Türk Onkoloji Dergisi 2009;24(1):42-47 Solid tümörlerde ve lösemilerde kanser kök hücreleri Cancer stem cells in solid tumors and leukemia Musaffe TUNA 1 1 MD Anderson Cancer Center, Cancer Genetics, Houston, ABD Kanser kök hücreleri (KKH) tümörün bafllang c ndan sorumlu olan ve tümör dokusundaki çok say da farkl laflm fl hücre toplulu unu oluflturan hücrelerdir. Ayn özgü sinyal ileti sistemleri KKH lerin ve normal kök hücrelerinin kendi-kendini yenileme ve/veya farkl laflmas nda fonksiyonel rol oynarlar. Aralar ndaki bafll ca fark; KKH lerde ayn sinyal ileti sistemlerinin düzenlenmesi de iflmektedir. Son çal flmalarla KKH lerin ilaç ve radyasyon tedavisine dirençli olduklar gösterilmifltir. Gelecekteki çal flmalar kanserin tedavisi için KKH leri hedef alan tedavilerin gelifltirilmesine öncülük edecektir. Anahtar sözcükler: Kanser kök hücresi; kanser kök hücresi belirteçleri; normal kök hücre. Cancer stem cells (CSCs) are cells that drive tumorigenesis, as well as give rise to a large population of differentiated progeny that make up the bulk of the tumor. The same specific signaling pathways play a functional role in CSC renewal and/or differentiation as with normal stem cells, the only difference being that the same signaling pathways are dysregulated in CSCs. In addition, recent studies have demonstrated that CSCs are resistant to chemo- and radiotherapy. Future studies should lead to development of CSC-targeted therapies for cancer treatment. Key words: Cancer stem cell; cancer stem cell markers; normal stem cell. Kanser insanlardaki ölüm nedenleri aras nda ikinci s rada yer almaktad r. Yaln zca Amerika da 2004 istatistiklerine göre yaklafl k >550,000 kifli kanserden ölmüfltür. Kanserde tedaviyi olanakl k lmay amaçlayan kanser araflt rmac lar kanserin biyolojik kökeni, kansere e ilimi art ran genetik de ifliklikler ve kanser oluflumuna kat lan sinyal ileti yollar n ayd nlatma alanlar nda büyük geliflmeler katetmektedir. Derleme niteli indeki bu çal flmam zda; son derece heyecan verici geliflme ve ilerlemelerin kat edildi i Kanser Kök Hücreleri üzerinde durulacakt r. Kök hücreler nelerdir? Kök hücreler, kendi-kendilerini yenileme, ve belirli organa veya dokuya özel karakteristikleri olan, olgun hücreye farkl laflan hücreler olarak tan mlanmaktad r. Kök hücreleri; embriyonik kök hücreleri, germinal kök hücreleri ve somatik kök hücreleri olmak üzere üç ana gruba ayr l r. [1] 1. Blastosistin iç hücre tabakas Ebriyonik Kök Hücrelerini (EKH) oluflturur. EKH omnipotenttir, yani yetiflkin organizmadaki herhangi bir hücre tipini oluflturma kabiliyeti vard r. Günümüzdeki EKH araflt rmalar, daha çok doku transplantasyonu ve tamirinde kullan lmak üzere doku ve organ oluflumuna odaklanm flt r. 2. Germinal kök hücreleri (GKH); ebriyonun germinal tabakas ndan oluflmaktad r. Germinal kök hücreler farkl laflarak belli organ olufltururlar. 3. Somatik veya yetiflkin dokuya-özgü kök hücreler: EKH gibi totipotent de ildirler, fakat kendilerini yenileme kapasiteleri vard r ve belli organ veya dokudaki tüm hücrelere farkl laflabilir- letiflim (Correspondence): Dr. M u s a ffe TUNA. MD Anderson Cancer Center, Cancer Genetics, 1515 Holcombe Blvd, Houston, TX 77030, US. Tel: +1-713 797 9583 e-posta (e-mail): m t u n a 9 @ h o t m a i l. c o m 42
Solid tümörlerde ve lösemilerde kanser kök hücreleri ler. Somatik kök hücreler (SKH) birçok farkl organda belirlenmifltir; kemik ili i, nöral doku, deri, meme, prostat, akci er, karaci er, over ve benzeri. Bu kök hücreler hayat boyunca dokunun s n rlar içinde dokunun yenilenmesini ve devam n sa larlar. Bu hücreler normal dokunun dengesini ( h o m e o s t a s i s ), tamirini, yaralanmadan sonra iyileflmesini sa larlar ve çevresel strese karfl sorumludurlar. Saç, kan, deri, sperm ve gastrointestinal epitel hücreleri gibi yaflam süresi k sa olan ve h zla yenilenme gereksinimi olan hücreler SKH havuzlar nda yenilenirler. [1] Kendi-kendini yenileme, farkl laflma ve kanser oluflumundaki sinyal ileti yollar ( signal transduction pathways ) Kök hücre biyolojisinde en önemli konu; kendi-kendini yenileme ve farkl laflmay düzenleyen mekanizmalar n anlama çabalar d r. Farkl organlardaki kök hücrelerin geliflim potansiyelinin de- iflik olmas na karfl n, bütün kök hücreler kendikendini yenileme ve farkl laflma aras ndaki dengeyi korumakla yükümlüdür. Kanserle ilgili birçok sinyal ileti sistemi kök hücrelerin kendi-kendini yenileme ve farkl laflmas n da düzenlemektedir. Wnt, Hedgehog, Shh ve Notch sinyal ileti yollar - n n kök hücrelerinin kendi-kendini yenileme özelli inin düzenlenmesindeki rollerinin anlafl lmas, tümör oluflumunun anlafl lmas na yeni fl k açm flt r. Normal ve transforme olmufl kök hücrelerin kendi-kendilerini yenileme mekanizmalar benzer sinyal ileti sistemleri ile, fakat farkl flekilde düzenlenmektedir. Wnt sinyal ileti sistemi, reseptörlerinin ba lanmas ile aktif hale gelir, β-cateninin y k l m kompleksinden ayr lmas n sa lar ve nükleusa geçer ve burada Cyclin D1 ve C-MYC gibi genlerin tarnskipsiyonunu düzenleyerek kök hücrelerin kendi-kendini yenilemesini ve farkl laflmas n sa lar. Transgenik farelerde yap lan in vivo çal flmalar, epidermal kök hücrelerde Wnt sinyal ileti sisteminin aktif hale gelmesiyle epitel hücre kökenli kanserlerin oluflumuna öncülük etti ini göstermektedir. [2] Wnt sinyal ileti sistemi, kök hücrelerin kendi-kendilerini yenilemesi mekanizmas na sadece farkl epitel hücrelerinde de il, ayn zamanda hematopoetik kök hücrelerde de kat - l r. Normalde kök hücrelerinin kendi-kendilerini yenilemesini düzenleyen sinyal ileti sistemleri, sistemde aksilik oldu unda tümör oluflumuna öncülük eder. [2] Lösemi-öncü hücrelerinde PTEN geninin tümör bask lay c geninin kayb miyeloproliferatif hastal a öncülük eder. Ayr ca, PTEN kayb hematopetik kök hücrelerin ço almas n s a l a m a k t a d r. Bununla birlikte, kendi-kendine yenilenmesinin bask lanmas ise hematopoietik kök hücrelerinde azalmaya neden olmaktad r. Bu etki mtor un rapamycin ile bask lanmas yla oluflur. Rapamycin bir yandan lösemi-öncü hücrelerinin azalmas na neden olurken di er yandan normal hematopoietik kök hücrelerin fonksiyonunu yeniler. Kanser kök hücresi ile normal kök hücre aras ndaki kendi-kendini yenilemenin mekanistik farkl l kanser tedavisinde kullan labilir, böylece normal kök hücrelere zarar vermeden kanser kök hücreleri hedef olarak kullan labilir. [3] Di er bir örnek de, B C L - 2 onkogeninin ekspresyonuyla apoptozisin engellenmesi in vivo olarak hemapoetik kök hücre (HKH) say s n n artmas ile sonuçlan r, bu da HKH lerin homeostasisin düzenlenmesinde hücre ölümünün rol oynad n göstermektedir. [2] Shh sinyal ileti sistemi de kendi-kendini yenileme mekanizmas n n düzenlenmesine kat lmaktad r. Kanser kök hücreleri (KKH) Kanser kök hücre teorisine göre, bunlar kanser hücrelerinin kendi-kendilerini yenileme ( self-renewal ) ve farkl laflma özelli i olan alt gruplar - d r. Yaln z bu iki özelli e sahip hücreler Kanser Kök Hücresi (KKH) olarak adland r l r. Kanser kök hücresi kanseri bafllatan hücre olarak da adland r lmaktad r. [4] Son zamanlarda kan, [5] meme, [6] beyin, [7,8] dalak, [9] bafl ve boyun, [10] kolon, [11] deri, [12] ve over [13] kanserlerinde KKH lerin oldu u bildirilmektedir. Kanserin geliflimsel paradigmas nda tümördeki hücrelerin hiyerarflisi vurgulan r. Buradaki hiyerarfliden hücresel heterojenite kasdedilmifltir. Fakat buradaki heterojenite, tümörü çevreleyen invaziv endotelial, hematopetik hücre veya di er kanser olmayan hücreler anlam nda kullan lmamaktad r. Buradaki heterojenite daha çok tek tümördeki kanser hücrelerinin farkl l anlam nda kullan lmaktad r. Örnek olarak ayn kanserde, tüm 43
Türk Onkoloji Dergisi kanser hücrelerinin ayn yüzey belirteçleri ( marker ) sentezlemesidir. Daha da önemlisi immün yetersiz farelerde yap lan fonksiyonal çal flmalar tümörde, yaln zca belli grup hücrelerin tümör büyümesini sa lad n, fakat di er hücrelerin sa lamad n göstermektedir. Bu da kanser kök hücrelerinin iki ana görevi oldu unu göstermektedir; kendi-kendini yenileme ve farkl laflma. [14] Son zamanlarda yap lan çal flmalarda gerek kal tsal ve gerekse sporadik meme kanserlerinde normal meme kök ve/veya öncü hücrelerinin kendi-kendini yenileme mekanizmas n n, yani sinyal ileti sisteminin düzenlenmesinin de iflmesinden kaynakland n göstermektedir. Oluflan tümörler farkl kanser kök hücre popülasyonlar ndan (heterojenite) kaynaklanabilir. Heterojenitenin nedeni, farkl laflm fl kanser hücrelerinin ya farkl kök hücrelerinden kaynaklanmas ndan ve/veya farkl mutasyon profillerin yans mas ndan kaynaklanabilir. Bu farkl l klar, hücrelerin moleküler profilleri ile belirlenebilir. Bu da kanserin önlenmesi ve uygun tedavi stratejisinin gelifltirilmesi için do ru hedefin seçilmesini kolaylaflt rabilir. [15] Kanser oluflumunda kanser kök hücrelerinin fonksiyonu Son zamanlarda kanser kök hücre hipotezi ile kanserin, tümör dokusunda oluflan kök veya öncü hücrelerden olufltu u öne sürülmektedir. Kanser kök hücreleri veya kanseri-bafllatan hücreler olarak da adland r lan kanser öncü hücrelerinin, kanserin bafllamas, ilerlemesi ve klasik tedavi flekillerine direnç göstermesinden sorumludurlar. Multi-potent dokuya özgü, yetiflkin kök hücrelerinde ve/veya öncü hücrelerinde ortaya ç kan genetik ve/veya epigenetik degiflikliklerin, kanser kök hücreleri veya kanseri-bafllatan hücreler olarak da bilinen kanser öncü hürelerinde tümör oluflumuna öncülük etti i birçok araflt r c taraf ndan gösterilmektedir. Kanser geliflimi esnas nda lösemik veya tümörijenik kanser öncü hücrelerinde genetik ve/veya epigenetik de iflikliklerin birikimi, ço unlukla da epitelial-mezenflimal geçifl program sürecinde tümör hücrelerinin göçen fenotip özelli i kazanmalar, di er organlara metastas yapmas (göçmesi) için invaziv özellik kazanmalar gerekti ini göstermektedir. Tümör geliflimindeki kanser kök hücre modeli, hasta tümör dokusundan izole edilen son derece lösemik veya tümörijenik kanser kök hücrelerinin in vivo ve ex vitro olarak farkl laflm fl kanser hücre kitlesi oluflturdu u ve bunlar n lösemi veya tümör oluflumundan sorumlu oldu unun gösterilmesi ile desteklenmektedir. [16] Kal tsal mutasyonlar gibi kal tsal genetik de ifliklikler embriyonik veya yetiflkin kök hücrelerinden oluflan belirli kanserlerin oran n artt rmaktad r. Örne in, kal tsal mutasyonlarla iliflkili hedgehog sinyal ileti sisteminin düzenlenmesinin de iflmesi, geliflimsel defektlerin ve bazal hücre karsinomu, medullablastoma, meningioma, fetal rabdomyoma ve emriyonal rabdomiyosarkoma gibi belirli tümörlerin oluflumuna öncülük edebilir. Nöroblastoma, feokromositoma, ependimoblastoma ve pineoblastomay içeren ilksel ( primitive ) nöröektodermal tümörler (PNETs) embriyonik geliflim sürecinde sinir ( nöral ) kök hücreleri gibi nöroektodermal kök hücrelerinden oluflur. Tümörün çok aflamal oluflum sürecinde kanser öncü hücrelerindeki onkogenik de iflikliklere ilave olarak tümörün yerleflim çevresi de bu hücrelerin davran fl n etkileyebilir. Akut miyeloid lösemide en s kl kla gözlenen kromozomal anomali 8;21 translokasyonudur, ki lösemi hücrelerinde AML1-ETO kimerik transkript ile sonuçlan r. Remisyondaki hastadan elde edilen hematopoietik kök hücrelerde (HKH) yap - lan çal flmalarda AML1-ETO transkipti kemik ili- indeki bir k s m normal HKH lerde de bulunmufltur. Bu HKH ve onlar n öncü hücreleri normalde lösemik özelli e sahip de ildirler ve in vitro olarak normal myeloeritroid hücrelere farkl laflabilen hücrelerdir. Bu da translokasyonun normal HKH lerde ortaya ç kt n ve ek mutasyonlar n bu HKH veya öncü hücrelerin lösemiye dönüflmesi için gerekli oldu unu gösterir. Yap lan bu çal flmada, normal HKH ler CD34+CD38-Thy-1y+ sahipken, lösemik blastlar CD34+CD38-Thy- 1 y - sahiptir. Translokasyon, normal HKH ortaya ç kmakta ve takiben ya transformasyona neden olan mutasyonlar Thy-1y- öncü hücresinde ortaya ç - karlar veya HKH hücreleri Thy-1y ekspresyonunu k a y b e d e r l e r. Böylece farkl tipteki lösemiler, 44
Solid tümörlerde ve lösemilerde kanser kök hücreleri Tablo 1 Dokuya özgü kanser kök hücre belirteçleri (markerlar ) Tümör tipi Tümör tipine özgü hücre yüzey belirteçleri Kaynaklar Kolon kanseri ESA + CD44 + [18] Kolon kanseri ESA + CD166 + [18] Kolon kanseri CD133 + [19] Meme kanseri CD44 + CD24 - [6] Dalak kanseri CD44 + CD24 + ESA + [9] Bafl ve boyun kanseri CD44 + [10] Glioblastom CD133 + [8] Medülloblastom CD133 + [8] Melanom CD20 + [1] Over kanseri CD44 + [13] Akut miyeloid lösemi CD34 + CD38 - [16] Prostat kanseri CD133 + CD44 + [16] Multipl miyelom CD138 - [1] Tablo 2 Hücre yüzey belirteçlerinin tan m [20] Hücre yüzey belirteçleri CD24 CD29 CD44 CD49F CD326 CD45 CD31 Ter119 CD140a CD133 CD201 CD166 Nestin Tan m Heat stable antigen, luminal Beta 1 integrin Hyalurinic acid receptor Alfa 6 integrin Epithelial surface antigen (ESA), EpCam Hematopoetik marker Endotelyal marker Hematopoetik marker Stromal marker Prominin-1 PROCR, protein C reseptör Aktif lökosit adezyon molekülü (ALCAM) Intermediate filament HKH de transformasyona sebep olan mutasyonlar n birikiminden oluflur. [2] Dokuya özgü kök hücre belirteçleri Dokuya özgü hücre yüzey belirteçleri kullan - larak kanser tipine özgü kanser kök hücrelerini belirlemek mümkündür. [16,17] Dokuya özgü kök hüce belirteçleri Tablo 1 de ve hücre yüzey belirteçlerinin tan m Tablo 2 de özetlenmektedir. Kanser kök hücreleri ve tedaviye dirençlilik Kanser tedavisinde son y lllarda önemli ilerlemeler kaydedilmektedir. Daha etkili tedavi ve prognostik yöntemlerin gelifltirilmesi klinikte daha erken tedavi olana sa lamaktad r. [16] Günümüzde klinik olarak tan s konmufl farkl kanser 45
Türk Onkoloji Dergisi tiplerinde; lösemi, deri, bafl ve boyun, beyin, akci- er, böbrek, safra kesesi, prostat, meme, over, dalak ve mide-ba rsak sistemi gibi solid tümörlerin en s k kullan lan tedavi yöntemleri, tümör dokusunun cerrahi olarak ç kar lmas, hormonal tedavi, radyasyon tedavisi, radyasyon ve ilaç tedavisi ile birlikte veya yaln z kullan lmas yer almaktad r. Bu klasik tedaviler, tedavinin bafllang ç aflamas nda etkilidir, fakat kanserin invaziv veya metastatik olarak ilerlemesi durumunda genellikle tedaviye dirençlidir ve relaps gözlenmektedir ki ölümle sonuçlan r. [16] Kanserin tekrarlamas kanser hücrelerindeki genetik ve/veya epigenetik de iflikliklerin birikimi ile iliflkilidir. Bu genetik ve/veya epigenetik de ifliklikler kontrolsüz hücre ço almas na, hücrenin yaflamas ve invazyonuna oldu u kadar klinik tedaviye dirençlilikten de sorumludurlar. Kanser hücrelerinde say s z büyüme faktörünün, adenosine 5 -triphosphate (ATP)-binding cassette (ABC) multidrug efflux transporters, antiapoptotik faktörlerin (MYC, Bcl2, NF-kB and survivin) aktivasyonun de iflmesi ve/veya afl r sentezlenmesi kadar tümör bask lay c genlerin (TP53, PTEN) aktivasyonun azalmas veya sentezinin azalmas ilaca dirençlilik ve hastal n relapsi ile ilgili olabilir. [2,16] Tüm farkl kanser kök hücrelerinin limitsiz ço- alma potansiyeli ve di er organlara yay lma ( metastaz ) yetene i vard r. Bu nedenle, kanseri tedavi için kanser kök hücrelerini belirlemek ve hedefleyerek öldürmek gerekmektedir. Kanser kök hücreleri izole edilip tan mlanabildi ine göre, daha etkili olabilecek teflhiste kullan labilecek yeni hücre yüzey belirteçleri ve tedavi hedefleri de bulabilmeliyiz. E er tümör büyümesi ve metastaz küçük orandaki kanser hücreleri taraf ndan sa lan yorsa, bu flu andaki tedavilerin neden baflar s z oldu unu da aç klamaktad r. fiu andaki kullan lan tedaviler gerek birincil ve gerekse metastaz yapm fl tümörün küçülmesini sa lar ve bu etki genelde geçicidir ve hastan n yaflam süresinde önemli bir art fl sa lamaz. Bunu iki flekilde aç klamak mümkündür; birincisi, kanser hücrelerinde tedaviye karfl direnç geliflmesi; ikincisi ise, güncel kullan lan tedavilerin kanser kök hücrelerini etkili bir flekilde öldürmemesidir. Bugün var olan tedavi flekilleri tümör hücre toplulu unu öldürecek flekilde gelifltirilmifltir, çünkü tümörün boyutunu küçültmektedirler. Birçok kanser hücresinin s n rl ço- alma yetene i oldu u için, tümör dokusunun küçülmesi bu hücrelerin öldürüldü ünü göstermektedir. De iflik dokulardaki normal kök hücreler, ayn dokudaki olgun hücre tiplerine göre ilaca daha dirençlidirler. Bunun sebebi bilinmemektedir, ancak anti-apoptotik proteinlerin veya ilaca dirençlilik geni gibi ABC tafl y c lar n n yüksek düzeyde sentezlenmesi ile ilgili olabilir. [2] Ayn durum kanser kök hücreleri için de geçerli ise kanser kök hücrelerinin tümör hücrelerinden ilaca daha dirençli olmalar beklenir. Son zamanlarda farkl tip kanserlerden elde edilen kanser kök hücrelerinin günümüzde kullan lan ilaçlara dirençlilik gösterdikleri bildirilmektedir. Bu da kanserle mücadele etmek için kanser kök hücrelerini öldürecek daha etkili tedavilerin gelifltirilmesi gerekti ini düflündürmektedir. Teflekkür Dr. Etem Akbafl a makaleyi elefltirel de erlendirmesinden dolay teflekkür ederim. Kaynaklar 1. Kakarala M, Wicha MS. Cancer stem cells: implications for cancer treatment and prevention. Cancer J 2007;13(5):271-5. 2. Reya T, Morrison SJ, Clarke MF, Weissman IL. Stem cells, cancer, and cancer stem cells. Nature 2001;414(6859):105-11. 3. Wu XZ. Origin of cancer stem cells: the role of selfrenewal and differentiation. Ann Surg Oncol 2008;15(2):407-14. 4. Cho RW, Clarke MF. Recent advances in cancer stem cells. Curr Opin Genet Dev 2008;18(1):48-53. 5. Bonnet D, Dick JE. Human acute myeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cell. Nat Med 1997;3(7):730-7. 6. Al-Hajj M, Wicha MS, Benito-Hernandez A, Morrison SJ, Clarke MF. Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells. Proc Natl Acad Sci U S A 2003;100(7):3983-8. 7. Singh SK, Clarke ID, Hide T, Dirks PB. Cancer stem cells in nervous system tumors. Oncogene 2004;23(43):7267-73. 8. Singh SK, Hawkins C, Clarke ID, Squire JA, Bayani J, Hide T, et al. Identification of human brain tumour initiating cells. Nature 2004;432(7015):396-401. 9. Li C, Heidt DG, Dalerba P, Burant CF, Zhang L, 46
Solid tümörlerde ve lösemilerde kanser kök hücreleri Adsay V, et al. Identification of pancreatic cancer stem cells. Cancer Res 2007;67(3):1030-7. 10. Prince ME, Sivanandan R, Kaczorowski A, Wolf GT, Kaplan MJ, Dalerba P, et al. Identification of a subpopulation of cells with cancer stem cell properties in head and neck squamous cell carcinoma. Proc Natl Acad Sci U S A 2007;104(3):973-8. 11. Ricci-Vitiani L, Lombardi DG, Pilozzi E, Biffoni M, Todaro M, Peschle C, et al. Identification and expansion of human colon-cancer-initiating cells. Nature 2007;445(7123):111-5. 12. Schatton T, Murphy GF, Frank NY, Yamaura K, Waaga-Gasser AM, Gasser M, et al. Identification of cells initiating human melanomas. Nature 2008;451(7176):345-9. 13. Szotek PP, Pieretti-Vanmarcke R, Masiakos PT, Dinulescu DM, Connolly D, Foster R, et al. Ovarian cancer side population defines cells with stem celllike characteristics and Mullerian Inhibiting Substance responsiveness. Proc Natl Acad Sci U S A 2006;103(30):11154-9. 14. Al-Hajj M, Clarke MF. Self-renewal and solid tumor stem cells. Oncogene 2004;23(43):7274-82. 15. Wicha MS. Cancer stem cell heterogeneity in hereditary breast cancer. Breast Cancer Res 2008;10(2):105. 16. Mimeault M, Hauke R, Mehta PP, Batra SK. Recent advances in cancer stem/progenitor cell research: therapeutic implications for overcoming resistance to the most aggressive cancers. J Cell Mol Med 2007;11(5):981-1011. 17. Ailles LE, Weissman IL. Cancer stem cells in solid tumors. Curr Opin Biotechnol 2007;18(5):460-6. 18. Dalerba P, Dylla SJ, Park IK, Liu R, Wang X, Cho RW, et al. Phenotypic characterization of human colorectal cancer stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A 2007;104(24):10158-63. 19. O Brien CA, Pollett A, Gallinger S, Dick JE. A human colon cancer cell capable of initiating tumour growth in immunodeficient mice. Nature 2007;445(7123):106-10. 20. Woodward WA, Sulman EP. Cancer stem cells: markers or biomarkers? Cancer Metastasis Rev 2008;27(3):459-70. 47