CZYNNIK WZROSTU ŚRÓDBŁONKA NACZYŃ (VEGF) JAKO MARKER PROGRESJI CHOROBY NOWOWOTWOROWEJ PRZEGLĄD DONIESIEŃ VASCULAR ENDOTHELIAL GROWTH FACTOR (VEGF) AS A MARKER FOR CANCER PROGRESSION A REVIEW Beata Flak 1*, Katarzyna Wawrzyniec 3, Sebastian Kwiatek 1, Aleksandra Kawczyk-Krupka 1, Zenon Czuba 2, Karolina Sieroń-Stołtny 1, Aleksander Sieroń 1 1 Śląski Uniwersytet Medyczny, Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej, 41-902 Bytom, ul. Batorego 15 2 Śląski Uniwersytet Medyczny, Zakład Mikrobiologii i Immunologii, 41-808 Zabrze, ul. Jordana 19 3 Oddział Chorób Wewnętrznych SPZZOZ Staszów, 28-200 Staszów, ul. 11 Listopada 78 *e-mail: beata.fl@interia.pl STRESZCZENIE Angiogeneza zwana również neowaskularyzacją jest wieloetapowym procesem tworzenia nowych naczyń krwionośnych w miejscu już istniejących, regulowanym przez czynniki pobudzające (proangiogenne) oraz hamujące (antyangiogenne). Nowotworzenie naczyń zachodzi w procesach fizjologicznych oraz w stanach patologicznych organizmu. W wyniku zaburzenia równowagi między czynnikami proangiogennymi, aktywującymi proces tworzenia nowych naczyń a czynnikami hamującymi (antyangiogennymi) dochodzi do przewagi aktywacji czynników angiogennych oraz nadmiernej angiogenezy, co sprzyja rozwojowi guza nowotworowego. W wyniku niedotlenienia (hipoksji) tkanki dochodzi do aktywacji czynników angiogennych, w tym przede wszystkim czynnika odgrywającego kluczową rolę w progresji nowotworowej VEGF (ang. Vascular Endothelial Growth Factor). VEGF jest białkiem uważanym za główny czynnik odpowiedzialny za proces angiogenezy oraz wzrost przepuszczalności naczyń krwionośnych; nazywany jest również czynnikiem przepuszczalności naczyniowej. Najważniejszym czynnikiem indukującym proces angiogenezy oraz wydzielanie czynnika VEGF przez komórki nowotworowe jest niedotlenienie (hipoksja) panujące w mikrośrodowisku guza. VEGF jest złym czynnikiem prognostycznym odpowiadającym za progresję oraz aktywację tworzenia przerzutów wielu guzów litych. Zmniejszenie wydzielania czynnika VEGF ma istotne znaczenie w zahamowaniu procesu angiogenezy, a także potencjału metastatycznego komórek nowotworowych, które wcześniej nie uległy zniszczeniu na drodze apoptozy lub nekrozy. ABSTRACT Angiogenesis, also called neovascularization is a multistep process of forming new blood vessels and it is regulated by stimulating factors (proangiogenic) and inhibitors (anti-angiogenenic). Neovascularization occurs in physiological processes and in pathological states of the organism. As a result of an imbalance between Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 4, 2013 205
proangiogenic factors activating the process of creating new blood vessels and inhibitors (anti-angiogenic) comes to lead the activation of angiogenic factors and excessive angiogenesis, which promotes tumor growth. As a result of hypoxia an activation of tissue angiogenic factors occurs, including, in particular, the key factor in tumor progression - VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor). VEGF is a protein considered to be the main factor responsible for process of angiogenesis and an increased vascular permeability It is also known as a vascular permeability factor. The most important factor that induces angiogenesis and VEGF secretion by cancer cells is hypoxia in the tumor microenvironment. VEGF is a poor prognostic factor responsible for the progression and metastasis activation of many solid tumors. Decreased levels of VEGF is important in the inhibition of angiogenesis and metastatic potential of tumor cells that have not been destroyed by apoptosis or necrosis. Słowa kluczowe: angiogeneza, angiogeneza nowotworowa, przełączenie angiogenne, VEGF, hipoksja Keywords: angiogenesis, tumor angiogenesis, angiogenic switch, VEGF, hypoxia 1. Wstęp Angiogeneza, zwana również neowaskularyzacją, jest wieloetapowym procesem tworzenia nowych naczyń krwionośnych, w miejscu już istniejących, regulowanym przez czynniki pobudzające (proangiogenne) oraz hamujące (antyangiogenne). Proces angiogenezy jest niezbędny do życia i rozwoju organizmu, przebiega zarówno w rozwoju embrionalnym, jak i w życiu pozapłodowym. Nowotworzenie naczyń zachodzi w procesach fizjologicznych oraz w stanach patologicznych organizmu. Fizjologicznie proces angiogenezy bierze udział w procesie gojenia ran, przywrócenia przepływu krwi po urazie, w regeneracji endometrium u kobiet podczas cyklu miesięcznego oraz w czasie ciąży przy budowie łożyska. Pozostaje on w równowadze regulowanej przez wiele czynników pobudzających oraz hamujących; po stadium aktywacji angiogenezy następuje jej zwrotne hamowanie. W toczących się stanach patologicznych podkreśla się udział angiogenezy w przewlekłych stanach zapalnych, w chorobach autoimmunologicznych naczyń, a przede wszystkim w rozwoju i progresji choroby nowotworowej. W wyniku zaburzenia równowagi pomiędzy czynnikami proangiogennymi, aktywującymi proces tworzenia nowych naczyń a czynnikami hamującymi (antyangiogennymi), dochodzi do przewagi aktywacji czynników angiogennych oraz nadmiernej angiogenezy, co sprzyja rozwojowi guza nowotworowego. 2. Angiogeneza nowotworowa Proces tworzenia nowych naczyń w guzie, zwany także neoangiogenezą, jest niezbędny do wzrostu guza pierwotnego, jak i tworzenia przerzutów nowotworowych. W początkowej fazie rozwoju zmiany nowotworowej, bez obecności naczyń krwionośnych, guzy nowotworowe mogą osiągnąć wielkość 1 2 mm 3, wzrost guza powyżej 1 2 mm 3 nie jest możliwy bez dostępu tlenu [1, 2]. W wyniku dyfuzji biernej z naczyń przebiegających w pobliżu guza komórki pobierają tlen, czynniki wzrostu oraz substancje odżywcze niezbędne do dalszego wzrostu [3, 4, 5]. Ten etap transformacji nowotworowej jest niezależny od budowy sieci naczyniowej. W późniejszej fazie karcynogenezy dalszy wzrost guza nie byłby możliwy bez dodatkowego zaopatrzenia komórek w krew, w związku z czym komórki nowotworowe nabywają podczas tzw. przełączenia aniogennego fenotypu angiogennego [6]. W wyniku przełączenia aniogennego (ang. angiogenic switch co oznacza przejście z fentotypu proliferacyjnego do angiogennego) dochodzi do trwałych modyfikacji genetycznych, skutkujących niekontrolowaną produkcją czynników proangiogennych [7]. Przewaga czynników angiogennych (VEGF, FGF, IL-6, IL-8) nad czynnikami antyangiogennymi powoduje degradację błony podstawnej śródbłonka, migrację i proliferację komórek śródbłonka, a w efekcie tworzenie nowej sieci kapilarnej w masie komórek nowotworowych. Nowopowstałe naczynia nie mają typowej budowy charakterystycznej dla naczyń prawidłowych, cechuje je niedojrzałość morfologiczna, nieprawidłowy, nieregularny kształt, Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 4, 2013 206
chaotyczna architektura oraz zwiększona przepuszczalność [8]. Doniesienia naukowe wskazują, iż naczynia nowotworowe nie dostarczają komórkom guza odpowiedniej ilości tlenu, co skutkuje niedotlenieniem tkanki nowotworowej [9]. W wyniku niedotlenienia (hipoksji) tkanki dochodzi do aktywacji czynników angiogennych, w tym przede wszystkim czynnika odgrywającego kluczową rolę w progresji nowotworowej VEGF (ang. Vascular Endothelial Growth Factor). 3. Rola czynnika wzrostu śródbłonka naczyń (VEGF) w procesie angiogenezy VEGF jest białkiem uważanym za główny czynnik odpowiedzialny za proces angiogenezy oraz wzrost przepuszczalności naczyń krwionośnych, nazywany jest również czynnikiem przepuszczalności naczyniowej. Należy do rodziny VEGF składającej się z 6 czynników od A E oraz czynników wzrostu łożyska (PIGF-1, PIGF-2). Za najważniejszy mediator angiogenezy uznaje się czynnik VEGF-A [10]. Białko to działa poprzez należące do grupy kinaz tyrozynowych receptory: VEGFR-1 oraz VEGFR-2, które znajdują się na powierzchni komórek śródbłonka oraz w surowicy krwi. Receptor VEGFR-1 odgrywa główną rolę w procesie powstawania naczyń w rozwoju embrionalnym. W życiu pozapłodowym głównym przekaźnikiem sygnałów mitogennych do komórek śródbłonka jest receptor VEGFR-2 [11]. Najważniejszym czynnikiem indukującym proces angiogenezy oraz wydzielanie czynnika VEGF przez komórki nowotworowe jest niedotlenienie (hipoksja), panujące w mikrośrodowisku guza. W wyniku hipoksji dochodzi do uwalniania białka HIF 1 alfa (ang. Hypoxia Inducible Factor), który pełni rolę czynnika transkrypcyjnego, stymuluje ekspresję genów kodujących białka biorące udział w procesach glikolizy oraz angiogenezy, dzięki czemu pozwala komórkom nowotworowym na adaptację do niskiego stężenia tlenu w środowisku [12]. Białko HIF 1 alfa zwiększa syntezę oraz uwalnianie VEGF, który wiąże się z odpowiednimi receptorami VEGFR na powierzchni komórek śródbłonka, uruchamiając szlak kinazy tyrozynowej prowadzący do angiogenezy [13]. W wyniku aktywacji odpowiedniego receptora dochodzi do jego dimeryzacji oraz fosforylacji kinazy tyrozynowej, która uaktywnia wewnątrzkomórkowe szlaki przekaźnikowe. W następstwie tego procesu dochodzi do aktywacji kinaz, fosfolipaz oraz odpowiednich białek (Ras i Src), co skutkuje uruchomieniem procesu proliferacji i migracji komórek oraz zwiększeniem przepuszczalności naczyń [14]. Poza rolą naczyniową dowiedziono, iż VEGF aktywuje również enzymy odpowiedzialne za destrukcję macierzy pozakomórkowej, wpływa na migrację makrofagów oraz powstawanie białka Bcl-2, które chroni komórki przed apoptozą [15]. W piśmiennictwie podkreśla się fakt, iż mechanizm angiogenezy, jak i nabycie właściwości angiogennych przez guz nowotworowy jest bardzo złożonym procesem. Należy pamiętać, że wzrost ekspresji genów kodujących czynniki angiogenne indukowany przez mikrośrodowisko guza, a w szczególności przez procesy zapalne, czynniki wzrostowe czy niedotlenienie wzrastających mas nowotworowych obecny jest zarówno w komórkach nowotworowych, jak również w otaczających je komórkach zrębu. Badania przeprowadzone in vitro wskazują na obecność wzajemnych powiązań między komórkami nowotworowymi, ich macierzą oraz mikrośrodowiskiem guza. Dowiedziono, że nie tylko komórki nowotworowe są źródłem uwalniania VEGF, ale kluczową rolę pełni w tym procesie macierz pozakomórkowa i komórki mikrośrodowiska guza [16]. 4. Rola czynnika VEGF w progresji choroby nowotworowej W przeprowadzonych wcześniej badaniach wykazano, że obecność VEGF jest złym czynnikiem prognostycznym odpowiadającym za progresję oraz aktywację tworzenia przerzutów wielu guzów litych. W piśmiennictwie podkreśla się fakt, iż wysoki poziom czynnika VEGF może być wczesnym etapem procesu tworzenia przerzutów, który jest uruchomiany przez tzw. przełączenie angiogeniczne. W przeprowadzonych in vitro badaniach na liniach komórkowych raka jelita grubego po zastosowaniu terapii fotodynamicznej (ALA PDT) wykazano, iż wysoki poziom VEGF oraz aktywacja wspomnianej wcześniej kinazy Src (tyrozynowej) są niekorzystnymi czynnikami prognostycznymi raka jelita grubego, odpowiadają za progresję nowotworu i mogą świadczyć o obecności przerzutów. Badano dwie przykładowe linie komórkowe o różnym Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 4, 2013 207
stopniu złośliwości (SW480 i SW 620) i stwierdzono, że linia komórkowa bardziej agresywna (SW620) wydziela więcej czynnika VEGF niż linia o mniejszym stopniu złośliwości (SW480). Przeprowadzony eksperyment dowiódł, iż poziom sekrecji czynnika VEGF koreluje ze stopniem złośliwości komórek raka jelita grubego [17]. Badając inne linie komórkowe zaawansowanego raka jelita grubego (linia HT29 i KM12L4) wykazano również zwiększoną ekspresję receptorów VEGF-R, co wskazuje na zwiększoną aktywację procesów proliferacji i migracji samych komórek nowotworowych [18]. Inne badania dowiodły, iż oprócz działania angiogennego, VEGF może aktywować również powstawanie białka, które chroni komórki nowotworowe przed apoptozą (białko Bcl), co może wpływać niekorzystnie na skuteczność terapii i pogarszać rokowanie w chorobie nowotworowej. Na podstawie przeprowadzonych badań można wnioskować, iż zmniejszenie wydzielania czynnika VEGF ma istotne znaczenie w zahamowaniu procesu angiogenezy, a także potencjału metastatycznego komórek nowotworowych, które wcześniej nie uległy zniszczeniu na drodze apoptozy lub nekrozy [17]. W świetle aktualnych doniesień, w związku z kluczową rolą VEGF w aktywacji angiogenezy i progresji nowotworowej obecnie podejmuje się próby wprowadzania do leczenia terapii antyangiogennej, stosując inhibitory czynników angiogennych inhibitory VEGF, przeciwciała blokujące receptory znajdujące się bezpośrednio w komórkach nowotworowych guza oraz inhibitory kinaz tyrozynowych, hamujące przekaźnictwo sygnałów proangiogennych. 5. Podsumowanie Na podstawie doniesień literaturowych odnośnie przeprowadzonych badań, należy podkreślić, iż proces angiogenezy ściśle związany z produkcją czynnika VEGF jest jednym z etapów progresji nowotworowej. Zwiększona liczba naczyń w guzie powoduje szybszy wzrost tkanki nowotworowej oraz zwiększoną ekspansję komórek do odległych narządów, co wiąże się z szybszą progresją choroby i gorszym rokowaniem. Dowiedziono również, iż guzy o większym ukrwieniu częściej tworzą odległe przerzuty. Mając na uwadze fakt, iż VEGF jest głównym czynnikiem aktywującym angiogenez, powstaje pytanie czy może być uznany za marker progresji w chorobach nowotworowych? Czy zahamowanie procesu nowotworzenia naczyń poprzez stosowanie terapii antyangiogennej da możliwość w przyszłości zatrzymania ekspansji procesu nowotworowego? Czynnik VEGF został ściśle powiązany z procesem nowotworzenia naczyń, jednakże dokładny mechanizm działania w progresji nowotworowej pozostaje wciąż niejasny, podobnie jak złożoność mechanizmów angiogenezy. Wymaga to dalszych obserwacji oraz badań klinicznych. Badanie mechanizmów wpływających na proliferację guza oraz oznaczanie i monitorowanie markerów progresji nowotworowej daje szansę na lepszą diagnostykę i nadzieję na poprawę wyników leczenia chorób nowotworowych. LITERATURA [1] J. Folkman: Anti-angiogenesis: new concept for therapy of solid tumors, Ann Surg, vol. 175, 1972, s. 409 416. [2] J. Folkman: Tumor angiogenesis: therapeutic implications, N Engl J Med., vol. 285, 1971, s. 1182 1186. [3] A. Jurszczyszyn, T. Wolska-Smoleń, B.A. Skotnicki: Szpiczak mnogi - rola angiogenezy i zastosowanie talidomidu, Przegląd lekarski, vol. 60, 2003, s. 542 547. [4] J. Najda, A. Kozaczka, D. Woszczyk: Mechanizmy kontroli angiogenezy oraz ich wykorzystywanie kliniczne w zaawansowanych przypadkach raka jelita grubego, Współczesna Onkologia, vol. 8(8), 2004, s. 373 378. [5] N. Ferrara: Vascular endothelial growth factor as a target for anticancer therapy, Oncologist, vol. 9(1), 2004, s. 2 10. [6] S. Szala, J. Markowska: Naczynia nowotworowe jako cele terapii przeciwnowotworowe, Ginekologia onkologiczna, Wydawnictwo Medyczne Uran & Partner, Wrocław 2006, s. 44 57. [7] J. Jeleń-Krzeszewska, T. Kręcicki, M. Jeleń i wsp: Badania nad angiogenezą w raku czaszki twarzowej, Dent Med. Probl, vol. 41(4), 2004, s. 625 630. [8] A. Łukaszewicz: Perfuzyjne badanie TK w ocenie angiogenezy nowotworowej (ECR2006), Radiolog.pl. URL:http://www.radiolog.pl/mod/archiwum/6561 [9] S. Szala, J. Markowska: Naczynia okołonowotworowe jako cele terapii przeciwnowotworowej, [w:] Ginekologia onkologiczna, Markowska J. (red.), Wydawnictwo Medyczne Urban & Partner, Wrocław 2006, s. 44 57. Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 4, 2013 208
[10] D.J. Hicklin, L.M. Ellis: Role of the vascular endothelial growth factor pathway in tumor growth and angiogenesis, J Clin Oncol, vol. 23, 2005, s. 1011 1027. [11] N. Thairu, S. Kiriakidis, P. Dawson, E. Paleolog: Angiogenesis as a therapeutic target in arthritis in 2011: learning the lessons of the colorectal cancer experience, Angiogenesis, vol. 14(3), 2011, s. 223 234. [12] G.L. Semenza: HIF-1:mediator of physiological and pathophysiological responses to hypoxia, J APPL Physiol, vol. 88, 2000, s. 1474 80. [13] P. Vaupel: The role of hypoxia-induced factors in tumor progression, Oncologist, vol. 9, 2004, s. 10 17. [14] H.F. Dvorak, J.A. Nagy, D. Feng, L.F. Brown, A.M. Dvorak: Vascular permeability factor/vascular endothelial growth factor and the significance of microvascular hyperpermeability in angiogenesis, Curr Top Microbiol Immunol, vol. 237, 1999, s. 97 132. [15] N. Ferrara: Vascular endothelial growth factor as a target for anticancer therapy, Oncologist, vol. 9, 2004, s. 2 10. [16] S.K. Chang, I. Rizvi, N. Solban, T. Hasan: In vivo optical molecular imaging of vascular endothelial growth factor for monitoring cancer treatment, Clin Cancer Res, vol. 14, 2008, s. 4146 4153. [17] A. Kawczyk-Krupka (red): Wpływ terapii fotodynamicznej na sekrecję czynników progresji komórek linii raka jelita grubego, Rozprawa habilitacyjna nr 17, Katowice 2011. [18] D.P. Lesslie, J.M. Summy, N.U. Parikh, F. Fan, J.G. Trevino, T.K. Sawyer, C.A. Metcalf, W.C. Shakespeare, D.J. Hicklin, L.M. Ellis, G.E. Gallick, B. Levin, D.A. Lieberman, B. McFarland, R.A. Smith, D. Brooks, K.S. Andrews, C. Dash, F.M. Giardiello, S. Glick, T.R. Levin, P. Pickhardt, D.K. Rex, A. Thorson, S.J. Winawer: American Cancer Society Colorectal Cancer Advisory Group; US Multi-Society Task Force; American College of Radiology Colon Cancer Committee: Screening and surveillance for the early detection of colorectal cancer and adenomatous polyps, 2008: a joint guideline from the American Cancer Society, the US Multi-Society Task Force on Colorectal Cancer, and the American College of Radiology, CA Cancer J Clin, vol. 58, 2008, s. 130 160. otrzymano / submitted: 02.10.2013r. wersja poprawiona / revised version: 20.10.2013r. zaakceptowano / accepted: 28.12.2013r. Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 4, 2013 209