ÖZET

Tümörler, anormal hücresel özellikler ve davranışlar sergileyen, heterojen hücre tiplerinden meydana gelen hücre gruplarıdır. Tümör hücrelerinin moleküler karakteristik özellikleri, tümör türlerini sınıflandırmak için kullanılabilir. Bir tümörde, dahil olan hücre tipleri popülasyonunun karmaşıklığı ve bunların çeşitli gen ekspresyon paternleri; tümör heterojenitesine, büyümesine, metastazına ve agresifliğine önemli ölçüde katkıda bulunur. Kanser kök hücreleri (CSC’ler), bir tümördeki küçük bir hücre popülasyonu olup doğaları gereği oldukça plastiktirler ve kendinlerini yenileme kapasitesine sahiptirler. CSC’ler farklı hücre tiplerine farklılaşabilir ve tümörün başlaması, büyümesi ve ilerlemesinde kritik roller oynarlar. CSC’ler metastazı, terapötik direnci ve kanserlerin nüksetmesini yönlendirerek tümör agresifliğinin ana düzenleyicileri olarak hareket ederler. CSC’ler, tümördeki hücrelerin epitelyalden mezenkimale geçişi (EMT) tetikler, bu da bu hücrelerin yayılma kapasitelerinin artmasına neden olur. Bu benzersiz hücre alt popülasyonları, tümör mikroçevreleri (TME) veya nişleri ile iletişim kurabilir ve nişlerini çeşitli içsel faktörleri salgılaması için uyarabilirler, bu da metastazı teşvik etmek için neoanjiyogenezi tetikler. CSC’lerin multipotent ve tümör başlatıcı yetenekleri, kanser metastazı ile sonuçlanan primer kanser hücrelerinin ekstravazasyonuna neden olmak için çeşitli sinyal ağlarını uyarır veya değiştirir. Sonuç olarak, CSC’ler, çeşitli tedavilerden sonra kanserlerin nüksetmesine yol açabilen tümör agresifliğini teşvik eder ve bu nedenle, CSC’leri spesifik olarak hedeflemek ve ortadan kaldırmak için yeni terapötiklerin tasarlanmasında kritik problemler ortaya çıkarır. Bu nedenle, çeşitli kanserleri tedavi etmek için terapötik yaklaşımlardaki son gelişmelere rağmen, CSC’ler ve tümör agresifliği, kanseri iyileştirmedeki en büyük zorluklardan biri olmaya devam etmektedir. Burada, EMT, metastaz, kanser metabolizması ve tümör agresifliğini etkileyen kritik sinyal yollarının düzenlenmesinde CSC’lerin kilit rollerini tartışıyoruz.

Anahtar kelimeler

Kanser kök hücreleri, Kendini yenileme, Tümör Nüksettrici, Epitelden mezenkimale geçiş, İnvazivlik (İstilacılık), Damarlanma, Metastaz, Tümör agresifliği

8.1 Giriş

Kanser, dünya çapında her yıl milyonlarca insanı öldüren büyük, ölümcül ve evrensel bir hastalıktır. Kanserde hücre ve doku mimarisinde değişiklik olur [1] ve kanser erken evrede tedavi edilmezse tümörün primer bölgesinden çeşitli organlara yayılır, ve bu organlar ikincil bölge olarak görev yapar [2, 3]. Kanser hücrelerinin vücudun diğer bölgelerine yayıldığı bu ilerlemeye metastaz denir. Metastaza dahil olan çeşitli faktörler ve süreçler vardır.

Kanser hücreleri, komşu normal dokulara basit invazyon, lenfatik veya kan damarları yoluyla tümörün birincil bölgesinden kolonizasyon için uzak ikincil bölgelere (farklı organlar veya dokular) göç gibi çeşitli adımlarla vücudun farklı bölgelerine yayılabilir. Yeni kan damarlarının oluşumu (neoanjiyogenez), daha fazla besin ve büyüme faktörü için ek kan temini sağlar, bu da tümör büyümesine veya metastazına yardımcı olur [4, 5]. Tümör içinde kapsüllenmiş heterojen bir hücre popülasyonu içerdiğinden doğası gereği karmaşıktır ve kan damarları, hücre dışı matris (ECM), fibroblastlar, bağışıklık hücreleri vb ile çevrili olup, niş adı verilen farklı bir tümör mikro ortamını (TME) oluşturur [6]. Kanser kök hücrelerinin (CSC’ler) varlığının ortaya çıkması ve son kanıtlar, bu heterojen hastalığın anlaşılmasında tamamen yeni bir yaklaşımın kapısını açmıştır. Tümörün başlaması ve gelişmesi, doğası gereği çok potansiyelli olan ve aynı zamanda kendi kendini yenileme kapasitesine sahip olan özel hücre alt tipleri olan CSC’ler tarafından yönlendirilir [7]. CSC’ler, tümörijenite ile birlikte kanser hücrelerinin farklılaşması ve göçünden sorumludur. CSC alt popülasyonları nişlerinin içinde korunur, buradan gerekli büyüme faktörlerini alır ve ihtiyaçları olduğunda glikolitik yoldan ve oksidatif fosforilasyondan (OXPHOS) ATP formunda enerji elde eder.

Şekil 8.1 Kanserin ayırt edici özellikleri. Bu resim, kanserin başlangıç ve büyüme sırasındaki benzersiz özelliklerini açıklamaktadır. Son on yılda kanserin ayırt edici özellikleri üzerine kapsamlı bir çalışma yapılmış ve onkogenezdeki çeşitli adımların daha iyi anlaşılmasına olanak sağlamıştır.

Çoğu kanser türünde, artan mortaliteyi açıklayan birleştirici süreç metastazdır. Metastaz çok aşamalı bir süreçtir. Hücrelerin farklı evrelerini kapsar ve başlangıçta genetik veya çevresel nedenlere bağlı onkojenik bir etkiyle moleküler düzeyde mutasyonla başlar [4]. Kanser biyolojisi alanındaki son bilgiler, bu biyolojik sürecin karmaşık yapısını vurgular ve kanserin ayırt edici özellikleri olarak adlandırılan tanımlanmış ilkelere dayalı karmaşıklığın düzenlenmesine yardımcı olur [8]. Kanserin ayırt edici özellikleri Şekil 8.1’de gösterilmektedir.

Kanser hücreleri nadiren iskelet kasına metastaz yapar ve spesifik faktörler kapsamlı kas israfını teşvik eder, bu da kaşeksi olarak bilinen bir durumla sonuçlanır, burada çinko metal iyon taşıyıcısı ZRT ve IRT benzeri protein 14 ( ZIP14), anormal artışı nedeniyle iskelet kaslarında biriktirilir. Bu fenomen, metastatik kansere bağlı kas kaybının kritik aracısıdır [9]. Epitelden mezenkimale geçiş (EMT), CSC’lerin mezenkimal fenotiplerini elde ettikleri, böylece tümörlerin ilerlemesini ve saldırganlığını destekleyerek metastaz oluşumu ile sonuçlanan bir süreçtir.

Tümörlerin çoğu, diğer farklı hücre tipleri ile birlikte normal hücrelerden oluşur, bu durum kanserin fenotipik heterojenliğini ve malignitesini yönlendirmede yardımcı olur. Kanser hücrelerinin önemli bir kısmı ve sözde metastaz indükleyicileri, CSC’ler tarafından karakterize edilir [10]. Tümör kitlesinde bu hücreler kendini yenileme ve farklılaşma yeteneğine sahiptir. CSC’ler ayrıca kanser hücrelerinin metastatik özelliklerinden de sorumludur [11]. CSC’ler, tümör mikro ortamının (TME) hazırlanmasında ve kanser ilerlemesini güçlendirmek için miyeloid hücrelerin kullanılmasında önemli olan sitokinleri salgılar. Kanserle ilişkili fibroblastlar (CAF’ler) ve aktive edilmiş tümörle ilişkili makrofajlar (TAM’ler), anjiyogeneze direnmek ve CSC istilasını teşvik etmek için yüksek miktarlarda matris metaloproteinazları (MMP’ler), büyüme faktörleri ve sitokinler salgılar [12-14].

TME’de salgılanan sitokinler, kemokinler ve büyüme faktörleri kanser hücrelerinin göç kabiliyetini arttırır ve anjiyogenezi geliştirirler [15]. Ayrıca, CSC’ler, programlanmış hücre ölümü ligandı 1 (PD-L1) [17] dahil olmak üzere intrinsik moleküllerin protein ekspresyonunu değiştirerek bağışıklık sisteminden kolayca kaçabilir [16], bu da immünosupresif mikro ortamın oluşumunu sağlar [18]. Ayrıca, en önemlisi, CD44 ve CD133 gibi CSC’lerin hücre yüzeyi belirteçleri, CSC’lerin diğer tümör hücreleri üzerindeki bağlanma ve hedefleme özelliklerinde özgüllük kazandıran çok hayati moleküllerdir [19]. CSC’ler, diğer kanser hücreleriyle birlikte genetik ve epigenetik karmaşıklığı paylaşır, ancak bu hücrelerin kanser kemoterapisinden kaçmasında hayati bir özelliği olan hayatta kalma zorluklarına uyum sağlar. Ayrıca, diğer kanser hücreleriyle karşılaştırıldığında, yavaş hücre proliferasyon hızları ile CSC’lerin hayatta kalma taktikleri kazandığına inanılırken, hızlı büyüyen kanser hücreleri çeşitli terapötik tedavilerle yok edilir [20].

CSC’ler, Wnt/β-katenin, Hedgehog ve Notch yolları gibi içsel sinyal yollarını ele geçirme yeteneğine sahiptir [21]. Bu yollar, yetişkin kök hücre homeostazının kilit düzenleyicileridir ve CSC’ler, yolun normal mekanizmasını engelleyerek kendi plastisitesini sürdürmek yerine işlevinden yararlanır [22]. İlginç bir şekilde, bu hücre alt popülasyonları apoptozdan kaçınır ve bağışıklık hücrelerinin işlevini engelleyerek bağışıklık sisteminin kontrolünü ele geçirir. Kanserleri erken evrelerinde tedavi etmek potansiyel olarak mümkün olsa da, metastaz ve kanserin nüksetmesi, son teknolojik gelişmelerin tümünde bile hala temel sorunlardır. CSC’ler, uzak bir bölgede koloni oluşturduktan sonra uykuya geçerler ve TME’leri içinde iyi korunurlar. Bu nedenle, yalnızca aktif olarak çoğalan kanser hücrelerini hedefleyen mevcut tedaviler, CSC’leri hedefleyemez ve ortadan kaldıramaz [23]. Tümör, heterojen hücre popülasyonlarına sahiptir ve bu nedenle, tedavi rejimleri CSC’leri hedeflemede başarısız olur. Sonunda, tümör tedaviye yanıt vererek geriler, ancak tedavilere dirençle birlikte yüksek metastatik yeteneği ile nüks eder, bu da kanser hastalarında yüksek ölüm oranına yol açar. CSC’ler, kemo-direnç, radyo-direnç ve immünosupresif özelliklerinden dolayı birçok tedaviye dirençlidir. Çok sayıda laboratuvar ve ilaç şirketi şu anda özellikle CSC’leri hedef alan tedaviler geliştirmeye odaklanmaktadır. CSC’leri ortadan kaldırmayı amaçlayan önemli yollar, metastaz ve kanser nüksü ile mücadele ederek kanser tedavisini kaygı verici bir şekilde etkileyecektir [24]. Bu bölüm, CSC’lerin metastatik potansiyeli, metabolik değişiklikleri ve anahtar sinyal yollarını ve dolayısıyla tümör agresifliğini modüle etmedeki bazı önemli rollerini tartışır.

8.2 Hücresel Davranış ve Niş

Tümörün başlaması için farklı temel büyüme faktörlerinin üretimi ile birlikte hücre sinyal ağlarında anormal aktivasyon gereklidir. Ayrıca, tümörün kendisi tarafından anjiyojenik proteinlerin sentezi, tümörün saldırganlığının kaderini belirler [25]. Tüm tümör alt tipleri, doğada yüksek oranda metastatik değildir. Hücrelerin davranışı, tümörün bulunduğu habitata bağlıdır. Niş, tümörün büyümesinde ve olumsuzluğunda ilerlemesini sağlayan TME’ye tüm içsel faktörlerin sağlanmasıyla zenginleştirilmiş bir ortam sağlar [26]. Fenotipik plastisitesi ile birlikte CSC’lerin temel özellikleri, klasik bağışıklık sistemine karşı niş içinde iyi korunur ve bu nedenle metastazı destekler. Kök hücre belirteçleri, farklı tümör alt tiplerinin tanımlanması sürecinde yardımcı olan fonksiyonel olarak spesifik proteinlerdir. Farklı tümörlerin gelişiminde özel rolleri olan CD44 [27], CD133 [28], CD49f [29], ALDH [30] gibi çeşitli kök hücre belirteçleri vardır. Bu kök hücre belirteçlerinin özellikleri Tablo 8.1’de gösterilmektedir.

Primer karsinomda, tümör hücrelerinde oksijen eksikliği, TME içindeki bozulmuş vaskülarizasyon nedeniyle reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimini arttırır. Hipoksiye bağlı hücresel stres ve artan ROS seviyeleri, kanser hücresinin hayatta kalmasını artırmak ve ayrıca kök yapısını korumak için CSC’nin stres sinyal yolunu başlatır [31]. CSC’ler ile birlikte mezenkimal kök hücreler (MKH’ler), neoanjiyogenezi başlatmak için intrinsik kemokinler, sitokinler ve diğer anjiyojenik büyüme faktörlerini üretir, böylece tümöre daha fazla kan beslemesini yönlendirir ve CSC’lerin plastisitesini arttırır. Ayrıca, bağışıklık hücrelerinin sitotoksik fonksiyonlarını baskılayarak bağışıklık sistemini tehlikeye atar [32].

Normal hücresel fizyolojide, MKH’ler, kök hücrenin hayatta kalmasını desteklemek için çeşitli kök faktörleriyle normal bir kök hücre nişi oluşturur. Ancak onkojenik isabet (hit), normal kök hücre nişini, tümörün başlamasını tetikleyen bir CSC nişine dönüştürür. TME’de, CSC’ler bitişik normal dokudaki EMT yolunu aktive edebilir ve onları daha fazla istila etmek ve bu uzak bölgedeki CSC’leri desteklemek için ayrı bir niş ile yeni bir bölgede büyümek için tümör hücrelerine dönüştürebilir [33].

Tablo 8.1 Kök hücre belirteçleri, tümör tipleri ve onların özellikleri

Tablo, temel kök hücre belirteçlerini ve bunların farklı tümör türlerindeki benzersiz ifadelerini listeler. Her kök hücre markörü, CSC’lerin izolasyonunu ve analizini sağlayan spesifik özelliklere sahiptir. Ayrıca, bu, bu kök hücre belirteçlerinin CSC’ler ve tümör ilerlemesindeki rolünün anlaşılmasına yardımcı olur.

Ayrıca, birincil CSC’ler, istilacı tümör hücrelerinin gelişini kolaylaştırmak için eksozomları serbest bırakarak potansiyel metastatik bölgeleri kontrol edebilir. Eksozomlar, diğer gerekli büyüme faktörleriyle birlikte metastatik nişi hazırlar ve ekstravazasyon süreci boyunca uzak bir bölgede yeni bir koloni kurmak için CSC’leri destekler [34].

8.3 CSC’ler ve Tümör Saldırganlığı Arasındaki Bağlantı

CSC’ler, tümör büyümesini yönlendirme kapasitesine sahip kendi kendini yenileme ve çok soylu farklılaşma gibi normal kök hücrelerin ortak özelliklerini paylaşır. CSC’lerin rolü, tümör başlangıcında erken başlar ve karsinomun ilerlemesi boyunca devam eder. CSC’ler, yüksek plastisitesi nedeniyle metastaz ve tümör nüksetmesinde kritik bir rol oynar. CSC’ler, bağışıklık hücrelerinden kaçmak için çeşitli sinyal yollarını kullanır ve ayrıca kanser hücrelerine karşı bağışıklık hücresi fonksiyonunu engeller. Bununla birlikte, normal metabolizma sırasında, sistemik bağışıklık hücreleri, yüksek düzeyde hücresel stres ve ROS üretimi sergileyen kanser hücrelerini hedefler [35]. Halihazırda mevcut olan kanser tedavilerinin çoğunda, tedavi rejimi genellikle radyoterapi için tüm organı veya kemoterapi için tüm vücudu hedef alacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak proton ışın tedavisi gibi ileri tedavi programlarında tümör spesifik olarak hedeflenir [36]. Ancak bu tedavide bile normal dokular önemsiz bir şekilde etkilenirken, diğer tedavilerde terapinin verdiği hasar çok daha kötüdür ve vücudun genel olarak bozulmasına neden olur. Mevcut tedaviler tedavi rejimlerinde bütünsel bir yaklaşım izlediğinden ve CSC’ler kendi nişleri içinde kapsüllendiğinden ve iyi korunduğundan, CSC’leri hedeflemek zorlaşır [37]. Aksine, tedavi kanser hücrelerini öldürdüğünde ve sonunda tümör küçüldüğünde, CSC’ler uyku durumuna geçebilir ve o ilaca karşı direnç geliştirebilir. Birkaç yıl içinde, tümör bu ilaç tedavisine karşı artan dirençle nüks edebilir ve agresif metastatik potansiyel sergiler.

CSC’ler, tümör başlangıcını, istilasını ve metastazı teşvik ederek onkogenezde ayrılmaz bir rol oynar. CSC’ler, genetik veya epigenetik değişikliklerin birikmesi ve oksidatif stres nedeniyle elde edilen köklerinden dolayı kanseri başlatır. CSC’ler, hayatta kalmalarını ve göç etmelerini destekleyen ve ayrıca metastaz için anjiyogenezi destekleyen TME ile iletişim ağlarını kurarlar [38].

8.4 Metastatik Potansiyelin Tümör Saldırganlığı Üzerindeki Etkisi

Metastatic dissemination of cancer cells is the ability of the malignant cells to initiate the invasion from the primary site to form a colony at a distant site. Kanser hücrelerinin bu istilası, intravazasyon, EMT ve farklı sinyal yollarının kaçırılması gibi çeşitli olaylar dizisini içerir. Bu olaylar, normal fizyolojik koşullar altında öncelikle yetişkin kök hücre homeostazının korunması için kullanılan, epitel hücrelerinin mezenkimal özellikler kazandığı CSC’lerin kendi kendini yenileme özelliklerini kazanmalarını sağlar [39].

Tümör gelişirken, tümör hücrelerinin, hücresel bileşenlerin işe alınması ve hücre dışı matrislerinin modülasyonu ile hipoksik ortamda büyümesini ve işlevini sürdürmesi esastır.

Tümör damar yapısını anjiyojenik faktörler yoluyla elde eder ve tümörün büyümesi için kan beslemesini korur. Tümör hücreleri normal dokuları istila eder ve kan damarlarına ulaştıktan sonra tümör hücreleri kan damarının endotel bariyerinden sızar ve intravazasyon adı verilen süreçle dolaşıma girer.  İntravazasyondan sonra, tümördeki kan damarları, tümör ve diğer organlar arasında bağlantılar kurar, böylece dolaşımdaki tümör hücrelerinin (CTC’ler) metastaz için dolaşıma ekstravazasyonu için bir yol sağlar [40] (Şekil. 8.2). CTC’ler epitelyal özelliklere sahiptir ve mezenkimal özellikler kazanmadıkça mikroçevreden kaçamazlar. EMT, CTC’lerin vasküler sisteme ekstravazasyonu için gerekli olan anahtar olaylardan biridir. Dolaşımdaki CTC’ler bitişik organlara yapışıp kendilerini sabitlerken, birincil tümör bölgelerindeki tüm tümör gelişimi süreci CSC’ler tarafından yönlendirilir ve CTC’lerin salınması, uzak ikincil bölgelere metastazı destekleyen aktif bir süreçtir. Ayrıca, CTC’ler gelmeden ve ikincil tümörler oluşturmak üzere gelişmeden önce, CSC’ler gerekli büyüme faktörlerinin yardımıyla uzak ikincil bölgelerde metastatik niş hazırlar [41].

Uzak bölgede koloni oluşumundan sonra tümörün büyümesi, metastaz sürecindeki en önemli olaylardan biridir. Ancak çoğu durumda, uzak bir organa yapıştıktan sonra CTC’ler bir uyku durumuna girer (Şekil. 8.2). Metastatik uyku hali, kanser tedavisinden sonra tümörün nüksetmesinin başlıca nedenlerinden biridir [42]. Kanser tedavileri genellikle birincil bölgedeki tümörü hedef alacak şekilde geliştirilir. Tedavi, tümör hücrelerinin çoğunu öldürmesine ve tümör gerilemesine rağmen, tümördeki tüm CSC’leri öldürmez. Primer tümördeki CSC’lerin çok azı genellikle tedaviden ölümden kaçar veya uykuda bir duruma girer. Also, some tumour containing CSCs can often escape even from a successful precision surgery. Uzak bir bölgedeki uyuyan tümör hücreleri veya birincil bölgedeki CSC’ler, bir tedavi rejimine karşı dirençli kalabilir ve birkaç yıl içinde tekrar tam gelişmiş bir tümöre dönüşebilirNükseden kanserlerde metastatik hücreler baskındır ve mezenkimal özelliklerle daha ölümcüldür ve tedavilere kazanılmış dirençleri nedeniyle saldırganlıkları iki katına çıkar [43].

8.5 Tümör Saldırganlığını Etkileyen Faktörler

CSC’ler hormonlar, enzimler, sitokinler ve büyüme faktörleri gibi çeşitli bileşenlerden etkilenir (Şekil. 8.3). Birkaç çalışma, hormonların farklı tümör koşullarında onkogenez sürecini hızlandırdığını göstermiştir. Hormonlar, östrojen ve progesteron, hücrelerdeki spesifik reseptörlerine bağlanarak meme kanseri hücrelerinin büyümesini etkiler. Bu hormonlar kanser hücresi bölünmesini arttırır ve çok kısa bir süre içinde tümör büyümesini hızla hızlandırarak onu agresif tümör formlarından biri haline getirir.

Şekil. 8.2 CSC’ler neoanjiyogenezi ve metastazı teşvik eder. Tümör bölgesinde kanser hücrelerinin aktif proliferasyonu, hipoksi ve gerekli besinlerin eksikliğinden dolayı hücresel stres yaratır. Bu hipoksi durumu, farklı büyüme faktörlerinin, kemokinlerin, sitokinlerin ve anjiyojenik faktörlerin salınmasıyla sonuçlanır ve bu da tümör büyümesi için gerekli besinleri sağlamak için tümörde yeni vaskülatür oluşumuna neden olur. Kanser hücreleri normal dokuyu istila etmeye ve kan damarlarının yakınlarına ulaşmaya başlar. İntravazasyon, kanserin yayılmasında çok önemli bir olaydır ve kanser hücrelerinin farklı bir ikincil bölgede bir koloni oluşturmak için dolaşıma girmesini gerektirir. Dolaşan tümör hücreleri (CTC’ler) dolaşımda seyahat eder ve uzak dokuda ekstravazasyona uğrar ve dormansiye uğrayarak ikincil bölgede metastatik nişlerini hazırlar. Daha sonra hızlandırılmış proliferasyona uğrarlar ve ikincil organ bölgesinde hızla tam gelişmiş bir tümöre ilerleyen bir koloni oluştururlar. Kanser hücreleri tırtıklı kenar boşluklarıyla temsil edilir. Tırtıklı kenar boşluklarına sahip kırmızı renkli hücreler CSC’lerdir. Tırtıklı kenarlara sahip yeşil ve sarı renkli hücreler, tümör heterojenliğini göstermek için temsil edilen farklı tümör hücreleridir. Mavi veya siyah renkli çekirdek, kanser genomlarındaki heterojenliği temsil eder. MMP’ler matris metalloproteinazlar, tümör hücrelerini dolaşan CTC’ler görülür.

Şekil. 8.3 Tümör agresifliğini etkileyen çeşitli faktörler. Tümörün başlamasını ve ilerlemesini çeşitli faktörler etkiler. Bunlar, tümör büyümesini ve saldırganlığını yönlendiren hem içsel hem de dışsal faktörleri içerir. Dışsal (değiştirilebilir) faktörler arasında sigara, alkol tüketimi, sağlıksız beslenme ve değiştirilebilir yaşam tarzı yer alır. İçsel faktörler, tümörün hızlı ilerlemesine ve yayılmasına katkıda bulunan enzimler, hormonlar, büyüme faktörleri, besinler, kemokinler, sitokinler ve tümör nişini içerir. Kanser hücreleri tırtıklı kenar boşluklarıyla temsil edilir. Tırtıklı kenar boşlukları olan kırmızı renkli hücre CSC’dir. Tırtıklı kenarlara sahip yeşil ve sarı renkli hücreler, tümör heterojenliğini göstermek için temsil edilen farklı tümör hücreleridir. Mavi veya siyah renkli çekirdek, kanser genomlarındaki heterojenliği temsil eder. TGF-β dönüştürücü büyüme faktörü-beta, PDGF trombosit kaynaklı büyüme faktörü, VEGF vasküler endotelyal büyüme faktörü, MMP’ler matris metalloproteinazlar, PGK1 fosfogliserat kinaz 1, PKM2 piruvat kinaz M2 mevcuttur.

Ayrıca testosteron, östrojen ve progesteron gibi hormonlar ilaç direncini ve hormona bağımlı tümörlerin metastazını arttırır [44]. Hormonların yanı sıra büyüme faktörleri, sitokinler ve kemokinler tümörlerin ilerlemesinde çok önemli bir rol oynar. TME, tümör büyüdükçe hipoksiye ve hücresel strese maruz kalan farklı hücre türleri içerir ve böylece tümörün kendisi, dönüştürücü büyüme faktörü-beta (TGF-β), trombosit kaynaklı büyüme faktörü (PDGF),  vasküler endotelyal büyüme faktörü (VEGF) gibi gerekli büyüme faktörlerini tümörün kan ve besin sağlaması için yeni damarlar (neoanjiyogenez) oluşturmak için serbest bırakır [45].

   Hormonlar, büyüme faktörleri ile beraber sitokinez ve kemokinez tümörlerin ilerlemesinde elzem bir rol oynar. TME tümör büyüdükçe hipoksiye (oksijen yetmezliğine) ve hücresel strese uğrayan farklı türde hücreler içerir ve böylece tümörün kendisi transforming growth factor-beta (TGF-β), platelet-derived growth factor (PDGF), vascular endothelial growth factor üretir.

(VEGF) vb. gibi gerekli olan büyüme faktörlerini tümöre kan ve besin sağlamak için yeni damarlar yaratmak (neoanjiyogenez) amacıyla salar. [45] Ayrıca matrix metalloproteinases (MMPs), phosphoglycerate kinase 1 (PGK1) and pyruvate kinase M2 (PKM2) gibi tümör hücresi davranışını etkileyen ve onların gelişmesini ekstrasellüler matriksi yıkarak hızlandıran ve kanser hücrelerinin istilasına destek olmak için tümör hücresi metabolizmasına uzak yerlere hızlıca  peritonal disseminationı destekleyerek yakıt sağlayan birkaç enzim vardır. [46]

    Tümör ilerlemesi ve gelişimine dahil olan kritik faktör artan çoğalma nedeniyle gerçekleşen hipoksi ve böylece artan hücresel strestir. Kontrolsüz hücre bölünmesi TME içinde, en sonunda hücrelerin yetersiz beslenmesine neden olan olumsuz bir ortam yaratır. Bu, aşırı büyüme faktörleri ve hücreler için besin ihtiyacına önayak olur, ve böylece tümörün kendisi, tümör içinde yeni damarlar oluşturmak için gerekli anjiyogenik faktörleri salgılar, bu da tümöre kan tedariğine olanak sağlar. Ayrıca, tümör metabolizmasındaki değişim tümör büyümesini ve agresifliğini belirleyen bir anahtar noktadır. [47]

   CSC’ler ATP üretimi için glikolitik ve OXPHOS yolları kullanımı değişimini kontrol eder. Aynı zamanda ATP üretimi yolunu kısmen seçen nişe de bağlıdır. Tümör başlangıcında, CSCler glikolitik yolu kullanır ama tümör gelişiminde OXPHOS yoluna geçerler. Metastaz, hücreler uzak bölgelere göç edeceğinden yüksek enerji gerektirir ve bu yüzden iki yola da bağlıdır. [48] Ayrıca birkaç karsinomda, hormonlar kritik faktörler olarak davranırlar bu da tümörün işgalci davranışını ikiye katlar. Birtakım moleküler mekanizmalar tümörlerin başlangıcı ve gelişiminde hayati bir rol oynasa da çevresel karsinojenler tümörün büyümesini daha yüksek ROS üretimi ve artan hücresel stres nedeniyle DNA hasarı formunda etkiler. Daha önemlisi sigara kullanımı, alkol ve abur cubur tüketimi ve sağlıksız yaşam biçimi (obezite vb.) bu faktörler metastaza önayak olabileceğinden kanser riskini arttırır. [49] (Fig. 8.3)

8.6 EMT’ye Dahil Olan Moleküler Mekanizmalar

    EMT, epitel hücrelerin, hücre polarizasyonunun kaybolmasını da içeren birtakım değişikliklere uğrayarak mezenkimal karakterler kazandığı bir işlemdir. Mezenkimal fenotipin kazanılması, apoptoztan kaçınmak ve hücrelerin göç etme potansiyelini arttırmak için gerekli olan farklı sinyal faktörlerinden etkilenir. Bu aynı zamanda ECM’ye nüfuz etmek için degrade edici enzimlerin salgısını azaltır ve bu işlem de hücrelerin istilacılığını destekler. [50] EMT hücrelerin kök hücre özelliğini etkinleştirir ve sürdürür ve normal kök hücrelerinin CSC’lere dönüşümünde istilacı mekenizmal karakter kazanarak önemli bir rol oynar.

   EMT iki yönlü bir işlemdir ve geri döndürülebilir. EMT her iki tarafa da değişebilir ve mezenkimal fenotipten epitel fenotipe dönüşüme mesenchymal to epithelial transition (MET) (mezenkimalden epitele geçiş) denir. (Fig.8.4) Wnt/β-catenin, Hedgehog (Hh) ve Notch signalling gibi birçok sinyal yolu içerir. Bu sinyal yolları ve bağışıklık hücreleri arasındaki etkileşim, normal kök hücrelerinin gelişmesine ve esnekliklerini korumasına olanak sağlar. Slug, Snail, Twist, Sox-9 vb. gibi çeşitli transkripsiyonel faktörler epitelin mezenkimal hücre karakterlerine dönüşümüne dahildir. [51] Epitel hücreler istilacılık ve metastaztik özellikler kazanırken bazı önemli karakterleri kaybeder. Mezenkimal işaretleyiciler  [N-cadherin, vimentin, fibronectin, vitronectin, α-smooth muscle actin (α-SMA) ve fibroblast-specific protein 1 (FSP1) dahil olmak üzere]  EMT sürecinde kazanılırken epitel fenotip işaretleyicileri [E-cadherin, desmoplakin, Muc-1,cytokeratin-18, occludins, claudins ve zonula occludens dahil olmak üzere] kaybedilir. [52]

   Önemli olarak  büyüme faktörleri ve iltihaplı sitokinez, interleukin(IL)-8 [Janus-aktif kinaz/sinyal dönüştürücünün bir aktifleştiricisi ve transkripsiyon 3 (JAK/STAT3) yolunun aktifleştiricisi] de dahil olmak üzere, stromal fibroblastlardan salgılanır ve tümör gelişimini destekler ve kanserlerin agresifliğinden sorumlu olurlar. [53] Yine de sinyal yollarının anormal aktifleştirilmesi kanser tiplerine göre değişiklik gösterir. Bir tür kanserde tümör baskılayıcı özellik gösteren bazı proteinlerin farklı bir tür kanserde istilacılık başlattığı ve istilacılığa neden olduğu bilinmektedir. Ancak, genetik dengesizlik  ya da mutasyonlar ve epigenetik değişimler onkogenleri aktifleştirebilir ya da tümör baskılayıcı genleri metabolik yeniden programlama ile etkisiz hale getirebilir, bu da karşılık olarak artan hücre çoğalmasına, kötü huylu dönüşüme metastaza ya da kanser nüksetmesine yol açabilir. Üstelik CSC’lerin heterojenliğinin ve EMT işleminin, kanserlerin organa özel metastazına ve karmaşıklığına büyük miktarda katkıda bulunduğu düşünülüyor. [54]

Fig. 8.4 Günümüzdeki tedavilerin CSC’lere etkisi ve gelecek tedavilere bir bakış. Normal kök hücreler mutasyonların kazanılmasıyla ve hücre döngüsünde onkogenler ile tümör baskılayıcı genlerin mutasyona uğramış hücrelerin aktif olarak çoğalmasına ve tümörün gelişmesine neden olan düzensizliği sebebiyle onkogenez geçirir. Günümüzdeki tedaviler CSC’leri özel olarak hedef almaz ve bu yüzden tümör ilaç direnciyle nükseder. CSC’ler doğaları gereği oldukça esnektir ve Wnt/β-catenin, Notch ve Hedgehog gibi önemli sinyal yollarını kontrol edebilmesi nedeniyle kendi kendini yenileme özelliklerine sahiptir. Devam eden araştırmalar özel olarak CSC’leri hedef alır ve tümörün yok edilmesinde gelecek vadeden bazı sonuçlar göstermiştir. Kanser hücreleri tırtıklı kenarlarla gösterilmiştir. Tırtıklı kenarlı kırmızı hücreler CSC’lerdir. Yeşil ve sarı renkli, tırtıklı kenarlı hücreler farklı tümör hücreleridir; böyle temsil edilmelerinin sebebi tümörün heterojenliğini göstermektir. Tırtıklı kenarlı pembe hücre ölü, hedeflenmiş CSC’yi temsil eder. Mavi ya da da siyah renkli çekirdekler kanser genomlarındaki heterojenliği gösterir. CSC, kanser kök hücresi anlamına gelir. (cancer stem cell)

8.7 Tümörün Hayatta Kalmasında Metabolik Değişimler

   Çeşitli TME’lerin karmaşık doğaları nedeniyle, CSC’ler farklı enerji kaynaklarına bağlı olmaya eğilimlidir. Glukoz- ve oksidatif-temelli metabolizmaların; alternatif yakıt kaynakları olarak davranan glutamin ve lizin aminoasitleri ile birlikte, yaşamsal besinlerden elde edilen enerjiyle CSC’leri beslediği belirlenmiştir. Normal bir hücrede, mitokondriler kendi trikarboksilik asit (TCA) döngülerini OXPHOS ile birlikte kullanarak glikolizden üretilmiş asetil-CoA’yı ve yağ asidi oksidasyonunu katabolize etmek için ATP üretir. [55] Ancak, CSC’ler aerobik ortamda glikotik akımı arttırmaya eğilimlidir, böylelikle kanser hücrelerinin anabolik taleplerini karşılamak için ATP üretimini kat kat artırır. (Fig. 8.5) Oksidatif ve glikotik metabolizmalardan sağlanan enerjiden tedarik edilen esansiyel büyüme faktörleri ve besinler, kanser hücrelerini olumsuz hipoksi ortamında hayatta kalmaları için destekler ve onların çoğalmalarına, farklılaşmalarına ve apoptozdan daha etkili bir şekilde kaçınmalarına yardımcı olur. [56]

  Hücrelerdeki metabolik değişiklikler kanserin ayırıcı özelliklerinden biri olarak kabul edilir. Glikoz, CSC’lerin kendi mikroortamlarında hayatta kalması için anahtar bir besindir. Glikoz aynı zamanda, CSC’lerde glikoz metabolizmasının yollarıyla ilişkili olan spesifik genlerin (c-MYC, Glut, HK-1, HK-2 and PDK-1) transkripsiyonunu teşvik ettiğinden, CSC popülasyonlarının aktif çoğalmasını destekler. [57] Artan kanıtlar göstermektedir ki CSC popülasyonlarındaki enerji üretiminde mitokondrisel oksidatif metabolizma büyük ölçüde tercih edilmektedir. Anabolik ihtiyaçlarına bağlı olarak glikotik ve OXPHOS yollarına geçebildiklerinden CSC’ler metabolizmalarında doğaları gereği esnektir. (Fig. 8.5)   Sessiz CSC’lerin çoğu, tümör gelişiminin ilk aşamalarında, tümörün ATP ihtiyacını karşılamak için oksidatif metabolizmayı kullanır. Daha yüksek orandaki oksidatif metabolizma, daha yüksek mitokondirisel kütle ve mitokondride artan ROS üretimiyle (ama daha düşük glikotik oranda) beraber artan oksijen tüketimiyle sonuçlanır. Aksine çoğalan kanser hücreleri (i.e. kök hücre olmayan hücreler) glikotik yolu kullanır, bu da daha yüksek glikoz alımıyla ancak en az mitokondrisel kütle ve ROS üretimiyle beraber daha düşük oksijen tüketimiyle sonuçlanır. Bu verimli hücre farklılaşmasına yardım ederek artan istilacılığa yol açar. [58] İlginç bir şekilde, çoğalan CSC’ler metastaz süresince, kanser hücrelerinin yeni bölgelere göç edip sömürgeleştirerek ikincil tümörler oluşturacak olmaları nedeniyle daha fazla enerjiye ihtiyaç duyacaklarından enerjilerini iki yoldan da alır. Enerji hem glikotik hem de ORXPHOS yolundan elde edilebildiğinden metastatik yayılma ya da kanser nüksetmesi süresince karsinomun agresifliği iki katına çıkar.

Fig. 8.5 Tümör gelişiminde CSC’leri çalıştıran moleküler mekanizmalar ve metabolik değişiklikler. Dolaşım için kan damarlarına girmeden önce, birincil bölgedeki tümör hücreleri normal dokuları çeşitli enzimler kullanarak işgal eder ve endotel engeli geçerler. Tümör hücreleri mezenkimal özellikler kazanmak için EMT’ye uğrarlar, bu da onların hızlı istilasına yardımcı olur. Dolaşan tümör hücreleri (circulating tumour cells – CTC) kan damarlarına girmek için İntravazasyon yapar, daha sonra ekstravazasyon yapar ve MET’e uğrar, bunlar da kanserlerin diğer dokulardaki ve organlardaki uzak ikincil bölgelere yayılmaları ve kolonizasyonları için gereklidir. Birincil bölgedeki tümör ATP üretimi için glikotik yolu kullanır, bu ATP de kanser hücreleri tarafından hızlı büyüme için enerji olarak kullanılır. Ancak metastatik bölgedeki tümör, ATP üretimi için hem glikotik hem OXPHOS metabolizmaları kullanır, ve tümör hücreleri ihtiyaçlarına bağlı olarak enerji elde etme yollarını değiştirebilirler. Kanser hücreleri tırtıklı kenarlarla temsil edilmiştir. Kırmızı renk tırtıklı kenarlı hücreler CSC’lerdir. Yeşil ve sarı renkli tırtıklı hücreler farklı tümör hücreleridir, tümör heterojenliğini göstermek için temsil edilmişlerdir. Turuncu renkli tırtıklı hücreler değişmiş metabolizmalı (i.e. hem glikotik hem de OXPHOS yolunu kullanan) tümör hücrelerini gösterirken sarı renkli hücreler sadece glikotik yolu kullanan tümör hücrelerini temsil eder. Mavi ya da siyah renkli çekirdekler kanser genomlarındaki heterojenliği temsil eder.

8.8 CSC’leri Çalıştıran Sinyal Yolları   

CSC’ler ve MSC’ler yaygın mekanizmaları kullanır, bu da onların kendi kök hücre özelliklerini ve esnekliklerini sürdürmelerine izin verir. CSC’lerin kendini yenilememe mekanizmasına dahil olan en önemli mekanizmalar Wnt/β-catenin, Notch ve Hedgehog (Hh) sinyal yollarıdır. Wnt/β-catenin sinyali farklı organizmalarda bulunan korunumlu bir yoldur ve gelişim sırasında çok önemli bir rol oynar. Yetişkin kök hücrelerin homeostazının korunmasında gerekli olan elzem bir yoldur. Genellikle embriyonik gelişmede rol alan intrasellüler Wnt sinyal molekülleri EMT süresince değişime uğrar, bu da Wnt sinyalinin devamlı aktivasyonuna onkogenik proteinlerin sürekli sentezine yol açar, böylelikle CSC’lerin kendi kendini yenileme potansiyelini arttırır. [59]

Genellikle embriyonik gelişime dahil olan, hücre içi Wnt sinyal molekkülleri; EMT (Epithelyal -Mezankimal Geçiş) süresince değiştirilmiştir- ki bu Wnt sinyal yolağının sürekli etkinleşmesine ve onkojenik proteinlerin sürekli sentezine, böylece KKH’lerin keni kendilerini yenileme kapasitelerinin artmasına öncülük eder.

Β- Katenin, Wnt sinyal yolağının etkinleşmesini düzenleyen anahtar moleküldür. Daha da önemlisi Wnt/ B- Katenin yolağının anormal aktivasyonu; kanser büyümesi, anjiyogenezi, invazyonu, köklülüğünde kritik rol oynar. Wnt ligandının yokluğunda Aksin, Adenomatoz polipozis koli (APC) ve glikojen sentaz kinaz – 3β’ yı içeren çoklu- protein yıkım kompleksi; β-katenin’i fosforlar – ki bunu β- katenin’in ubikutinasyonu ve proteozomal yıkımı izler. Yine de, Wnt ligandı reseptörüne bağlandığında, bağlanma bölgesinde oluşan üç boyutlu yapı değişikliği aşağı yöndeki sinyalleşmeyi aktive eder ve β- katenin molekülleri; yıkım komplekslerinden salınır, sitoplazmada birikirler. Daha sonra birikmiş sitoplazmik β-kateninler, Tcf/Lef transkripsyon faktörlerine bağlandıkları ve Wnt hedef genlerinin transkripsyonunu aktive ettikleri çekirdek içine aktarılır. Wnt/ β- katenin sinyalleşmesinin hedef genleri, c-Myc, cyclin D1, MMP-7, CD44, COX-2, Axin-2 gibi, ekspresyon vasıtasıyla KKH’ lerinin göçüne ve adezyonuna ön ayak olurlar. Dahası Wnt hedef gen ekspresyonu ayrıca KKH’lerinin artmış yayılabilirliğine neden olan KKH’lerinin hücresel farklılaşma ve çoğalmasına ön ayak olur.

Notch sinyal yolağı, gelişimsel aşamalar boyunca hücreler arası iletişimde anahtar rol oynar. Ayrıca hücresel çoğalma, hücresel farklılaşma ve apoptozisi de düzenler. Nöral kök hücre bakımı, bağışıklık düzenlenmesi ve normal hematopoez için gereklidir. Notch sinyal yolağı hücreler arası iletişim boyunca, membrana bağlı Jagged ya da Delta ligandı kendi özel reseptörüne bağlandığı zaman aktive olur. Notch reseptörü, birbirine kovalent olmayan bağlarla bağlanmış ekstraselüler ve transmembran bölgelerden oluşan bir heterodimerdir. Ligandın, Notch reseptörüne bağlanmasından sonra reseptör; γ- sekretaz ve matalloproteazlar tarafından reseptörün proteolitik dilimlenmesine, ekstraselüler ve intraselüler parçacıkların salınmasına neden olan üç boyutlu yapısal değişikliğe maruz kalır. Heterodimerik Notch reseptörünün proteolitik dilimlenmesi, Notch intraselüler bölümü (NICD); – ki çekirdek içine translokasyon vasıtasıyla transkripsyon faktörlerini aktive eder, c- Myc ve HES- aile üyeleri gibi Notch hedef genlerinin ekspresyon upregülesiyle sonuçlanır- sitoplazmaya salar.

Hedgehog sinyal yolağı, doku polaritesini kontrol ettiğinden ve embriyojenez boyunca örüntülenişi sürdürdüğünden kök hücre bakımı için esastır. Hücrelerde, genetik ya da epigenetik — Hh sinyal yolağını kendi plastisitesi ya da tümör büyümesinin devamı için mecbur eden-değişiklikler KKH’ler oluştuabilirler. İnaktif durumda Hh ligandının yokluğu transmembran reseptör Patched (Ptch) vasıtasıyla Smoothened (Smo) reseptörünün inhibisyonuyla sonuçlanır. Bu durum sitoplazmada sırayla, sonradan Gli1/2’yi proteozomal yıkım yoluyla fosforlayan ve yıkan bir dizi olayı aktive eder. Bitişik hücre Hh salgıladığı zaman, kendi reseptörü Ptch’ye bağlanır ve Smo’yu aktive eder. Ardından sitoplazmadaki komplekse bağlı olan Gli1/2 molekülleri, Smo protein kompleksinden salınır ve çekirdek içine yerini değiştirir. Bu olay, transkripsyon faktörlerinin aktivasyonu ve Hh- ilişkili genlerin ekspresyonu ile sonuçlanır. Aktive edilen genler, ayrıca KKH’lerinin korunmasıyla direkt ya da indirekt alakalı çeşitli genler içerir.

JAG2’yi upregüle eder ve ayrıca indirekt olarak kemik morfojenik protein 4 (BMP4)’ü FOXF1 aracılığıyla upregüle eder. Hh yolağı, Wnt yolağıyla yan ses yapabilir ve Wnt2B ve Wnt5A gibi kritik Wnt proteinlerini upregüle edebilir. Dahası Hh sinyalleşmesi, Wnt ve diğer sinyal yolaklarıyla etkileşiminden ötürü LGR5, CD44, CD133 gibi kök hücre işaretlerini tetikleyebilir.

Kanserleri çoğu tiplerinde, KKH’leri yetişkin kök hücrelerinin muhafazasıyla işlevsel olarak ilişkili bütün sinyal yolaklarını zorlar. Böylece tümörün büyümesini ve yayılabilirliğini yükseltir. Yeni çalışmalar, KKH’lerinin çoğunlukla bu sinyal yolaklarının yardımıyla TME’de korunduğunu ve etkin olduğunu öne sürer. Bu yüzden çoğu karsinomadaki bu yolakların hedeflenmiş inaktivasyonu, KKH’lerinin kendi kendilerini yenilemesini inhibe etmesi nedeniyle klinik açıdan sonuçları olabilir. Bu yaklaşım, metastazı ve tümör nüksünü engellemek amacıyla hem KKH’lerini hem de tümörü hedeflemek için kullanılabilir ve bu yüzden geleceğin etkili tedavilerine ve en nihayetinde kanser için tedaviye olanak sağlar.

8.9 sonuç

    KKH’leri, hücre ölümünden kaçınarak ve hücre sinyalleşme ya da iletişim mekanizmalarına cevap vermeyen bir durumda kalarak TME içinde etkisiz aşamada daha uzun hayatta kalabilmek için plastisite ve kendini idame ettirme yeteneklerini elinde bulundurur. Önemle KKH’leri, tümörlere ön ayak olabilir ve akabinde tedaviye artan dirençle daha agresif karsinomalara neden olabilecek kanserlerin nüksüne neden olabilir. Kanser hastaları, metastatik kansere ya da kanser nüksüne sahip olduklarında az hayatta kalım oranı sergilerler çünkü bu kanserler KKH’lerine sahiptirler. Bu yüzden metastatik ve nüks eden kanserli hastalar, halihazırda mevcut kanser terapileriyle tedavi edilemezler. Bu yüzden tümörlerde özellikle KKH’lerini hedef alan ve ortadan kaldıran, modern, orijinal, tedavi ediciler geliştirmek; gelecekte kanserleri ortadan kaldırmak, tedavi etmek ve iyileştirmek için acilen gerekli olan bir girişimdir.

ÇEVİRİ:

Merve Yalçın
Begüm Coşar
Özgül Yorgun
Ebrar Esen

KAYNAKÇA: Cancer Stem Cells: New Horizons in Cancer Therapies, Editörler: Surajit Pathak Antara Banerjee