مشکل اساسی در پژوهش های مربوط به سرطان، تعیین نوع سلولی است که قادر به ایجاد و حفظ رشد تومور می باشد.
پژوهشگران با مطالعه سلول های بنیادی، اطلاعات قابل ملاحظه ای در مورد سرطان بدست آوردند.
در تومور، تنها درصد کمی از سلولهای سرطانی، توان بوجود آوردن بافت سرطانی جدید را دارند. نه همه سلولهای سرطانی و همین باعث هتروژنیتی تومور می شود.
این زیرمجموعه کوچک سلولهای در تومور، سلولهای بنیادی سرطانی ( CSC) ها نامیده می شوند.
CSC=Cancer Stem Cell
Stem cell
شباهت های سلول سرطانی با سلول بنیادی طبیعی:
1- توانایی تقسیم سلولی از نوع self-renewal یا تجدید خودی
2- مقاومت در برابر آپوپتوز و مرگ برنامه ریزی شده سلولی
3- برخی از مسیرهای سیگنالینگ مولکولی مربوط به تکامل طبیعی سلولهای بنیادی، از جمله Wnt، Shh ، Notch ، در پیشرفت سرطان نیز فعال هستند.
4- دارا بودن انتقال دهنده های کاست ATP-Binding که باعث راندن داروها از سلول می شود و علت بی اثری شیمی درمانی روی بعضی سرطان ها نیز همین است.
سلولهای بنیادی آسان تر از سلولهای دیگر به سوی بدخیمی کشیده می شوند.
در سلولهای بنیادی طبیعی، تنظیم های ژنتیکی سفت و سختی وجود دارد که توانایی آنها را برای رشد نامحدود، کنترل می کند ولی سلولهای سرطانی چنین کنترلی ندارند.
قرارگرفتن سلولهای بنیادی در یک وضعیت دائمی برای تقسیم سلولی و فعال سازی مسیرهای سیگنالینگ و ناتوانی آنها برای برگشت به حالت خاموشی باعث سرطان می شود.
2 ویژگی معین سلولهای بنیادی:
1. توانایی self-renewal
2. توانایی تمایز
سلولهای بنیادی در افراد بالغ در بافتهای تمایزیافته وجود دارند و می توانند تبدیل به همه انواع سلولهای مورد نیاز آن بافت شوند.
طی نمو، سلولهای بنیادی با یک تقسیم غیرمتقارن، تبدیل می شود به یک سلول تمایزیافته تر که اجداد سایر سلولها است و یک سلول بنیادی دیگر.
سپس این جد تمایزیافته یا progenitor تبدیل به 2 سلول تخصصی می شود.
طول عمر سلولهای progenitor ، چندروز یا چندهفته است در حالیکه سلولهای بنیادی طویل العمر می باشند.
مروری بر سیستم هماتوپویتیک:
سلولهای خون ساز در سلسله مراتبی منظم شده اند که از جمعیت کوچکی از سلولهای بنیادی پرقوه و طویل العمر که قادر به تجدید خود هستند شروع می شود(HSC)
Hematopoietic Stem Cell
سپس HSC ها، اجداد تمایزیافته و محدود به رده ای با قابلیت Self-renewal کمتر تولید می کنند که تبدیل به مقادیر زیادی گلبول های خونی بالغ و غیرقابل تکثیر با عمر کوتاه می شوند.
اولین مرحله تعهد به رده، شامل یک دوراهی است که مسیرهای لنفوئیدی را میلوئیدی را جدا می کند.
Myeloid progenitor جد ماکروفاژ / گرانولوسیت
Lymphoid progenitor جد لنفوسیتها
در افراد بالغ %85 لوکمیاها میلوئیدی و %15 لنفوئیدی است.
در کودکان %80 لنفوئیدی و %20 میلوئیدی است.
CSCها اولین بار در سال 1997 توسط John Dick از AML جدا شدند و سپس در سرطان سینه و تومورهای مغزی یافت شدند.
لوکمیاهای میلوئیدی حاد و مزمن (CML , AML) ، بهترین مدل ها در مطالعه بیولوژی سلولهای بنیادی سرطانی بودند (با استفاده از سیستم هماتوپویتیک موش)
کشف یک ناهنجاری کروموزمی ثابت در هر سلول هماتوپویتیک در حال تقسیم در یک بیمار CML پیشنهاد کرد که لوکمیا از توسعه کلونال یک سلول منفرد که دچار چنین تغییر ژنتیکی شده است بوجود می آید.
(منشا تومور:LSC )
Leukemia stem cell
CML شامل تولید بیش از حد گرانولوسیتهای تمایزیافته ولی بدون عملکرد است که در نهایت به انباشته شدن بلاستهای لوکمیایی می انجامد.
ویژگی قابل تشخیص CMLها: کروموزوم فیلادلفیا
در بیماران CML ، پروتئین غیرطبیعی تولید می شود که باعث تولید تنظیم نشده سلولهای میلوئیدی (هم SCها هم Progenitorها) می شود.
AML با تجمع بلاستهای تمایزنیافته که از نظر عملکردی نابالغند همراه است.
جمعیت سلولهای بلاستی، علی رغم شباهت های مورفولوژیکی، از نظر بیولوژیکی هتروژن می باشند.
تجزیه و تحلیل AML ، کلید راه گشا برای تفسیر اصول بیولوژیکی هتروژنیتی تومورها بوده است.
بررسی های کینتیکی با استفاده از تیمیدین نشان دار شده با تریتیوم نشان داد که اکثر سلولهای AML از نظر تکثیر غیرفعالند و فقط تعداد کمی از بلاستهای لوکمیایی با قدرت تکثیر بالا (AML-CFU) قادر به تشکیل کولونی ها هستند.
همانند هماتوپویززطبیعی، کلون لوکمیایی در AML، بصورت سلسله مراتبی منظم شده است که در آن تعداد کمی از اجداد تکثیرکننده بطور مداوم جمیعت بلاستهای لوکمیایی را فراهم می کند.
دانشمندان معتقدند عود سرطان به خاطر زنده ماندن تعدادی CSC در میان جمعیت سلولهای سرطانی طی شیمی درمانی است، این درمان ها مانند کندن علف های هرز از ساقه می باشند.
پس اگر سلولهای بنیادی سرطانی در تومور مشخص شوند و بطور انتخابی با داروها مورد نظر هدف قرار داده شوند، سرطان به طور دائمی ریشه کن خواهد شد.
امروزه دانشمندان در تلاشند خصوصیاتی که CSCها را از سایر سلولهای توموری متمایز می کنند کشف کنند. علی رغم پیشرفتهای اخیر در زمینه CCSها، هنوز تشخیص سلولهای بنیادی طبیعی و سرطانی به راحتی امکان پذیر نیست و می بایستی مارکرهای سطحی و تفاوت بین مسیرهای سیگنالینگ آنها بخوبی روشن شود.
در لوکمیا و سرطان سینه، CSCها مارکرها ی سطحی شبیه SCهای طبیعی دارند که از این مطلب 2 نکته استنباط می شود:
1. سلولهای سرطانی برخلاف آنچه تصور می شد از تغییرات لجام گسیخته سلولهای طبیعی حاصل نشده اند بلکه تغییرات ممکن است بسیار ظریفتر باشد.
2. سرطان غالباً دراثر عدم تنظیم یک سلول تمایزنیافته بوجود می آید تا اینکه یک سلول تمایزیافته بخواهد رفتارهای جدیدی پیدا کند.
CSCها همانند سلولهای بنیادی سالم نه فقط قابلیت Self-renewal دارند بلکه می توانند انواع گوناگون سلولها را نیز بوجود آورند.
در مورد مسیرهای سیگنالینگ که در سرطان مختل می شوند، اطلاعات خوبی وجود دارد ولی این هم راهکار مناسبی برای تشخیص CSCها و درمان نیست، زیرا در مورد LSCها، که شناخته شده ترین سلولهای بنیادی سرطانی هستند پاسخگو نیست.
در LSCها سیگنالهای hyper proliferation و تیروزین کیناز مانند سایر سلولهای توموری فعال نمی باشند در نتیجه داروهایی که این آبشار سیگنالینگ را متوقف می کنند، بار توموری را کاهش می دهند ولی قادر به حذف LSCها نیستند. (همانند شیمی درمانی)
وقتی ریشه بیماری، سلولهای بنیادی باشند، درمان مشکل تر است زیرا SCها انواع ژن های مقاومت به داروها را بیان می کنند از جمله MDR و BCRPو داروها را به خارج پمپ می کنند همچنین از آنجایی که به علت تقسیم آهسته، به کرّات ترمیم DNA را انجام می دهند، مقاوم به تابش پرتو و عوامل تخریب کننده DNA می باشند.
LSCها در اثر ایجاد موتاسیون در HSCها بوجود می آیند.
دانشمندان نشان دادند که می توانند LSCها را از سلولهای اجدادی غیر Self-renewing هم تولید کنند. این Progenitorها سلولهای با عمر کوتاهی هستند که می توانند به چندین نوع از سلولهای خونی تبدیل شوند ولی از سلولهای بنیادی که می توانند به همه انواع سلولها تبدیل شوند متعهدتر می باشند.
Self-renewing یک ویژگی کلیدی هم در سلول بنیادی طبیعی هم سلول بنیادی لوکمیایی می باشد. برای ترانسفورم شدن سلولهای بنیادی که در آنها تشکیلات Self-renewing از قبل فعال است تغییرات موتاژنیک کمتری لازم است(a) نسبت به اجداد متعهدی که قابلیت Self-renewing می بایستی مجدداً در آنها فعال شود(b) اگر یک committed progenitor با طول عمر محدود، تغییر ژنتیکی حاصل کند که نقشی در افزایش Self-renewing نداشته باشد(c)، آن سلول احتمالاً خواهد مرد یا اینکه قبل از وقوع موتاسیونهای لازم جهت لوکمی زایی، مراحل نهایی تمایز را سپری خواهد کرد.
تعادل بین Self-renewing و تمایز باید به شدت رعایت شود از یک طرف برای حفظ خزانه SCها و از طرف دیگر تولید منبع مورد نیاز سلولهای تمایزیافته.
طراحی هوشمندانه مراحل خون سازی باعث می شود تولید سلولهای خونی بدون مصرف توان همانندسازی SCها ادامه یابد زیرا تقسیم سلولی به میزان بیشتر در اجداد متعهد(committed progenitors) و با فراوانی کمتر در سلولهای بنیادی صورت می گیرد.
ماهیت سلسله مراتبی این سیستم، بطور معناداری خطر لوسمی را کاهش می دهد زیرا موتاسیونها در رابطه با تکثیر سلولی می باشند و بعید است در اجداد تکثیرشونده ای رخ دهند که به علت عمر محدودشان، احتمالاً قبل از انجام موتاسیونهای مورد نیاز برای پیشرفت سرطان، مراحل نهایی تمایر را طی می کنند
برای توضیح هتروژنیتی عملکردی مشاهده شده در AML و سایر انواع سرطانها، 2 مدل برای تکثیر سلولهای بنیادی تومور پیشنهاد شده
1. مدل تصادفی (Stochastic) : هر سلول تومور شانسی کم ولی مساوی برای تشکیل تومور جدید دارد. سلولهای تومور تقریباً مشابهند و تغییرات ژنتیکی در همه سلولها می تواند رخ دهد و تابع قوانین احتمالات است.
2. مدل سلولهای بنیادی: سلولهای توموری هتروژن هستند. اکثر سلولها پتانسیل کمی برای تکثیر دارند و فقط زیرمجموعه کوچکی از سلولهای سرطانی، قابلیت ایجاد تومور دارند.
ـ با وجود اینکه هر دو مدل پیشنهاد می کنند فقط تعداد محدودی از سلولهای تومور، آغازگر رشد کلون نئوپلاستیک هستند ولی اصول بیولوژیکی آنها بسیار متفاوت است و درمانهای متفاوت دارند.
ـ مدل دوم با تشخیص CSCها در تومورهای مغز و سینه تایید شده است و قادر به توسعه درمانهای هدفمند و موثر می باشد.
اگرچه ایمنوفنوتیپ اولیه LSCها و HSCها مشترک است ولی اخیراً تعیین بعضی مارکرهای ویژه LSCها جداسازی آنها را در بیماران AML در آینده امکان پذیر ساخته.
Thy-1 (CD90)و(CD112) c-kit در HSCهای طبیعی بیان می شوند ولی در LSCها وجود ندارند در حالیکه زنجیره آلفای رسپتور (CD123)IL-3 یک مارکر منحصر به فرد برای LSCها است.
نوع فعال NF-KB که مربوط به فعالیت آنتی آپوپتوتیک در سرطانهای انسانی است در LSCها بیان می شود و در HSCها بیان نمی شود. که باعث القای آپوتپوز به صورت طبیعی در HSCها می شود.
NF-kB
Normal HSC phenotype –
CD34+
CD38-
CD123-
HLADR-
CD33+
CLL-1-
CD90+
CD117+
CD34+
CD38-
CD123+
HLADR-
CD33+
CLL-1+
CD90-
CD117-
?CD44+
AML HSC phenotype –
ژنهایی که تنظیم Self-renewal را بر عهده دارند بیشتر از ژنهایی که در تمایز نقش دارند احتمال دارند که به انکوژن تبدیل شوند. بهترین مثال این ژنها: Bmi-1
Bmi-1 در سیستم هماتوپویتیک و عصبی، هم برای تکثیر سلولهای بنیادی طبیعی و هم CSCها ضروری است.
یک SC فقط زمانی می تواند ماهیت بنیادی بودن و تجدید خودی خودش را حفظ کند که Bmi-1 ، ژنهایی که پیش برنده تمایز یا مرگ سلولی هستند را مهار کند.
غیر از نقش پر اهمیت Bmi-1 در بقای سلولهای بنیادی، ژنهایی که بیان Bmi-1 را تحریک می کنند و ژنهای هدفی که Bmi-1 آنها را در سلولهای بنیادی مهار می کند جزء تنظیم کننده های کلیدی سرطانی شدن سلولهای بنیادی می باشند.
سرطانی شدن سلولهای بنیادی
مدل های شروع و پیشرفت لوکمیا:
در هر 2 مدل، وقایع ترانسفورمینگ اولیه در یک سلول بنیادی رخ می دهد.
(a در مدل اول وقایع ترانسفورمینگ باعث گسترش کلونال سلولهای بینادی می شود هدفهای بیشتری برای موتاسیونهای اضافی فراهم می شود. تمام تغییرات ژنتیکی در بخش سلولهای بنیادی صورت می گیرد ولی اثرات آنها در اجداد فرودست نمایان می گردد. تولید سلولهای بلاستی که فنوتیپ آنها بستگی به ماهیت ویژه موتالسیون های ترانسفورمینگ دارند.
به طور جالب توجه سلولهای بنیادی لوکمیایی با توانایی احیای لوکمیا در قسمت سلولهای بنیادی وجود دارند.
(b وقایع ترانسفورمینگ اولیه باعث گسترش کلونال خزانه سلولهای بنیادی نمی شود ولی این قابلیت حفظ می شود ـ سلول ترانسفورم شده برنامه نموی طبیعی اش را دنبال می کند و تمایزیافته تر می شود. موتالسیون های بعدی که در زاده های فرودست حاصل می شود باید تشکیلات تجدید خودی سلول را باز فعال کند تا LSCهایی تولید کند که قادر به تقویت رشد کلون لوکمیایی در موجود زنده باشندـ
LSCها در بخش سلولهای بنیادی یافت نمی شوند ولی در جمعیت های سلولی بالغ تر وجود دارند
CSC در سرطان سینه
BCSCها اولین بار در سال 2003 شناسایی شدند.
در میان همه سلولهای سرطانی سینه، فقط اقلیت بسیار کوچکی(حدود 100 سلول) قادر به ایجاد تومور بدخیم جدید باشد. این سلولهای اولین CSCهایی هستند که در تومورهای سفت یافت شده اند و دلیل عدم موفقیت درمان های رایج سرطان سینه متاستاتیک را توضیح می دهند.
سلول های بنیادی سرطانی تومور سینه در موش با استفاده از Agهای سطحی ویژه شان جدا شدند(با تکنولوژی فلوسیتومتری و استفاده از Abهای اختصاصی)
همه این سلولها مارکر CD44 را بیان می کنند در حالیکه CD24 را به میزان کم یا اصلاً بیان نمی کنند.
وقتی این سلولهای تومورزا به موشهای سالم تزریق شدند، تومورهای جدیدی حاصل کردند که سلولهای آنها مشابه انواع سلولهای تومور اصلی بود. این نشان می دهد که سلولهای تزریق شده نه فقط قادر به self-renewal هستند بلکه همانند سلولهای بنیادی طبیعی، می توانند انواع گوناگونی از سلولها را بوجود آورند.
سیگنالینگ Wnt در سرطان سینه فعال می شود.
CSC و تومورهای مغزی
اخیراً محققان وجود سلولهای CD133+ را در تومورهای مغزی انسان اثبات کردند که دارای قابلیت تمایل self-renewal هستند و آغازگر رشد تومور می باشند در حالیکه سلولهای CD133- این قابلیت را ندارند.
زیرمجموعه ای از سلولها در تومورهای مغزی کودکان باعث بوجود آوردن نوروسفرازها می شوند که به سلولهای بنیادی عصبی عمومی معروفند. که وقتی از هم جدا می شوند هرکدام می توانند نوروسفرازهای بیشتری تولید کنند که این نشان دهنده قابلیت self-renewal آنهاست.
کشف CSCهای بالقوه تخمدان
دانشمندان بیمارستان ماساچوست، اخیراً CSCها رادر سرطان تخمدان هم کشف کرده اند. که این می تواند علت دشواری درمان این تومورها توسط شیمی درمانی باشد.
طی درمانهای تکراری با MIS (MullerianInhibitory Substance)
این CSC های تخمدان حساس باقی ماندند. MIS)پروتئینی است که در نمو طبیعی اندامهای جنسی نقش دارد و توانایی اش در درمان چندین تومور زاینده مشخص شده) این نشان می دهد علت مقاومت این تومورها به شیمی درمانی و تابش پرتو، وجود این CSCها می باشد.
Refrences:
1-Cancer stem cells: lessons from leukemiaJean C.Y. Wang and John E. Dick
TRENDS in Cell Biology Vol.15 No.9 September 2005
2-Akashi, K. et al. (2000) A clonogenic common myeloid progenitor that gives rise to all myeloid lineages. Nature 404, 193–197
3-Takano, H. et al. (2004) Asymmetric division and lineage commitmentat the level of hematopoietic stem cells: inference from differentiationin daughter cell and granddaughter cell pairs. J. Exp. Med. 199,295–302
4-Jiang Y, Jahagirdar BN, Reinhardt RL, et al. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature 2002;418:41–9
5-Serakinci N, Guldberg P, Burns JS, et al. Adult human mesenchymal stem cell as a target for neoplastic transformation. Oncogene 2004;23:5095–8
6-Stem Cells: The Real Culprits in Cancer? By Michael F. Clarke and Michael W. Becker June 26, 2006 Scientific American, Inc.
7-From gene mutations to tumours – stem cells in gastrointestinal
carcinogenesis
S. J. Leedham*, S. Schier*, A. T. Thliveris†, R. B. Halberg†,
M. A. Newton‡ and N. A. Wright* revision accepted2September2005
8-Brittan M, Braun KM, Reynolds LE, Conti FJ, Reynolds AR, Poulsom R, Alison MR, Wright NA, Hodivala-Dilke KM(2005) Bone marrow cells engraft within the epidermis and proliferate in vivo with no evidence of cell fusion.J. Pathol. 205, 1.
9-American Cancer Society Statistics (2004) Cancer facts and figures 2004. www.cancer.org. (Last accessed: 12 July 2005).
10-Al-Hajj, M., Wicha, M.S., Benito-Hernandez,A., Morrison, S.J., and Clarke, M.F. (2003).Molofsky, A.V., Pardal, R., Iwashita, T., Park,Tong, W.G., Ross, J., Haug, J., Johnson, T., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 3983–3988.
11-Calvi, L.M., Adams, G.B., Weibrecht, K.W.,Weber, J.M., Olson, D.P., Knight, M.C., Martin,R.P., Schipani, E., Divieti, P., Bringhurst, F.R.,et al. (2003). Nature 425, 841–846.
12- Chen, D., and McKearin, D. (2003). Curr. Biol.13, 1786–1791.
13-Kiger, A.A., White-Cooper, H., and Fuller, M.T.
(2000). Nature 407, 750–754.
14-Singh, S.K., Hawkins, C., Clarke, I.D., Squire,J.A., Bayani, J., Hide, T., Henkelman, R.M.,Cusimano, M.D., and Dirks, P.B. (2004). Nature432, 396–401.
15-Lessard, J., and Sauvageau, G. (2003). Nature
423, 255–260.
16-Leung, C., Lingbeek, M., Shakhova, O., Liu, J.Tanger, E., Saremaslani, P., Van Lohuizen, M.,and Marino, S. (2004). Nature 428,
17-Yamashita, Y.M., Fuller, M.T., and Jones, D.L.
(2005). J. Cell Sci. 118, 665–672.
18 Decotto, E., and Spradling, A.C. (2005). Dev.
Cell 9, 501–510.
19-Jordan CT, Guzman ML, Noble M. Cancer stem cells. N Engl
J Med 2006;355:1253-61.
20-Olaf Wolkenhauer]Control, exploitation and tolerance of
intracellular noise, Christopher V. Rao*, Denise M. Wolf‡ & Adam
P. Arkin Nature November 2002
21-Olaf Wolkenhauer] DiMSim: A Discrete-Event Simulator of
Metabolic Networks Xiao-Qin Xia and Michael J. Wise*, J. Chem.
Inf. Comput. Sci. 2003, 43, 1011-1019
22-di Bernardo, et al., Chemogenomic profilingon a genome-wide scale using reverse engineered gene networks,Nature Biotech vol 3, no 3, 377-383, 2005
23-Derivation of Causal Protein Signaling Networks from Multiparameter Single-cell Data. with Karen Sachs, Omar Perez,Doug Lauffenburger, and Garry Nolan. Science , 308:523-529,April 2005
24-Papin, Hunter, Palsson, Subramaniam, Nature Reviews Molecular
Cell Biology 2005.
25-From signature to models: understandingcancer using microarrays, . Segal,N. Friedman, N. Kaminski, A.Regev, and D. Koller Nature Genetics, 2005 June, 37(6 Suppl):
S38-45
26-The Role of Modeling in Systems Biology, Douglas B. Kell and
Joshua D. Knowles from System Modeling in Cellular Biology, From
Concepts to Nuts and Bolts
MIT Press 2006.
27-The Root of Tumor Growth: Stem Cell Research Thrives
Journal of the National Cancer Institute, Vol. 96, No. 7, April 7, 2004
28-Early Breast Cancer: FromScReening to Multidisciplinary
ManagementSecond edition. Edited by Guidubaldo Querci della Rovere,Ruth Warren, and John R. Benson. 492 pp., illustrated. Abingdon, England, Informa Healthcare/Taylor & Francis,2006. $249.95. ISBN 1-84184-384-9.
29-Essentials of Stem Cell Biology
Edited by Robert Lanza, John Gearhart, Brigid Hogan,
and others. 548 pp., illustrated. San Diego, Calif., Elsevier
Academic Press, 2006
30-Control of Development of Normal andCancer Stem Cells
Leo SachsJoseph Lotem Life Science Open Day | 2006 | Weizmann Institute of Science
31-Sachs, L. (1995) The adventures of a biologist: Prenatal
diagnosis, hematopoiesis, leukemia, carcinogenesis and tumor
suppression. Foundations in Cancer Research. Adv. Cancer
Res., 66, 1-40.
32-Sachs, L. (1996) The control of hematopoiesis and leukemia:
From basic biology to the clinic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 93,
4742-4749.
33-Lotem, J., and Sachs, L. (2002a) Epigenetics wins over genetics:
Induction of differentiation in tumor cells. Sem. Cancer Biol.,
12, 339-346.
34-Lotem, J., Netanely, D., Domany, E., and Sachs, L. (2005) Human
cancers overexpress genes that are specific to a variety of
normal human tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 102, 18556-
18561.