Karnydanning og tumorkar som mål for kreftterapi

Hans Petter Eikesdal, Olav Dahl, Oddbjørn Straume, Lars A. Akslen Om forfatterne
Artikkel

Amerikaneren Judah Folkman vakte interessen for tumorangiogenese med en banebrytende artikkel i 1971 (1, 2). Her fremsatte han hypotesen at solide svulster trenger innvekst av blodkar fra omgivelsene for å vokse utover 1 – 2 mm. I årene etter har forskningen på tumorangiogenese økt betydelig, og i dag pågår klinisk-onkologiske studier med flere titall ulike angiogenesehemmere, medikamenter som hemmer karnydanning (3).

Angiogenese og lymfangiogenese er definert som utvekst av blodkar og lymfekar fra tilstedeværende kar. Tumorangiogenese er innvekst av blodkar i kreftsvulster, også kalt neovaskularisering (fig 1).

Figur 1  Metastase til perikard hos brystkreftpasient. Legg merke til den hissige karproliferasjonen som initieres av de små tumorknutene

Tumorangiogenese

Morfologisk ser man de første tegn til angiogenese idet dysplastisk vev utvikler seg til carcinoma in situ (4). Karnydanning igangsettes pga. hypoksi, acidose eller hypoglykemi i svulstvevet (5), fordi svulsten vokser utover diffusjonsavstanden for oksygen og næring på 100 – 300 cellelag (6). Transkripsjonsfaktoren hypoksiinduserbar faktor 1-alfa (HIF1-alfa) ser ut til å være cellenes oksygen- og metabolismesensor i denne prosessen, den induserer produksjon av ulike endoteliale vekstfaktorer (7). Tumorangiogenese moduleres videre av mutasjoner som aktiverer protoonkogener til onkogener (bl.a. ras) eller inaktiverer tumorsuppressorgener (bl.a. TP53), som igjen kontrollerer endoteliale vekstfaktorer (2, 8).

Regulatorer av tumorangiogenese

Kreftceller, stromaceller og inflammatoriske celler i svulsten skiller ut vekstfaktorer som via endotelreseptorer stimulerer til karnydanning (5, 9). Tumorangiogenese igangsettes når det foreligger en ubalanse mellom faktorer som stimulerer og faktorer som hemmer endotelcellene, og hvor vekstfremmende faktorer dominerer. Det finnes en lang rekke endoteliale vekstfaktorer (tab 1), og vaskulær endotelial vekstfaktor (VEGF) og basisk fibroblast vekstfaktor (bFGF) er blant de viktigste (2). Tyrosinkinasereseptorene for vekstfaktorene VEGF og angiopoietin er sentrale i koordineringen av karnydanning (4).

Tabell 1  Liste over sentrale endogene stimulatorer og hemmere av angiogenese (engelsk oversettelse og forkortelse i parentes)

Proangiogene substanser

Antiangiogene substanser

Angiogenin

Angiopoietin-2, VEGF ikke til stede

Angiopoietin-1

Angiostatin

Angiopoietin-2, VEGF til stede

Antitrombin-3

Basisk fibroblastvekstfaktor (basic fibroblast growth factor; bFGF)

Canstatin

Cyklooksygenase-2

Endostatin

Epidermal vekstfaktor (epidermal growth factor; EGF)

Interferon alfa/beta

Erytropoietin

Interleukin 12

Hepatocyttvekstfaktor (hepatocyt growth factor; HGF)

Platefaktor 4

HER-2/neu

Trombospondin-1

Interleukin 6 og 8

Tumstatin

Placental vekstfaktor (placental growth factor; PlGF)

Vaskulær endotelial vekstinhibitor (vascular endothelial growth inhibitor)

Platederivert vekstfaktor (platelet-derived growth factor; PDGF)

Vevsinhibitor av metalloproteinase-1/-2 (tissue inhibitors of metalloproteinase-1/-2)

Vaskulær endotelial vekstfaktor (vascular endothelial growth factor; VEGF)

2-metoksyøstradiol

Det finnes en lang rekke angiogenesehemmende faktorer (tab 1) som produseres både i normalt vev og i maligne svulster og som deltar i reguleringen av karnydanning (2). Angiostatin og endostatin er blant de mest potente endotelhemmende faktorer som er funnet så langt, og man har oppnådd fullstendig stans i tumorvekst ved kontinuerlig tilførsel av disse to stoffene i dyreforsøk (1, 10). Endostatin binder seg til integrin alfa₅beta₁ på endotelcellemembranen og nedregulerer transkripsjonen av sentrale endoteliale vekstfaktorgener (11, 12). Angiostatin blokkerer ATP-syntase på endoteloverflaten, og dermed initieres apoptose pga. fallende intracellulær pH (10).

Karakteristika ved blodkar i maligne svulster

En malign svulst har blodkar som avviker fra det man ser i normalvev (5). Blodkarene er kaotisk organisert, med vekslende kardiameter, arteriovenøs shunting og økt interkapillær avstand (fig 2). Videre er det en ufullstendig oppbygging av karveggen, med delvis mangel på basalmembran, glatt muskulatur og innervasjon, og dette medvirker til blødninger i tumorvevet, økt kapillær lekkasje og økt interstitielt trykk i svulstene. Dette har viktige konsekvenser, da tilførselen av oksygen, næring og terapeutika til tumorcellene blir hemmet (13).

Figur 2  Karakteristisk utseende av blodkarene i en malign svulst. Bildet er tatt med konfokalt laserskanningmikroskop og fremstiller karsengen i en BT4An-gliomsvulst fra rotte. Endotelcellene er immunfarget for von Willebrands faktor. Skaleringsstrek 200 µm

Nye blodkar dannes enten ved knoppskyting fra kar i omliggende normalvev eller ved oppsplitting av tilstedeværende kar i flere mindre (5). Dessuten kan sirkulerende endoteliale stamceller muligens bidra ved karnydanning i kreftsvulster (5). Det har vært antydet at vaskulære kanaler uten endotelbekledning kan forekomme ved enkelte kreftformer, men det er usikkert om dette er funksjonelle blodførende strukturer (5). Nylig er det påvist enda en form for angiogenese, der glomeruliliknende nøster av endotelceller (fig 3a) avsnøres fra et «moderkar» og utvikler seg til flere funksjonelle mikrokar (14).

Figur 3  a) Glomeruloid karnøste i malignt melanom; atypisk kardanning der endotelceller, pericytter og glatte muskelceller danner nøster som morfologisk minner om glomeruli i nyren. Endotelcellene er immunfarget for von Willebrands faktor. b) Peritumoralt lymfekar dobbelfarget med LYVE-1 (rød, lymfendotelspesifikk markør) og Ki-67 (blå, proliferasjonsmarkør). E: epidermis. T: tumor. Pilen peker på en prolifererende lymfendotelcelle. c) Immunfarging for VEGF i malignt melanom. Legg merke til det sterke uttrykket av VEGF -protein både i tumorcellene og i endotelcellene. d) Immunfarging for bFGF i malignt melanom. bFGF er uttrykt i en stor andel av cellekjernene i tumor. Skaleringsstrek 100 µm

Til en viss grad kan maligne celler unngå å danne egen blodforsyning ved å snylte på blodkar i normalvevet (5). Tumorcellene legger seg da rundt blodkarene og vokser langsmed disse innover i normalvevet. Denne prosessen synes å være spesielt viktig ved vekst av kreftsvulster i hjerne og lunge (15, 16).

Markører for angiogenese

Den mest brukte metoden for å beregne en tumors angiogene kapasitet er å telle antall blodkar per mm² i histologiske snitt. Dette angis som mikrovaskulær tetthet (1). Snittene farges immunhistokjemisk med endotelspesifikke markører som anti-von Willebrands faktor eller anti-CD31. En negativ prognostisk verdi av økende kartetthet er blitt rapportert ved flere kreftformer, men den kliniske nytteverdien av dette er usikker (4).

Videre har ekspresjon av endoteliale vekstfaktorer som VEGF og bFGF i tumor (fig 3c, d) prognostisk og prediktiv verdi (4, 9). Vi har dessuten funnet en negativ prognostisk verdi av glomeruloide karnøster i svulstvevet (fig 3a) ved flere store tumorgrupper (14). Man har også antydet at antall sirkulerende endotelceller i blodbanen kan brukes som en surrogatmarkør for tumorangiogenese (3, 17). Disse metodene har liten klinisk anvendelse i dag, men vil trolig få en plass i diagnostikk, pasientseleksjon og terapivalg når antiangiogen terapi kommer i vanlig bruk.

Lymfangiogenese

Forskning på lymfangiogenese har fått stor oppmerksomhet den siste tiden, pga. oppdagelsen av den lymfekarspesifikke VEGF-reseptor-3. VEGF-C og -D er subtyper av vekstfaktoren VEGF og ligander for denne reseptoren, og de induserer lymfangiogenese eksperimentelt (6). Økt ekspresjon av VEGF-C og -D gir økt frekvens av lymfeknutemetastaser i dyreforsøk (6), men kliniske studier som er gjort så langt, har ikke vist at aktiv lymfangiogenese er viktig for tumorvekst. Tvert imot synes et økende antall lymfekar i og rundt svulstene (fig 3b) å være korrelert med økt overlevelse (18, 19). En mulig forklaring på dette kan være at lymfatisk metastasering beror på kreftcellenes evne til å intravasere, og aktiv lymfangiogenese trenger ikke være en nødvendig forutsetning for dette (18).

Antiangiogen behandling

Dårlig blodstrøm i tumorkar medfører dårligere effekt av onkologisk behandling, enten fordi cytostatika ikke når frem til tumorcellene eller pga. hypoksi i svulstvevet ved strålebehandling (13). Disse problemene unngår man for en stor del når det er endotelcellene som er behandlingsmålet. Samtidig har endotelcellene i maligne svulster høyere proliferasjonsrate enn i de fleste typer normalvev (20), og dermed blir antiangiogen behandling relativt tumorselektiv.

Angiogenesehemmende substanser

På hjemmesidene til det amerikanske National Cancer Institute er det til enhver tid oppdaterte opplysninger om pågående kliniske studier med angiogenesehemmere (21). De medikamentene som nå er under utprøvning kan grovt sett inndeles i fem grupper, etter hvordan de virker:

  1. Medikamenter som hemmer endotelcellens evne til å bryte ned ekstracellulær matriks (dalteparin m.fl.)

  2. Medikamenter som inhiberer endotelcellen direkte (thalidomid m.fl.)

  3. Medikamenter som inaktiverer endoteliale vekstfaktorer (anti-VEGF m.fl.)

  4. Medikamenter som blokkerer funksjonen til integrinmolekyler på endoteloverflaten (EMD 121974 m.fl.)

  5. Andre virkningsmekanismer (celecoxib m.fl.).

Det er for øyeblikket flere titall ulike angiogenesehemmende medikamenter under klinisk utprøvning (3). Resultatene fra fase 3-studier som er avsluttet hittil, er langt på vei negative (22). Verken VEGF-blokkerende stoffer eller matriksmetalloproteinasehemmere har vist betydningsfull effekt som monoterapi i avsluttede studier ved metastaserende brystkreft, lungekreft, tykktarmskreft, malignt melanom eller Kaposis sarkom (6, 22 – 24). VEGF-hemmeren bevacizumab forsinket tumorprogredieringen ved metastatisk nyrekreft med 2 – 3 måneder i én fase 2-studie (25).

Kliniske studier antyder at kombinasjonsbehandling med kjemoterapi vil kunne øke behandlingseffekten av angiogenesehemmerne. Især synes kombinasjonen av VEGF-hemmeren bevacizumab og 5-fluorouracil/leucovorin/irinotecan lovende ved metastaserende tykktarmskreft, hvor median overlevelse økte fra 15 til 20 måneder ved tillegg av bevacizumab (26). Denne medikamentkombinasjonen ble nylig godkjent i USA som førstelinjebehandling ved metastatisk kolorektalcancer.

Antiangiogene effekter kan også være en «bivirkning» av andre former for kreftbehandling (20). Hypertermi og cytostatika som vinblastin og cyklofosfamid har angiogenesehemmende og karødeleggende effekter i eksperimentelle svulstmodeller (2, 27). Vi har funnet at kombinasjonen av lokal hypertermi og små doser av cellegiften combretastatin A-4 kan brukes for å oppnå uttalt karskade og tumorrespons i dyresvulster, selv om hver av behandlingsformene som monoterapi gav liten effekt (28). Det er vist at kontinuerlig tilførsel av cellegift i lave doser kan bremse karnydanning og vekst i dyresvulster, til tross for ervervet resistens i tumorcellene mot samme cellegift gitt i høye doser (1). Dette tyder for det første på at endotelcellene ikke har samme evne til å utvikle kjemoresistens som tumorcellene, og for det andre at langt mindre doser cytostatika er nødvendig for å påvirke endotelcellepopulasjonen i tumor.

Videre kan behandlingseffekten som oppnås ved kastrasjon skyldes hemming av angiogenese og ødeleggelse av blodkarene i hormonavhengige svulster (20). Det antydes også at cyklooksygenase-2-hemmere, bisfosfonater og hemmere av epidermal vekstfaktorreseptor, som anti-erbB2/neu (Herceptin) og gefitinib (Iressa), har angiogenesehemmende effekter i kreftsvulster (17, 29, 30).

Design av kliniske studier

Vanlige endepunkter som partiell respons og komplett respons vil sannsynligvis ikke kunne brukes som effektmål for angiogenesehemmende medikamenter, da behandlingen teoretisk skal stanse tumorvekst uten volumreduksjon (3). Man må derfor bruke endepunkter som stabil sykdom i tillegg til surrogatmarkører som urin- og plasmamålinger av endoteliale vekstfaktorer i fase 2-studiene (3, 31). Senere kan større fase 3-studier frembringe mer robuste endepunkter som progredieringsfri overlevelse og totaloverlevelse.

Tradisjonelt prøves nye medikamenter først ut på kreftpasienter som har store tumormasser. Store svulster har allerede etablert et omfattende karnettverk, mens angiogenesehemmere motvirker utvikling av nye blodkar (4). Små svulster og mikrometastaser er i ferd med å rekruttere sin blodforsyning og vil trolig være mer følsomme for slik terapi. Adjuvant behandling synes derfor mer logisk for denne nye medikamentgruppen.

Ved dosering av angiogenesehemmere skiller de seg igjen fra tradisjonell kreftbehandling, idet maksimal tolerabel dose ikke nødvendigvis gir det beste resultatet (31). Det er viktig å finne den optimale dosen av angiogenesehemmeren, der den biologiske aktiviteten av endoteliale vekstfaktorer i svulsten er blokkert (32). Denne dosen kan variere fra pasient til pasient og er vanskelig å estimere med dagens teknikker (1).

Bivirkninger og interaksjoner

Et annet viktig aspekt ved angiogenesehemmende behandling er at den sannsynligvis må bli livslang, ettersom kreftsykdommen stanses uten å fjernes helt. Bivirkninger av behandlingen må derfor ikke være for uttalte. Det har vært knyttet bekymring til hvordan antiangiogene stoffer vil påvirke sårtilheling etter skader og operasjoner, men så langt er det ikke holdepunkter for å tro at vevsreparasjonen påvirkes av slik behandling (4, 6).

De vanligste rapporterte bivirkningene har vært ulike smertetilstander – muskel- og skjelettsmerter ved bruk av metalloproteinasehemmere, og hodepine, magesmerter og tromboflebitter ved bruk av VEGF-hemmeren SU5416 (4, 6). Det er også rapportert tilfeller av blødning fra svulstvevet etter behandling med anti-VEGF-preparater (31), og tilfeller av hyperkoagulabilitet og hjerneslag ved bruk av kjemoterapi sammen med SU5416 (6). Angiogenesehemmere kan også ha potensielt skadelige virkninger på karnydanning i fosterlivet, og de teratogene effektene av thalidomid kan muligens tilskrives en slik interaksjon (33).

Man har vært bekymret for hvordan angiogenesehemmerne ville influere på annen onkologisk terapi. Teoretisk kan slike substanser gi økt hypoksi og redusert blodforsyning til svulstene, ettersom behandlingen hemmer karnydanning. Overraskende nok har man sett at antiangiogen behandling tvert imot bedrer effekten av både strålebehandling og kjemoterapi eksperimentelt (17, 34), og man mener at dette skyldes en normalisering av karsengen i tumor etter eksposisjon for angiogenesehemmere (17).

Angiogenesehemmere og hematologiske kreftformer

Aktiv angiogenese er også påvist i beinmargen hos pasienter med leukemi og myelomatose (17, 35). Eksperimentelle data og pasientdata antyder at angiogenesehemmere kan ha en plass innen hematologisk onkologi (17, 33, 36). Dette er tidligere utførlig omtalt i Tidsskriftet (35).

Resistensutvikling

Den genetiske instabiliteten og mangfoldet av mutasjoner i maligne celler er viktige årsaker til utvikling av kjemoresistens (8). I motsetning til de neoplastiske cellene i en malign tumor har man antatt at endotelcellene har en normal og stabil genotype (1). Angiogenesehemmere stopper likevel ikke veksten av alle kreftsvulster, selv om de har aktiv karnydanning i seg (22, 37).

Man antar f.eks. at blokkering av én endotelial vekstfaktor kan føre til oppregulering av en annen slik at behandlingen svikter. Kombinasjoner av angiogenesehemmere med ulike angrepspunkter på tumorendotel prøves derfor ut (4, 32). Videre er det påvist økt vekst av tumorceller rundt preformerte blodkar dersom karnydanning blokkeres av antistoff mot VEGF i glioblastomsvulster (32), dvs. tumorcellene snylter næring fra blodkar i normalvevet rundt. Angiogenesehemmende behandling kan også svikte fordi cellepopulasjoner som tåler hypoksi selekteres frem, og disse cellene kan i større grad vokse uten blodkar rundt seg (32).

Konklusjon

Angiogenese og lymfangiogenese er viktige biologiske trekk ved maligne svulster. Den prognostiske verdien av karnydanning i svulster er vist klinisk ved mange ulike kreftformer. Angiogeneseforskningen har også åpnet opp for nye og lovende terapimuligheter innen onkologien.

Anbefalte artikler