Translationale Tumorbiologie Dr. rer. nat. Iris Helfrich Vascular Oncology & Anti-angiogenic Therapy in Melanoma" Skin Cancer Unit of the Dermatology Department UK Essen
The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) Tumore sind als Organe einzuordnen
Angiogenese steuert Tumorwachstum Tumor angiogenesis: therapeutic implications. Folkman J. N Engl J Med. 1971 Nov 18;285(21):1182-6.
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.
angiogenic switch Tumorangiogenese
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
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!
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!
Vaskulogenese Hemangioblast Angioblast Endothelzelle multipotenter Vorläufer
Tumorwachstum mittels vessel co-option
Chemotaktischer Gradient steuert EC-Teilung: VEGF
Hypoxie in unterversorgten Tumorarealen Malignes Melanom Colon Carzinom
Hypoxie im Colonkarzinom Grün: Kappilargefäße Red: hypoxische Regionen
VEGF und VEGF-Rezeptoren (VEGFR) Ferrara N, et al. Endocr Rev 1997;18:4 25 Biochem. Soc. Trans. (2003) 31, 1171-1177
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
-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
VEGF pathway Bevacizumab Sorafenib/Sunitinib/ZD6474/PTK ZK Sorafenib Biochem. Soc. Trans. (2003) 31, 1171-1177
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)
Gesundes Gefäßsystem versus Tumorgefäßen Maturation factors present 2.... Less dependent on cell....... survival factors 1......................... Less permeable 1 Leaky 1 Supporting pericytes........... present 3....... 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;7:987. 2. Griffioen and Molema. Pharmacol Rev. 2000;52:237.3. Blau and Banfi. Nat Med. 2001;7:532.
Perizyten beeinflussen die Effizienz anti-angiogener Therapie
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:?
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
Zirkulierende Ang-2 Level korrelieren mit Melanomprogression und Gesamtüberleben RT-PCR Survival probability Ang-2 GAPDH 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 stage I stage II stage III stage IV Ang-2 1.8ng/ml Ang-2 >1.8ng/ml 0 20 40 60 80 Overall survival [month] n=18 n=47 Angiopoietin-2 [ng/ml] 8 7 6 5 4 3 2 1 0 *** *** control AJCC I/II AJCC III AJCC IV Helfrich et al., Clin Cancer Res., 2009
Das Tumor Microenvironment / Tumorstroma Figure 13.49 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Fibroblasten Tumorzellen Figure 13.3e The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
α-sma + Myofibroblasten Figure 13.3d The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
Fibroblasten fördern Tumorwachstum HMEC: human dermal microvascular endothelial cells Figure 13.20 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
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
Figure 13.3f The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) Cd11b + Monozyten/Makrophagen
Murdoch et al., Nature Reviews Cancer 8, 618-631 (August 2008)
Einfluss myeloider Zellen auf die Effizienz anti-angiogener Therapie
Murdoch et al., Nature Reviews Cancer 8, 618-631 (August 2008)
Multiple therapeutische Zielstrukturen The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)
1. Resistenzbildung 2. Hochregulierung pro-angiogener Faktoren 3. Stammzell-Rekrutierung aus dem Knochenmark 4. Rekrutierung gefäßstabilisierender Zellen
Potenzial der Anti-angiogenese Therapie KOMBINATIONSTHERAPIE!! Anti-angiogene Therapie + Chemotherapie Anti-angiogene Therapie + Zytostatika Anti-angiogene Therapie + Strahlentherapie
Benefit von Vascular Targeting + Chemotherapie im Lungenkarzinom From Blakey et al. Clin Cancer Res. 2002;8:1974-1983
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%)
Melanoma Lymph node Spleen Tyrosinase/PI TRP-1/PI gp-100/pi
Gestörte Perizytenreifung in angiogenen Tumoren A B A B lectin/desmin CD31 4x Pericyte coverage [%+/-SD] 100 50 0 NG-2 Desmin High-angio. PDGFR-β α-sma *** Low-angio. lectin/sma 4x
Anti-VEGF Therapie resultiert in Inhibierung maligner Melanome 100 Vehicle PTK/ZK Number of tumors 60 20 *** 0 Start End 6 Vehicle PTK/ZK NaCl treatment Flat-panel VCT PTK/ZK treatment Tumor volume [mm³] 4 2 0 End
Schwach vaskularisierte Tumore zeigen Therapieresistenz Kontrollbehandlung CD31 Anti-VEGF-Therapie (PTK/ZK)
Ausgereiftes Netzwerk in Avastin-resistenten humanen Melanommetastasen Klinische Studie AVAST-M (UK) w/o therapy CD31 αsma bevacizumab
Dr. rer. nat. Iris Helfrich iris.helfrich@uk-essen.de Vascular Oncology & Anti-Angiogenic Therapy in Melanoma Skin Cancer Unit of the Dermatology Department