Biologia cellulare del cancro

Appunti di biologia cellulare del cancro

Capitolo 1 – Introduzione al cancro

Con il termine cancro (o tumore maligno) si indica un gruppo di patologie caratterizzate da replicazione e diffusione cellulare incontrollate. Ad oggi lo studio approfondito di questo gruppo di patologie risulta particolarmente importante dato il gran numero di morti che esse provocano annualmente (sono responsabili della morte di circa 9,5 milioni di individui all’anno). Non tutte le forme di cancro presentano la stessa letalità e diffusione; il cancro al polmone è ad esempio una tipologia di cancro estremamente comune nella popolazione e altrettanto letale, ma lo stesso non si può dire del cancro al seno che, se pure estremamente diffuso (tra la popolazione femminile), risulta poco letale date le cure sviluppate negli ultimi anni.

Lo sviluppo tecnologico e scientifico ha permesso, soprattutto nell’ultimo decennio, la riduzione della letalità di alcune forme di cancro, ma ciò tuttavia non risulta nemmeno paragonabile alla riduzione della letalità che a partire dagli anni ’50 ad oggi si è riusciti a raggiungere nel caso di altre patologie (ad esempio patologie legate al cuore o al sistema vascolare).

I dati dell’OMS ci dicono che negli anni intercorsi dal 2004 al 2013 si è assistito ad un abbassamento generale dei tassi di mortalità legati al cancro dell’11% per gli uomini e del 6% per le donne. Tale abbassamento si deve soprattutto agli enormi progressi fatti nella prevenzione primaria (comprende gli interventi atti ad ostacolare l’insorgenza della malattia nella popolazione) e secondaria (comprende gli interventi per l’identificazione dei soggetti malati o ad alto rischio nella popolazione) grazie all’introduzione di nuovi e più performanti programmi di screening per le fasce a rischio (ad esempio screening nelle donne per il tumore all’utero dovuto ad HPV), all’introduzione di vaccini preventivi (per tumori il cui rischio è aumentato in caso di infezione da particolari microorganismi) e al miglioramento delle cure di alcuni specifici tipi tumorali.

Ad oggi alcuni tumori (in particolare quelli molto aggressivi) rimangono ancora una sfida largamente irrisolta ed aperta, tanto che le cure impiegate sono scarsamente specifiche. Sicuramente, una delle cause per cui ad oggi non vi sono ancora successi importanti nella terapia al cancro consiste nella limitata comprensione della biologia tumorale (in particolare dei processi, quali metastasi e chemioresistenza, che causano in molti casi la morte dei pazienti affetti dalla patologia), anche se a determinare la difficoltà nella lotta al cancro risulta anche l’insufficiente efficacia delle terapie disponibili per vari tipi di tumori, la tossicità delle terapie ad oggi utilizzate (molte terapie convenzionali possono dare effetti collaterali importanti tanto da precludere il loro utilizzo su pazienti troppo debilitati) e i fenomeni di resistenza ai farmaci osservabili in soggetti affetti dalla patologia.

Panoramica generale sulla natura del cancro

Il cancro è una malattia nella quale le cellule sovvertono le proprie regole di comportamento crescendo senza controllo, invadendo e colonizzando i tessuti normali alterandone la funzionalità. Nella fase iniziale dello sviluppo della malattia è possibile osservare alcune cellule alterate all’interno del tessuto di interesse; l’alterazione consiste essenzialmente nella sovversione di alcune regole di comportamento delle cellule del tessuto.

La sovversione determina essenzialmente la divisione incontrollata di queste cellule in quanto divengono insensibili a segnali (interni o esterni alla cellula) che impongono l’arresto della divisione cellulare o la morte della cellula. Già nelle fasi iniziali della patologia si osserva pertanto la genesi di una massa di cellule in continua crescita all’interno del tessuto di origine. Con il tempo e l’aggravarsi della patologia, si assiste anche all’acquisizione (da parte della massa) di capacità invasiva (ciò permette alle cellule della massa di spostarsi nei tessuti circostanti) e di metastasi (ossia la capacità della massa tumorale di dar luogo ad una colonia in un tessuto lontano da quello di origine principalmente mediante lo sfruttamento del sistema circolatorio); entrambe queste capacità sono responsabili dell’elevato grado di mortalità della patologia per il paziente che ne è affetto.

La fase di metastasi si osserva nel paziente appena si osserva la genesi di una colonia di cellule tumorali in un distretto corporeo lontano da quello di origine della patologia, pertanto non basta che una singola cellula tumorale raggiunga un tessuto distante per avere metastasi, ma questa deve possedere la capacità di sopravvivere nel nuovo tessuto e proliferare dando luogo alla colonia. Tra la fase iniziale della malattia e quella di invasione/metastasi (fase di progressione) talvolta vi è la possibilità che si instauri una fase più o meno lunga di latenza (può durare da settimane ad anni).

Alterazioni della crescita cellulare

All’interno di tutti i diversi tessuti del nostro organismo è possibile ritrovare delle cellule staminali (in quantitativo più o meno elevato) capaci di dividersi e differenziarsi a seguito di precisi stimoli al fine rinnovare il tessuto. L’inappropriata proliferazione di queste cellule o di altre cellule presenti all’interno del tessuto (a seguito di una perdita della dipendenza dagli stimoli proliferativi e una perdita della sensibilità ai segnali inibitori della crescita) è in grado di portare alla formazione di una massa cellulare nel tessuto tipica della fase iniziale del cancro.

L’aumento del numero di cellule che si osserva durante la formazione della massa viene detto iperplasia; in molti casi l’iperplasia risulta benigna (iperplasia prostatica ad esempio) ma come detto può costituire la fase iniziale del cancro e in questo caso può risultare necessaria la sua asportazione. Oltre all’iperplasia, un’altra alterazione della crescita cellulare consiste nella neoplasia, ossia una massa anormale di tessuto che cresce in eccesso ed in modo scoordinato rispetto ai tessuti normali e che persiste in questo stato dopo la cessazione degli stimoli che hanno indotto il processo; nel caso della neoplasia (tipica esclusivamente dei tumori maligni a differenza dell’iperplasia condivisa anche dai tumori benigni) si osserva pertanto una progressiva trasformazione delle cellule normalmente presenti all’interno di un tessuto.

Tipologie di tumore

• Benigno; in esso le cellule mantengono le caratteristiche del tessuto di origine, sono localizzate unicamente in questo, risultano delimitate da una capsula fibrosa (ciò facilita la loro rimozione da parte del chirurgo) e la presenza della massa può interferire con la normale funzionalità del tessuto.
• Maligno; in esso le cellule possono risultare molto diverse da quelle del tessuto di origine (solitamente sono meno differenziate e presentanti un nucleo molto grande con protuberanze e/o invaginazioni), presentano un elevato indice proliferativo (alto numero di cellule in divisione) e possono invadere il tessuto circostante (per tale motivo quando si procede all’esportazione di questo genere di massa, si cerca di asportare anche una parte del tessuto circostante così da minimizzare il rischio di ricadute) oppure tessuti distanti mediante lo sfruttamento del sistema circolatorio.

La progressione maligna (da tumore benigno) è associata alla progressiva comparsa di alterazioni del comportamento cellulare; tali alterazioni consistono nel risultato di un processo evolutivo guidato dalla selezione clonale di cellule portatrici di alterazioni genetiche favorevoli per il tumore (se la cellula acquisisce, a seguito dell’alterazione, un fenotipo più vantaggioso per la sopravvivenza, rapidamente tale caratteristica si consolida nel tumore).

Il microambiente tumorale

Il microambiente del tumore è l'ambiente cellulare ed extracellulare attorno al quale esiste e si sviluppa il tumore; esso risulta estremamente importante nell’evoluzione neoplastica. Tale microambiente non risulta pertanto passivo nei confronti del tumore (può risultare anche molto ostile nei suoi confronti, tanto da determinare la morte delle cellule tumorali). L’importanza del microambiente nello studio del cancro è testimoniata dal fatto che ad oggi il tumore, durante il suo studio, non viene visto unicamente come un insieme di cellule ma come un connubio di cellule e microambiente circostante (costituito dalla matrice extracellulare, fibroblasti, cellule immunitarie ed endoteliali) talvolta favorevole (se piegato dal tumore) alla sua crescita.

Molto spesso il microambiente tumorale risulta ostile nei confronti della massa neoplastica in quanto responsabile di infiammazione, ipossia, carenza di nutrienti, etc. Ciò succede soprattutto nella fase iniziale del tumore in quanto con la crescita cellulare e l’accumularsi di alterazioni alcune cellule tumorali che non sopperiscono dinnanzi a tali avversità risulteranno maggiormente selezionate determinando così un aumento dell’aggressività del suo fenotipo.

Ovviamente il microambiente non ha lo stesso effetto su tutte le cellule della massa tumorale, infatti succede spesso che, ad esempio, le cellule più interne alla massa soffrano di ipossia mentre quelle più esterne di problemi dati dall’attività di cellule immunitarie (di conseguenza, le diverse cellule della massa si adatteranno in maniera diversa alle diverse condizioni ostili alla quale sono sottoposte).

Eterogeneità e classificazione tumorale

Il cancro è un problema complesso che si manifesta in tanti tumori a seconda dell’organo colpito, delle cellule colpite e delle molecole coinvolte e pertanto la patologia in sé risulta estremamente eterogena tanto che è forse meglio considerarla come un insieme di più malattie differenti le cui terapie risultano spesso diverse. L’eterogeneità della patologia è possibile osservarla (oltre che nei diversi pazienti) anche all’interno dello stesso paziente in quanto un tumore primario può risultare anche estremamente diverso da una colonia secondaria data da una metastasi e anche all’interno della singola colonia le cellule possono risultare fenotipicamente diverse a causa di una diversa pressione selettiva dovuta al microambiente tumorale.

Ad oggi sono noti più di 100 diverse tipologie tumorali di cui alcune risultano molto comuni (tumore al polmone o al seno) mentre altre risultano molto rare (tumore alla vescica); non sempre comunque, la letalità del tumore risulta proporzionale alla sua incidenza (la letalità infatti dipende molto dalla comprensione del tumore e dalle terapie attuabili su di esso, mentre l’incidenza dipende molto anche dall’ambiente di vita dell’individuo), tanto che ad esempio, il tumore al colon-retto o al seno, pur essendo molto diffusi, le prognosi in molti casi risultano positive, mentre il tumore al pancreas, anche se estremamente raro, risulta spesso estremamente aggressivo (prospettiva di sopravvivenza a 5 anni appena del 5%).

Classificazione tumorale

• Tipo istologico; nel classificare il tumore e conferirgli un nome ci si basa sul suo tessuto di origine e sulla sua tipologia (benigno o maligno). Buona parte dei tumori si originano a partire da del tessuto epiteliale e a tal proposito avremo adenomi (tumori benigni) o carcinomi (tumori maligni); ovviamente esistono tumori che si sviluppano anche da altri tessuti quali quello mesenchimale, nervoso, sanguigno o produttore di melanina.
• Grado tumorale; questa classificazione è basata sulle caratteristiche morfologiche delle cellule tumorali (citologiche) e del tessuto nella quale sono presenti (istologiche). Il grado tumorale è molto importante in ambiente clinico e sarà tanto maggiore tanto più le cellule tumorali presenteranno caratteristiche morfologiche e di organizzazione all’interno del tessuto diverse dalle cellule non tumorali presenti nello stesso tessuto.
• Stato di avanzamento della malattia (classificazione TNM); la classificazione TNM si basa sulle caratteristiche della massa tumorale (T) in termini di dimensione della stessa, sull’eventuale coinvolgimento di linfonodi regionali (N) e sulla valutazione della presenza/assenza di metastasi (M).

La classificazione tumorale è molto importante a fine terapeutico; solitamente la procedura terapeutica standard (successivamente alla valutazione tramite biopsia della tipologia tumorale) prevede l’asportazione chirurgica diretta del tumore eventualmente preceduta da una terapia farmacologica (chemioterapia neoadiuvante) al fine di ridurre la massa tumorale prima dell’asportazione. La terapia neoadiuvante può prevedere l’utilizzo di farmaci:

• Citostatici; compromettono i processi di divisione cellulare
• Citotossici; compromettono la sopravvivenza delle cellule in attiva proliferazione

Entrambe le tipologie di farmaci risultano scarsamente specifici per il tumore, ma vengono utilizzati in quanto le cellule tumorali risulteranno più sensibili ad essi dato che si dividono maggiormente rispetto alle altre cellule del tessuto nella quale la massa risulta presente (si osserveranno effetti collaterali a livello di tessuti le cui cellule presentano un elevato tasso di proliferazione, come ad esempio l’epitelio gastrointestinale).

Successivamente all’intervento chirurgico di esportazione della massa, al paziente viene prescritta una chemioterapia adiuvante solitamente maggiormente specifica (terapia a bersaglio molecolare) rispetto a quella neoadiuvante al fine di eliminare selettivamente eventuali cellule tumorali residue nell’organismo che potrebbero dar origine a una nuova colonia (fenomeno della recidiva in cui si ha la ricolonizzazione del sito nella quale era presente il cancro). In caso di alcuni tumori a carico di organi sensibili a ormoni (ad esempio alla prostata o al seno) la terapia adiuvante può prevedere anche l’utilizzo di ormoni. Grazie alle terapie a bersaglio molecolare, specifici tipi tumorali un tempo letali ad oggi risultano totalmente (o quasi) curabili, tuttavia la sfida più grande rimane nei confronti dei “big killers” (come il tumore ai polmoni) che, se pur colpiti anch’essi da queste terapie, molto spesso le loro cellule tumorali acquisiscono velocemente resistenza ai farmaci utilizzati.

Meccanismi molecolari tipici dei tumori

Lo studio dei meccanismi molecolari tipici del cancro risulta particolarmente importante al fine di prevedere l’efficacia di particolari terapie e svilupparne di nuove; tali meccanismi sono rappresentati essenzialmente dagli “hallmarks” del cancro, ossia quell’insieme di caratteristiche selezionate positivamente durante il processo di evoluzione clonale del cancro e che consistono in alterazioni genetiche o epigenetiche che conferiscono caratteristiche fenotipiche vantaggiose. All’interno della singola massa tumorale, a causa della diversa pressione sulle singole cellule, si possono osservare cloni con atteggiamento cooperativo o competitivo tra loro; l’origine clonale dei tumori è stata confermata in passato da un esperimento volto all’osservazione dell’inattivazione del cromosoma X nei tessuti di pazienti presentanti 2 cromosomi X (in un tessuto normale si può osservare un mosaico mentre in uno affetto da tumore le cellule che lo compongono presentano lo stesso cromosoma X inattivato come conseguenza della formazione di cloni a partire da una cellula originaria).

Gli hallmarks del cancro sono essenzialmente 10 e di questi alcuni necessitano di venir acquisiti precocemente dalla massa tumorale (in quanto garantiscono la possibilità di generazione di cloni a partire da singole cellule) mentre altri possono venir acquisiti col tempo aumentando l’aggressività della malattia. Gli hallmarks consistono in:

• Indipendenza dai segnali di crescita; permette alla cellula di divenire quasi indipendente dai segnali mitotici (sono capaci di auto-stimolarsi o di minimizzare la quantità di segnali provenienti dall’esterno necessari alla divisione)
• Resistenza ai segnali inibitori della crescita; permette alla cellula di divenire insensibile ai segnali citostatici generati dai tessuti circostanti
• Evasione dai meccanismi oncosoppressivi intrinseci; questa caratteristica (in associazione alle precedenti 2) permette alla massa aberrante di cellule di divenire effettivamente neoplastica
• Potenziale replicativo illimitato; essa permette alla cellula di non divenire senescente mediante la preservazione della lunghezza dei suoi telomeri (deve essere acquisita precocemente dalla massa tumorale in associazione alle 3 precedenti caratteristiche)
• Mutazione ed instabilità genomica; entrambe le caratteristiche permettono alle cellule della massa tumorale di diversificarsi molto e rapidamente
• Angiogenesi e riprogrammazione del metabolismo cellulare; entrambi consentono alla cellula tumorale di ricevere tutti i nutrienti di cui necessita
• Evasione dal sistema immunitario e genesi di una infiammazione pro-tumorale; inizialmente le cellule tumorali necessitano di evadere dal sistema immunitario (rappresenta un meccanismo oncosopressivo estrinseco) ma successivamente necessitano invece di beneficiare degli effetti mutageni dati dai processi infiammatori cronici (negli anziani vi è un livello basale continuo di infiammazione cronica in tutti i diversi distretti corporei e ciò aumenta il rischio di sopravvivenza di una massa tumorale)
• Invasione e metastasi; si ha con l’acquisizione della capacità di migrare

Capitolo 2 – Mutazioni ed alterazioni epigenetiche nel cancro

La tumorigenesi è causata da un accumulo progressivo di alterazioni del DNA cellulare; ciò fu confermato da un esperimento in cui è stato indotto...