Skip to main content

Tumorstamceller i gliomer - et mål for fremtidig behandling?

Ph.d.-stud. Karina Christensen, professor Henrik Daa Schrøder & 1. reservelæge Bjarne Winther Kristensen Odense Universitetshospital, Afdeling for Klinisk Patologi

15. sep. 2008
8 min.

Den seneste forskning har vist, at cancerinitierende celler eller tumorstamceller, som har været kendt inden for leukæmi siden 1990'erne, ligeledes findes i hjernetumorer, mamma-, colon- og pancreascancer. Trods forbedringer i behandlingen af glioblastom, der er den hyppigste primære hjernetumor, er medianoverlevelsen kun på 14,6 måneder. Den dårlige prognose kunne skyldes tumorstamceller, idet det ser ud til, at tumorstamcellerne er ansvarlige for den dårlige effekt af stråle- og kemoterapi hos glioblastompatienter.

En tumorstamcelle defineres som en tumorcelle, der 1) har et uendeligt proliferationspotentiale, 2) er i stand til at forny sig selv og 3) samtidig kan give ophav til mere differentierede tumorceller (Figur 1 ). Kapaciteten til både at danne kopier af sig selv og danne mere differentierede celler beror på evnen til hhv. symmetrisk og asymmetrisk celledeling. Ud over de her nævnte egenskaber, som er fælles for normale stamceller og tumorstamceller, har begge celletyper øget aktivering af antiapoptosekaskader og øget membrantransportaktivitet. Desuden er begge celletyper i stand til at migrere. Tumorstamceller giver anledning til tumordannelse, hvorimod normale stamceller fungerer som et reparationssystem i kroppen ved at opretholde det nødvendige antal specialiserede celler.

Tumorgenese

Indtil for nylig har der været enighed om, at gliomer opstod fra astrocytter, oligodendrocytter eller ependymceller, og de er blevet klassificeret efter deres histologiske karakteristika i overensstemmelse med WHOs kliniske retningslinjer. Ny forskning tyder imidlertid på, at gliaceller og neurale stamceller er lige gode kandidater til celletyper, hvor tumorgenesen kan finde sted, hvilket hænger godt sammen med fundet af tumorstamceller. Mutationer i en normal stamcelle, en progenitorcelle eller en mere moden gliacelle med efterfølgende dedifferentiering er mulige forklaringer på, hvordan tumorstamceller opstår (Figur 1).

Hjernetumorstamceller, der er isoleret med anti-CD133-antistof

Singh et al brugte som de første plasmamembranproteinet CD133 (prominin-1) til at isolere hjernetumorstamceller fra medulloblastomer, pilocytiske astrocytomer og glioblastomer vha. fluorescensaktiveret cellesortering. Intracerebral injektion af blot 100 CD133-positive tumorceller i immundeficiente mus var nok til at initiere tumorer med den oprindelige fænotype. Endvidere var det muligt igen at isolere CD133-positive celler fra disse tumorer og gentage forsøget. Injektion af op til 105 CD133-negative celler gav derimod ikke anledning til tumordannelse. Tumorstamcellernes evne til at forny sig selv in vitro var mere udtalt for højgradstumorer end for lavgradstumorer, hvorimod fraktionen af tumorstamceller varierede blandt histologisk identiske tumorer [1, 2].

To funktionelle grupper af CD133-positive celler

Ny forskning inden for hjernetumorer [2] og lungecancer [3] tyder på, at der findes to funktionelle grupper af CD133-positive celler: en med cancerinitierende potentiale, og en med angiogenetisk potentiale. Der var således en signifikant stigning i antallet af CD133-positive endotelprogenitorer i vævssnit fra småcellet lungecancer sammenlignet med raske kontroller, hvilket kunne tyde på, at CD133-positive endotelprogenitorer spiller en rolle for angiogenesen hos disse patienter [3]. Vi har immunhistokemisk påvist CD133-positive endotelceller både i hjernens normale kar og i gliomkar. I in vitro-forsøg er det blevet vist, at CD133-positive glioblastomceller secernerer et øget niveau af vascular endothelial growth factor, som spiller en afgørende rolle i angiogenesen [4]. Omvendt secernerer endotelceller faktorer, som opretholder den niche, som tumorstamcellerne er lokaliseret i, hvilket tyder på et tæt samspil mellem tumorstamceller og angiogenese i glioblastomer [5].

Selv om CD133 har spillet en afgørende rolle i opdagelsen af tumorstamceller i hjernetumorer, er der resultater, der tyder på, at der ligeledes findes CD133-negative tumorstamceller. Forsøg med implantation af CD133-negative celler fra humane glioblastomer i hjernen på immundeficiente rotter resulterede således i dannelse af tumorer, som bl.a. bestod af CD133-positive celler. Andre resultater har vist, at fire af 15 undersøgte primære glioblastomer blev opretholdt af tumorstamcellelignende CD133-negative celler, som ved injektion i mus lige så ofte resulterede i tumordannelse som CD133-positive celler. Disse CD133-negative tumorceller havde stamcellekarakteristika, men en anderledes molekylærbiologisk profil og andre vækstkarakteristika end de CD133-positive tumorstamceller [6]. Derudover er det blevet vist, at ikke alle CD133-positive celler er cancerinitierende, idet et studie fandt, at den gennemsnitlige frekvens af cancerinitierende celler blandt CD133-positive coloncancerceller var 1/262. Disse modstridende resultater rejser spørgsmålet om, hvilken renhed der opnås ved cellesortering i de enkelte studier, idet en høj grad af renhed er en forudsætning for at kunne undersøge de forskellige egenskaber for CD133-positive versus CD133-negative celler. Derudover var sammensætningen af dyrkningsmediet forskellig i de beskrevne studier, og dette er af afgørende betydning, idet tumorstamcellerne er afhængige af tilstedeværelsen af visse vækstfaktorer og fraværet af andre for at forblive tumorstamceller og undgå uddifferentiering. En genekspressionsanalyse af hjernetumorer viste, at tumorerne udtrykte mange gener, som er karakteristiske for neurale og andre stamceller - bl.a. CD133, SOX2, Musashi-1 og bmi-1 - dog med variation fra tumor til tumor [7]. Samlet set taler ovennævnte resultater for, at der ud over CD133-positive hjernetumorstamceller også findes undergrupper af CD133-negative hjernetumorstamceller.

Hvor i gliomer er CD133-positive celler lokaliseret?

Vi har undersøgt den immunhistokemiske ekspression af CD133 i 114 gliomer og fundet, at CD133 er udtrykt i nicher, hvoraf mange er perivaskulære, samt i enkeltliggende tumorceller og blodkar (Figur 2 ). Det stemmer godt overens med de immunhistokemiske resultater fra et xenograftmateriale af humane glioblastomer implanteret i musehjerner [1], hvor det ligeledes er blevet foreslået, at tumorstamceller er lokaliseret i nicher. En niche er i denne sammenhæng defineret som et afgrænset og specialiseret mikromiljø, hvis funktion er at opretholde stamcellehomøostase. I den normale hjerne findes neurale stamceller i perivaskulære nicher med tæt kommunikation mellem blodkar og niche, og dette mønster synes således også at findes i hjernetumorer.

Alle hidtil publicerede studier viser, at forekomsten af tumorstamceller i astrocytære tumorer er heterogen. I flowcytometriske studier er det angivet, at andelen af CD133-positive tumorstamceller i glioblastomer ligger mellem 2,9% og 29%. I vores immunhistokemiske undersøgelse fandt vi en middelarealfraktion af CD133-positive tumorceller i glioblastomer på 2,2%.

Er tumorstamceller i gliomer resistente over for stråle- og kemoterapi?

En række nye studier støtter hypotesen om, at tumorstamceller i gliomer er årsagen til den udtalte resistens over for stråle- og kemoterapi. Ved bestråling af CD133-positive og CD133-negative glioblastomceller, som efterfølgende blev dyrket in vitro overlevede forholdsvis flere CD133-positive end CD133-negative tumorceller. Resultaterne viste samtidig, at en specifik hæmmer af checkpoint-kinaserne Chk1 eller Chk2 kunne nedsætte overlevelsen af CD133-positive tumorceller, hvilket tyder på, at tumostamcellernes resistens over for strålebehandling kan modvirkes ved at sigte efter de kontrolsystemer, som udbedrer skader i DNA'et [8]. In vitro-undersøgelse af CD133-positive tumorcellers kemoresistens har vist, at CD133-positive celler er signifikant mere resistente over for kemoterapeutika som f.eks. Temozolomid, Carboplatin, Taxol og Etoposide end CD133-negative celler. Dette kunne skyldes, at CD133-positive celler udtrykte høje niveauer af antiapoptosefaktorer og faktorer, der var involveret i selvfornyelse. Disse faktorer var ikke udtrykt i CD133-negative celler [9]. Senest har et genekspressionsstudie med væv fra 73 glioblastomer vist, at blandt patienter, der blev behandlet med stråleterapi og Temodal, levede patienter med en bestemt stamcelleprofil kortere end patienter uden denne profil.

De eksperimentelle forsøg på at målrette behandlingen mod tumorstamceller ser lovende ud. In vitro-forsøg med afprøvning af det cytotoksiske stof monomethyl auristatin F (vcMMAF) koblet til CD133-antistoffet har vist, at væksten af den humane cancercellelinie Hep3B (hepatom) kunne hæmmes, formentlig via en selektiv toksisk effekt på CD133-positive tumorceller. Tilsvarende viste forsøg med subkutane Hep3B-tumorer i immundeficiente mus, at intraperitoneale injektioner med CD133-vcMMAF medførte nedsat vækst af tumorerne. Effekten af at blokere Notch-kaskaden med en gammasecretaseinhibitor (GSI) er også blevet undersøgt. Efter eksponering for GSI blev glioblastomceller injiceret i immundeficiente mus, hvilket ikke resulterede i tumordannelse, hvorimod injektion af kontrolceller altid resulterede i tumordannelse. Disse resultater tyder på, at en blokering af Notch-kaskaden rammer tumorstamcellerne og derved hæmmer tumorvæksten. I et fase II-studie med 32 recidiverede grad III-IV-gliomer blev der anvendt en kombination af angiogenesehæmmeren bevacizumab og topoisomerase 1-hæmmeren irinotecan, hvilket resulterede i signifikant antitumoraktivitet [10]. In vitro-forsøg tyder på, at denne effekt kunne skyldes, at bevacizumab forstyrrer samspillet mellem tumorstamceller og blodkar ved at forhindre VEGFs virkning på blodkarrene [5].

Samlet set tyder de nyeste forskningsresultater på, at tumorstamceller i gliomer kunne spille en afgørende rolle i resistensen over for den konventionelle behandling og således være en kilde til recidiv. Samtidig er de første forsøg med nye eksperimentelle behandlinger i gang. De foreløbige resultater tyder på, at behandlingen kan målrettes mod tumorstamcellerne, og de næste år vil vise, hvorvidt disse nye behandlingsstrategier kan komme til at spille en rolle i behandlingen af patienter med glioblastomer.


Karina Christensen, Afdeling for Klinisk Patologi, Odense Universitetshospital, DK-5000 Odense C.
E-mail: karina.christensen@ouh.regionsyddanmark.dk

Antaget: 9. marts 2008

Interessekonflikter: Ingen

Summary

Summary Tumour stem cells in glioma - tomorrow's therapeutic target Ugeskr Læger 2008;170(38):2968-2970 Despite intensive research, gliomas still lead to death in most cases. The isolation of brain tumour stem cells from gliomas has paved the way for a growing body of evidence suggesting that these cells are responsible for the resistance of gliomas towards conventional therapy. Recent results suggest that the growth of brain tumours can be inhibited by treatment strategies targeting the brain tumour stem cells. Here, the brain tumour stem cell paradigm is described with a focus on tumour stem cell characteristics and the role of this subpopulation of tumour cells in the resistance towards radiation and chemotherapy.

Referencer

  1. Singh SK, Clarke ID, Terasaki M et al. Identification of a cancer stem cell in human brain tumors. Cancer Res 2003;63:5821-8.
  2. Singh SK, Hawkins C, Clarke ID et al. Identification of human brain tumour initiating cells. Nature 2004;432:396-401.
  3. Hilbe W, Dirnhofer S, Oberwasserlechner F et al. CD133 positive endothelial progenitor cells contribute to the tumour vasculature in non-small cell lung cancer. J Clin Pathol 2004;57:965-9.
  4. Calabrese C, Poppleton H, Kocak M et al. A perivascular niche for brain tumor stem cells. Cancer Cell 2007;11:69-82.
  5. Bao S, Wu Q, Sathornsumetee S et al. Stem cell-like glioma cells promote tumor angiogenesis through Vascular Endothelial Growth Factor. Cancer Res 2006;66:7843-8.
  6. Beier D, Hau P, Proescholdt M et al. CD133+ and CD133- glioblastoma-derived cancer stem cells show differential growth characteristics and molecular profiles. Cancer Res 2007;67:4010-5.
  7. Hemmati HD, Nakano I, Lazareff JA et al. Cancerous stem cells can arise from pediatric brain tumors. Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:15178-83.
  8. Bao S, Wu Q, McLendon RE et al. Glioma stem cells promote radioresistance by preferential activation of the DNA damage response. Nature 2006;444:756-60.
  9. Liu G, Yuan X, Zeng Z et al. Analysis of gene expression and chemoresistance of CD133+ cancer stem cells in glioblastoma. Mol Cancer 2006;5:67-79.
  10. Vredenburgh JJ, Desjardins A, Herndon JE et al. Phase II trial of bevacizumab and irinotecan in recurrent malignant glioma. Clin Cancer Res 2007;13:1253-9.