El cáncer como enfermedad dual: Célula y nicho tumoral Dr Pere Gascón Hospital Clínic

¿Qué es el cáncer? ¿Células adultas anormales que se dividen sin control? - Visión reduccionista ¿Células madre mutadas que dan lugar a una progenie anormal “inmortal”? ¿Células madre mutadas y células facilitadoras del nicho tumoral que dan lugar a un tejido anormal? - Visión de la célula heterotípica

El cáncer ha de entenderse como un órgano tumoral El cáncer ha de entenderse como un órgano tumoral heterogéneo en donde conviven las células tumorales con las de su entorno Está demostrado que un grupo celular (tumoral) interacciona con el otro grupo celular (microambiente) (epitelio  mesénquima) Este concepto dual de la enfermedad explicaría desde el orígen al desarrollo del cáncer y permitirá la elaboración de nuevas estrategias terapéuticas

Tumor: Heterogeneous and structural complex tissue or organ Fibroblasts, epithelial cells, innate and adaptive immune cells, vascular endothelial as well as specialized and mesenchymal cells Hanahan and Weinberg Cell,2000

Inicio del cáncer (carcinogénesis) Células madre Nicho tumoral Células microambiente tumoral: macrófagos, fibroblastos, linfocitos ……..endoteliales  VGEF

Inicio del cáncer (1): células madre cancerígenas Las células madre cancerígenas se definen como aquella pequeña proporción de células dentro del tumor que repueblan a largo plazo el grueso del tumor y mantienen la habilidad de regenerarse continuamente, de muy larga vida, con una tasa de replicación muy baja, activación de múltiples mecanismos citoprotectores y anti-apoptóticos; y capaces de acumular múltiples mutaciones Ponti et al. EUROPEAN JOURNAL OF CANCER 4 2 ( 2 0 0 6 ) 1 2 1 9 –1 22 4 Keith B, Simon M. Cell 129, May 4, 2007 ©2007

Inicio del cáncer (1): células madre cancerígenas y su papel en el inicio del cáncer Figure 1. A. traditional model of carcinogenesis. Transformation (lightning symbol) affects random cells in the tissue, including differentiated cells. Once a cell becomes fully transformed (dark nucleus), its progeny can 'lose' differentiation capacity, becoming progressively more aggressive and anaplastic, thus similar to tissue stem cells. B. Cancer stem cell model. Transformation affects normal tissue stem cells with unlimited self-replicative potential, or progenitor cells with high self-replicative potential. This generates 'cancer stem cells' with unlimited self-replicative potential. These in turn generate a vast progeny of 'dead-end' tumor cells, as well as maintaining a small stem population from which recurrences arise when the bulk of the tumor has been killed by chemotherapy. Song et al. Expert Opin.Ther. (2007) 7(4):431-438

Cáncer de Mama: Origen y Evolución Aunque la iniciación y la progresión tumorales están mediados por alteraciones genéticas, existen datos que confieren un papel importante a cambios epigenéticos y del microambiente Cáncer de mama no es una sola enfermedad: distintos subtipos con distintos cursos clínicos. Estos subtipos ya se aprecian en el carcinoma in situ ductal1 1Yu K et al. Clin Cancer Res, 2004

Yu K et al. Clin Cancer Res, 2004 DCIS 11 benignos 17 DCIS 98 Carcinomas invasivos luminal Her2 Basal Yu K et al. Clin Cancer Res, 2004

Cáncer de Mama: Origen y Evolución La existencia de distintas células de origen (Stem Cells) y eventos genéticos y epigenéticos específicos para cada subtipo es posible: 1Yu K et al. Clin Cancer Res, 2004

Modelos hipotéticos de los distintos subtipos en cáncer de mama Polyak K. J Clin Invest 117: 3155, 2007

Modelo hipotético de progresión de cáncer de mama El criterio diagmóstico que distingue DCIS de invasivo es la desaparición de la capa mioepitelial como una entidad organizada. Las células mioepiteliales asociadas a DCIS no son fenotípicamente normales: han perdido marcadores de diferenciación y presentan genes de angiogénesis e invasión sobreexpresados Polyak K. J Clin Invest 117: 3155, 2007

Hipótesis: ¿Está la transición de DCIS a carcinoma invasivo regulada por las células mioepiteliales? ¿degradan la membrana basal? - Sabemos que: células mioepiteliales asociadas a DCIS presentan niveles muy elevados de enzimas degradantes de la ECM : MMPs (comparando con otras células mioepiteliales no asociadas a DCIS)

Inicio del cáncer (1): células madre cancerígenas en cáncer de mama Brynn T Kvinlaug & Brian JP Huntly. Expert Opin. Ther. Targets (2007) 11(7):915-927 Ponti et al. EUROPEAN JOURNAL OF CANCER 4 2 ( 2 0 0 6 ) 1 2 1 9 –1 22 4

Al-Hajj et. Al PNAS 100:3983, 2003

Breast Cancer –Initiating Cell (BCIC): BREAST Cancer Stem Cell Breast Cancer –Initiating Cell (BCIC): CD44+ , CD24- , B38.1+ , ESA+ CD44: hyaluronic acid CD24: selectin B38.1: antigen present in ovarian and breast cancer ESA : epithelial special antigen 100 cells with this phenotype are capable to initiate tumors in NOD/SCID mice  50.000 cells with phenotype: CD44+ , CD24+ , B38.1+ , ESA+ Do Not!!!  

Cancer initiation: a story of stem-cells and surrounding cells Adult stem cells usually show asymmetric or symmetric division: Asymmetric: some maintains stem-cell phenotype and the others go towards adult phenotype (Dr. Cayetano González) Symmetric division only leads to pure stem-cells and it is typical of embrio development and tissue repair in adults Chronic inflammation, in which surrounding cells enhance tissue repair mechanisms, is linked to cancer Inflammatory cells environment probably induce symmetric division of stem cells thus inducing potential malignant transformation EL INICIO DEL CÁNCER ESTÁ ASOCIADO NO TAN SOLO A LAS CÉLULAS MALIGNAS SINO TAMBIÉN A LAS CÉLULAS FACILITADORAS DE SU ENTORNO Nature, june 2006

Inicio del cáncer (2): nicho tumoral Hay bastante evidencia que demuestra que el nicho tumoral ejerce una influencia crítica en el desarrollo y progresión de los tumores. Se ha demostrado que las alteraciones en el microambiente pueden promover la formación de tumores epiteliales (como el cáncer de mama) Un genotipo maligno puede ser “reprogramado” para exhibir un fenotipo normal cuando las células son transferidas a un nuevo contexto biológico (nuevo nicho) Ponti et al. EUROPEAN JOURNAL OF CANCER 4 2 ( 2 0 0 6 ) 1 2 1 9 –1 22 4

Inicio del cáncer (2): nicho tumoral Ponti et al. EUROPEAN JOURNAL OF CANCER 4 2 ( 2 0 0 6 ) 1 2 1 9 –1 22 4

Potential models of transformation involving stem cells (a) The organization of a normal epithelial tissue including a stem cell and its niche. (b) Tumor initiated by a single mutation that disrupts the regulation of asymmetric division in stem cells. These mutated cancer stem cells differentiate into committed daughter cells that accrue other mutations, leading to a fully transformed cell. (c) Tumor initiated by a cancer stem cell that harbors a combination of mutations that suffice to program the malignant state. (d) Tumor initiated by mutations in committed daughter cells that induce dedifferentiation through an epithelial-mesenchymal transition. Such cells mimic features of normal stem cells but are not true stem cells. Nature Medicine 12, 296 - 300 (2006)

Figure 2. Hypothetical model depicting the organization of stem cells in normal organs and tumors. Normal stem cells are located in a stem cell niche and are regulated by paracrine signals coming from the niche cells and the specialized extracellular matrix (ECM) of the niche, as well as circulating hormones. Normal stem cells and their progeny are localized in a highly organized manner in relation to each other and the stem cell niche. In contrast in tumors, cancer stem cells and their progeny may be randomly distributed. The tumor stem cell niche may in this case be provided both by more differentiated tumor cells and/or stromal cells, and the whole ECM of the tumor could function as specialized 'niche' ECM. Nature Medicine 12, 296 - 300 (2006)

Riesgo de cáncer La historia familiar es uno de los parámetros más sólidos de riesgo a cáncer de mama. Mutaciones de la línea germinal en genes de alta penetrancia como: BRCA1, BRCA2 y TP53 inducen <25% de todos los casos El resto de casos debe de proceder de otros genes con penetrancia moderada o menor. Se han encontrado SNPs en: - FGFR2 - TNRC9 (selección timocito asociado alta mobilidad grupo box 9) - MAP3K1 (kinasa activada por mitógeno-kinasa kinasa1) - LPS1 (proteína especifica de linfocito) - CASP8 (caspasa 8) - TGFB1 Todos asociados a un aumento en el riesgo de cáncer de mama! Genes que se expresan en: linfocitos, macrófagos y fibroblastos. Células del estroma tumoral !!!!

Influencias del Microambiente en la iniciación y Influencias del Microambiente en la iniciación y progresión del cáncer de mama (I) Estudios in vivo e in vitro han demostrado que células del microambiente: mioepiteliales,endoteliales, fibroblastos, mioblastos, leucocitos y, moléculas del ECM, modulan la especificidad tisular de la mama normal y el crecimiento, supervivencia, polaridad y comportamiento invasivo de las células de cáncer de mama La deleción del receptor tipo II de TGF- en fibroblastos de ratón y el tratamiento con carcinógenos del estroma de la almohadilla grasa mamaria promueve la iniciación y progresión tumorales de ahí la importancia de la influencia del estroma en carcinogénesis

*TAM: Tumor-Associated-Macrophage Influencias del Microambiente en la iniciación y progresión del cáncer de mama (II) La asociación entre inflamación crónica y cáncer y, la asociación de un uso prolongado de NSAIDs con una disminución del riesgo a sufrirlo sugieren que cambios en el microambiente son inductores de cáncer: la inflamación no es otra cosa que una reacción del estroma !! Macrófagos tipo II promueven angiogénesis, invasión y metástasis en el tejido canceroso. Si se eliminan los TAM* se observa una  del crecimiento y progresión del cáncer de mama y de otros carcinomas Fibroblastos activados por el tumor (CAF) segregan factores angiogénicos y factores promotores de invasión celular *TAM: Tumor-Associated-Macrophage

Microambiente Tumoral: Efectos

Shchors K, Evan G. Cancer Res 2007; 67: (15). August 1, 2007

* células “endocrinas” Desarrollo del cáncer (1): Las células madre cancerígenas necesitan del soporte de las células del nicho tumoral, como las células endoteliales Estudios in vitro indican que las células madre cancerígenas necesitan de la interacción con el nicho tumoral (microambiente) para mantener su crecimiento y autorreplicación Las células endoteliales son parte fundamental del nicho tumoral. Células madre cancerígenas interactúan con células endoteliales en cultivo, y existen experimentos que demuestran que existen factores solubles secretados por las células endoteliales* que mantienen el crecimiento de las células madre cancerígenas * células “endocrinas” Brynn T Kvinlaug & Brian JP Huntly. Expert Opin. Ther. Targets (2007) 11(7):915-927

Desarrollo del cáncer (2): El “angiogenic switch” imprime la capacidad de crecimiento y metastatización a los tumores Tumor pequeño (1–2mm) avascular latente Tumor grande vascular potencial metastásico Activación angiogénica Resultados en la sobreexpresión de señales proangiogénicas, tales como VEGF En general está aceptado que ningún tumor sólido puede crecer por encima de un tamaño crítico de 1–2 mm o de alrededor de 106 células sin un aporte vascular adecuado. Bergers y col hacen una revisión de el “cambio” angiogénico.1 Se puede pensar que la angiogénesis asociada con tumores atraviesa dos fases separadas por el ‘cambio angiogénico’. La primera es una fase ‘avascular’, e la que los tumores tienen un diámetro no mayor a 1–2mm. Estos tumores permanecen latentes, ya que se encuentran en un estado de equilibrio entre la proliferación celular y la apoptosis. Algunos de estos tumores pequeños pasarán a la segunda fase, vascular, en la que el tumor crece de forma exponencial. Un modelo clásico del cambio angiogénico es el de un par de escalas cargadas con moléculas proangiogénicas en un lado y con moléculas antiangiogénicas por el otro. Un desequilibrio entre estos factores pro y antiangiogénicos desencadena el ‘cambio’. El inicio de la angiogénesis o el ‘cambio angiogénico’ es una etapa pequeña que se puede producir en cualquiera de las fases de la progresión del tumor, depende del tipo de tumor y de su microentorno. La inducción del cambio es dependiente del desplazamiento del equilibrio a favor de las moléculas proangiogénicas.   Bergers G, Benjamin LE. Tumorigenesis and the angiogenic switch. Nat Rev Cancer 2003;3:401–10. Formación de la vasculatura del tumor Probable potenciación de cel. madre malignas

El angiogenic switch depende del balance entre activadores, tales como el VEGF, e inhibidores = Activators On = Inhibitors Off Activators include VEGF bFGF androgens and oestrogens integrins Inhibitors include angiostatin endostatin IFN-, - and -g IL-4, 12 and 18 bFGF = basic fibroblast growth factor; IL = interleukin; IFN = interferon Hanahan, et al. Cell 1996 30

En 1950, nace la oncología médica y comienza a jugar un importante papel en el tratamiento del cáncer de mama Comienza la era de la Quimioterapia en el tratamiento del cáncer de mama Quimio- terapia Photograph from: http://www.warf.ws/uploads/images/Link_in_lab_ca_1950_for_Web.jpg Chemical structure from: http://www.3dchem.com/imagesofmolecules/Tamoxifen.gif Radioterapia Hormonas Cirugía 3000 AC 1500’s 1800’s 1937 1950 Rayter & Mansi. Medical Therapy of Breast Cancer 2003 32

Trastuzumab, la primera terapia biológica dirigida a las cel Trastuzumab, la primera terapia biológica dirigida a las cel. tumorales en cáncer de mama está disponible en 1997 Trastuzumab es el tratamiento estándar hoy en día para el cáncer de mama HER2-positivo que precisa tratamiento adyuvante Terapias target Quimioterapia Herceptin image taken from: http://www.herceptin.com/herceptin/professional/about/moa.jsp Radioterapia Hormonas Cirugía 3000 AC 1500’s 1800’s 1937 1950 1997 Rayter & Mansi. Medical Therapy of Breast Cancer 2003 33

¿¿Cual es la siguiente revolución terapéutica?? Terapias target Quimioterapia Herceptin image taken from: http://www.herceptin.com/herceptin/professional/about/moa.jsp Radioterapia Hormonas Cirugía 3000 AC 1500’s 1800’s 1937 1950 1997 2007 Rayter & Mansi. Medical Therapy of Breast Cancer 2003 34

Células del nicho tumoral Células tumorales La historia natural del cáncer está definida por las células malignas (cel. madre y adultas), las células del nicho tumoral (endoteliales, etc..) y sus interacciones Terapias dirigidas a factores solubles inductores del tumor Células del nicho tumoral Células tumorales Cel madre tumoral “CROSS-TALKING” Cel tumoral adulta Terapias citotóxicas convencionales Terapias citotóxicas dirigidas (biológicas)

Cross-talking cel. madre tumorales y cél Cross-talking cel. madre tumorales y cél. endoteliales: un caso de potenciación cruzada (modelo gliomablastoma) Figure 1 | The normal and malignant neural stem cell niche. a | Stylized view of the normal subventricular zone (SVZ) neural stem cell niche. Neural stem cells (NSCs, type B cells) interact intimately with ependymal cells (E), blood vessels (BV) and various other cell types including progenitor and support cells (OC). NSC function may be regulated by various diffusible factors derived from the surrounding cells, as well as the cerebrospinal fluid (broken lines; for example, growth factors, pigment epithelium-derived factor (PEDF) and bone morphogenetic proteins (BMPs)). Additional regulation might be provided by direct cell contacts (red solid lines; for example, NOTCH receptorligand signals) and the extracellular matrix (ECM). b | Glioblastoma cancer stem cells (CSC) are found in intimate contact with the aberrant tumour vasculature (TBV). CSC can secrete diffusible factors such as VEG F, which recruit TBV to the niche. In turn, TBV and other glioma cells (OG C) secrete factors that maintain aberrant CSC self-renewal. Mutations in CSC might also enable aberrant, intrinsic self-renewal (solid line). OC: prog cells OGC: glioma cells ------ CSF Las cel. madre tumorales neuronales secretan VGEF que recluta cel. endoteliales y otras, que a su vez secretan factores que mantienen la proliferación y supervivencia de las cel. madre tumorales Richard J. Gilbertson et al. Nat Reviews. Volume 7 | october 2007 | 733

Brynn T Kvinlaug & Brian JP Huntly. Expert Opin. Ther Brynn T Kvinlaug & Brian JP Huntly. Expert Opin. Ther. Targets (2007) 11(7):915-927

Anti-VEGF: posible impacto en la supervivencia de las células madre cancerígenas Tratar con un anticuerpo monoclonal anti-VGEF, un factor soluble secretado por las células endoteliales, podría dificultar el proceso de renovación de las células tumorales al actuar sobre factores necesarios para las células madre cancerígenas Brynn T Kvinlaug & Brian JP Huntly. Expert Opin. Ther. Targets (2007) 11(7):915-927

El “abc” para las terapias dirigidas al nicho de cel madre cancerosas El “abc” para las terapias dirigidas al nicho de cel madre cancerosas (modelo glioma) Bevacizumab puede estar implicado en la inhibición del compartimento perivascular que mantiene el nicho de las células madre tumorales Richard J. Gilbertson et al. Nat Reviews. Volume 7 | october 2007 | 733

Bloqueante de ligando angiogénesis Tratamientos sobre el nicho tumoral, como bloqueantes de ligando sobre angiogénesis….. PROBABLE DOBLE ACCION Podrían inhibir los factores de mantenimiento de las células madre cancerígenas y por tanto impactar en su desarrollo y supervivencia  disminución de la probabilidad de progresión y metástasis  complemento de la QT para la que las cels madre tumorales son resistentes Disminuyen la vascularización tumoral y normalizan la existente  impacto en bulk de células tumorales adultas  complementan la QT y terapias diana que también actúa sobre las cels tumorales adultas Cel madre tumoral Cel tumoral adulta Bloqueante de ligando angiogénesis

¿¿Cual es la siguiente revolución terapéutica?? Terapias Microambiente/CSCs Terapias target Quimioterapia Herceptin image taken from: http://www.herceptin.com/herceptin/professional/about/moa.jsp Radioterapia Hormonas Cirugía 3000 AC 1500’s 1800’s 1937 1950 1997 2007 Rayter & Mansi. Medical Therapy of Breast Cancer 2003 42

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