Réz Gábor

A daganatok érrendszere





A sejtburjánzás egyetlen, genetikailag megváltozott testi sejt osztódásai révén alakul ki. Életműködéséhez nélkülözhetetlen az oxigén, melyet a szöveteknél a velük teljes összhangban növekvő, differenciálódó, és az őket kellő sűrűséggel behálózó hajszálérrendszer biztosít. A daganatszövet kezdeti fejlődését azonban nem kíséri saját kapillárisrendszer kialakulása, ezért a néhány mm átmérőt elért kezdemény fejlődése leáll. Csak akkor növekedhet tovább, ha valamely sejtje képessé válik arra, hogy az oxigénhiányra válaszképpen a kapillárisfejlődést (angiogenezist) beindítani képes faktor(ok)at kezdjen termelni. Ez az angiogenikus átkapcsolás a daganatok rosszindulatúvá válásának, korlátlan növekedésének egyik alapfeltétele. Ezért vált az érképződés gátlása ma a rákellenes kutatás egyik legfontosabb irányává. Bontakoznak már az angiogenezis serkentésének felhasználási lehetőségei is a sejt-, szövet- és szervpótlást igénylő gyógyítási eljárásokban.
 
 

A sejtek növekedéséhez, osztódásához nélkülözhetetlen a gázcsere: az oxigén felvétele és a szén-dioxid leadása. Ahhoz ugyanis, hogy a sejt központi energiatároló anyaga, az adenozin-trifoszfát (ATP) termelődjön, sejtlégzés szükséges. Ez érvényes az egyébként gyakran átrendeződött anyagcseréjű daganatsejtekre is. A rosszindulatú daganatok mikroszkópos vizsgálatai alapján régóta ismert, hogy e kóros szöveteket a legtöbb esetben hajszálérhálózat (kapillárisrendszer) járja át, eredetét azonban csak sajátos kísérleti rendszerekben lehetett felderíteni. Olyanokban, ahol szinte a daganatfejlődés (tumorprogresszió) kiindulópontjától, vagyis az első rosszindulatúan elváltozott sejt megjelenésétől kezdve követni lehet a belőle kialakuló rákos szövet növekedésének történéseit. Az első ilyen kísérleti rendszer félig-meddig véletlenül jött létre egy amerikai kutató, Judah Folkman laboratóriumában 1962-ben. Folkmanék éppen a szervátültetéseket megalapozó biológiai kutatásokat végeztek állatokból elkülönített szerveken, melyeket az érrendszerükön keresztül áramoltatott különböző összetételű folyadékokkal igyekeztek életben tartani a szervezeten kívül. Felvetődött a kérdés: lehetséges-e növekedés az ilyen izolált és átáramoltatott szervben? Ennek eldöntésére egérmelanóma (rosszindulatú pigmentsejttumor) sejteket juttattak izolált kutyapajzsmirigy keringésébe. A sejtek a szervben megtelepedtek, a daganatfejlődés megindult, de kisvártatva, amint az apró daganatok elérték az 1-2 milliméteres átmérőt, növekedésük leállt. A szövettani vizsgálatok azt mutatták, hogy a kisméretű tumor érhálózata nem alakult ki. Hasonló eredmények születtek olyan más kísérleti rendszerekben is, ahol a beültetett daganat érmentes szövetben, például a nyúl látószervének elülső szemcsarnokában fejlődött. Az eredményekből két fontos következtetést vontak le. Egyrészt azt, hogy érképződés (angiogenezis, görögül: angeion=ér, vérér) nélkül a daganatnövekedés gátolt lehet, másrészt, hogy a növekedés egy határ után angiogenezis-függő. Ezt követően a Folkman-laboratórium úttörő munkát végzett a kapillárisnövekedés sajátosságainak megismerésében.

Az érképződés mind az egyedfejlődés folyamán, mind a felnőtt szervezetben szigorúan szabályozott folyamat. Sebesülés utáni regenerációban, vagy tengerszint feletti nagy magasságokban, tehát alacsony oxigénkoncentráción fordul elő, míg nőkben e mellett megfigyelhető a nemi ciklus során, a petesejt kilökődése után a sárgatestté alakuló tüszőben, vagy a menstruáció után az újraalakuló méhnyálkahártyában. Ezekben az esetekben azonban az érképződés meghatározott idő után leáll. Miként képes a daganat ezeket a szigorú szabályokat áttörni úgy, hogy a tumor-angiogenezis beinduljon és folyamatos legyen?

Mindenekelőtt meg kellett vizsgálni a kapillárisnövekedés folyamatát. E célra kezdetben a nyúl szemének ereket nem tartalmazó szaruhártyáját használták. A közepébe kis zsebet metszettek, melybe érmentes daganatmintákat, vagy tumorkivonatokat helyeztek. Ha a sejtburjánzás angiogenezist serkentő anyagokat termelt, ezek molekulái diffúzióval eljutottak a dúsan erezett szivárványhártyához, ahol aktiválták a kapillárisokat, melyek az inger irányába, vagyis a szaruhártya középpontja felé kezdtek növekedni. Mivel a szaruhártya átlátszó, időben követhetőek voltak az események, például mérni lehetett a kapillárisnövekedés sebességét. Különböző időkben vett elektronmikroszkópos minták vizsgálatával leírták a kapillárisnövekedést.

1. ábra. A legegyszerűbb kapilláris keresztmetszetének elektronmikroszkópos képe
(C– citoplazma, L – a kapilláris ürege (lumene), N – a sejtmag (nukleusz), S  – sejtkapcsolat)

Az új hajszálerek azokból a legkisebb átmérőjű erekből fejlődnek, melyeknek falát csupán endotéliumsejtek (belhámsejtek) alkotják és nem csatlakoznak hozzájuk a szövet felől simaizomsejtek vagy kötőszöveti réteg (1–2. ábra). Az endotéliumsejtek az erek üregét borító laphámsejtek, melyek a hajszálerezet szakaszán képesek önmagukban feltekeredve zárt csövet alkotni. A hajszálérhálózat úgynevezett mikrovéredényeit ilyen egysejtből formált csövek sorbakapcsolódása hozza létre (2. ábra). Az endotéliumsejtek külső felületéhez, mint minden hámsejt úgynevezett alapi pólusához, kollagén rostocskákból és glikoprotein-hálózatból felépült alaphártya (bazális lamina) csatlakozik. Ez a struktúra a hámsejtek terméke. Fő funkciója az, hogy a hámot elhatárolja az alatta lévő kötőszövettől (1. ábra). Az alaphártyát csak meghatározott esetekben léphetik át sejtek, miközben azt az áthatolás helyén enzimatikusan elbontják. Ez történik például gyulladásos reakcióban, amikor fehérvérsejtek lábalhatnak át (diapedézis) az endotéliumon akár az ér üregébe, akár az érből a környező kötőszövetbe.
 


2. ábra. A legegyszerűbb kapilláris felépítése

A tumorérképződés kezdetén a daganatsejtek által kibocsátott inger egyes endotéliumsejteket arra aktivál, hogy fehérjebontó enzimeket (proteinázokat) kezdjenek termelni, melyek segítségével helyileg elbontják (degradálják) az alaphártyát, majd kinyomakszanak az érfalból (3. ábra). Az endotéliumsejt ezután haladási irányában a hám alatti kötőszövet alapállományát, a sejtközötti állományt (extracelluláris mátrixot) is degradálja, így teremtve helyet az inger irányába történő haladásának és osztódásainak. A szövetekben migráló sejtekre (pl. fehérvérsejtekre, de a rákos sejtekre is) jellemző ez a – bányászati hasonlattal élve – „vágathajtó” előrehaladási mód. Az inger irányában haladó sejt, valamint utódai közben osztódnak. Az egymás után sorakozó sejtek végül is lineárisan csatlakoznak egymáshoz, és egy húrt alkotnak, majd csővé záródva kialakítják az ér üregét. Egy-egy ilyen növekmény (sarj vagy hajtás) vége összetapad és kapillárishurkot képez. Ezután minden hurokból új sarjak képződnek és kialakul az új kapillárishálózat. A kapillárisok sejtjei új alaphártyát alakítanak ki. Az 1980-as évek közepe óta az ilyen típusú angiogenezist endotéliumsejt-kultúrában (in vitro) is reprodukálni lehet. Élő állatokban leírtak olyan lehetőséget is, melynek során a kapillárisból eleve integráltabb módon, vakon végződő cső formájában növekszik ki a sarj.

3. ábra. Az angiogenezis lépései

Amint a növekvő hajszálérhálózat eléri a növekedését indukáló daganatsejteket, melyek ezáltal már elegendő légzési oxigénhez jutnak, a tumorsejtek osztódni kezdenek, miközben a kapillárisokra rendeződnek. Hosszukban növekvő mikroszkopikus hengereket formálnak az erek mentén. E hengeres sejtcsoportok átmérője 150-200 µm. Ezt az értéket az szabja meg, hogy az erekből diffundáló oxigén koncentrációja mekkora távolságban csökken a növekedést gátló kritikus értékre. Ha az érhálózat elég sűrű, akkor ez lehetőséget ad tömör szerkezetű (szolid) daganatok felépülésére is. Mind az állatkísérletek, mind a betegekből nyert daganatminták vizsgálata szerint egyértelműen bizonyított, hogy a rosszindulatú daganat korlátlan növekedésének egyik előfeltétele a tumor-angiogenezis beindulása. A stagnáló daganat csak akkor növekedhet tovább, ha az érképződést serkentő molekulákat kezd termelni (angiogenikussá válik) és ezáltal mikroerezethez jut. A jelenséget angiogenikus átkapcsolásnak (angiogenic switch) nevezik.

Az egészséges szövetekben a sejteket a sejtmembrán meghatározott sejtkapcsoló, úgynevezett tapadó fehérjemolekulái (az adhéziós molekulák) kapcsolják egymáshoz és a sejten kívüli állományhoz. A rosszindulatú daganatok sejtjeinek egyik jellemzője, hogy az ilyen adhéziós kapcsolataik a szomszédos daganatsejtekkel megszűnnek (a kapcsolófehérjék lecserélődnek), és a tumorsejtek kiszabadulhatnak a daganatszövetből. Ha ráadásul még helyváltoztatásra is képessé válnak, akkor behatolnak (invázió) a helyi kötőszövetbe, a már említett módon enzimatikusan bontva annak alapállományát. A leginkább invazív ráksejtek képesek átlépni a kapilláriserek falán is, majd a vérárammal eljutni a távoli szövetekbe, ahol az érből kilépve megtelepedhetnek, osztódásnak indulhatnak (4. ábra). Ezt az áttelepülést, valamint az így létrejövő másodlagos daganatot nevezik áttételnek vagy áttétnek (metasztázisnak).

4. ábra. A hámeredetű rosszindulatú daganat fejlődésének lépései. A keringés közvetítésével szétszóródott sejtekből keletkezett mikrometasztázisok további növekedéséhez is alapfeltétel a tumor-angiogenezis

Folkman eredeti kísérletei nem voltak mások, mint a metasztázis modellezése, hiszen mesterségesen áttelepített sejtekből képződött tumorok tulajdonságait vizsgálta. Az újonnan keletkezett kisméretű daganatokra (mikrometasztázisokra) is jellemző, hogy kapillarizáció hiányában növekedésük szünetel.

Érhető tehát, hogy az angiogenezis szabályozásának ismerete rendkívül fontossá vált az orvostudomány számára, hiszen specifikus hatóanyagokkal kivitelezett gátlása ígéretes metasztázisgátló kezelés lehetne, tekintettel arra, hogy az emberi szervezetben, mint említettük, a normális angiogenezis korlátozottan előforduló jelenség. A tumor-érképződés hatékony gátlása tehát elvileg nem irányulna normális működések ellen, de megakadályozná a metasztázisok növekedését.

A kapillárisnövekedés szabályozásával kapcsolatos kutatások a heparin hatásának tanulmányozásával kezdődtek az 1970-es évek elején. Ezt a bonyolult szerkezetű, kénsavval módosított (szulfátésztereket tartalmazó), összetett cukrokból álló keveréket a szervezet sejtjei termelik, elsősorban az úgynevezett hízósejtek. A heparin összetevői önállóan, vagy fehérjékkel vegyületeket (pl. heparánszulfát-proteoglikánokat) alkotva fontos építőkövei többek között a sejten kívüli állománynak. Csirkeembriók magzatburkához daganatkivonatokat adva kiderült, hogy azok új kapillárisok képződését váltják ki, melyet heparin hozzáadásával fokozni is lehetett. A kereskedelmi forgalomban lévő heparin több, mint 100 molekulaváltozata között vannak tehát érképződést serkentő molekulák is. A kapilláris endotéliumsejtek felszínén akár egymillió heparinmolekula is található. A legvalószínűbbnek az a feltevés látszott, hogy a heparinmolekulák az extracelluláris mátrixból eredő sajátos fehérjéket, köztük esetleg érképződési faktorokat kötnek meg az endotéliumsejtek felszínén. A probléma kutatói a téma módszertani nehézségei miatt lassan haladtak előre, amiért sok kritika érte hipotézisüket. Mintegy tízévi kutatás eredményeként azonban végül sikerült előállítani az első olyan heparinkötő faktort, amelynek volt angiogenikus aktivitása. Ez vezetett az 1980-as évek elején a fibroblaszt növekedési faktorok (fibroblast growth factor – FGF) ma már tucatnyi tagot számláló családjának felfedezéséhez. Ezek a molekulák nem csak az érképződésre hatnak, tehát nem endotélium-specifikusak és főleg fibroblasztok termelik őket (utóbbiak osztódóképes kötőszöveti sejtek, belőlük differenciálódnak a kötőszöveti rostokat termelő, nem osztódó fibrociták). Néhány évvel az első FGF tisztítása után (1989) heparinkötése alapján egy újabb endotélium-növekedési faktort állítottak elő párhuzamosan két laboratóriumban is, melynek az elterjedtebb elnevezése vaszkuláris endotéliális növekedési faktor (vascular endothelial growth factor – VEGF, latinul: vas=edény, véredény és vasculum=edényke). Ez végül is specifikus, csakis az endotéliumsejtekre ható növekedési és differenciációs faktornak bizonyult. Utóbb kiderült, hogy a VEGF-család legalább négytagú, továbbá, hogy mind az embrionális és a szervfejlődési, mind pedig a tumor-angiogenezis szabályozásában további faktorok is részt vesznek.

Az endoteliális növekedési faktor, mint endotélium-specifikus növekedési és differenciációs faktor, összetett hatást gyakorol a kapillárisok sejtjeire. Mint minden sejten kívüli szabályozó polipeptid, csakis olyan sejtek felszínéhez képes kötődni és rájuk hatni, amelyeknek sejtmembránjában jelen vannak specifikus fogadófehérjéi, a VEGF-receptorok. Ezek a sejtmembránon átívelő molekulák, amelyeknek ha a sejt külső (extracelluláris) felszínén rájuk kötődő VEGF-molekula hatására aktiválódik a sejten belüli (intracelluláris) részük, enzimatikusan vagy molekuláris kapcsolat létesítésével meghatározott sejten belüli fehérjéket aktiválnak. Ezennel a VEGF által hozott jel átjutott a sejtmembránon. A továbbiakban a receptor által aktivált sejten belüli fehérjék továbbadják a jelet egy jelvezető fehérjeláncolatokból felépülő hálózatnak. E láncolatokon belül a jel szintén fehérje-fehérje kapcsolatok, illetve enzimatikus fehérjemódosítások (fehérjefoszforilációk) formájában terjednek egyik fehérjéről a másikra. A láncolatok végén végrehajtó molekulák lépnek működésbe, vagyis az extracelluláris szabályozó-molekula (példánkban a VEGF) hatására megjelenik a jellemző válasz (anyagcsere-változás): a sejt aktiválódik. A sejt adhéziós molekuláit lecseréli, ezért megszakadnak addigi sejt-sejt, valamint sejt-alaphártya kapcsolatai. Kilép addigi szöveti kötelékéből, a kapilláris falából képes lesz a helyváltoztató mozgásra (motilissá válik), és kemotaktikusan a VEGF-forrás, pl. közeli tumor irányába kezd mozogni. Eközben új fehérjéket, pl. mátrixbontó proteinázokat kezd termelni. Részben a szintén újonnan szintetizálódott szabályozó fehérjék működése révén beindul az osztódási (mitotikus) program: a sejtek száma növekedni kezd. A VEGF nem egyszerűen növekedési faktor. Hatására, a sejtpopuláció növekedésén túl, a teljes angiogenezis programja lejátszódik egészen az érhálózat kialakulásáig. Tehát a VEGF osztódást kiváltó (mitogén) és differenciációs faktor is egyben.

A sejten kívüli szabályozó molekulák által hozott jel, mint említettük, a közvetítő fehérjék láncolatán át váltja ki a sejt megfelelő válaszát. A láncolat végén végrehajtó molekulák kapják a jelet (inaktiválódnak vagy aktiválódnak). Az aktivált molekulák működési helyüket illetően lehetnek citoplazmatikus vagy sejtmagfehérjék. Az előbbire példa, hogy a VEGF hatására a sejt alakját és szerkezetének belső rendjét megszabó sejtváz (mikrofilamentális és mikrotubuláris rendszer) átrendeződik és a sejt helyben ülő szöveti formájából helyváltoztató formába megy át. Ez jellegzetes növekedésifaktor-hatás. A jelátvitel következtében aktiválódó vagy inaktiválódó magfehérjék jó része úgynevezett transzkripciós faktor. Funkciójuk specifikus gének aktiválása, vagyis a megfelelő hírvivő RNS- (mRNS) molekulák szintézisének (átírásának, transzkripciójának) beindítása, indukálása. A hírvivő RNS-molekulák a citoplazmába jutnak, ahol információtartalmuk alapján megkezdődik az általuk kódolt új fehérjék, például a mátrixbontó proteinázok, továbbá új, a motilis formának megfelelő sejtadhéziós molekulák vagy új transzkripciós faktorok szintézise. A génaktiválástól a megfelelő fehérje megjelenéséig lejátszódó folyamat a génkifejeződés (génexpresszió), míg a génkifejeződés elnyomása a génrepresszió. A növekedési és differenciálódási folyamatok, ekképpen a tumor-érképződés is, génexpressziók és repressziók sorozatának következményei.

Az endoteliális növekedési faktor felfedezése után nagyszámú rosszindulatú daganatnál és tumorsejttípusnál kimutatták, hogy nemcsak termelik, hanem szekrécióval a környezetükbe is bocsátják e faktort. A VEGF expresszióját a sejtek részleges oxigénhiánya (hipoxia) váltja ki. A hipoxiára érzékeny sejtekben az oxigén részleges hiánya specifikus, úgynevezett hipoxia-indukálta transzkripciós faktorok (HIF1
és 2) kifejeződését serkenti, melyek megfelelő körülmények között képesek beindítani a „hipoxiagének” expresszióját. Ebből a szempontból a VEGF génje is a hipoxiagének közé tartozik. Hipoxiára csak bizonyos sejttípusok képesek válaszolni. Közéjük tartoznak a vörös csontvelő sejtjei, a kapilláris endotéliumsejtek és a rosszindulatú tumorsejtek. Tartós hipoxia hatására (pl. tengerszint feletti nagy magasságban) a szövetek kapillárisrendszere aktiválódik, angiogenetikussá válik, és sejtjei saját maguk számára aktiváló molekulákat, köztük VEGF-ot szekretálnak. Mihelyt azonban a kapillárishálózat sűrűsége megszünteti az oxigénhiányt, a folyamat leáll. A tumornövekedés során azok a sejtek és a belőlük fejlődő daganatok kerülnek növekedési előnybe, amelyekben megjelenik az alacsony oxigén-koncentrációra adott válasz, ami a felnőtt testi sejtekben többnyire rejtett, korlátozott. A korlátlan tumornövekedés lehetőségét megteremtő angiogenikus kapcsolás mögött tehát az a jelenség áll, hogy a fejlődésben megakadt oxigénhiányos daganat valamely sejtje vagy sejtjei képessé válnak az alacsony oxigén-koncentrációra hipoxia-indukálta transzkripciós faktorok kifejeződésével reagálni, majd endoteliális növekedési faktort szekretálni, és környezetükben a feléjük irányuló érképződést beindítani.

A tumor-angiogenezis, és ezáltal a tumornövekedés, illetve az áttétképződés gátlására elvileg két lehetőség van: vagy a tumorsejtek hipoxiás reakcióját, azaz a VEGF termelődését kell megakadályozni, vagy magát az angiogenezist támadó kezeléseket, gyógyszereket, illetve mindkettőt kell alkalmazni. A daganatsejtek hipoxiára adott válaszát egyelőre nem ismerjük olyan részletesen, hogy az közvetlenül támadható lenne valamilyen kezeléssel. Ezért továbbra is a daganatsejtek pusztítása, a daganatnövekedés sugár- és kemoterápiája a járható út. Ígéretesebbnek látszik a tumor érhálózatának a gátlása mint a metasztázis elleni kezelés egyik lehetősége. Mivel az érképződés gyakorlatilag érzéketlen a besugárzásokra, ezért inkább a megfelelő gyógyszerek kifejlesztése áll a kutatások középpontjában. A fejlesztés alatt álló gyógyszerjelöltek között a legígéretesebbek azok az aktivitást gátló anyagok, amelyek a VEGF-receptorhoz kötődését, a sejten kívüli proteinázok receptor működését akadályozzák meg, valamint egyéb antiangiogenikus hatású molekulák, illetve eljárások (pl. immuno- és génterápia). E kutatási irány fontosságát mutatja, hogy csak 2001–2002-ben ez idáig legalább tizenöt, a daganatos megbetegedések „angiogenezis-terápiájával” foglalkozó összefoglaló cikk jelent meg alkalmazott, illetve alapkutatási folyóiratokban. Ma már nagyon sok „kutatott” molekulát alkalmaznak állatkísérletekben is, másoknak pedig megkezdődött a klinikai kipróbálása. A jövőben tehát számolhatunk egyes antiangio-genetikus rákellenes terápiák megjelenésével és elterjedésével is.

Az érképződésnek azonban nemcsak a kikapcsolása, hanem a beindítása és szabályozása is gyógyászati lehetőségeket hordoz. Az utóbbi években egyre gyakoribbak az úgynevezett őssejtek biotechnológiai felhasználását célzó kutatások. Hasonlóan a megtermékenyített petesejthez és a korai embrionális sejtekhez, a fejlődő, vagy a felnőtt szervezetből elkülöníthető őssejtek is alkalmasak arra, hogy belőlük megfelelő kísérleti körülmények között (például a hírneves Dolly nevű birka esetében a kihordó anya méhében) teljes szervezet fejlődjék ki. Lehetőség kínálkozik arra is, hogy a szervezeten kívül, in vitro (üvegben) tenyésztett őssejtek növekedési és differenciálódási programjait mesterségesen szabályozva különböző osztódóképes sejttípusokat, ezekből szöveteket, szerveket állítsunk elő sejt-, szövet-, vagy szervbeültetés céljára. Ezek az eljárások módot adhatnak arra, hogy a betegek számára a saját őssejtjeikből hozzuk létre a szükséges implantátumokat. Ezzel kiküszöbölhető lenne az idegen donorokkal szembeni öszszeférhetetlenség problémája is. Míg az ilyen módszerekkel előállított szervek felhasználása távlatibb, a sejtek és szövetek implantációja már részben alkalmazott, részben pedig aktuális fejlesztési feladat. Kutatások folynak például a sejtpusztulással (sejtvesztéssel) járó betegségek implantációs korrekcióját illetően. Ilyenek a különböző izomsorvadási és idegsejtvesztéses betegségek. Utóbbiak közül közismert a Parkinson- és az Alzheimer-kór. Balesetből, vagy kóros állapotból eredő szövet- és szervsérülések is igényelhetnek szövetpótlást. Ezek közül megemlíthetjük azokat a transzplantációkat, amelyek során a hasnyálmirigy inzulintermelő b-sejtjeit cukorbetegekbe, a vázizomképző sejteket sérült izmokba, sőt a szívizomképző sejteket sérült, infarktuson átesett szívbe ültetik be.

Mind a szövetek és szervek biotechnológiai ,,előállítása”, mind pedig az említetthez hasonló regenerációs folyamatok csak működő érképződések mellett lehetnek sikeresek. Ezért tehát az angiogenezisnek nemcsak a daganatterápiás célú ismerete (mivel lehet a folyamatot gátolni), hanem a beindítása és szabályozása is lényeges gyakorlati céllá vált. Ennek ismeretében érthető tehát, hogy miért tartozik a következő évek egyik legintenzívebben kutatott biomedikális és biotechnológiai témái közé az érképződés.


Természet Világa, 133. évfolyam, 11. szám, 2002. november
http://www.chemonet.hu/TermVil/ 
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez