Nachgewiesene Existenz von Krebsstammzellen • Vyacheslav Kalinin • Science News zu "Elementen" • Onkologie

Nachgewiesene Existenz von Krebsstammzellen

Mögliche Krebstherapien. Die RSC-Theorie legt nahe, dass ein Tumor aus Krebsstammzellen besteht (gelb) und differenzierte Zellen (blau). Wenn Sie Krebs mit einer Standard-Chemotherapie behandeln (Unterseite des Diagramms) können die Stammzellen überleben und der Tumor wird wieder wachsen. Wenn die Therapie auf die Zerstörung von Stammzellen abzielt (Spitze des Diagramms), dann wird der Tumor keine Wiederholung geben. Bild von en.wikipedia.org

Gegenwärtig gibt es zwei Haupttheorien für die Entwicklung von Krebs. In einer davon sind alle Krebszellen mehr oder weniger gleich und jeder von ihnen kann das Tumorwachstum unterstützen. Auf der anderen Seite gibt es einen begrenzten Pool von spezifischen Krebsstammzellen, die Vorläufer anderer Zellen sind und für die Bildung und das Wachstum eines Tumors verantwortlich sind. Drei unabhängige Forschungsgruppen verfolgten erstmals das Schicksal einzelner Tumorzellen in vivo – im Körper von Labormäusen – und erhielten Beweise aus der zweiten Theorie.

Stammzellen sind spezielle Populationen gesunder Zellen, die sich teilen können.Sie teilen sich, und einige von ihnen bleiben Stamm, und der andere Teil verwandelt sich in Tochterzellen, die sich weiter teilen und in Zellen bestimmter Gewebe differenzieren. So sind die Gewebe aktualisiert (mehr über Stammzellen finden Sie in den Nachrichten Nobelpreis für Physiologie oder Medizin – 2012, "Elements", 10.10.2012; Hämatoglykämie-Barriere ist nicht gebrochen, aber aktualisiert, "Elements", 09.10.2012). Manchmal läuft jedoch etwas schief und ein Körper von unkontrollierbaren (und in der Regel sehr oft) sich teilenden Zellen erscheint im Körper. So entwickelt sich ein bösartiger Tumor.

Wie ist dieser Tumor? Es gibt zwei Haupttheorien.

In der ersten sind alle Tumorzellen mehr oder weniger äquivalent und gleichermaßen für das Wachstum des Tumors verantwortlich.

Nach der zweiten Theorie ist der Tumor wie gesundes Gewebe organisiert: Er hat eine begrenzte Anzahl von Stammzellen (sie heißen "Krebsstammzellen" oder CSC). Der Teil der geteilten Zellen bleibt Stamm, und der andere Teil teilt sich weiter und differenziert sich allmählich. Sie bilden den Großteil des Tumors.

Diese zweite Theorie sieht äußerst attraktiv aus: Wenn RSK wirklich existieren,es ist genug, sie zu zerstören, und der Patient wird kein Wiederauftreten des Tumors haben.

In der RSC-Theorie gibt es bisher jedoch mehr Fragen als Antworten. Woher kommen diese geheimnisvollen RSKs, aus welchen Zellen entwickeln sie sich – aus Stamm oder differenziert? Wie groß ist der Anteil von RAC im Tumor – denn wenn dieser Anteil groß ist, dann macht es keinen Sinn, sich auf den RAC per se zu konzentrieren. Sind sie gleichmäßig im Tumor verteilt oder werden sie (wie normale Stammzellen in gesundem Gewebe) an einem Ort gesammelt? Kann eine differenzierte Tumorzelle wieder zu einem RAC werden? Und so weiter und so fort.

Viele Fakten sprechen für die RAC-Theorie.

Erstens, die schlechte Fähigkeit von Krebszellen zu transplantieren. Eine der wichtigsten Methoden in der Krebsforschung ist die Transplantation von Tumoren in Tiere (meist Mäuse). Damit der Tumor "Wurzeln schlagen" kann, müssen mehrere tausend bis mehrere zehntausend Zellen transplantiert werden. Warum so viel? Liegt es daran, dass nur sehr wenige dieser Zellen Stammzellen sind und Nachwuchs in einem neuen Organismus produzieren können?

Zweitens, die phänotypische Heterogenität von Tumorzellen – mit anderen Worten, das Vorhandensein von differenzierten und undifferenzierten Zellen im selben Tumor.Sind das die undifferenziertesten Zellen die gewünschten CSCs?

Schließlich wurde drittens kürzlich gezeigt, dass sich Metastasen aus keiner Zelle eines Krebstumors, sondern nur aus einigen, in den frühen Stadien des Tumorwachstums entwickeln (siehe Bösartige Tumore und ihre Metastasen wachsen nicht nur, sondern verändern sich auch aktiv unabhängig voneinander). , "Elemente", 25.04.2012). Vielleicht sind "metastatische" Krebszellen die gleichen RAC oder ihre nächsten Nachkommen, die "verloren gegangen" sind, sich vom Primärtumor losgelöst haben, an einem neuen Ort "aufgegriffen" haben und somit einen sekundären Tumor entstehen ließen.

Darüber hinaus wurden mehrere direkte Beweise für die Existenz von CSCs bei bestimmten Krebsarten, von Leukämie bis Melanom, erhalten. Diese Beweise wurden jedoch durch "schmutzige Methoden" erhalten, dh solche, die die Prozesse, die in einem realen Organismus ablaufen, ernsthaft verzerren können: zum Beispiel durch Arbeiten an Zellkulturen oder durch Transplantation von Tumoren in immundefiziente Mäuse.

Mit einem Wort, ein substanzieller Beweis für die Existenz der RSK war notwendig. Und schließlich wurden sie empfangen. Drei unabhängige Gruppen von Forschern konnten zeigen, dass mindestens drei Arten von Tumoren – Glioblastom,Papillom und Karzinom der Haut und des Darminadenoms – entwickeln sich aufgrund von Stammzellen.

Beginnen wir mit Glioblastom – einem extrem aggressiven bösartigen Gehirntumor. In früheren Studien an Mäusen wurde gezeigt, dass Glioblastome – maligne Astrozytomgliome – aus neuralen Stammzellen entstehen. Dies legte nahe, dass die Vorfahren des Tumors neurale Stammzellen waren, die infolge einiger Veränderungen in RAC umgewandelt wurden.

Abb. 1. Stammzellen (grün) unter anderen Zellen (deren Kerne gefärbt sind) blau) in zwei verschiedenen malignen Gliomen. Es zeigt sich, dass bei verschiedenen Tumoren die Anzahl der Stammzellen unterschiedlich ist. Bild von Jian Chen et al Natur

Um diese Hypothese zu überprüfen, war es notwendig, "natürliche", anstatt transplantierte Tumore zu untersuchen, sowie neurale Stammzellen in ihnen zu markieren. Dafür entwickelten die Forscher eine spezielle Linie von Mäusen, in der sich zum einen maligne Gliome mit einer hundertprozentigen Wahrscheinlichkeit entwickelten und zum anderen ein komplexes genetisches Konstrukt vorlag Nes-ΔTK-GFP. Dieser Entwurf hatte drei bemerkenswerte Eigenschaften.Erstens wurden seine Gene nur in neuralen Stammzellen und nirgendwo sonst exprimiert. Zweitens enthielt es das leuchtende GFP-Protein-Gen, das bewirkt, dass seine exprimierenden Zellen grün leuchten, wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Schließlich trug drittens das Herpesvirus Thymidinkinasegen. Die Zelle, die dieses Gen exprimiert, stirbt unter der Wirkung des Herpes-Medikaments Ganciclovir, das für Zellen, in denen dieses Gen nicht vorhanden ist, völlig harmlos ist.

Dank dieses Designs können die Forscher neurale Stammzellen leicht von allen anderen unterscheiden, indem sie sie einfach mit dem Licht der gewünschten Wellenlänge beleuchten und diese Zellen auch schnell selektiv töten, ohne andere zu berühren.

Zuerst haben die Forscher einfach untersucht, welche Zellen in den bei Mäusen entwickelten Gliomen grün leuchten. Es stellte sich heraus, dass es einerseits solche Zellen in den Tumoren gibt und andererseits relativ wenige (Abb. 1). Das heißt, die ursprüngliche Idee, dass ein Tumor von Stammzellen stammt und dass es eine begrenzte Anzahl dieser Stammzellen in einem Tumor gibt, hatte ein Existenzrecht.

Dann entschieden die Forscher herauszufinden, wie der Tumor nach der Chemotherapie wieder wächst.Temozolomid wurde als Chemotherapie verwendet, wobei selektiv nur sich teilende Zellen getötet wurden. Da der Tumor nach der Behandlung mit Temozolomid immer noch wächst, ist es offensichtlich, dass die Zellen, die während der Behandlung, nach dem Ende der Chemotherapie, überlebten, beginnen sich aktiv zu teilen und zu einem neuen Tumor zu führen. Die ganze Frage war, welche Art von Zellen sie waren, und die Ergebnisse der Experimente zeigten deutlich, dass diese Zellen Stammzellen waren (Abb. 2).

Abb. 2 Oben: Dynamik der Zellteilung in einem Tumor. Es ist ersichtlich, dass nach der Chemotherapie neue Tumorzellen aufgrund der Teilung von Krebsstammzellen auftreten, und die gleiche Zelle kann sich zu verschiedenen Zeitpunkten teilen. GFP-Protein markiert Stammzellen; CldU-synthetische Nukleoside (Chlorodesoxyuridin) und IdU (Deodoxyuridin-Jod) markieren die Zellen, die sich in Periode 1 bzw. Periode 2 teilen. Pfeile Zeige die gleichen Zellen in verschiedenen Bildern. Bild aus dem diskutierten Artikel Jian Chen et al. in der Natur.
Unten: vorübergehendaIch bin der Maßstab des Experiments. Am nächsten Tag und drei Tage nach der fünftägigen Chemotherapie wurden den Mäusen CldU und IdU injiziert, die nur während der Teilung von Zellen "aufgefressen" wurden.Bild nach der Beschreibung aus dem Artikel Jian Chen et al. in der Natur

Nun ist es an der Zeit, einen weiteren Teil des verwendeten genetischen Konstrukts zu verwenden, mit dem selektiv neurale Stammzellen abgetötet werden können. Wenn diese Zellen die Vorfahren des Tumors sind, dann wird ihre Zerstörung es den Tumoren nicht erlauben, sich zu entwickeln und es armen Mäusen zu erlauben, ein wenig länger zu leben. So kam es (Abb. 3): obwohl bei Mäusen viele Störungen aufgrund der Abwesenheit von neuralen Stammzellen entwickelt wurden, aber wenn sie erschienen, hatten sie weniger Tumoren in der subventrikulären Zone, sie waren viel weniger ausgeprägt als bei Kontrollmäusen.

Abb. 3 Mäuse, deren neurale Stammzellen durch Ganciclovir getötet wurden (grünes Diagramm) zeigten eine bessere Überlebensrate als die Kontrollen (schwarzer Graph), die schnell an entwickelten Tumoren starb. Entlang der horizontalen Achse – Zeit in Tagen nach dem Einsetzen von Ganciclovir. Bild von Jian Chen et al Natur

Um es zusammenzufassen In dieser Studie wurde gezeigt, dass Glioblastome aus einer limitierten Population von CSCs stammen, die wiederum aus neuralen Stammzellen stammen, und dass eine frühe Zerstörung dieser neuralen Stammzellen dazu beiträgt, eine Tumorentwicklung zu verhindern.

Nun wollen wir sehen, was eine andere Gruppe von Forschern entdecken konnte, die die Papillome und die daraus entstehenden Plattenepithelkarzinome untersuchten.

Diese Wissenschaftler arbeiteten auch an mutierten Mäusen, deren Zellen das genetische Konstrukt K14CREER / Rosa-YFP enthielten, das Hautstammzellen und ihre Nachkommen dazu brachte, YFP-Protein mit gelbem Licht zu leuchten, wenn Tamoxifen Mäusen injiziert wurde. (Diese Technik wird als Fate-Mapping bezeichnet und wird durch das CreER-Lox-System erreicht, das zum Beispiel in den Nachrichten beschrieben wird. Um das Rett-Syndrom zu verhindern, müssen Sie die Expression des MeCP2-Proteins konstant unterstützen, "Elements", 13.07.2011). Durch die Wahl einer ausreichend niedrigen Konzentration von Tamoxifen können nur wenige Stammzellen zum Leuchten gebracht werden, denn wenn zu viele Zellen gleichzeitig leuchten, wird das Bild übersät und es wird schwer zu verstehen, was dort passiert.

Jetzt war es notwendig, die Entwicklung von Hauttumoren bei Tieren zu induzieren. Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…3/index.html Um dies zu erreichen, behandelten die Wissenschaftler arme Mäuse mit zwei starken Mutagenen, die die Entwicklung von gutartigen Tumoren auf der Haut – Papillome verursachten, von denen einige dann in bösartige Plattenepithelkarzinome umgewandelt wurden (vglPlattenepithelkarzinom).

Nach der Untersuchung der resultierenden Papillome fanden die Forscher heraus, dass der Tumor aus Zellen in der Basalschicht dieser Tumoren stammt, genau dort, wo sich das Depot normaler Stammzellen in der gesunden Haut befindet. Ein Teil der resultierenden Tochterzellen teilt sich weiter und differenziert sich unter Bildung eines Tumors, während der andere an seinem Platz verbleibt und die "Stamm" -Eigenschaften beibehält (Fig. 4). Kurz gesagt, die Organisation des Papilloms ist der für gesunde Haut sehr ähnlich – alle Zellen scheinen sich an ihre Rolle zu "erinnern": sie teilen, differenzieren. Aus diesem Grund gibt es im Papillom alle Schichten, die in normaler Haut vorkommen. Allerdings ist das Verhältnis der Zellen in diesen Schichten gestört, und der natürliche Verlust von Zellen ist viel geringer als der "Zellgewinn" – und daher wird ein Tumor anstelle von gesundem Gewebe gebildet.

Abb. 4 Zwei linke Bilder: Spaltungen, die mit Papillom-Stammzellen auftreten, innerhalb von 6 Tagen nachdem YFP in ihnen exprimiert wurde. Das β4-Integrin-Protein (β4) markiert die basale Schicht der Epidermis, YFP – einige Stammzellen und ihre Nachkommen, und die EdU-Thymidin-Analogon – Zellen, die geteilt wurden. Es ist ersichtlich, dass beim Papillom nur die in der Basalschicht befindlichen Zellen geteilt sind, darunter auch einige der markierten Stammzellen (gezeigt) weiße Dreiecke).Da nicht alle Stammzellen in dieser Technik markiert wurden, sondern nur ein kleiner Teil von ihnen, exprimieren einige der geteilten Zellen kein YFP, jedoch sind sie offensichtlich immer noch Stammzellen.
Die zwei richtigen BilderDifferenzierung und Migration, denen die Nachkommen von Stammzellen 14 Tage lang ausgesetzt sind, nachdem YFP in ihnen zum Ausdruck kam. Keratin 10 (K10) Protein markiert differenzierte Zellen. Man sieht, dass viele Nachkommen der Stammpapillomzelle die basale Schicht verlassen und zu den oberen Schichten der Epidermis gehen, wobei sie sich allmählich differenzieren.
Maßstabsleiste Länge 50 Mikrometer. Bild aus diskutiertem Artikel Gregory Driessens et al. in der Natur

Was passiert mit Papillomen weiter? Die Forscher fanden das innerhalb weniger WochenungefährDie meisten Stamm-Papillomzellen differenzieren sich allmählich und verlieren ihre Stammeigenschaften. Doch die Zellen, die sich noch teilen können, beginnen sich immer "ungezügelter" zu verhalten: Sie teilen sich oft und geben manchmal mehrere tausend Nachkommen auf; manchmal bilden Nachkommen von nur einer Stammzelle den gesamten Tumor.Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit, wie auch in der vorherigen, gezeigt, dass die gleichen Zellen bei Papillomen einer Teilung unterliegen – was eine weitere Bestätigung dafür ist, dass Stammzellen die Vorfahren dieser Tumore sind.

Bei bösartigen Plattenepithelkarzinomen, die sich aus Papillomen entwickeln, wurden auch Klone einzelner Zellen nachverfolgt. Der Unterschied zu Papillomen bestand darin, dass sich zum einen in Karzinomen mehr Teilungszellen befanden und diese aktiver geteilt waren, zum anderen, dass die Differenzierungsprozesse in diesen Tumoren stärker gestört waren und die terminal differenzierten Zellen viel weniger ähnlich waren mit normal differenzierten gesunden Hautzellen.

Zusammenfassend für diese Arbeit. Hier wurde gezeigt, dass bei der Bildung von Papillomen und Plattenepithelkarzinomen Stammzellen eine wichtige Rolle spielen, die sich (zumindest anfänglich) in dem Bereich befinden, in dem sich normale Stammzellen gesunden Gewebes befinden.

Lassen Sie uns abschließend sehen, welche Ergebnisse die dritte Gruppe von Forschern erzielt hat.

Für ihre Arbeit verwendete diese Gruppe eine Mutantenlinie von Mäusen, die für die Entwicklung von gutartigen Darmtumoren – Adenomen prädisponiert war.Um die Entwicklung dieser Adenome zu untersuchen, verwendeten die Forscher die eleganteste Modifikation der oben beschriebenen Methode der Schicksalskartierung, bekannt als Konfetti. Mit dieser Technik wird Tamoxifen zweimal in Mäuse injiziert: Die erste Injektion bewirkt, dass die intestinalen Stammzellen in einer von vier Farben (rot, blau, grün oder gelb) leuchten und die zweite in die andere. Und wenn die Zelle nach der ersten Injektion rot leuchtet, dann beginnt sie nach der zweiten blau zu leuchten und umgekehrt, und das gleiche gilt für gelbe und grüne Farben.

Somit ermöglicht diese Technik zu studieren Dynamik Entwicklung von Stammzellen und deren Nachkommen. Nehmen wir an, mit der ersten Tamoxifeninjektion haben wir eine Maus-Darmstammzelle in etwa rot gefärbt. Nachdem wir genügend Zeit darauf gewartet haben, dass diese Zelle viele Male die Zellteilung durchläuft und viele Nachkommen gibt, injizieren wir wieder Tamoxifen-Mäuse. Diese Nachkommen unserer roten Zelle, die differenziert sind und ihre Stammeigenschaften verloren haben, bleiben rot. Diejenigen jedoch, die ihren "Stamm" behalten haben, werden ihre Farbe zu Blau ändern und die gleiche Farbe wird allen ihren Nachkommen gegeben.So können wir nicht nur alle Nachkommen einer bestimmten Zelle sehen, sondern auch das weitere Schicksal dieser Nachkommen verfolgen – welche von ihnen unterschieden, welche Stamm geblieben sind, wo beide sich befinden, und so weiter.

Mit dieser Technik führten die Forscher eine große Reihe von Experimenten durch und fanden heraus, dass mit der Entwicklung von Adenomen auch Stammzellen eine entscheidende Rolle spielen. Gleichzeitig differenzieren sich einige der Nachkommen dieser Stammzellen zum Hauptteil des Tumors, während der andere, relativ kleine Teil, der sich gerade in dem für normale Darmstammzellen charakteristischen Bereich befindet, die Stammeigenschaften beibehält und sich weiter teilt und den Tumor ernährt (Abb. 5) ). Daher sind die Ergebnisse dieser Studien trotz einer anderen Technik und einer anderen Tumorart den Ergebnissen der beiden vorhergehenden Gruppen sehr ähnlich.

Abb. 5 Das Studium der Dynamik der Entwicklung von Adenomen mit der Technik der "Konfetti". Nach der ersten Tamoxifen-Injektion wurden die Stammzellen in einer von vier Farben "bemalt". Dann wurden diese Zellen für 24 Tage geteilt und führten zu einem Tumor. Danach wurde den Mäusen ein zweites Mal Tamoxifen injiziert,infolgedessen änderten sich diejenigen von den Nachkommen der "bunten" Zellen, die Stammeigenschaften behielten, die Farbe und wechselten von Rot zu Blau (und umgekehrt) und von Gelb zu Grün (und umgekehrt). Diese neue Farbe übertrugen diese Zellen an alle ihre Nachkommen. Man sieht, dass die Stammzellen nur in einem bestimmten Bereich des Adenoms lokalisiert sind; einige ihrer Nachkommen migrieren und verlieren aufgrund von Differenzierung ihre Fähigkeit sich zu teilen. Bild aus der Diskussion von Arnout G. Schepers et al Wissenschaft

Also, in diesen drei Arbeiten bewiesen die Existenz von Stammzellen in drei Arten von Tumoren. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass pathologische Stammzellen aus normalen Stammzellen der jeweiligen Gewebe stammen. Natürlich möchte ich diese Ergebnisse sofort auf die gesamte Onkogenese im Allgemeinen extrapolieren und schnell damit beginnen, die Mittel zu entwickeln, die selektiv die RSK zerstören. Es ist jedoch durchaus möglich, dass alles nicht so einfach ist. Vielleicht sind CSCs nur für bestimmte Arten von Krebs kritisch. Darüber hinaus kann es auch sein, dass die in den diskutierten Arbeiten erzielten Ergebnisse nur einen bestimmten Fall der Onkogenese darstellen und das reale Bild viel verwirrender erscheint.Zum Beispiel ist es möglich, dass differenzierte Krebszellen so leicht in den Stammzustand zurückkehren können, dass es nicht sinnvoll ist, sich auf die Zerstörung des RAC zu konzentrieren. Oder es kann sich zum Beispiel herausstellen, dass nicht nur normale Stammzellen, sondern auch normal differenzierte Zellen zu CSCs werden können – nur für Stammzellen ist dieser Weg kürzer. Selbst die Methoden, die in diesen Studien verwendet werden, obwohl sie viel "sauberer" sind als diejenigen, die verwendet werden, um die Existenz von Stammzellen früher zu beweisen, können das tatsächliche Bild des Auftretens von Krebs noch etwas verzerren. Dennoch sind die Daten äußerst inspirierend. Es ist klar, dass die RGCs in naher Zukunft intensiv erforscht werden und dass die Ergebnisse dieser Studien äußerst interessant sein werden.

Quellen:
1) Jian Chen, Yanjiao Li, Tzong-Shiue Yu, Renée McKay, Dennis K. Burns, Steven G. Kernie, Luis F. Parada. Eine eingeschränkte Zellpopulation vermehrt das Glioblastomwachstum nach der Chemotherapie // Natur. V. 488. P. 522-526.
2) Gregory Driessens, Benjamin Beck, Amélie Caauwe, Benjamin D. Simons, Cédric Blanpain. Definieren der Wachstumsweise durch klonale Analyse Natur. V. 488. P. 527-530.
3) Arnout G. Schepers, Hugo J. Snippert, Daniel E. Stange, Maike van den Born, Johan H. van Es, Marc van de Wetering, Hans Clevers. Abstammungsverfolgung zeigt Lgr5 + Stammzellaktivität in Maus-Intestinaladenomen // Wissenschaft. V. 337. P. 730-735.

Vyacheslav Kalinin


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