La Biología de las Metástasis del Cáncer Perspectivas

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1 Curso de Posgrado en Dermatología Carrera de Especialista en Dermatología La Biología de las Metástasis del Cáncer Perspectivas José P. Galleano

2 DEFINICIÓN de METÁSTASIS Diseminación del cáncer de una parte del cuerpo a otra. Un tumor formado por células que se han diseminado se llama "tumor metastásico" o "metástasis. El tumor metastásico contiene células que son como aquellas del tumor original (primario).

3 METASTASIS Joseph Claude Anthelme Récamier Recamier J C. Recherches sur le traitement du cancer sur la compression methodique simple ou combinee et sur l'histoire generale de la meme maladie. 2nd ed. 1829

4 US Mortality, 2006 Rank Cause of Death No. of deaths % of all deaths 1. Heart Diseases 631, Cancer 559, Cerebrovascular diseases 137, Chronic lower respiratory diseases 124, Accidents (unintentional injuries) 121, Diabetes mellitus 72, Alzheimer disease 72, Influenza & pneumonia 56, US Mortality Data 2006, National Center for Health Statistics, Centers for Disease Control and Prevention, 2009.

5 *Excludes basal and squamous cell skin cancers and in situ carcinomas except urinary bladder. American Cancer Society, Estimated US Cancer Cases* Prostate 25% Lung & bronchus 15% Colon & rectum 10% Urinary bladder 7% Melanoma of skin 5% Non-Hodgkin 5% lymphoma Kidney & renal pelvis 5% Leukemia 3% Oral cavity 3% Pancreas 3% All Other Sites 19% Men 766,130 Women 713,220 27% Breast 14% Lung & bronchus 10% Colon & rectum 6% Uterine corpus 4% Non-Hodgkin lymphoma 4% Melanoma of skin 4% Thyroid 3% Kidney & renal pelvis 3% Ovary 3% Pancreas 22% All Other Sites

6 METÁSTASIS

7 Rudolf Virchow propuso que la diseminación metastásica del tumor se determina por factores mecánicos. Virchow R. Cellular pathologie, Nutr Rev 1989;47:23 5. Rudolf Ludwig Karl Virchow 13/10/ /09/1902

8 James Ewing propuso que la metástasis se generan por la anatomía de los canales vasculares y linfáticos que drenan el tumor primario. December 25, 1866, Pittsburgh - May 16, 1943, New York City Primer Profesor de patología de Escuela de Mecina. Universidad de Cornell Ewing J. Neoplastic diseases: a treatise on tumors. 3rd ed.philadelphia (PA): WB Saunders; 1928.

9 HIPÓTESIS Seed and Soil Stephen Paget

10 PATOGÉNESIS de las METÁSTASIS del CÁNCER HIPÓTESIS: SEMILLA y SUELO LOS MEJORES TRABAJOS SOBRE PATOLOGÍA DEL CÁNCER ESTÁN REALIZADOS POR QUIENES ESTUDIAN LA NATURALEZA DE LAS SEMILLAS. Y, COMO LO HACEN LOS CIENTÍFICOS DE LA BOTÁNICA, DEBEN ESTUDIAR LOS REGISTROS SOBRE LOS CASOS DE CÁNCER, PERO NO SOLAMENTE DEBEN SER LABRADORES, DEBEN TAMBIÉN CONOCER LAS PROPIEDADES DEL SUELO Stephen Paget, 1889 Paget, S. The distribution of secondary growths in cancer of the breast. Lancet 1, (1889).

11

12 En 1989, en el Simposio conmemoró el centenario la hipótesis de las semillas de y el suelo de Paget. En su introducción George Poste comentó: "Hay pocos trabajos científicos históricos, que sean actuales a 100 años de su publicación

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15 Laser capture microdissection

16 MICRODISECCIÓN CON LASER

17 Applications of laser capture microdissection genetic, genomic, and proteomic discover and analysis of cell type-specific molecular changes Somatic mutation of genes associated tumor etiology and progression

18 Gene expression profiles

19 Timeline of main discoveries and technology advances in cancer research

20

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22 MODELOS de HETEROGENEIDAD TUMORAL

23 Metastatic Heterogeneity

24 Identification of cancer stem cells

25 Models of tumor initiation and progression

26

27 Cancer Stem Cells CURA MUERTE

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29 Pasos Secuenciales en la Patogénesis de las Metástasis Tumor Primario MTS 1- Crecimiento progresivo 2- Vascularización 3- Invasión 4- Desprendimiento 5- Embolización 6- Supervivencia en la circulación 7- Detención-Adherencia 8- Extravasación 9- Evasión de la defensa del huésped 10- Crecimiento progresivo - Cada paso regulado por cambios transitorios o permanentes en el ADN, el ARN o proteínas. - La mayoría de las células tumorales fallan en cumplir todos los pasos. - Las pocas células con competencia MTS vencen los múltiples mecanismos que prohíben la formación de MTS

30 Cancer Type Site of Metastasis Breast carcinomas Lung cancers Prostate carcinoma Pancreatic cancer Colon cancer Ovarian carcinoma Sarcomas Myeloma Glioma Patterns of Metastasis to Distant Organs by Cancer Type Primarily bone, lung, pleura, and liver; less frequently, brain and adrenal. ER-positive tumors preferentially spread to bone, osteolytic metastasis ; ER-negative tumors metastasize more aggressively to visceral organs. The two most common types of lung cancer have different etiologies. Small cell lung cancer disseminates rapidly to many organs including the liver, brain, adrenals, pancreas, contralateral lung, and bone. Non small cell lung carcinomas often spread to the contralateral lung and the brain, and also to adrenal glands, liver and bones. Almost exclusively to bone; forms osteoblastic lesions filling the marrow cavity with mineralized osseous matrix, unlike the osteolytic metastasis caused by breast cancer. Aggressive spread to the liver, lungs, and surrounding viscera. The portal circulation pattern favors dissemination to the liver and peritoneal cavity, but metastasis also occurs in the lungs. Local spread in the peritoneal cavity. Various types of sarcoma; mesenchymal origin; mainly metastasize to the lungs. Hematologic malignancy of the bone marrow that causes osteolytic bone lesions, sometimes spreading to other organs. These brain tumors display little propensity for distance organ metastasis, despite aggressively invading the central nervous system.

31 GENES TUMORALES y GENES MTS (PROGRESIÓN-VIRULENCIA)

32

33 FALLA de la APOPTOSIS

34 APOPTOSIS Chemotherapy and Radiation promote BAX translocation to the mitochondria Chemotherapy Radiation P P HER1/EGFR signal transduction increases Bcl-2 level Bcl2 Death signal Increased mitochondrial BAX level causes mitochondrial failure, resulting in apoptosis P P Mitochondrial failure BAX Pro-apoptotic Caspases Bcl2 Bcl2 Anti-apoptotic Apoptosis Bcl-2 prevents apoptotic effects of BAX, resulting in cell repair and survival Survival Jost M, Class R, Kari C, et al. J Invest Dermatol. 1999;112:

35 BAX BCL - 2 P 53

36

37 ANGIOGENESIS TUMORAL

38 ANGIOGENESIS 1-2 mm 3

39 FACTORES ANGIOGÉNICOS

40 LAS CARACTERÍSTICAS DEL TUMOR Y DEL ENTORNO INDUCEN LA EXPRESIÓN DE VEGF EGF Hypoxia PDGF IGF-1 IL-8 bfgf COX-2 Nitric oxide Oncogenes VEGF release Binding and activation of VEGF receptor P P P P Survival Proliferation Migration ANGIOGENESIS Permeability VEGF = vascular endothelial growth factor; IGF = insulin-like growth factor PDGF = platelet-derived growth factor; EGF = epidermal growth factor

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42 FAMILIA de VEGF VEGF-E VEGF-A VEGF-D VEGF-B VEGF-C

43 VEGFs UNIDOS a los RECEPTORES VEGF CÉLULAS ENDOTELIALES VEGFR-1 VEGFR-2 VEGFR-3

44 UNIÓN FAMILIA VEGF-VEGR

45 VEGF: PRINCIPAL MEDIADOR EN LA ANGIOGENESIS Haemangioblasts Endothelial progenitors VEGF SMC SMC progenitors Artery VEGF Vein Vasculogenesis Angiogenesis Mature vasculature VEGF (mainly VEGF-A) has a key role in angiogenesis, influenced by and influencing other pro-angiogenic factors Related factors are VEGF-B, C and D and placental growth factor Carmeliet. Nat Med 2003 SMC = smooth muscle cell; VEGF = vascular epidermal growth factor receptor

46 ANGIOGÉNESIS VEGF VEGF bfgf TGFß-1 VEGF bfgf TGFß-1 PlGF VEGF bfgf TGFß-1 PlGF PD-ECGF VEGF bfgf TGFß-1 PlGF PD-ECGF Pleiotrophin Tumour growth

47 MASA y Ø CRÍTICO: VASOS SANGUÍNEOS y LINFÁTICOS MTS

48 VEGF- RECEPTORES FUNDAMENTALES en: - ANGIOGENÉSIS TUMORAL - MTS

49 MORFOLOGÍA del ENDOTELIO TUMORAL Baluk et al. Cellular abnormalities of blood vessels as targets in cancer. Curr Opin Genet Dev 2005;15:102

50 ANGIOGENESIS LOCAL

51 ANGIOGENESIS SISTEMICA

52 PÉRDIDA ADHESIÓN

53 MOLÉCULAS DE ADHESIÓN CELULAR

54 MOLÉCULAS DE ADHESIÓN CELULAR

55

56 NICHO PREMETASTÁSICO Recientemente, se sugirió que para formar un foco metastásico, los Tumores Primarios producen factores que inducen la formación de un entorno adecuado en el suelo órgano) antes a la siembra de las células metastásicas. Esta propuesta, dió lugar al concepto de NICHO PREMETASTÁSICO mediante el cual un especial y permisivo microambiente en el sitio secundario se desarrolla Kaplan RN, Rafii S, Lyden D. Preparing the soil :the premetastatic niche. Cancer Res 2006;66:

57 MTS - INTERACCIÓN:CÉLULAS TUMORALES ESTROMA

58 FACTORES de CRECIMIENTO y CITOQUINAS TUMORALES DISTANCIA LOCAL PARÁLISIS CMP= Myeloid progenitors MDSC=Myeloid-derived suppressor cells

59 MTS - INTERACCIÓN:CÉLULAS TUMORALES MICROAMBIENTE ÓSEO

60 CÉLULAS INMUNOCOMPETENTES INFILTRADO PERITUMORAL REGULA: - CRECIMIENTO - PROGRESIÓN - MTS INMUNOSUPRESIÓN + NEOANGIOGÉNESIS - REGRESIÓN TUMORAL: DC maduras, células T citotóxicos (CTL) y el tipo 1 tipo T-helper 1 bioactivas (Th1)

61 BIOMARCADORES: INTERACCION TUMOR:MATRIZ-EXTRACELULAR

62 Matrix-assisted laser desorption ionization time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry

63 TUMOR PRIMARIO MTS

64 SUBCLÍNICA CLÍNICA C U R A

65 Progression of normal melanocytes to metastatic melanoma Genetic Events

66 Inherited Genome Maintenance Defects with Cancer Predisposition Maintenance Mechanism Syndrome Gene Defect Checkpoint response Li-Fraumeni syndrome p53, CHK2 Familial breast cancer Retinoblastoma Familial melanoma BRCA1, CHK2 RB p16 INK4A Mismatch repair HNPCC/Lynch syndrome MLH1, MSH2, PMS2, MSH6 Nucleotide excision repair Xeroderma pigmentosa XP genes DSB response/repair Ataxia telangiectasia (AT) ATM AT-like disorder Nijmegen breakage syndrome Fanconia anemia Familial breast cancer SCID, rare lymphoma SCID, rare leukemia MRE11 NBS1 Fanc genes BRCA1, BRCA2 CHK2, PALB2 Artemis Helicase activity Bloom syndrome BLM Werner syndrome Rothmund-Thomson syndrome Ligase IV WRN RECQ4 Mitotic checkpoint Mosaic variegated aneuploidy BUB1B HNPCC, hereditary nonpolyposis colorectal cancer; DSB, double-strand break; SCID, severe combined immunodeficiency.

67 Validated Genes Involved in Melanomagenesis and Progression Melanoma Gene Proposed Gene Product Behavior INK4A, ARF Tumor suppressors NRAS, BRAF Oncogenes PTEN Tumor suppressor NEDD9 Metastasis enhancer MITF Oncogene APAF-1 Tumor suppressor WNT5A Metastasis enhancer NODAL Oncogene CRSP3, TXNIP Metastasis suppressors SYN, HOXB13 Tumor suppressors

68 Melanoma Cutáneo Familiar % de todos los melanomas cutáneos se presentan en Familias con predisposición hereditaria a melanoma % Familias con mutaciones gen CDKN2A (cromosoma 9p21) - Descriptas varias mutaciones CDKN2A - Gen CDKN2A codifica dos proteínas: p16ink4 y p14arf - Las proteínas p16ink4 y p14arf regulan ciclo celular e inducción senecencia - Riesgo de MELANOMA en Portadores de Mutaciones del gen CDKN2A mayor: regiones con alta exposición al sol y la alta incidencia del melanoma en la población general. - Mutaciones gen CDKN2A : mayor riesgo tumores malignos (páncreas) - Pocas familias con mutaciones del gen CDK4 (cromosoma 12q14) - Gen CDK4 que codifica una quinasa dependiente de ciclina que normalmente interactúa con p16ink4a Hansson J. Familial cutaneous melanoma. Adv Exp Med Biol. 2010;685:

69 gen CDKN2A p16ink4a INHIBICIÓN

70 CDKN2A locus Desacoplamiento Factor de Transcripción E2F

71 PROLIFERACIÓN CELULAR

72

73 Portadores de mutación CDKN2A con variantes MC1R mostraron doble a cuatro veces aumento del riesgo de melanoma en comparación con los portadores de la mutación CDKN2A sin variantes MC1R Los pelirrojos tienen incremento de riesgo Portadores de mutación CDKN2A con variantes MC1R una menor edad media al diagnóstico de melanoma de portadores de la mutación CDKN2A sin variantes MC1R (37 años frente a 47 años, p <0,0001). Una Anticipación significativa de diagnóstico de melanoma se observa en portadores de la mutación CDKN2A con variantes MC1R MC1R variants increase melanoma risk in families with CDKN2A mutations: a meta-analysis Fargnoli MC, Gandini S, Peris K, Maisonneuve P, Raimondi S. Eur J Cancer May;46(8):

74

75

76 - United States, 62,480 persons melanoma sixth and seventh most common cancer men and women - Individuals in the United States who carry a CDKN2A/p16 mutation have a 76% estimated lifetime risk of developing melanoma -5-year survival rate is 99% for localized melanoma - 5-year survival rates for regional and distant-stage diseases are 65% and 15%, respectively Given the exceptionally high probability of developing melanoma in the CDKN2A/p16 population and the poor prognosis of late-stage disease, it may be useful to identify and warn CDKN2A/p16 mutation carriers of their high-risk status before the development of melanoma. Clinical genetic testing is routinely offered to high-riskbreast cancer and colon cancer patients, and the favorable riskbenefit ratio of test reporting has been well documented

77

78 BENEFICIO

79 B-RAF is the most frequently mutated protein kinase in Human Cancers Oncogenic mutations in BRAF are common in melanoma Melanoma dependent on the RAF/MEK/ERK pathway Inhibition of B-RAF kinase activity could benefit melanoma patients

80 Gideon Bollag1, Peter Hirth1, James Tsai1 et al 1Plexxikon Inc., 91 Bolivar Drive, Berkeley, California 94710, USA. 2Yale University, 333 Cedar Street, New Haven, Connecticut 06520, USA. 3Roche Pharmaceuticals, 340 Kingsland Street, Nutley, New Jersey 07110,USA. 4Departments of Medicine and Pathology and Laboratory Medicine,Abramson Cancer Center, University of Pennsylvania, 421 Curie Boulevard, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA. 5Vanderbilt University, PRB 777 Nashville, Tennessee 37232, USA. 6The University of Texas M. D. Anderson Cancer Center, 1515 Holcombe Boulevard, Houston, Texas 77030, USA. 7University of California, Los Angeles, 100 UCLA Medical Plaza, Los Angeles, California 90095, USA. 8Peter MacCallum Cancer Centre, Beckett Street, Melbourne 8006, Australia. 9Memorial Sloan Kettering Cancer Center, 1275 York Avenue, New York, New York 10065, USA. Received 19 May; accepted 31 August Published online 7 September 2010.

81 PLX4032-Lys Glu 600 B-RAF B-RAF

82 Melanoma & BRAF Mutant - Pre-dose PET scans for patients taken: - 2 weeks of dosing with PLX4032 RP: 70% (demonstrates significant reduction in FDG uptake) Nature advance online publication 7 September 2010

83

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85 Melanoma & BRAF Mutant Nature advance online publication 7 September 2010

86 Melanoma & BRAF Mutant PLX4032 B A S E L I N E 1ER. CICLO 2DO. CICLO HÍGADO I.DELGADO HUESO B R A F - M U T AT E D M E L A N O M A P AT I E N T O N M G B I D Plexxikon

87 Selected Gene Array Studies Correlating With Clinical Outcome or Prognosis Melanoma Oligonucleotide microarray 58 patients Identification of biomarkers associated with metastatic dissemination Winnepenninckx V, Lazar V, Michiels S, et al. Melanoma Group of the European Organization for Research and Treatment of Cancer. Gene expression profiling of primary cutaneous melanoma and clinical outcome. J Natl Cancer Inst 2006;98(7):472 82

88 Molecular profiling for individualized therapy

89

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