Translationale Tumorbiologie

Translationale Tumorbiologie
Dr. rer. nat. Iris Helfrich
„Vascular Oncology & Anti-angiogenic Therapy in Melanoma"
Skin Cancer Unit of the Dermatology Department
UK Essen
Tumore sind als Organe einzuordnen
The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Angiogenese steuert Tumorwachstum
Tumor angiogenesis: therapeutic implications.
Folkman J.
N Engl J Med. 1971 Nov 18;285(21):1182-6.
Physiologische versus pathologische Angiogenese
Physiologische
Angiogenese
Pathologische
Angiogenese
Therapeutisches Ziel



Embryogenese
Entwicklung des
Eifollikels
Embryo
Implantation
Inhibition
der Angiogenese
Stimulation
der Angiogenesis
Tumorwachstum und
Metastasierung
Psoriasis
Rheumatische Arthritis
Endometriose
 ……..
Wundheilung
Ischemie
Rekonstruktive Chirurgie
 …….
angiogenic switch
Tumorangiogenese
Die Hypothese des “angiogenic switch”
Angiopoietin-2
Endostatin
Angiostatin
IFNs
Fibronectin
IL-1, -4, -10, -12,
-18
TIMPs
.
.
.
VEGF family
FGF family
PDGF
TGF family
Angiogenin
Angiopoietin1/Tie2
TNF-a
IL-8
Nitric oxide
MMPs
.
.
.
Modified from: Hanahan D & Folkman J. Cell. 86:353, 1996
Vaskulogenese versus Angiogenese
1 . Angiogenese:
Entstehung neuer Blutgefäße durch Sprossung bereits existierender Blutgefäße!!
!Wichtig für Prozesse der Tumoretablierung, Tumorprogression, Metastasierung
und im Rahmen pathophysiologischer Erkrankungen!
2. Vaskulogenese:
Entstehung neuer Blutgefäße aus endothelialen Vorläuferzellen!!
-> zirkulierende Stammzellen (Angioblasten) aus dem Knochenmark
! Wichtiger Prozess im Rahmen der embryonalen Entwicklung!
Vaskulogenese versus Angiogenese
1 . Angiogenese:
Entstehung neuer Blutgefäße durch Sprossung bereits existierender Blutgefäße!!
! Wichtig für Prozesse der Tumoretablierung, Tumorprogression, Metastasierung
und im Rahmen pathophysiologischer Erkrankungen!
2. Vaskulogenese:
Entstehung neuer Blutgefäße aus endothelialen Vorläuferzellen!!
-> zirkulierende Stammzellen (Angioblasten) aus dem Knochenmark
! Wichtiger Prozess im Rahmen der embryonalen Entwicklung!
Vaskulogenese
Hemangioblast
„multipotenter Vorläufer“
Angioblast
Endothelzelle
Tumorwachstum mittels „vessel co-option“
Chemotaktischer Gradient steuert EC-Teilung: VEGF
Hypoxie in unterversorgten Tumorarealen
Malignes Melanom
Colon Carzinom
Hypoxie im Colonkarzinom
Grün:
Kappilargefäße
Red: hypoxische
Regionen
VEGF und VEGF-Rezeptoren (VEGFR)
Ferrara N, et al.
Endocr Rev 1997;18:4–25
Biochem. Soc. Trans. (2003) 31, 1171-1177
VEGF Inhibitoren
IL-6
Aktivatoren von VEGF
TGFα
IGF-1
bFGF
PDGF
Hypoxie ↑
COX-2 ↑
NO ↑
Onkogene ↑
H2O2
lösliche
VEGFR
(VEGF-Trap)
VEGF
Anti-VEGF
Antikörper
Anti-VEGFR
Antikörper
(bevacizumab)
(IMC-2C7)
P
P
P
P
VEGFR-1
P
P
P
P
VEGFR-2
Endothelzelle
Small-molecule
VEGFR
Inhibitoren
PTK/ZK
Sorafenib
Sunitinib
-BevacizumabKlinische Studie in Metastatic Colorectal Cancer
BV: Bevacizumab
IFL: Irinotecan (Chemo)
From Ferrara N, Nat Rev Drug Discovery, 2004; Hurwitz et al, NEJM, 2004
VEGF pathway
Bevacizumab
Sorafenib/Sunitinib/ZD6474/PTK ZK
Sorafenib
Biochem. Soc. Trans. (2003) 31, 1171-1177
Perizyten
• mesodermaler Ursprung
• wenig differenzierte kontraktile Zellen des Bindegewebes
• liegen den EC auf
• mittels Gap-junctions mit EC verbunden
• mittels kontraktiler Ausläufer in Basallamina integriert
• Steuerung der Endothelzellproliferation
• Regulation des Gefäßdurchmessers
• Blutfluss Kontrolle
• Regulation der Gefäßpermeabilität
• inhomogene Zellpopulation (Differenzierungsstatus
bestimmt Markerexpression)
Gesundes Gefäßsystem
versus
Maturation factors present2
Less dependent on cell
survival factors1
. ..
.....
Less
. ..
.....
permeable1
Supporting pericytes
present3
Reduced integrin
expression2
.
.......
Tumorgefäßen
..
............ . ... .
... ....... ..
...
..
...........
...
.. ...........
...
Growth and
survival factors
(eg, VEGF)
present1
Leaky1
..
............
...
..
............
...
Preferential
expression of
αvβ3 αvβ5 & α5β1
integrins2
1. Jain. Nat Med. 2001;7:987. 2. Griffioen and Molema. Pharmacol Rev. 2000;52:237.3. Blau and Banfi. Nat Med. 2001;7:532.
Fewer
pericytes3
Perizyten beeinflussen die Effizienz
anti-angiogener Therapie
Das Angiopoietin/Tie System
Ang1:
Ruhendes Epithel
Ang2:
natürlicher Antagoniost von Ang2;
destabilisierende Eigenschaft durch
Bindung an Tie2
Ang3: ?
Ang4: ?
Tie2:
Tie1: ?
bindet Ang1-4
Angiopoietin/Tie System
Ruhendes Gefäß
Ang-1
Ang-2
w/o stimulus
VEGF
activation (inflammation, hypoxia, etc.)
Reaktives Gefäß
Tie2
Ang-2 release:
>EC proliferation
>migration VEGF, FGF, etc.
Angiogenes
Gefäß
EC proliferation (e.g. by VEGF)
EC sprouting
Neovascularization
Ang-2 overexpression
Zirkulierende Ang-2 Level korrelieren
mit Melanomprogression und Gesamtüberleben
***
stage IV
8
Ang-2
GAPDH
Ang-2 ≤1.8ng/ml
Ang-2 >1.8ng/ml
Survival probability
1.0
0.8
Angiopoietin-2 [ng/ml]
stage III
stage II
stage I
RT-PCR
7
***
6
5
4
3
0.6
n=18
0.4
2
n=47
0.2
1
0
0
20
40
60
80
Overall survival [month]
0
control
AJCC I/II AJCC III
AJCC IV
Helfrich et al., Clin Cancer Res., 2009
Das Tumor Microenvironment / Tumorstroma
Figure 13.49 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Fibroblasten
Tumorzellen
Figure 13.3e The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
α-SMA+ Myofibroblasten
Figure 13.3d The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Fibroblasten fördern Tumorwachstum
HMEC: human dermal microvascular
endothelial cells
Figure 13.20 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Makrophagen

Tumorzellen rekrutieren über Sekretion von Zytokinen zirkulierende Monozyten

Colony stimulating factor 1 (CSF-1) bewirkt Differenzierung von Monozyten in
Makrophagen

Makrophagen sezernieren z.B. VEGF und Interleukine -> angiogener Stimulus
Epidermal Growth Factor (EGF) -> mitogener Stimulus für Tumorzellen (EGF-Receptor).

Makrophagen sezernieren MMPs -> Lyse EM zur Tumorexpansion, Auswachsen neuer
Gefäße

Hypoxische Tumorareale rekrutieren Makrophagen zur Gefäßneubildung
Cd11b+ Monozyten/Makrophagen
Figure 13.3f The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Murdoch et al., Nature Reviews Cancer 8,
618-631 (August 2008)
Einfluss myeloider Zellen auf die Effizienz
anti-angiogener Therapie
Murdoch et al., Nature Reviews Cancer 8,
618-631 (August 2008)
Multiple therapeutische Zielstrukturen
The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
1. Resistenzbildung
3. Stammzell-Rekrutierung aus dem Knochenmark
2. Hochregulierung pro-angiogener Faktoren
4. Rekrutierung gefäßstabilisierender Zellen
Potenzial der Anti-angiogenese Therapie
KOMBINATIONSTHERAPIE!!
 Anti-angiogene Therapie + Chemotherapie
 Anti-angiogene Therapie + Zytostatika
 Anti-angiogene Therapie + Strahlentherapie
Benefit von Vascular Targeting + Chemotherapie
im Lungenkarzinom
From Blakey et al. Clin Cancer Res. 2002;8:1974-1983
Spontanes Melanommodell
Vorteile :
• “natürliche” Tumormorphologie und Entwicklung
• “natürliche” Tumorangiogenese
• spontane Metastasierung
• “natürlich” stimuliertes Immunsyste
• Kein Entzündungsreiz durch Tumorzellinjektion
(Xenograft, Transplantationsmodell)
Phenotyp MT/ret transgener Mäuse:
•
•
•
Entwicklung multipler Tumore ab einem Alter von
2-Wochen
Entstehung multiple Tumore
metastasierung in Lymphknoten (100%) und Milz
(80%)
Melanoma
Tyrosinase/PI
Lymph node
Spleen
TRP-1/PI
gp-100/PI
Gestörte Perizytenreifung in angiogenen Tumoren
A
A
Pericyte coverage
[%+/-SD]
lectin/desmin
B
CD31
NG-2
Desmin
100
B
4x
PDGFR-β
α-SMA
***
lectin/SMA
50
0
High-angio.
Low-angio.
4x
Anti-VEGF Therapie resultiert in Inhibierung
maligner Melanome
Vehicle
PTK/ZK
60
***
Number of tumors
100
20
0
Start
End
Vehicle
PTK/ZK
Tumor volume [mm³]
6
NaCl treatment
PTK/ZK treatment
Flat-panel VCT
4
2
0
End
Schwach vaskularisierte Tumore zeigen Therapieresistenz
Kontrollbehandlung
CD31
Anti-VEGF-Therapie (PTK/ZK)
Ausgereiftes Netzwerk in
Avastin-resistenten humanen Melanommetastasen
Klinische Studie AVAST-M (UK)
w/o therapy
αSMA
CD31
bevacizumab
Dr. rer. nat. Iris Helfrich
[email protected]
„Vascular Oncology & Anti-Angiogenic Therapy in Melanoma“
Skin Cancer Unit of the Dermatology Department