Translationale Tumorbiologie

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1 Translationale Tumorbiologie Dr. rer. nat. Iris Helfrich Vascular Oncology & Anti-angiogenic Therapy in Melanoma" Skin Cancer Unit of the Dermatology Department UK Essen

2 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) Tumore sind als Organe einzuordnen

3 Angiogenese steuert Tumorwachstum Tumor angiogenesis: therapeutic implications. Folkman J. N Engl J Med Nov 18;285(21):

4 Physiologische versus pathologische Angiogenese Physiologische Angiogenese Pathologische Angiogenese Inhibition der Angiogenese Therapeutisches Ziel Stimulation der Angiogenesis Embryogenese Entwicklung des Eifollikels Embryo Implantation Tumorwachstum und Metastasierung Psoriasis Rheumatische Arthritis Endometriose.. Wundheilung Ischemie Rekonstruktive Chirurgie.

5 angiogenic switch Tumorangiogenese

6 Die Hypothese des angiogenic switch VEGF family FGF family PDGF TGF family Angiogenin Angiopoietin1/Tie2 TNF-a IL-8 Nitric oxide MMPs... Angiopoietin-2 Endostatin Angiostatin IFNs Fibronectin IL-1, -4, -10, -12, -18 TIMPs... Modified from: Hanahan D & Folkman J. Cell. 86:353, 1996

7 1. Angiogenese: Vaskulogenese versus Angiogenese Entstehung neuer Blutgefäße durch Sprossung bereits existierender Blutgefäße!!!Wichtig für Prozesse der Tumoretablierung, Tumorprogression, Metastasierung und im Rahmen pathophysiologischer Erkrankungen! 2. Vaskulogenese: Entstehung neuer Blutgefäße aus endothelialen Vorläuferzellen!! -> zirkulierende Stammzellen (Angioblasten) aus dem Knochenmark! Wichtiger Prozess im Rahmen der embryonalen Entwicklung!

8 Vaskulogenese versus Angiogenese 1. Angiogenese: Entstehung neuer Blutgefäße durch Sprossung bereits existierender Blutgefäße!!! Wichtig für Prozesse der Tumoretablierung, Tumorprogression, Metastasierung und im Rahmen pathophysiologischer Erkrankungen! 2. Vaskulogenese: Entstehung neuer Blutgefäße aus endothelialen Vorläuferzellen!! -> zirkulierende Stammzellen (Angioblasten) aus dem Knochenmark! Wichtiger Prozess im Rahmen der embryonalen Entwicklung!

9 Vaskulogenese Hemangioblast Angioblast Endothelzelle multipotenter Vorläufer

10 Tumorwachstum mittels vessel co-option

11 Chemotaktischer Gradient steuert EC-Teilung: VEGF

12 Hypoxie in unterversorgten Tumorarealen Malignes Melanom Colon Carzinom

13 Hypoxie im Colonkarzinom Grün: Kappilargefäße Red: hypoxische Regionen

14 VEGF und VEGF-Rezeptoren (VEGFR) Ferrara N, et al. Endocr Rev 1997;18:4 25 Biochem. Soc. Trans. (2003) 31,

15 VEGF Inhibitoren Aktivatoren von VEGF IL-6 TGFα IGF-1 bfgf PDGF Anti-VEGF Antikörper (bevacizumab) Hypoxie COX-2 NO Onkogene VEGF H 2 O 2 lösliche VEGFR (VEGF-Trap) Anti-VEGFR Antikörper (IMC-2C7) P P P P VEGFR-1 P P P P VEGFR-2 Endothelzelle Small-molecule VEGFR Inhibitoren PTK/ZK Sorafenib Sunitinib

16 -Bevacizumab- Klinische Studie in Metastatic Colorectal Cancer BV: Bevacizumab IFL: Irinotecan (Chemo) From Ferrara N, Nat Rev Drug Discovery, 2004; Hurwitz et al, NEJM, 2004

17 VEGF pathway Bevacizumab Sorafenib/Sunitinib/ZD6474/PTK ZK Sorafenib Biochem. Soc. Trans. (2003) 31,

18 Perizyten mesodermaler Ursprung wenig differenzierte kontraktile Zellen des Bindegewebes liegen den EC auf mittels Gap-junctions mit EC verbunden mittels kontraktiler Ausläufer in Basallamina integriert Steuerung der Endothelzellproliferation Regulation des Gefäßdurchmessers Blutfluss Kontrolle Regulation der Gefäßpermeabilität inhomogene Zellpopulation (Differenzierungsstatus bestimmt Markerexpression)

19 Gesundes Gefäßsystem versus Tumorgefäßen Maturation factors present Less dependent on cell survival factors Less permeable 1 Leaky 1 Supporting pericytes present Reduced integrin expression 2 Growth and survival factors (eg, VEGF) present 1 Fewer pericytes 3 Preferential expression of α v β 3 α v β 5 & α 5 β 1 integrins 2 1. Jain. Nat Med. 2001;7: Griffioen and Molema. Pharmacol Rev. 2000;52: Blau and Banfi. Nat Med. 2001;7:532.

20 Perizyten beeinflussen die Effizienz anti-angiogener Therapie

21 Das Angiopoietin/Tie System Ang1: Ang2: Ruhendes Epithel natürlicher Antagoniost von Ang2; destabilisierende Eigenschaft durch Bindung an Tie2 Ang3:? Ang4:? Tie2: bindet Ang1-4 Tie1:?

22 Angiopoietin/Tie System Ruhendes Gefäß Ang-1 Ang-2 VEGF w/o stimulus activation (inflammation, hypoxia, etc.) Reaktives Gefäß Tie2 Ang-2 release: >EC proliferation >migration VEGF, FGF, etc. Angiogenes Gefäß EC proliferation (e.g. by VEGF) EC sprouting Neovascularization Ang-2 overexpression

23 Zirkulierende Ang-2 Level korrelieren mit Melanomprogression und Gesamtüberleben RT-PCR Survival probability Ang-2 GAPDH stage I stage II stage III stage IV Ang-2 1.8ng/ml Ang-2 >1.8ng/ml Overall survival [month] n=18 n=47 Angiopoietin-2 [ng/ml] *** *** control AJCC I/II AJCC III AJCC IV Helfrich et al., Clin Cancer Res., 2009

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26 Das Tumor Microenvironment / Tumorstroma Figure The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

27 Fibroblasten Tumorzellen Figure 13.3e The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

28 α-sma + Myofibroblasten Figure 13.3d The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

29 Fibroblasten fördern Tumorwachstum HMEC: human dermal microvascular endothelial cells Figure The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

30 Makrophagen Tumorzellen rekrutieren über Sekretion von Zytokinen zirkulierende Monozyten Colony stimulating factor 1 (CSF-1) bewirkt Differenzierung von Monozyten in Makrophagen Makrophagen sezernieren z.b. VEGF und Interleukine -> angiogener Stimulus Epidermal Growth Factor (EGF) -> mitogener Stimulus für Tumorzellen (EGF-Receptor). Makrophagen sezernieren MMPs -> Lyse EM zur Tumorexpansion, Auswachsen neuer Gefäße Hypoxische Tumorareale rekrutieren Makrophagen zur Gefäßneubildung

31 Figure 13.3f The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) Cd11b + Monozyten/Makrophagen

32 Murdoch et al., Nature Reviews Cancer 8, (August 2008)

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34 Einfluss myeloider Zellen auf die Effizienz anti-angiogener Therapie

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36 Murdoch et al., Nature Reviews Cancer 8, (August 2008)

37 Multiple therapeutische Zielstrukturen The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

38 1. Resistenzbildung 2. Hochregulierung pro-angiogener Faktoren 3. Stammzell-Rekrutierung aus dem Knochenmark 4. Rekrutierung gefäßstabilisierender Zellen

39 Potenzial der Anti-angiogenese Therapie KOMBINATIONSTHERAPIE!! Anti-angiogene Therapie + Chemotherapie Anti-angiogene Therapie + Zytostatika Anti-angiogene Therapie + Strahlentherapie

40 Benefit von Vascular Targeting + Chemotherapie im Lungenkarzinom From Blakey et al. Clin Cancer Res. 2002;8:

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42 Spontanes Melanommodell Vorteile : natürliche Tumormorphologie und Entwicklung natürliche Tumorangiogenese spontane Metastasierung natürlich stimuliertes Immunsyste Kein Entzündungsreiz durch Tumorzellinjektion (Xenograft, Transplantationsmodell) Phenotyp MT/ret transgener Mäuse: Entwicklung multipler Tumore ab einem Alter von 2-Wochen Entstehung multiple Tumore metastasierung in Lymphknoten (100%) und Milz (80%)

43 Melanoma Lymph node Spleen Tyrosinase/PI TRP-1/PI gp-100/pi

44 Gestörte Perizytenreifung in angiogenen Tumoren A B A B lectin/desmin CD31 4x Pericyte coverage [%+/-SD] NG-2 Desmin High-angio. PDGFR-β α-sma *** Low-angio. lectin/sma 4x

45 Anti-VEGF Therapie resultiert in Inhibierung maligner Melanome 100 Vehicle PTK/ZK Number of tumors *** 0 Start End 6 Vehicle PTK/ZK NaCl treatment Flat-panel VCT PTK/ZK treatment Tumor volume [mm³] End

46 Schwach vaskularisierte Tumore zeigen Therapieresistenz Kontrollbehandlung CD31 Anti-VEGF-Therapie (PTK/ZK)

47 Ausgereiftes Netzwerk in Avastin-resistenten humanen Melanommetastasen Klinische Studie AVAST-M (UK) w/o therapy CD31 αsma bevacizumab

48 Dr. rer. nat. Iris Helfrich Vascular Oncology & Anti-Angiogenic Therapy in Melanoma Skin Cancer Unit of the Dermatology Department