5. Evoluţia naturala a cancerului. Teorii care explica carcinogeneza:

- Teorii clasice

- Teorii actuale.

I. Evoluţia naturala a cancerului Fiecare tumoră prezintă istoria sa naturală (numită şi progresie biologică, adică

evoluţia unei tumori de la debut şi până la decesul gazdei fără intervenţia medicală), ce

depinde de sediul anatomic al tumorii primare, căile anatomice de răspândire, de viteza cu

care celulele canceroase diseminează în organism (metastazează), mecanismele de apărare ale

gazdei şi alţi factori coexistenţi.

Dezvoltarea cancerului este un proces multistadial caracterizat de acumularea unui număr de alterări genetice (mutaţii - modificări în secvenţa codului ADN, deleţii - pierderea unei secţiuni a ADN, amplificări - cópii multiple ale aceleiaşi secvenţe de ADN), dar şi epigenetice (modificări în statusul de metilare a ADN, rezultând în activarea sau supresia unor gene în regiune). Câteva dintre principiile fundamentale descifrate până în prezent, referitor la bazele moleculare ale cancerului, merită reţinute:

1. Leziunile genetice (mutaţii) non-letale reprezintă nucleul carcinogenezei; acestea pot fi dobândite după expunerea la acţiunea factorilor de mediu, sau sunt moştenite pe linie germinală.

Termenul „mediu” utilizat în context semnifică orice defect cauzat de factorii exogeni sau endogeni (genetici, hormonali, imunologici) concretizat în produşi de metabolism celular. Nu toate mutaţiile sunt datorate mediului, unele putând fi spontane şi stocastice.

2. Tumora poate lua naştere prin expansiunea clonală a unei singure celule precursoare care prezintă leziuni genetice incurabile (monoclonalitate).

Recent, studierea celulei stem a adus contribuţii importante la înţelegerea carcinogenezei. Celulele stem normale sunt nediferenţiate şi prezintă capacitate de autoreînnoire, producând în acelaşi timp progenitori diferenţiaţi. Continuă să prolifereze perioade lungi de timp şi pot reprezenta punctul de plecare a procesului de carcinogeneză pentru unele cancere, dacă atât celula malignă cât şi cea stem utilizează acelaşi program molecular de autoreînnoire. Se presupune că celulele stem ale unui organ ar putea fi implicate în dirijarea procesului de carcinogeneză în organul respectiv. De altfel, cancerul este mai susceptibil să se dezvolte în celulele cu potenţial replicativ (capacitate de diviziune) mai crescut, având o şansă mai mare de acumulare a mutaţiilor [9,10].

II. Teoriile clasice şi actuale ale cancerogenezei

În decursul timpului s-a încercat explicarea mecanismelor de producere a cancerului prin diferite teorii şi ipoteze ce pot fi grupate în patru categorii:

1. I. Teoriile celulare. Robert Hooke descrie primă oară celula, iar Virchoff (1821-1902) corealează boala cu patologia microscopică. În conformitate cu dictonul său „omnis cellula e cellule”, Vicrchoff , toate celulele bolnave tisulare îşi au originea în celulele normale, iar patologia este determinată de malfuncţia celulelor normale.

2. Teoriile celulare presupun că celulele tumorale provin din transformarea celulelor normale existente; astfel tumorile sunt derivate din celulele cu diviziune rapidă. Corpul uman prezintă

circa 10 la 16 celule în diviziune de-a lungul vieţii. Riscul individual de a dezvolta cancer este de circa 10%, datorată transformării maligne a uneia dintre cele 10 la 17 celule care suferă diviziunea celulară. Proliferarea celulară necontrolată conduce la apariţia tumorilor. Argumentele ar fi mecanismele-cheie ale diviziunii celulare. Expansiunea ţesuturilor în cultură se produce prin divizune celulară. 3. Moartea celulară programată (apoptoza) este evocată în multe organisme ca mecanism de control care previne creşterea celulară necontrolată. S-a demonstrat că mecanismele carcinogenezei depind nu numai de capacitatea celulelor de a scăpa de controlul creşterii dar şi de capacitatea de a preveni moartea celulară programată.

4. 5. II. Teoriile biochimice- înainte de desoperirea oncogenelor, o largă varietate de teorii au încriminat că modificările căilor metabolice ar pute conduce la cancer. OttoVon Warburg a sugerat în 1930 că metabolismul oxidativ a celulelor canceroase este înlocuit de glicoliză iar proliferarea excesivă a celulelor canceroase reflectă capacitatea acestora de a metaboliza independent de oxigen. Ulterior, a fost demonstrat că substratul limitativ al creşterii este lipsa de oxigen şi glucoză şi, deci glicolioza anaerobă nu este cauza ci consecinţa creşterii accelerate care nu poate fi satisfăcuă prin reorganizarea microvascularizaţiei. Relansarea teorei metabolismului anaerob al lui Warburg a avut loc odată cu demonstrarea faptului că conversia la glicoliza anaerobă se declanşează precoce şi creşte pe măsură ce celulele devin mai maligne. Alţii atribuie simplificarea pattern-ului enzimatic a celulelor canceroase regresiunii ţesuturior tumorale în stadiile precoce ale dezvoltării embrionare: Ideea dediferenţierii regresive în carcinogeneză găseşte susţinere în apariţia onco-proteinelor fetale în cursul bolii maligne. Modelul alternativ al „ oncogenezei ca ontogenie parţial blocată” sugerează că cancerul este rezultatul unei serii de modificări ale genelor şi expresei acestora, care blocheză celula stem în completarea tuturor etapelor necesare pentru diferenţierea terminală, sugerând că ţinta procesului carcinogenetic este o celulă stem pluripoteentă (Potter 1978). Teoria deleţiei proteice este o extensie a teorei dediferenţierii, ca model epigenetic al cancerului. Un număr de activităţi enzimatice identificate ca alterate în celulele canceroase sunt cele implicate în sinteza acizilor nucleici şi în catabolism. Aceste proteine şi concepte au fost ulterior dezvoltate prin analiza profilului şi identificarea semnăturii expresiei genice, 20 de ani mai târziu. 6. II. Teoria noxelor -cancere sunt rezultatul agresiunii factorilor de mediu prin mecanismele invocate în cadrul carcinogenezei radice, virale şi chimice. Metabolismul oxidativ conduce invariabil la leziunile ADN. 7. Carcinogeneza chimică- 8. Carcinogeneza virală, care susţine teoria virală ce atribuie declanşarea cancerogenezei prin integrarea genomului viral în ADN gazdei ( inserţie mutaţională), determinând fie supresia genelor proprii, fie activarea anormală a unor protooncogenelor normale. Această teorie sugerează că tumorile pot surveni independent de virusuri ca rezultat a mutaţiei în genele lor celulare. Deşi importantă ca mecanism, exprimarea oncogenelor virale nu poate explica toate aspectele cancerogenezei. 9. Carciogeneza radică - 10. III. Teoriile somatice conform cărora- cancerele ar reprezenta o categorie largă de boli genetice ale celulelor somatice. Iniţierea dezvoltării şi progresiei tumorale apare prin acumularea mutaţiilor genice când o celulă normală suferă leziuni genetice permanente. Teoria mutaţiei genice presupune că apariţia cancerelor s-ar datora unor anomalii ale genelor care reglează creşterea şi diferenţierea celulară. 11. Modificările pot fi ereditare sau pot apare în timpul vieţii sub acţiunea factorilor cancerigeni exogeni sau endogeni. Argumentele în favoarea acestei teorii erau:

• Prezenţa anomaliilor cromozomice constante în celulele canceroase din anumite tipuri de tumori, cu intensitate şi frecvenţă proporţională cu stadiul bolii;

• Asocierea frecventă a neoplaziilor cu anumite defecte genetice congenitale (de exemplu cu sindromul Down, Klinefelter sau hemopatiile maligne asociate anomaliilor cromozomice);

• Corelaţia dintre acţiunea factorilor cancerigeni şi mutagenicitate: cu cât un agent este mai mutagen cu atât devine mai mare posibilitatea de a induce un cancer (de exemplu radiaţiile ionizante). 12. Cancerul este o boală poligenică în care progresia tumorală este rezultatul unor combinaţii infinite şi continuui de alterări genetice şi epigenetice într-o selecţie darwiniană care converg spre instalarea fenotipului malign.

13. Concepţia actuală consideră cancerogeneza ca un proces multistadial ce începe odată cu intervenţia unui anumit agent carcinogen şi include totalitatea transformărilor, de la apariţia primelor celule neoplazice, până la moartea gazdei. Procesul transformării maligne parcurge mai multe etape, fiecare dominată de factori multipli, unii genetici alţii epigenetici.

14. Procesul transformării maligne ar fi rezulatul a două mari teorii: teoria mutagenică şi cea non-mutagenică (epigenetică).

15. Teoria mutagenică consideră mutaţia somatică ca o modalitate primordială de alterare a informaţiei genetice. Numeroase observaţii au confirmat rolul modificărilor mutagenice în cancerogeneză, dintre acestea descoperirea oncogenelor şi a mecanismelor de activare ale acestora ilustrând cel mai bine această teorie. Teoria non-mutagenetică (epigenetică) consideră transformarea malignă ca o consecinţă a diferenţierii anormale a celulei datorită modificării expresiei genice, fără modificarea structurii ADN. Astăzi sunt admise ambele teorii pentru explicarea mecanismelor de transformare malignă: mutageneza explică satisfăcător fenomenele biologice caracteristice etapei de iniţiere, iar teoria non-mutagenică concordă cel mai bine cu etapa de promoţie. Este unanim acceptat că 85-95% dintre cancere sunt datorate unor factori de origine exogenă dar nu se poate afirma că un singur factor ar putea iniţia cancerul. Cancerogeneza este iniţiată de una sau mai multe leziuni (mutaţii) ale genomului, estimate la un număr variabil între 3 şi 12, în funcţie de tipul de tumoră. IV. Teoriile reglatorii- coform cărora, cancerul reprezintă, mai întâi pierderea funcţiilor de reglare. Celulele tumorale nu mai răspund de manieră adaptată la necesităţile şi variaţiile mediului în care supraviţuiesc. Cancerul se manifestă printr-o creştere a masei celulare adică o tumoră. Cancerele umane adesea pot lua naştere datorită mutaţiilor care afectează căile de semnal care coordonează şi regleză proliferaraea celulară şi supravieţuirea. 16. Teoria diferenţierii aberante ce consideră originea cancerului ca fiind secundară unor tulburări funcţionale, fără modificări structurale (teoria epigenetică). 17. Teoria selecţiei clonale (Burnet 1959) în care cancerizarea este considerată ca rezultat al selecţiei unei populaţii celulare autonome şi cu malignitate crescută care cu timpul devine preponderentă. Burnet a conceput teoria selecţiei clonale şi a aplicat-o la cancer. 18. Formarea cancerelor a fost numită „ evoluţie clonală” pentru a descrie cum anumite mutaţii fac capabile celulele să copie ADN lor lezat şi să se dividă în condiţii în care celulele normale şi-ar fi oprit diviziunea. S-a sugerat că tumorigeneza reprezintă dezvoltarea unei clone de celule care să se multiplice extensiv în contextul dereglării relaţiilor sale în organism. 19. Conform teorei lui Burnet care se bazează pe dicriminarea self de non-self, sistemul imun este activ în protecţia antitumorală din stadii precoce. 20. Alternativa, o reprezintă „ teoria pericolului” care implică că sistemul imun este activat numai în stadiile tardive ale carcinogenezei. În stadiile iniţiale, celulele tumorale se

comportă ca celulele normale care nu transmit semnalele de alarmă care să activeze sistemul imun deoarece nu exprimăantigenele de recunoaştere microbiană pentru a alerta sistemul imun. 21. Procesul numit selecţie clonală prezintă mecanismul determinant în instalarea „constelaţiei” de defecte genetice şi epigenetice prezente în celule canceroase. Selecţia clonală apare ca un proces evolutiv care promovează creşterea celulelor precanceroase şi canceroase cu mutaţiile şi modificările în expresiei genelor ce conferă proprietăţile cele mai potente de proliferare şi supravieţuire.

22. Concluzia este că un cancer este multifactorial în cauzalitate, iar transformările care au loc sunt multiple şi complexe, ceea ce a dus la enunţarea teoriei evenimentelor multiple şi complexe. Recapitulare

I. Teoriile clasice şi actuale ale carcinogenezei În decursul timpului s-a încercat explicarea mecanismelor de producere a cancerului prin diferite teorii şi ipoteze, ce pot fi grupate în mai multe categorii: Teoria celulară

În conformitate cu dictonul lui Virchow R (1821-1902) „omnis cellula e cellule”, celulele tumorale provin din transformarea celulelor normale existente. S-a demonstrat că mecanismele carcinogenezei depind nu numai de capacitatea celulei de a scăpa de sub controlul creşterii dar şi de cea de a preveni apoptoza.

Corpul uman prezintă circa 1016 celule în diviziune de-a lungul vieţii, iar riscul de a suferi transformarea malignă apare la 1 din 1017 diviziuni celulare; riscul individual de cancer este deci de circa 10%, iar tumorile maligne ar fi derivate mai ales din celulele cu diviziune rapidă.

Moartea celulară programată (apoptoza) este evocată în multe organisme ca mecanism de control care previne creşterea celulară necontrolată. S-a demonstrat că mecanismele carcinogenezei depind nu numai de capacitatea celulelor de a scăpa de controlul creşterii dar şi de capacitatea de a preveni moartea celulară programată. Teoriile biochimice Înainte de descoperirea oncogenelor, în carcinogeneză au fost incriminate modificările căilor metabolice.

O. H. Warburg (1930) a sugerat că metabolismul oxidativ al celulelor canceroase este înlocuit de glicoliză, proliferarea excesivă reflectând capacitatea acestora de a metaboliza independent de oxigen. Ulterior, s-a demonstrat că oxigenul şi glucoza sunt de fapt substratul limitativ al creşterii celulare, deci glicoliza anaerobă nu este cauza, ci consecinţa proliferării accelerate, care nu poate fi susţinută prin reorganizarea microvascularizaţiei. Teoria metabolismului anaerob a lui Warburg s-a relansat odată cu demonstrarea declanşării precoce a conversiei la glicoliza anaerobă, care creşte pe măsură ce celulele se malignizează şi devin mai agresive.

Simplificarea modelului enzimatic al celulei maligne a fost atribuită regresiunii ţesuturilor tumorale în stadiile precoce ale dezvoltării embrionare: clinic, ideea dediferenţierii regresive în carcinogeneză este susţinută de posibilitatea apariţiei oncoproteinelor fetale în cursul bolii maligne. Teoria deleţiei proteice este o extensie a teoriei dediferenţierii, ca model epigenetic al cancerului. Un număr de activităţi enzimatice implicate în sinteza acizilor nucleici şi în catabolism au fost identificate ca alterate în celulele maligne. Aceste concepte au fost ulterior dezvoltate prin analiza profilului expresiei genice şi identificarea de „semnături genetice” pentru anumitor cancere, 20 de ani mai târziu [11]. Teoria noxelor Unele cancere sunt rezultatul agresiunii factorilor de mediu prin mecanismele descrise în cadrul carcinogenezei fizice şi chimice. Metabolismul oxidativ conduce invariabil la leziuni

ADN. Acestea pot apare prin oxidarea directă a bazelor ADN, prin inducerea rupturilor dublu-catenare sau prin medierea configuraţiei microsateliţilorADN. Teoriile somatice Conform acestor teorii, cancerele ar reprezenta o categorie largă de boli genetice ale celulelor somatice. Iniţierea dezvoltării şi progresiei tumorale apare prin acumularea mutaţiilor genice când o celulă normală suferă leziuni genetice permanente. Carcinogeneza virală, exemplifică teoria virală ce atribuie declanşarea cancerogenezei prin integrarea genomului viral în ADN gazdei (inserţie mutaţională), determinând fie supresia genelor proprii, fie activarea anormală a unor proto-oncogenelor normale. Această teorie sugerează că tumorile pot surveni independent de virusuri ca rezultat a mutaţiei în genele lor celulare. Deşi importantă ca mecanism, exprimarea oncogenelor virale nu poate explica toate aspectele cancerogenezei. Teoria mutaţiei genice presupune că apariţia cancerului s-ar datora unor anomalii ale genelor care reglează creşterea şi diferenţierea celulară, sau afectează căile de semnal care coordonează şi reglează proliferarea şi supravieţuirea celulară. Modificările pot fi ereditare, sau apar în timpul vieţii sub acţiunea factorilor cancerigeni exo-/endogeni.

Argumente în favoarea acestei teorii sunt: - prezenţa constantă a anomaliilor cromozomiale în celulele maligne din anumite tipuri de tumori, cu intensitate şi frecvenţă proporţională cu stadiul bolii; - asocierea frecventă a neoplaziilor cu anumite defecte genetice congenitale (ex. sindrom Down, Klinefelter, hemopatii maligne cu anomalii cromosomiale); - corelaţia directă dintre intensitatea acţiunii factorilor mutageni şi capacitatea lor de a induce carcinogeneza (ex. radiaţiile ionizante) [11].

Teoriile reglatorii La nivel celular, cancerul reprezintă mai întâi o pierdere a funcţiilor de reglare; celulele tumorale nu mai răspund de manieră adaptată la necesităţile şi variaţiile mediului în care supravieţuiesc. Teoria diferenţierii aberante Originea cancerului este secundară unor tulburări funcţionale, fără modificări genetice şi structurale (teoria epigenetică). Teoria selecţiei clonale Cancerizarea rezultă prin selecţia darwiniană a unei populaţii celulare autonome şi agresive, care devine preponderentă în timp. Cancerul este o boală poligenică, progresia tumorală fiind rezultatul unor combinaţii infinite şi continui de alterări genetice şi epigenetice care converg spre instalarea fenotipului malign. Această teorie explică multe din aspectele evoluţiei cancerelor, dar ignoră rolul important al mutaţiilor. Selecţia clonală este în realitate un proces evolutiv care promovează creşterea celulelor precanceroase şi canceroase cu proprietăţile cele mai potente de proliferare şi supravieţuire, conferite de mutaţiile şi modificările în expresia genelor.

Este unanim acceptat că 85-95% dintre cancere sunt datorate unor factori exogeni, însă nu se poate afirma că un singur factor ar putea determina cancerul. Carcinogeneza este iniţiată de una sau mai multe leziuni ale genomului (3-12 mutaţii, în funcţie de tipul tumoral). Astfel, cauzalitatea cancerului este multifactorială, iar transformările ulterioare multiple şi complexe.

Procesul transformării maligne a celulei poate fi rezumat prin două mari teorii: cea mutagenică şi cea non-mutagenică (epigenetică). Teoria mutagenică consideră mutaţia somatică ca o modalitate primordială de alterare a informaţiei genetice. Rolul modificărilor mutagenice în carcinogeneză este confirmat prin numeroase observaţii, descoperirea oncogenelor şi a mecanismelor de activare ale acestora ilustrând cel mai bine această teorie. Teoria non-mutagenică (epigenetică) consideră transformarea malignă ca şi consecinţă a diferenţierii anormale a celulei, datorată modificării expresiei unor gene, însă fără modificarea structurii ADN.

În prezent, pentru explicarea mecanismelor de transformare malignă sunt admise ambele teorii: teoria mutagenică explică în mod satisfăcător fenomenele biologice caracteristice etapei de iniţiere, în timp ce teoria non-mutagenică concordă cel mai bine cu etapa de promoţie [12].

Rezumat • Carcinogeneza umană este un proces multistadial atât la nivel fenotipic cât şi genotipic, care

reflectă acumularea unui număr de alterări genetice ce conduc la transformarea progresivă a celulei normale spre o celulă malignă.

• Acest proces de durată poate fi arbitrar împărţit în mai multe etape: iniţierea tumorală, promoţia tumorală, conversia malignă şi progresia tumorală.

• Cancerul este o boală cu mecanism genetic activ la nivel celular. Alterările genetice pot lua forma mutaţiilor, deleţiilor sau amplificărilor ADN, dar pot fi întâlnite şi rearanjări cromozomiale sau alterarea numărului de cromozomi.

• În acelaşi timp, cancerul este o boală a alterării expresiei genice, incluzând o arie complexă de evenimente epigenetice (modificări în statusul de metilare a ADN, rezultând în activarea/supresia unor gene din regiunea respectivă).

• Progresia de la un ţesut normal spre un cancer invaziv are loc în decurs de 5-20 ani şi este influenţată atât de factori de mediu, cât şi de factori genetici (ereditari sau nu), metabolici, hormonali sau imunologici.

Bibliografie 1. Tannock IF, Hill PR, Bristow RG, Harrington F. The basic science of oncology, 4th edition. New York: McGraw Hill

Medical Division Publishing, 2005: 123-142. 2. Nagy V, ed. Principii de cancerologie generală. Curs pentru studenţi. Cluj-Napoca: Editura Medicală Universitară Iuliu

Haţeganu, 2007: 1-24. 3. DeVita VT Jr, Lawrence TS, Rosenberg SA, DePinho RA, Weinberg RA, eds. DeVita, Hellman, and Rosenberg’s

Cancer: Principles and practice of oncology, 8th edition. Philadelphia: Wolter Kluwer/Lippincott Williams & Wilkins, 2008: 147-244.

4. Chang AE, ed. Oncology – An evidence-based approach. New York: Springer, 2006: 214-32. 5. Abeloff MD, Armitage JO, Niederhuber JE, Kastan MB, McKenna WG, eds. Abeloff’s Clinical Oncology, 4th edition.

Philadelphia: Churchill Livingstone Elsevier, 2008: 139-152. 6. Miron L, ed. Oncologie generală. Bacău: Editura Egal, 2000: 226-236. 7. Cassidy J, Bisset D, Spence AJR, Payne M, eds. Oxford Handbook of oncology, 2nd edition. Oxford University Press,

2006: 37-54. 8. Meestedt H, Schrijvers D, Bafaloukos D, Greil R, eds. ESMO Handbook of principles of translational research. Geneva:

Informa Healthcare, 2007: 31-45. 9. Lacave R, Larsen CJ, Robert J, eds. Cancerologie fondamentale. Paris: John Libbey Eurotext, 2005: 384-394. 10. Schultz AW. Molecular biology of human cancers – An advanced student’s textbook. New York: Springer, 2007: 71-112. 11. Ruddon RW, ed. Cancer biology, 4th edition. New York: Oxford University Press, 2007: 3-16. 12. Weber GF. Molecular mechanisms of cancer. New York: Springer, 2007: 7-28.