Molekulare Zellbiologie der Tumorentstehung (I)

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Molekulare Zellbiologie der Tumorentstehung (I)

WS 19/20

Primärzellen: Patientengewebe Primärzellen: Tumormodell (FAP-pig)

klaus-peter.janssen@tum.de

(089) 4140-2066

http://www.chir.med.tum.de/darmzentrum/forschung

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Prof. Dr. Klaus-Peter JanssenKlinische Forschergruppe

Molekulare TumorbiologieKlinik und Poliklinik für Chirurgie der TUM

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Quelle: Japan Cancer Society

In Industriestaaten: Zunahme der krebsbedingten Todesfälle

• Neuerkrankungen in Deutschland: 350.000 /Jahr

• München/Bezirk OBB (2016): 20.252 /Jahr

(3.661 Patienten/Jahr tumorbedingt verstorben)

(Schätzung für 2018, Tumorregister München / Robert Koch Inst., Berlin)

Robert Hooke, Micrographia, 1665

• Zelle: kleinste selbständige Einheit des Lebens

• Zelluläre Veränderungen sind Ursache vieler

Erkrankungen

• Organisationslevel:

Organ/Gewebe/Zelle/Organellen/Makromoleküle

• „Cancer (…) is a disease of malfunctioning cells“ (R. Weinberg)

Warum Zellbiologie?

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Dickdarm eines Patienten

mit FAP-Syndrom

(Familiäre adenomatöse

Polyposis)

Normalgewebe

Tumor

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Organ/ Gewebe/ Zelle/ Organellen/ Makromoleküle

HE-Färbung

(Hämatoxylin / Eosin)

Zellkern Proteine

Primärzellen aus Darmtumor Rot: Aktin-Zytoskelett

Blau: Zellkern

Grün: Centrosomen6

Organ/ Gewebe/ Zelle/ Organellen/ Makromoleküle

Lebende, bewegliche, phagozytierende

Leukozyten aus humanem Blut (1865)

Max Schultze, 'Ein heizbarer Objecttisch und seine Verwendung

bei Untersuchungen des Blutes',

Archiv f. mikroskop. Anatomie, 1865, 1: 1-42.

Historische Entwicklung der „Zellbiologie“

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1960er:

David Rogers, Vanderbilt U., USA:

human neutrophil chasing staphylococcus

• 19 Jhdt.: alle Zellen im Organismus entstehen aus befruchteter Eizelle

• Krebs ist kein „Fremdkörper“, sondern aus normalem Gewebe entstanden

• mikroskopische Untersuchungen durch Pathologen v. Hansemann: Nachweis

von „aberranten“ Zellteilungen im Tumor (1890)

Theodor Boveri

führte die Krebsentstehung bereits 1914 zurück auf:

chromosomale Veränderungen in somatischen Zellen

Krebs: eine „zelluläre“ Krankheit mit genetischer Ursache

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Charakteristika von Tumoren:

•Ungeregeltes Zellwachstum

•Verlust der Kontaktinhibition

•Zuviel Zellproliferation

•Zuwenig kontrollierter Zelltod

•Ungeregelte Zellwanderung

•Invasion ins umliegende Gewebe

Hanahan and Weinberg, Cell, 2000; Cell, 20119

Tumore lassen sich nach ihrem „embryonalen“ Ursprung einteilen:

•Epithelial (Endoderm)

•Mesenchymal (Mesoderm)

•Hämatopoetisch (Mesoderm)

•(Neuro-) Ektodermal (Ektoderm)

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Beispiele für Tumore aus den drei Keimbahnen

Endoderm

– Karzinome (aus Epithelzellen abgeleitet)

z.B. Adenokarzinome (aus Drüsengewebe) aus

Lunge, Dickdarm, Brust, Bauchspeicheldrüse, Magen, Prostata

- Plattenepithelkarzinome aus Speiseröhre, Lunge, Cervix

Mesoderm

- sog. Sarcome, z.B. Osteosarcome, Liposarcome, Fibrosarcome

-Hämotopoetische Tumore: z.B. Lymphome, Myelome,

ALL (akute lymphatische Leukämie; B-Zellen 80%, T-Zellen 20% der Fälle)

(Neuro-) Ektoderm

-z.B. Glioblastom, Astrocytom, Meningiom, aber auch: Melanom

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Apikale Seite mit „Mikrovilli“

Epithelzellen

Basolaterale Seite

Basalmembran

Mesenchym (Stroma)

Darmlumen

Aufbau des Epithels: Beispiel Darmepithel

Funktion:Aufnahme von

Nährstoffen

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HE-Färbung (Hämatoxylin/Eosin)

Figure 2.6d The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

Beispiel: Epitheliale „Architektur“ eines Tumors

Schleimproduzierende Zellen im Magen (=sekretorisches Epithel)

Magen-Adenokarzinom:

Lässt noch die ursprüngliche Gewebe-Organisation erkennen

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Figure 2.7a The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

Beispiele für den Aufbau von Tumoren mesenchymalen Ursprungs

Osteosarcom Liposarcom

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Fibrous Dysplasia in a 120,000+ Year Old Neandertal from Krapina, Croatia

Monge et al, PlosOne, 2013

doi.org/10.1371/journal.pone.0064539

The large lesion is located above the tubercular facet and extends

laterally. The trabeculae have been destroyed and the cortex appears

expansive.

Beispiele für den Aufbau von Tumoren mesenchymalen Ursprungs

Exkurs: Beleg für Knochentumor in prähistorischen Menschen

Figure 2.8d The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

Hämatopoetische Tumore

Krebserkrankungen des blutbildenden Systems: Leukämien / Lymphome

Beispiel: CML (Chronisch myelogene* Leukämie)

*„myeloide Zellen“ aus dem Knochenmark, differenzieren z.B. zu Makrophagen16

Definition: benigner Tumor / maligner Tumor – Eine Frage der „Dignität“

Tumor (lat.): „Schwellung“, Raumforderung. Auch: Neoplasie („Neubildung“), oder Malignom (bösartige Neubildung)

•Gutartiger/ benigner Tumor: Lokal begrenzt

z.B. ADENOM (Polyp) im Colon / FIBROM

•Bösartiger / maligner Tumor („Malignom“, „Krebs“): Invasion ins umliegende Gewebe; besitzt die Fähigkeit, Absiedlungen in entferntliegenden Organen auszubilden (=Metastasen)

z.B. KARZINOM, bzw. ADENOKARZINOM im Colon / FIBROSARCOM

Wie unterscheiden sich gutartige von bösartigen Tumoren? („Dignität“)

benigne maligneCharakteristika

•Wachstum langsam schnell, invasiv, infiltrierend

•Metastasen nein ja/potenziell

•Zellzahl niedrig hoch

•Differenzierung hoch niedrig

(=Zellform, Zellgrösse, Anordnung im Gewebe, Verhältnis Kern zu Zytoplasma)

•Mitosenzahl niedrig hoch

•DNA euploid (meist) aneuploid

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(p) = pathologische Klassifikation(c) = klinische Diagnostik

TNM Tumorstadien (T1 bis T4) zunehmende Ausdehnung des Primärtumors

(p) TNM Klassifikation maligner Tumoren Nach der UICC (Union Internationale contre le Cancer) / AJCC

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pTNM Lymphknoten (engl. Lymph Node)

pN0: keine Lymphknotenmetastasen

pN1- pN3: Befall regionärer Lymphknoten (histologisch abgesichert)

„regionär“: in der (unmittelbaren) Umgebung des Primärtumors

TNM Klassifikation maligner Tumoren

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TNM Klassifikation maligner Tumoren

pTNM Fernmetastasen

pM0: mikroskopisch keine Fernmetastasen

pM1: Fernmetastasen nachgewiesen

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TNM Klassifikation maligner Tumoren:Einfluss auf Krankheitsverlauf bei Darmkrebs

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Annals of Surgery Volume 254, Number 5, Nov 2011

Histopathologisches „Grading“

G1 gut differenziert

G4 undifferenziert

Atypie: Abweichung von der Norm

Dysplasie: Zelluläre und histologische Abweichung von der Norm

Undifferenzierter, „anaplastischer“ TumorMäßig differenziertes Magenkarzinom

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„Kausale Karzinogenese“:

Ursachen der Tumorentstehung ?

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Figure 2.21a The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

K. Yamagiwa, 1915:

Wiederholte Behandlung mit chemischem Karzinogen (Teer, 250 d):

Hautkarzinom auf Kaninchenohr(Plattenepithelkarzinom)

Erste erfolgreiche „künstliche“ Induktion von Tumoren

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Befunde zu Beginn / Mitte des 20. Jhdts.:

• Chemische Substanzen lösen Krebs aus (sind „karzinogen“)

-> Bruce Ames (Berkeley) entwickelt 1975 den „Ames-Test“: Salmonella Bakterien werden mit potentiellem Mutagen behandelt. Falls Mutationen entstehen, erwerben die Bakteriendie Fähigkeit, auf Minimalmedien (z.B. ohne Histidin) zu wachsen

-> Ergebnis: Ames-Test zeigt, dass karzinogene Substanzen mutagen sind

•Röntgenstrahlung löst Krebs aus (und verursacht Mutationen im Erbgut!)

•Infektionen lösen Krebs aus (P. Rous)

Pierre und Marie Curie

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National Taiwan Science Education Center

„Kausale Karzinogenese“

Ursache(n) der Tumorentstehung:

Genetische/epigenetische Veränderungen!

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Nature 500, 415–421 (22 August 2013)

Prävalenz somatischer Mutationen in verschiedenen Tumorarten

Tumorentstehung weltweit:

8.2 Millionen neue Fälle / Jahr

50% „Entwickelte“ Länder

Brust

Prostata

Dickdarm

Haut

50% „Entwicklungsländer“

Leber

Cervix

Nasopharynx

Ösophagus

Lunge

• Lebenszeit-Krebsrisiko: maligner Tumor 1/3

• 1/800 bei Kindern (bis 15 Jahre, 1% aller Krebsfälle)

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„Kausale Karzinogenese“: Epidemiologie

Tumorhäufigkeit in Japan, bzw. bei ausgewanderten Japanern

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„Kausale Karzinogenese“: Epidemiologie

• Mehrere Faktoren müssen zusammentreffen

• Selten „monokausal“

Beispiel: Leberkrebs

Hepatitis B-Infektion: relativ geringe Häufigkeit von Lebertumoren

Aflatoxin (aus Schimmelpilz, mutagen im Ames-Test)

HBV Infektion + Exposition mit Aflatoxin : 70-fach erhöhtes Risiko

„Kausale Karzinogenese“

Ursachen der Tumorentstehung

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Biology of Cancer

von Robert Weinberg, Garland Science.

Molecular Biology of the Cell

Bruce Alberts et al., Garland Science

Molekularbiologie der Zelle

von Bruce Alberts

Übersetzt von Lothar Jaenicke

WILEY-VCH Verlag

Mouse Models of Human Cancer

Eric C. Holland

Literaturempfehlungen

The Gut Microbiome in Health and

Disease, D. Haller (2018)

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Molekulare Zellbiologie der Tumorentstehung, Teil I

ÜBUNG

...und Organisatorisches

WS 15/16

human Pig model

Organisatorisches - Zeitrahmen VO + Ü: 10h00 – 12h00 (VO + Übung)

1 Fehltermin (unentschuldigt)

Master-Studiengang BIO / MBTModulzusammengesetzt aus: VO Teil 1 + Übung, WS & VO Teil 2, SoS (Ende SoS: schriftliche Modul-Prüfung)

Master-Studiengang Biochemie: Biologisches Nebenfach: Teil 1 / Teil 2 (s.o.) + FP (4 Wo.) + Mdl. Prüfung

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Molekulare Zellbiologie der Tumorentstehung (I)

WS 2019/20 –Themen

Veranstaltung Datum Vorlesung Übung

1 17.10.2019 Einführung Themen-Vergabe

2 24.10.2019 Tumorviren /

3 31.10.2019 Onkogene Tumorviren

4 07.11.2019 Tumorsuppressorgene Onkogene

5 14.11.2019Signaltransduktion / Wachstumsfaktoren

Tumorsuppressoren

6 21.11.2019 Zellzyklus / Zellteilung Signaltransduktion

7 28.11.2019 Telomere / Immortalisierung Zellzyklus

8 05.12.2019 Apoptose Telomere

9 12.12.2019 ZytoskelettPD Dr. M. Laschinger

Apoptose

10 19.12.2019 Zellmigration / InvasionPD Dr. M. Laschinger

Zytoskelett

/ 24.12.19- 6.1.20 Weihnachtsferien /

11 09.01.2020 AngiogenesePD Dr. M. Laschinger

Zellmigration

12 16.01.2020 Tumor-Stammzellen Angiogenese

13 23.01.2020 Tumormetabolismus Tumor-Stammzellen

/ 30.01.2020 /

14 06.02.2020 ZUSATZTERMIN Tumormetabolismus34

Übung

Ziel: Vorstellung/Diskussion eines wissenschaftlichen Originalartikels (wird zur Verfügung gestellt)

LERNZIEL: neue Methoden kennenlernen; Training der Fähigkeit, Schlussfolgerungen aus Experimenten zu ziehen, diese kritisch zu bewerten und in den wiss. Kontext zu stellen; eigene Hypothesen entwickeln

12 Themen / 12(+x) Referate (Themen/Termine werden zugelost)

Zeitplan15 - 20 min Referat (zum Thema der Vorwoche)5- 10 min. DiskussionKurze PauseVorlesung

REFERAT:

•Originalartikel – Fragestellung, Einleitung, Methoden, (wichtigste) Ergebnisse, Diskussion, Take home message, evtl. Kritikpunkte?

•Abgehalten von Gruppe (Deutsch oder Englisch)35

HANDOUT: 1-2 Seiten

• Vollständiges Zitat des Fachartikels, Datum und Namen der „Teammitglieder“

• knappe Zusammenfassung (Stichpunkte ok): Ausgangspunkt/ Problemstellung, wichtigste Ergebnisse, Take home message

• Empfehlenswert: schematische Darstellung als „Cartoon“ oder „graphicalabstract“

• „SIGNIFIKANZ“: Ihre Einschätzung und Bewertung der Veröffentlichung – Wie kann man die Bedeutung des Artikels für die Krebsforschung einstufen?

an klaus-peter.janssen@tum.de

Handout bitte jeweils bis spätestens Di. 12h per Email einsenden, damit es vor der Veranstaltung am Do. noch korrigiert werden kann – wird von Dozenten ausgedruckt / auf Moodle eingestellt

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Gruppenarbeit: je ein Team pro Thema

• Referat/Vortragsfolien

• Schriftliches Handout

Unterlagen / Skripten zur Vorlesung: auf TUMonline / MOODLE

PDF-File des jeweiligen Papers bereits vor der Vorlesung einsehbar

Inhalte der Paper: prüfungsrelevant!

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