Tumor mikrotuber

Tumor mikrotuber (forkortet TM) er tynne, intercellulære membranutløpere som forbinder flere celler i et multicellulært nettverk.

Sammenligning med tunnelerende nanotuber 
Forskere har forsøkt å skille dem fra det som kalles tunnelerende nanotuber (forkortet TNT). De har sammenlignet bredden på de to typene strukturer, og funnet at der TM måler 1-2 um måler TNT <1 um. De har videre sammenlignet lengden, og funnet at der TM måler >500 um, måler TNT opptil 100 um. Forskerne har også sammenlignet strukturenes stabilitet over tid, og funnet at for TM kan det dreie seg om fra timer til dager, mens for TNT kan det dreie seg om fra minutter til timer. Det er likevel sannsynlig at det er en glidende overgang mellom disse strukturene. Begge inneholder F-Actin, benyttes til intercellulær transport, fungerer som signalveier og knytter celler sammen i funksjonelle og strukturelle nettverk. TNT har blitt påvist i flere forskjellige krefttyper, mens TM per 2015 kun var blitt påvist i tilknytning til ulike typer hjernekreft.

Historie 

TM ble først beskrevet i en artikkel i det britiske tidsskriftet Nature i 2015, hvor forskerne hadde fulgt en hjernekreftmodell i mus i opptil ett år ved bruk av høyoppløselig mikroskopi. Her ble det påvist membrankledde utløpere som strakte seg fra tumorcellene og videre inn i friskt hjernevev, og som forbandt dem i et felles nettverk. Hovedfunnet som ble beskrevet i artikkelen var knyttet til hjernekrefttypen glioblastom (astrocytom), men lignende nettverksdannelse ble i mindre grad også påvist i oligodendrogliom.

Syntese 

Dannelsen av TM har likhetstrekk med den normale hjerneutviklingen, og er nært forbundet med cytoskjelettet. Utløperne som dannes langs tumorkanten synes å veilede den videre tumorinvasjonen. Slik veiledet vekst finnes også hos normale nerveceller ved aksonal utvikling i hjernen. Den molekylære markøren som kalles «growth associated protein-43» (GAP-43) er fysiologisk høyt uttrykt ved neurogenese, og er særlig tilstede i den ytterste delen av aksonet. Patologisk overuttrykk av GAP-43 med en lignende cellulær lokalisasjon ble funnet ved glioblastom.

TM er i tillegg bevegelige, og deres uttrykk av blant annet myosin IIa og disulfide isomerase samsvarer med motilitetsevne. De inneholder også F-Actin og mikrotubuli, noe som tilsier en tett relasjon til cytoskjelettet, og cytoskjelett-remodellering synes dermed å være viktig for funksjonalitet. Likhetene mellom utviklingen av TM og neurogenese i forhold til utseende, bevegelighet og molekylære markører har ført til hypotesen om at denne kreftsykdommen utnytter det normale utviklingsprogrammet til sin fordel for å invadere og spre seg i hjernen.

En annen markør som samvarierer med TM-dannelse er 1p/19q ko-delesjon. Dette er det kombinerte tapet av den korte armen på kromosom 1 (1p) og den lange armen på kromosom 19 (19q), og kjennetegner hjernekrefttypen oligodendrogliom. Sammenlignet med glioblastom hvor 1p/19q er intakt, er denne mindre behandlingsresistent og preges av lavere invasjon samt økt overlevelse. Dannelsen av TM er utbredt ved glioblastom og beskjeden ved oligodendrogliom, noe som kan peke på at TM spiller en rolle i behandlingsresistens og spredning ved hjernekreft.

Betydning av GAP-43 i TM-syntesen har blitt demonstrert ved at uttrykk av GAP-43 alene induserer dannelse av lange cellulære utløpere, både i nerveceller og i andre celler. Ved overuttrykk av GAP-43 i oligodendrogliom omdannes denne til en mer glioblastom-lignende fenotype med økt TM-formasjon, høyere invasjon og redusert terapirespons. Inhibisjon av GAP-43 reverserer TM både strukturelt og funksjonelt, og i dyremodeller har det blitt vist at dette gir redusert tumorstørrelse, bedre behandlingseffekt og økt overlevelse.

Tweety-Homolog 1 (Ttyh1)

Membranproteinet tweety-homolog 1 (Ttyh1) ble nylig vist å regulere MT-formasjon, og var da særlig viktig hos en spesifikk subpopulasjon med få utløpere som var mer invasive. En annen subpopulasjon viste økende TM- og nettverksdannelse, men var assosiert med redusert invasjon og økt behandlingsresistens på cellenivå. Kun en andel av cellene danner TM, og identifikasjon av spesifikke cellulære undergrupper blant disse gjenspeiler sykdommens cellulære mangfold (heterogenitet). Genet TTYH1 ligger på kromosom 19q, noe som kan indikere en relasjon til forskjellene mellom oligodendrogliom og glioblastom. Proteinet Ttyh1 uttrykkes i likhet med GAP-43 under den normale hjerneutviklingen. Overuttrykk induserer cellulære utløpere, mens hemming hadde ulik effekt på de to subpopulasjonene. Invasive celler ble hemmet via misdannede utløperne, men det var liten effekt på celler med flere TM. Dette kan indikere at forskjellige TM-subgrupper styres av ulike molekylære komponenter, og hvor Ttyh1 er særlig viktig i den invasive prosessen.

Funksjon 

Kommunikasjon

Ikke-maligne celler kan utgjøre opptil 80-90% av en tumor, og en høy andel stromale celler er assosiert med dårligere prognose. Avstanden mellom tumorceller vil følgelig være større, noe som kan vanskeliggjøre sekresjonsbasert kommunikasjon. TM kan forbinde celler over store avstander og er blitt vist å mediere en utbredt toveis-kommunikasjon basert på kalsium-signaler. Disse signalene benyttes også under normal hjerneutvikling. Kommunikasjonen medieres av Connexin-43 (Cx43) som danner gap-junctions mellom TM og som opprettholder nettverkets integritet(1). Dette proteinet uttrykkes høyere i glioblastom sammenlignet med oligodendrogliom. Kalsium-signaleringens frekvens og synkronitet hemmes dersom gap junctions blokkers, og betydningen av Cx43 for tumorutvikling indikeres av redusert tumorstørrelse og økt overlevelse ved selektiv blokkering i dyremodeller.

Transport

Transport via TM har blitt vist å inkludere cellekjerner og kalsium-baserte kommunikasjonssignaler. Nylig ble det også påvist mitokondrie-overføring i glioblastom, hvor TM var en mulig mekanisme. Transport av kjerner har vært tolket som del av sykdommens sprednings- og regenerasjonsmønster, mens transport av mitokondrier kan indikere en metabolsk fordel som tilfaller celler som inngår i TM-nettverk.

Behandlingsresistens

Standardbehandling av glioblastom har vært parallell (konkomitant) administrasjon av strålebehandling og Temozolomide (TMZ) siden Stupp-protokollen ble publisert i 2005. Generell behandlingsresistens er imidlertid et stort problem, og median overlevelse er omkring 15 til 17 mnd etter diagnose. Identifikasjon av resistensmekanismer har derfor svært høy prioritet. O6-Methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) er i dag den mest kjente resistensdriver mot TMZ, og gir reparasjon av TMZ-indusert DNA-skade. Hypermetylering av MGMT promotor inaktiverer denne responsen og gir økt kjemosensitivitet. Men selv gliomer med MGMT promotor hypermetylering kan respondere dårlig på kjemoterapi, noe som indikerer at denne mekanismen ikke er alene om å gi kjemoresistens. Ved å sammenligne MGMT hypermetylerte tumorer med mye og lite TM i en dyremodell, ble tumorer med TM vist å ha økt kjemoresistens, redusert overlevelse og høyere regenerasjon etter behandling. Etter både radioterapi og kirurgi har celler i TM-nettverk vist raskere regenerasjon enn celler utenfor nettverket, og for radioterapi har denne effekten blitt reversert i dyremodeller etter inaktivering av gap junctions via Cx43. Økt celletetthet etter behandling sammenlignet med før behandling har blitt oppfattet som en patologisk tilheling mediert av TM. Det kan være flere underliggende mekanismer bak disse behandlingsresistente funnene. Mulige årsaker kan være at TM-nettverket forebygger dødelig TMZ-konsentrasjon, gir økt tilførsel av nye celler til et skadet område, opprettholder en stabil kalsiumhomeostase og gir beskyttende nettverksdannelse med normale celler. Høyt kalsium-nivå har i andre studier blitt vist å være nødvendig for å indusere apoptose.

Klinisk anvendelse 

Terapeutisk mål

Siden TM synes å mediere behandlingsresistens kan spesifikk behandling mot TM tenkes å gi terapeutisk gevinst. Foreløpig er behandling basert på TM ikke tilgjengelig for klinisk bruk. En mulig framgangsmåte er å forstyrre nettverket, enten via dets forbindelser (Cx43/gap junctions) eller selve dannelsen (GAP-43). Ulempen ved behandling mot gap junctions er at disse er høyt uttrykt i hjernen generelt, noe som øker sannsynligheten for bivirkninger. Et annet behandlingsprinsipp kan være å forstyrre den intercellulære kommunikasjonen ved bruk av kalsium-antagonister, men også her er sjansene for bivirkninger store. Å utnytte nettverket til distribusjon av cytotoksiske medikamenter eller onkolytiske virus med påfølgende økt bystander-effekt er en annen mulig strategi. Inhibisjon av signalveier som inngår i utviklingen av TM, men som er mindre viktige for den ferdigutviklede hjernen har blitt foreslått som generelt prinsipp.

Biomarkør

TM kan påvises i pasientmatieriale ved bruk av spesifikke antistoffer mot IDH1-R132H. TM korrelerer med 1p/19q status og malignitetsgrad, men ytterligere forskning er nødvendig for å avgjøre om lengden eller antallet kan forutsi behandlingsrespons ved standard terapi.

Relasjon til andre tumorbiologiske fenomener 

GBM kreftstamceller og den perivaskulære nisje (PVN)

GBM kreftstamceller er selvfornyende og tumordannende (tumorigen) med evne til å skape et cellulært hierarki i tumor. Ved celledeling blir minst en dattercelle til en kreftstamcelle, mens den andre dattercellen kan differensieres til alle celletyper i tumoren. Kreftstamcellene opprettholder cellulært og genetisk mangfold (heterogenitet) i tumoren. Dette er sentralt for behandlingsresistens, sykdomsutvikling og tilbakefall, områder hvor også TM er avgjørende. De er lokaliserte i perivaskulære nisjer (PVN), hvor direkte kontakt med epitelceller i mikrosirkulasjonen gjør forholdene for langvarig overlevelse optimale. Ny forskning knytter TM og PVN sammen gjennom NOTCH1-signalveien som er assosiert med nervesystemets utvikling. Ved å følge tumorceller in vivo med høyoppløselig mikroskopi i flere måneder ble to parallelle tumorområder identifiserte. Den parenkymale nisjen hadde høy celledeling og mange celler som uttrykte TM i samsvar med høy invasjonsevne. Den perivaskulære nisje viste lav celledeling og få celler uten TM som var stasjonære. Ved å hemme TM via Cx43 økte antall celler i PVN samt uttrykk av NOTCH1, mens inhibisjon av NOTCH1 reduserte populasjonen i PVN og induserte TM. Sammenhengen mellom TM og NOTCH1 ble replisert på gen- og protein-nivå i glioblastom og oligodendrogliom. Siden både TM og PVN gir terapiresistens kan en slik kompensatorisk regulering via NOTCH1 gi en mulig forklaring på terapisvikt ved glioblastom. Endotelceller er kjent for å aktivere NOTCH1 i glioblastomceller i PVN, og behandling mot NOTCH1 har vært forsøkt uten gevinst. Basert på disse resultatene bør framtidig behandling unngå å indusere denne kompensasjonsmekanismen.

Cellulære stamcelleegenskaper

Nyere forskning har forbundet TM med cellulære stamcelleegenskaper. Både TM og stamcelleegenskaper uttrykkes av subpopulasjoner i tumor som viser behandlingsresistens, og er uttrykk for sykdommens cellulære mangfold (heterogenitet). Ved hjelp av Cx43-avhengig farging kunne tumorceller med og uten TM isoleres og sammenlignes. Celler med TM viste tumordannende egenskaper i dyremodeller som ellers assosieres med kreftstamceller, og de uttrykte etablerte (Nestin) og antatte (Musashi, Sox2 og Ki67) stamcellemarkører. I dyremodeller var Nestin-uttrykk assosiert med TM-dannelse og TM-mediert behandlingsresistens mot strålebehandling, men vist seg også å være en selvstendig resistensmarkør. Resultatene kan gi en ny forklaring på hvorfor kreftstamceller viser høy behandlingsresistens. Celler som uttrykker både stamcelleegenskaper og TM kan være avgjørende for sykdomsutvikling og tilbakefall, men ytterligere studier vil være nødvendig for å undersøke dette nærmere.

Referanser 

Kreftbehandling