica in se lahko razvije v celico kateregakoli tkiva. Vzbudi se ob poškodbi ali odmiranju tkiva, potuje po krvnem obtoku na mesto poškodbe in jo popravi tako, da tam ustvari nove tkivne celice. Mutacija – prvotna sprememba ene od aminokislin v zgradbi beljakovine, ki je posledica spremenjenega gena v molekuli DNK. V tem prispevku se izraz uporablja širše, in sicer za vse prvotne poškodbe DNK, ki so lahko vzrok za nastanek raka. Onkogen – gen, ki je specifično aktiviran oziroma močno izražen v rakavih celicah in nosi zapis za nastanek beljakovine, ki povzroča hitrejše deljenje celic in druge značilne lastnosti rakavih celic. Tumor-supresorski gen – gen, ki zdrave celice varuje pred rakavimi spremembami. Ta zaščita je zaradi znižane aktivnosti tega gena oziroma proteina v rakavih celicah značilno zmanjšana. GEA | 25 GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 25 20.1.2011 18:20:59 da imajo razvite mehanizme obrambe proti obsevanju in so zmožne hitro popraviti poškodbe, ki so jih povzročili kemijski citostatiki, zaviralci celične rasti, torej zaviralci rasti rakavih tvorb. Fotografija: Dr. Irena Zajc in Saša Dermota Pomen rakavih matičnih celic za razumevanje nastanka raka Tridimenzionalna rast normalnih živčnih (zgoraj) in glioblastomskih (spodaj) matičnih celic celičnih kultur v epruveti. Z zeleno fluorescenco so označene invazivne celice, ki razgrajujejo okolnje tkivo in proteine tkiva v okolici tumorja (v tem primeru kolagen). podoben proces kot pri nastanku organov, saj tumor ni neoblikovana rastoča masa, ampak dobro hierarhično organizirana skupina tumorskih celic z različno vlogo in predeli v samem tkivu – tako imenovanimi nišami. Tako v tumorju obstajajo predeli z večjo ali nižjo koncentracijo kisika (hipoksični), predeli, ki se ožiljajo (angiogeni), predeli, v katerih tumorske celice odmirajo (nekrotični), pa tudi taki, v katerih nastajajo in se ohranjajo skupki tumorskih matičnih celic – tistih, ki povzročajo njegovo rast. Tumorske matične celice imajo namreč v svojem genskem zapisu informacijo o tem, kakšen tumor bo iz njih nastal, podobno kot embrionalne celice o tem, kakšen organ oziroma organizem se bo oblikoval iz njih. Zadnje je precej odvisno od mikrookolja te celice. Signali, ki jih tumorska celica sprejema od drugih celic v organu, v katerem se razrašča tumor, kot so na primer imunske ali podporne celice tkiv, vplivajo na specifičen razvoj tumorja. Rakave matične celice je že pred 150 leti predvidel in opisoval Rudolf Wirchow, patolog pruskega porekla, ki je z izpopolnjenimi mikroskopskimi tehnikami podrobneje opazoval razvoj tumorjev in jih opredelil kot novo nastale »organe«. Pozneje so odkrili številne podobnosti med tumorsko in normalno matično celico: obe sta tako rekoč nesmrtni, opravita lahko veliko število delitev, v celični masi se ohranja skupek celic v nediferenciranem* stanju, obe pa imata tudi sposobnost asimetrične delitve. Danes poznamo tudi molekularne poti, ki take asimetrične delitve omogočajo. Pred slabim desetletjem se je pojavila hipoteza o obstoju tumorske matične celice in model hierarhičnega razvoja tumorja, ki so ju podprli številni avtorji, najprej pri levkemijah, pozneje tudi na razvoju trdnih tumorjev. Dolgoletna hipoteza naključne (stohastične) rasti tumorja se je tako znašla pred izzivom. Medtem ko stohastična teorija predvideva, da se tumor lahko razvije iz vsake celice in da torej vsaka od celic lahko tudi metastazira* (takšnemu dogodku rečemo stohastičen), hierarhični model dokazuje, da ima to sposobnost le omejeno število celic, in sicer rakave matične celice (Glej skico A). Hierarhični model predvideva specifično organizacijo različnih celic novotvorbe. Vrsta raziskav danes to potrjuje in vedno bolje opredeljuje lastnosti rakavih matičnih celic, za katere se je na primer izkazalo, Do nedavnega je bilo najbolj zagonetno vprašanje, kako strniti obe teoriji – monoklonalni nastanek tumorja z darvinistično klonalno selekcijo (evolucijo) in hierarhični model nastanka tumorja prek matičnih celic. Izkazalo se je, da sta teoriji ne le združljivi, ampak se celo dopolnjujeta, če upoštevamo dejstvo, da prva »mutirana«, spremenjena celica ni nujno začetna rakava matična celica, ampak se ta razvije šele med nadaljnjimi delitvami prve mutirane celice v tumorski masi, značaj matične celice pa pridobi šele pozneje. Te celice se potem ločijo v rakave celice z različnimi lastnostmi in postopoma izgubijo značaj matičnih celic. Alternativno lahko nastanejo rakave matične celice tudi iz mutirane, normalne matične celice ali njene progenitorske celice nekega organa. Normalne matične celice in njihovi neposredni progenitorji so namreč najbolj dovzetni za mutacije in so zato tarče številnih sprememb. Če ob teh spremembah ohranijo funkcionalne lastnosti matičnih celic, lahko iz njih nastanejo rakave matične celice. Vidimo torej, da je razvoj več klonov oziroma vrst rakavih matičnih celic v eni sami vrsti tumorjev ali celo v enem samem primerku nekaj povsem običajnega – govorimo o plastičnosti rakavih matičnih celic. Pomen za zdravljenje raka Ključno vprašanje pri zdravljenju raka niso le izboljšani načini odstranjevanja tumorskega tkiva, vrste in načini obsevanja ali nove kemijske strukture zdravil in zaviralcev (inhibitorjev), usmerjenih na določene molekule, ki pospešujejo nastanek raka. Danes je ključni problem vprašanje, ali usmerjamo zdravljenje v prave celice. Do zdaj smo ciljali tumorske celice vsevprek, a se morda nismo dovolj dobro zavedali, kako močno se med seboj razlikujejo. Čeprav že dolgo vemo, da tumor vsebuje različne vrste 26 | februar 2011 GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 26 20.1.2011 18:21:00 tumorskih celic , smo do nedavnega mislili, da je pomembno zmanjšati celotno tumorsko maso. Danes vemo, da so za ponovno pojavljanje tumorja pravzaprav odgovorne rakave matične celice. Žal pa so prav te tudi najbolj odporne na znane načine zdravljenja. Da rakavo tkivo dokončno odstranimo, ga moramo dobesedno izkoreniniti skupaj z rakavimi matičnimi celicami, podobno kot s koreninami izpulimo plevel, ko čistimo vrtne gredice. Koreninice so v tem primeru rakave matične celice, v katerih je shranjen zapis za rast novega tumorja (plevela). Ker je tako celico težko »videti«, je treba poiskati molekule (biomarkerje*), ki jih ta celica značilno izraža. Zato so danes v ospredju številnih raziskav biomarkerji rakavih matičnih celic. Razvoj orodij za označevanje biomarkerjev je prednostni cilj vrste biotehnoloških oziroma biofarmacevtskih podjetij v svetu. Boljše poznavanje biomarkerjev tumorskih matičnih celic bo omogočilo vrsto novih naprednih terapij, na primer nove vrste genske terapije. valno področje, ki zahteva poglobljeno znanje splošne biologije celice. V dosedanjih raziskavah smo se omejili na dve vrsti celic, in sicer na tkivne matične celice in na rakave matične celice mož- Raziskave pri nas ganov (glioblastomi* ali GBM). Zadnji predstavljajo približno 60–70 odstotkov primerov malignih primarnih možganskih tumorjev pri odraslih in so povezani z visoko umrljivostjo (12 do 15 mesecev preživetja po diagnozi). So celično različni in napadalni tumorji. Rezultati Področje matičnih celic se bliskovito razvija. Gre za novo področje biomedicine s skoraj največjim naraščanjem objav v strokovni literaturi. Predvsem s stališča drage opreme in materialnih stroškov gre za precej zahtevno razisko- Skica: Tamara Lah Turnšek Skica: Tamara Lah Turnšek Primerjava evolucije normalnih celic tkiva in tumorskih celic številnih raziskovalnih skupin kažejo, da v možganskem tumorju obstaja majhna populacija glioblastomskih matičnih celic, ki imajo lastnosti matičnih celic in izražajo tako rakave biomarkerje in tudi označevalce normalnih, živčnih matičnih celic (Slika 2). Ni znano, kako nastanejo, saj lahko do nastanka raznih vrst glioblastomskih matičnih celic privede vrsta celičnih procesov. Danes je precej priljubljena hipoteza o obstoju različnih vrst, se pravi hipoteza o plastičnosti glioblastomskih matičnih celic, ki se lahko razvijajo tudi med samo rastjo tumorja ter se z novimi mutacijami prilagajajo hitro spreminjajočemu se tumorskemu mikrookolju. Naša prizadevanja so usmerjena k določanju njihovega »prstnega« odtisa, da bi jih v tkivih lažje zaznali. Ker se prognoza slabša z rastjo števila teh celic, so ti biomarkerji dobri pokazatelji, ali bolezen napreduje in zahteva agresivnejše zdravljenje. Biomarkerji glioblastomskih matičnih celic so uporabni tudi kot tarče za nova zdravila, ki naj bi uničila predvsem te celice. A Slika prikazuje slučajnostni nastanek rakave celice (levo), kjer se prva mutirana celica razrašča klonalno, nastajajo torej celice z enakimi lastnostmi (rdeče kroglice), z nadaljnjimi mutacijami pa nastajajo tumorske celice z različnimi lastnostmi (barvne kroglice). Desno: Med rastjo se te prerazporedijo v različne predele tumorja, ugodne za rast posameznih vrst tumorskih celic. V predelih z nizko koncentracijo kisika (hipoksičnih nišah) nastajajo tumorske matične celice (bele kroglice), ki pridobijo značilne lastnosti matičnih celic (asimetrična delitev). Te lahko nastanejo zelo zgodaj, lahko pa so celo začetne celice (če gre za mutirane matične celice – progenitorje). Tumorske matične celice so odgovorne za nadaljnjo rast in razrast tumorja. Izziv znanosti je odkriti skrivnost nastanka tumorskih matičnih celic in tako najti ahilovo peto tumorja. Nova dognanja na področju matičnih celic torej obetajo velike možnosti zdravljenja, ki pa se žal pomikajo za nekaj let, če ne kar celo desetletje v prihodnost. GEA | 27 GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 27 20.1.2011 18:21:01