Invasione e metastasi

•  L’approccio riduzionistico alla biologia del tumore si è concentrato sui meccanismi molecolari alterati della cellula tumorale, considerando poco le sue interazioni con la biologia dell’ospite

•  Questa scelta ha portato ad un ritardo nell’affrontare lo studio delle metastasi, malgrado rappresentino la più grave complicazione delle malattie tumorali

Relazioni cliniche e patologiche

•  Il rischio di metastatizzazione aumenta con: –  dimensioni del tumore primario –  l’invasione regionale dei linfonodi –  (inversamente) grado di differenziamento del

tumore –  profondità dell’invasione tumorale oltre il

normale confine tessutale (es. melanoma)

Tropismo dell’invasione metastatica

L’ipotesi del “seed and soil”

•  Paget (fine ‘800): il tumore (il seme) dipende per diffondersi da caratteristiche dell’organo distante (il suolo fertile)

•  Ewing: il tropismo tumorale può essere spiegato da fenomeni meccanici: –  es. cellule tumorali del colon possono entrare

nel sistema portale e quindi invadere il fegato

Cascata���metastatica

• Diminuita aderenza intercellulare

• Aumentata motilità ed invasione dello stroma

• Ingresso nei vasi e sopravvivenza in circolo

• Crescita in organi distanti

Le cellule tumorali in grado di metastatizzare sono una piccola frazione

delle cellule totali del tumore

•  Modelli animali: inoculo di cellule tumorali in circolo nel topo – micrometastasi al fegato solo per il 2% delle

cellule inoculate –  di queste, solo l’1% (0,02% del totale) sono in

grado di formare metastasi letali •  Ruolo delle cellule staminali tumorali nel

processo di metastatizzazione

Emergenza sequenziale di subcloni. Un processo di selezione competitiva fra I subcloni coesistenti porta all’emergenza del subclone maligno “vincente”, che peró puó acquisire nel tempo nuove alterazioni genetiche dando origine ad eterogeneitá genetica

metastatic subclone

La geografia della progressione tumorale

•  Le cellule che danno inizio a metastasi hanno già accumulato le mutazioni “progressor” nel tumore primario

•  Diverse cellule (con diverso spettro di mutazioni progressor) danno origine a diverse metastasi

Implicazioni del modello di progressione tumorale

•  Importanza principale data alla diagnosi ed eradicazione precoce del tumore

•  Dissezione linfonodale (segno di estensione precoce), radiazione locale

•  Chemioterapia adiuvante per eliminare le cellule residue rimaste dopo l’eradicazione chirurgica

Modello classico (Halsted)

•  Sito primario •  interessamento dei linfonodi •  metastasi a distanza

Modelli alternativi (anni ’80)

•  Fin dall’inizio del processo tumorale, c’è una predeterminazione rispetto alla capacità o meno di dare metastasi

•  I tumori sono una malattia sistemica fin dall’inizio (nei casi che danno origine a metastasi)

Molecular profiling

•  Avvento dell’era “post-genomica”: non si puó piú pensare di studiare un gene/una proteina alla volta

•  “profili di espressione genica”, “profili di espressione proteica”: una visione resa tecnologicamente ora possibile dell’attivitá cellulare nel suo insieme

Correlazioni fra profili di espressione genica e prognosi

•  Linfomi non-Hodgkin: –  40% dei pazienti rispondono molto bene al

trattamento, il restante ha una pessima prognosi. Non esiste nessun criterio che consenta di prevedere la risposta al trattamento

•  Profili di espressione genica: –  I due gruppi di pazienti sono prevedibili in base

a diversi profili di espressione genica –  Identificazione di 2 malattie

Un puzzle molecolare

•  Se le metastasi hanno origine da una piccola frazione di cellule nella massa tumorale primaria, come è possibile che si possa predire il destino clinico (metastasi o meno) analizzando il tumore primario in toto?

•  The genes that specify the metastasis would not seem to confer increased proliferative benefit at the primary site. That is, there is no reason to think that a metastatic phenotype enables cells to proliferate more effectively within the primary tumour mass, thereby increasing their representation in the overall tumour-cell population. Hence, rare cells in the primary tumour mass that happen to acquire metastatic capability will remain rare.

Alternative model: Weinberg and Bernards, 2002

•  Reasoning like this drives us to consider a quite different mechanistic model: namely, that the tendency to metastasize is largely determined by the identities of mutant alleles that are acquired relatively early during multistep tumorigenesis.

•  It is already apparent that there are several alternative genetic paths that cells can take en route to forming a primary tumour. Thus, a particular phenotype required early in tumorigenesis by an evolving tumour cell can be acquired through the mutation of any one of several alternative growth-controlling genes.

•  We suggest that a subset of the mutant alleles acquired by incipient tumour cells early in tumorigenesis confer not only the selected replicative advantage, but also, later in tumorigenesis, the proclivity to metastasize. This proclivity will become manifest only much later in tumour progression, in the context of yet other mutations that have struck the genomes of descendant cells.

Evidenze in supporto •  In some small, well-localized primary human breast cancers,

individual carcinoma cells are clearly detectable in the bone marrow. •  Furthermore, DNA-microarray analysis reveals that the gene-

expression pattern of metastatic tumour cells is often strikingly similar to that of the cells confined to the primary tumour mass from which they were derived, implying that the dominant cell population in the primary tumour mass is phenotypically and possibly genotypically (almost) identical to the cells in the metastases.

•  (già discusso) Equally relevant are other studies in which the gene-expression profiles of the dominant populations of breast-cancer cells within a primary tumour mass have been used to predict, with 90% accuracy, whether the tumour will remain localized or whether the patient will experience metastases and disease relapse. Here, once again, the metastatic behaviour of these cancer cells seems to be determined relatively early in tumorigenesis.

•  Finally, several well-studied oncogenes, including ras and myc, the proliferative powers of which are well documented, can function in certain mouse models of tumorigenesis to enable cancer cells to metastasize.

Implicazioni •  First, the tendency of a tumour eventually to metastasize is already pre-

ordained by the spectrum of mutations that progenitor cells acquire relatively early in tumorigenesis; that is, some cancers start out 'on the wrong foot'.

•  Second, genes and genetic changes specifically and exclusively involved in orchestrating the process of metastasis do not exist. Instead, the genes for metastasis are largely those that cancer biologists have been studying intensively for a generation: the oncogenes and tumour-suppressor genes.

•  Third, because important components of the genotype of metastasis are already implanted in cells relatively early in tumorigenesis, even relatively small primary tumour cell populations may already have the ability to dispatch metastatic pioneers to distant sites in the body.

•  The implications for the usefulness of early clinical detection of breast cancer are unsettling

Eppure... •  Apparentemente lo screening e la diagnosi

precoce hanno diminuito la mortalità tumorale

•  Il fenomeno delle metastasi dormienti (micrometastasi possono rimanere non clinicamente rilevabili per decenni dopo la rimozione del tumore primario) è più facilmente spiegabile con un modello in cui occorrono ulteriori mutazioni genetiche al sito metastatico

Il paradigma del processo metastatico: Massaguè, 2008

•  Al cuore del processo resta il concetto di evoluzione somatica attraverso mutazioni geniche

•  L’evoluzione seleziona funzioni e solo indirettamente per geni specifici

Funzioni tumorigeniche e metastatiche

•  I primi geni selezionati sono quelli che assicurano funzioni tumorigeniche (vedi slide), che sono le pietre miliari del cancro. Queste funzioni sono necessarie anche alle cellule metastatiche, anche se non specifiche

•  Le funzioni metastatiche sono quelle che agiscono sulle cellule tumorali dopo l’ingresso nei vasi, e le rendono capaci di colonizzare organi distanti

Geni per le funzioni •  Geni tumorigenici: quelli che promuovono le funzioni

tumorigeniche (la maggior parte degli oncogeni ed oncosoppressori noti)

•  Geni per la progressione metastatica: sono geni con una funzione duale, sia tumorigenica che pro-metastatica (generale o sito-specifica). Sono i geni che formano la basi per la teoria della predeterminazione per le metastasi

•  Geni per la virulenza metastatica: non sono richiesti per la crescita del tumore primario, ma sono richiesti per la crescita nei siti secondari e per uscire dallo stato dormiente. Sono i geni che formano la base del modello tradizionale di progressione metastatica

Un modello integrato