A hypoxia és oxigenizáció hatása a daganatterápiára

Daganatokról általában:

A szolid, rosszindulatú emberi daganatokban vannak eltérő oxigéntartalmú hypoxiás területek, amelyek befolyásolják a daganatok működését.

Kétféle sejttípusból épülnek fel: oxigenizált és oxigénhiányos sejtekből. A rosszindulatú daganatokban a csökkent oxigénellátottságú területeknél az oxigén nyomása 7 Hgmm-nél kisebb. A rövid- vagy hosszútávú hypoxiás állapot sok rosszindulatú súlyosbodásban szerepet játszó tényezőt aktivál. Vizsgálatokkal kiderítették, hogy a hypoxia fokozza a tumorok agresszivitását, szerepet játszik a malignizációban és a daganat kialakulásában. Az oxigenizáció ellenben in vitro gátolja az ép szövetek, daganatok sejtjeinek növekedését. Ebből a tulajdonságból adódóan következtethetünk a kezelés sikerére is, a hypoxiás tumorokban megfigyelhető a kemoterápiás rezisztencia, a sugárérzékenység csökken és eredménytelen a fotodinámiás kezelés. Ezért kiegészítésként, vagy csak kizárólagosan alkalmazzák az oxigéngáz belélegeztetését vagy oxigénnel telített víz ivását. Mára már bizonyítottan jótékony az oxigénbevitel terápiás radioszintetizáló és kemoszintetizáló hatása.

A daganat növekedéséhez megfelelő vérellátás szükséges. A tumoros progresszió, gyors növekedés, helyi terjedést és áttét képződést jelent, ez végbe mehet hypoxiás vagy anoxiás környezetben is. A proliferizáció miatt megnő a daganat oxigénigénye, így fokozott érképződés alakul ki. Ez biztosítja a rendkívüli vérellátást és növekedést. Az érhálózata vagy saját erekből, vagy az angiogenezis-faktor hatására kialakuló véredényekből alakul ki. Vaszkuláris csatornák is támogatják a tumor vérellátást, ezek fala daganat sejtekből áll. Az újonnan keletkezett ér ellátás funkcionálisan eltér a normális erektől (értágulat, hiányzó/hiányos endothel bélés, vakonvégződés). Ezek miatt pedig lelassul a véráramlás és csökkent tápanyag- és oxigénellátottság alakul ki, hypoxiás vagy anoxiás területek. Ezért kimondható, hogy a kiterjedt hypoxiás területű tumorok gyorsan terjednek és képeznek áttéteket.

A hypoxia okozhat változásokat a tumorsejt genetikai információjában. Ennek eredményeként kialakulhat pontmutáció, kromoszóma átrendeződés, gén sokszorozódás. Ezek mind elősegítik az áttétképződést. Az oxigénhiány szelekciós nyomást gyakorol a daganat sejtekre, így változások alakulnak ki bennük, ami biztosítja a sejtek túlélését ilyen körülmények között is. Ezek a változások előnyt jelentenek azokkal a daganat sejtekkel szemben, amik nem alkalmazkodnak, így későbbiekben pedig az adaptálódott tumorsejtek szaporodnak majd tovább és belőlük áttéti tumorok és sugár- és kemorezisztens sejtpopulációk jönnek létre.

Oxigenizációs terápia:

A kezelések (kemo- és sugárterápia) sikeressége nagyban függ a daganat oxigén tartalmától. A tumorok viselkedése több tényezőtől is függ. A legfontosabb az agresszivitás, ami azt jelenti, hogy milyen gyorsan nő és képez-e áttétet, ezt szintén befolyásolja a tumorszövet oxigénszintje. Emellett kiemelendő a gazda szervezet ellenállóképessége, mint tényező. Ha az oxigénszint alacsony, az gátolja az energiatermelő és enzimatikus folyamatokat, azonban magas oxigéntartalmú daganatsejtekben éppen ellenkezőleg, energia termelődik, mely a továbbiakban elősegíti a tumor növekedését, proliferizációját. [lásd Laktátdehidrogenáz szerepe a prognózisban] Éppen ezért a daganatterápia egyik szerves részét képezi a hypoxia/oxigenizáció. A továbbiakban kitérünk a fontosabb kezelési módok ismertetésére, melyek a következőek:

• Sugárterápia
• Hiperbarikus oxigénterápia
• Kemoterápiás gyógyszerek

• Egyéb lehetséges megoldások
  

Prognózis felállítása a daganatterápiában:

A célzott és sikeres daganatterápia megkezdéséhez nélkülözhetetlen a megfelelő prognózis felállítása. Amennyiben gyanú merül fel egy tumor esetén, elsődlegesen a radiológus feladata, hogy feltérképezze az elváltozást, illetve annak környékét. Ez különböző helyeken előfordulva eltérő anatómiai felépítésű, kiterjedésű lehet, így mindenképpen elengedhetetlen a megfelelő képi analízis. Ezáltal nem csak a daganat pontos térfogata állapítható meg, de azt elválasztva az ép, környező szövetektől lehetővé válik a célirányosabb kezelés, és az egészséges területek megkímélése az esetleges sugárterápia, gyógyszeres kezelés, esetleg műtéti eltávolítás során. Az alábbiakban kitérünk a tumor oxigén ellátottságával kapcsolatos diagnosztikai, illetve prognosztikai eljárásokra.

MR képalkotó eszközök:

Jelen vizsgálatok alapján a fej-nyaki régiók daganat térképezéséhez legmegfelelőbb képalkotó módszer az MR. Egyik legnagyobb előnye, hogy kontrasztanyag hozzáadása nélkül is jobb képet ad a lágy szövetről, mint a CT, illetve a daganatok kiterjedését több, mint 90%-os hatékonysággal határozza meg. A felbontóképesség növelhető további kontrasztanyag hozzáadásával. Különböző kutatások folynak arról, hogy a daganat vaszkularizációjának, illetve oxigén ellátottságának megfelelő felmérésével következtethetünk a sugár- és gyógyszeres terápia hatékonyságára is. A rossz oxigén ellátottságú szövetek gyengén, vagy alig reagálnak a sugárkezelésre, bizonyos fokú ellenállást mutatnak azzal szemben, ezáltal kijelenthető, hogy a sugárkezelés sikeressége összefügg a hypoxiával.

A dinamikus kontraszt felhalmozódáson alapuló MR vizsgálat alapja a perfúzió, mivel a tumorban lévő kapillárisok áteresztőképessége eltérő a normális erekétől. A bejuttatott kontrasztanyag felhalmozódik, majd kimosódik, ezt követjük térben és időben is, s ez megfelelő képet ad a daganat vaszkularizációjáról (a nekrotikus daganat például hypoxiás, nem halmozódik fel az anyag, nem ad képet sem így).

Egy másik megfelelő prognosztikai képalkotó eljárás az MRSI, mely a szövetek metabolizmusáról nyújt információt, azok összetételét nem invazív módon értékeli. Két lényeges fajtája a protonspektroszkópia (a szövet magas tejsav tartalmát kimutatva hypoxiára következtethetünk, hiszen a daganatos szövetekben lévő felszaporodó laktátdehidrogenáz oxigén hiányában tejsavat erjeszt), illetve foszforspektroszkópia (in vivo méri a szövet oxigénellátottságát).

Laktátdehidrogenáz szerepe a prognózisban:

A prognosztikai eljárás alapja, hogy a rosszindulatú daganatok a proliferációhoz szükséges energiát a glikolízisből nyerik, illetve osztódásukhoz és terjedésükhöz szükséges előanyagokat is a folyamat során képződött metabolitokból szerzik. A glikolízis során glükózból különböző folyamatok hatására piruvát képződik, mely két irányban is átalakulhat a szövet vaszkularizációjának függvényében. Jó oxigén ellátottságú sejtekben acetil-koenzim A keletkezik, mely a citromsav ciklusba lép. Hypoxiás szövetekben ellenben oxigén hiányában laktátdehidrogenáz enzim által katalizált reakcióban tejsav képződik. A daganatsejtek expresszálnak egy bizonyos LDHA izoenzimet, melynek hatására fokozódik a tejsav termelés is, ezáltal a szervezet magas laktát tartalma összefüggéssel bír a betegséggel kapcsolatban, alacsonyabb a túlélési arány is.

A tumor kétféle sejttípust is tartalmaz: oxigenizált (peremén) és hypoxiás (centrálisan) sejtet, melyek szoros együttműködésben kifejtve hatásukat, egyfajta szimbiózisban tartják fent magát az elváltozást. A hypoxiás daganatsejtek rosszul vaszkularizáltak, kevés oxigént tartalmaznak, ezáltal tejsavtermelés lesz a feladatuk, melyet átadnak az oxigenizált sejteknek, ezzel segítve azok proliferációját és angiogenezisét. Az elkészült laktát leadását, illetve felvételét a monokarboxilát transzporterek (MCT) teszik tehetővé. Négy izoformája különböző szubsztrátaffinitást mutat, így a hypoxiás sejtek az MCT-4 segítségével átadják a tejsav molekulákat az oxigenizált sejteknek, amik MCT-1 közreműködéssel jutnak hozzá, s ezáltal táplálják anyagcseréjüket, a piruvátból légzési lánc révén energia keletkezik. Ez a kapcsolat dinamikus, ennek köszönhetően folyamatosan változik az oxigénnel ellátott területek aránya és helyeződése a tumoron belül is.

A termelődött tejsav nem csak az energianyerési folyamatokban vesz részt, de gátolja a szervezet veleszületett, illetve adaptív immunválaszát is, gátat szab a védekezésnek. A sejtek környezetében kialakult savas kémhatás egy bizonyos fajta citotoxikus T-sejt aktivációját is gátolja, proliferációját akadályozva. Ez az M1-es makrofágokkal van összefüggésben, amik természetes úton aktiválódnak a szervezetben, azonban feléve az elkészült laktátot fenotípusosan speciális M2-es makrofágok keletkeznek.

Emellett a tejsav gátolja a monocyták dendritikus sejtekké történő változását és azok citokin termelését.

Összességében kijelenthetjük, hogy a beteg állatból vett szérum magas LDHA szintje negatív korrelációt mutat a túlélés esélyével, azaz a ráksejtek növekedését elősegíti az LDHA izoenzim. Prognosztikai szempontból ezért is nagyon fontos figyelembe vennünk a fent ismertetett tényezőket, ugyanis a daganatterápia eredményessebbé tehető bizonyos faktorok gátlásával. Oxigenizált daganatsejtek MCT-1 kivonása például növeli a hypoxiás daganatsejtek pusztulását, hiszen ezáltal az elkészült tejsavat nem tudják felvenni, nem készül belőle energia. Emellett a szérum LDH, illetve LDHA szintje előrejelzést adhat a későbbi sugárterápia sikerességére vonatkozóan is. Tejsav csökkenést kiváltó terápiás szerek használata ígéretes eredményekhez vezethet.

A tejsav hatásmechanizmusát a 2. ábra ismerteti röviden:

Terápia:

A hypoxia és anémia hatása a sugárterápiára

Bevezetés:

Sugárterápiát daganatkezelés részeként először az 1800-as évek végére alkalmaztak, és még napjainkba is gyökeres része a lokális, előrehaladott tumorok kezelésében. A sugárterápia sikerességét jelzi a daganat visszatérő jellege, amelyet a kezelés és a paciens specifikus faktorokon kívül a daganat oxigénellátottsága és anémia esetleges jelenléte is nagy mértékben befolyásol. Az anémia korai felismerése és kezelése rendkívüli fontosságú lehet a terápia végkimenetelére nézve, mivel nemcsak a locoregionális kontrollt és a paciens életminőségét javítja, hanem az intratumorális hypoxia kialakulását és előrehaladását késlelteti. A hypoxia többek között a daganat rosszindulatú jellegét fokozza, valamint az újabb preklinikai kutatások szerint mutagén jellege is van. Raynolds at al. kimutatták, hogy a hypoxiás sejtek mutációs rátája szignifikánsan magasabb volt mind normál oxigenált körülmények között lévő sejtek. Ennek jelentősége a különböző rendkívül rezisztens sejtkolóniák megjelenésében mutatkozik.

Hatások a sugárterápia végkimenetelére:

A sugárterápia sikerességének feltétele az intratumorális oxigén jelenléte, amely egyike a legfontosabb sugárszenzitivitást és ezáltal a DNS károsodást fokozó anyagoknak. Kísérletesen bizonyított, hogy a hypoxiás sejtek 2-szer,3-szor rezisztensebbek a sugárzással szemben, mint a normál oxigénellátottságú sejtek, és az így fennmaradó sejtek a daganat visszatérését vagy áttét képzését okozhatja. A frakcionált sugárterápia éppen ezért egyes kezelések között reoxigenizációt alkalmaz. Elméletben ez a reoxigenizáció a hypoxiás sejtek sugárszenzitivitását növeli és összeségében csökkenti ezen sejtek számát a daganaton belül.

Összeségében elmondható, hogy a hypoxiás területek rendkívül alacsony oxigénellátottsága teszi a tumorsejteket életképessé és klonogénné, de egyben meghatározó szerepet játszik a kezeléssel szembeni rezisztenciában is. A tumor oxigénellátottságát a prognosztikában is gyakran alkalmazzák. Az oxigénkoncentráció jelentőségét először méhnyakrákkal kezelt betegek 19 hónapot követő utókezelésnél figyelték meg. Azok a paciensek akiknek az intratumorális oxigén koncentrációja pO₂ > 10 Hgmm volt, szignifikánsan kevésbé volt a daganatjuk visszatérő jellegű, valamit ezen paciensek túlélési aránya is magasabb volt, mint az alacsonyabb intratumorális oxigénkoncentrációval rendelkező betegeké. Ezt az eredményt a 28. hónapot követő utókezelés is igazolta. További kutatások azt is bizonyították, hogy ez az oxigénkoncentráció csak akkor rendelkezik prognosztikai jelentőséggel, amennyiben a hypoxia állapota a kezelés alatt legalább 2 hétig fenntartott.

Sugárszenzitivitás és oxigenizáció:

A tumorok sugárszenzitivitásának növelésére számos módszert kifejlesztettek, de a legnagyobb problémát okozó hypoxiás területek terminálása még egyelőre még nem teljesen kiküszöbölt probléma.

Az egyik már régebben bemutatott módszer a hiperbarikus oxigén lélegeztetése, amely bizonyítottan növeli a feji, nyaki és méhnyaktumorok szenzitivitását. Ez a módszer manapság már viszont nem használatos biztonsági és költségvetési okokból.Ezen módszer alternatívájaként alkalmazható a carbogén lélegeztetés, ami a magas oxigénkoncentráció mellet széndioxidot is tartalmaz.

Újabban alkalmazott módszer a sugárszenzitizáló szerek. Ezek az anyagok az oxigén tulajdonságait mutatják a tumoron belül, viszont lebomlásuk lényegesen lassabb. Az elmúlt két évtizedben leggyakrabban nitroimidazol vegyületek alkalmazása vált a legelterjedtebbé. Ezen vegyületek alkalmazása feji, nyaki, méhnyaki és tüdőrákban szenvedő betegek 1 éves túlélési arányát 8%-al növelte. Egy korábbi kutatás azt is kimutatta, hogy supraglottikus larynx és pharinx carcinómák lokoregionális kontrollját és a betegek túlélési arányát is szignifikánsan növeli a nitroimidazol származékok alkalmazása. Másik módszer a hypoxia csökkentésére a hypoxiás sejt szelektív szerek. Az ilyen szerek, például a mitomycin C, direkt módon károsítják a hypoxiás sejt DNS-ét és ezáltal fejtik ki citotoxikus hatásukat. Ezek az anyagok mind a lokoregionális kontrollt, mind a túlélési arányt szignifikánsan fokozták feji és nyaki rákos betegeknél. Több kutatás is vizsgálta a dikumarol hozzáadását a mitomycin C-hez, hogy növeljék a hatékonyságát és biztonságosságát, de mindkét kutatás végül elvetette a dikumarol alkalmazását. Mitomycin C alternatívaként különbözó bioreduktív anyagokat is vizsgáltak. A két legjobban vizsgált anyag, porfiromycin és tirapazamin, kedvezőbb cytotoxicitást mutattak a hypoxiás sejtekkel szemben, mint a mitomycin C. A porfiromycin jelenleg még kutatás alatt áll, hogy a laborban vizsgált eredmények a klinikumban is hasonló képpen mutatkoznak. A tirapazamin időbeosztás függö synergitást mutat különböző kemoterápiás anyagokkal. Tirapazamin mellé leggyakrabban alkalmazott anyagok a cisplatin és az 5-flurouracil, amelyek együtt alkalmazva fokozzák a hypoxiás sejtek DNS-károsodását, valamint a vártnál magasabb lokoregionális kontrollt ad az előrehaladott daganatokban.

Anémia kezelése:

Az egyik gyakori oka a hypoxia kialakulásának a paciens anémiás állapota, emiatt a kezelés szempontjából létfontosságú annak korai felismerése és a megfelelő lépések megtétele annak kezelésére. A hemoglobin szint és a prognózis közötti összefüggést először a 1940-es években méhnyakrák kezelése során vették észre. Ezt az észrevételt a későbbiekben más típusú daganatoknál is igazolták, emiatt megkezdődött a problémára való megfelelő megoldás keresése.

Az anémia nem csak a sugárkezelés szempontjából döntő jelentőségű, hanem a műtéti kezelésre is kihatással van. Azok a betegek, akik anémiában szenvedtek a műtét során szignifikánsan rosszabb 5 éves prognózist mutattak, valamint a kezelésük sikerességét is negatívan befolyásolta a csökkent hemoglobin szint. a leggyakrabban alkalmazott terápiás módszer a transzfúzió. Ezen módszer alkalmazása esetén a lokális választ a sugárterápiára pozitívan befolyásolja, valamint összeségében is javítja a kezelés kimenetelét. Ez a módszer viszont ma már nem annyira alkalmazott, többek között a vele járó kockázatok miatt (fertőzés, immunszupresszió, krónikus/akut reakciók).

Ma gyakrabban alkalmazott módszer az r-HuEPO adása a kezelés során. Az ezen az anyaggal kezelt betegek 80%-a elérte a kívánt (14 g/dl) hemoglobin szintet. R-HuEPO-t jelenleg csak nem-myleoid daganatoknál alkalmaznak függetlenül attól, hogy a beteg részesül-e sugárterápiában Az r-HuEPO-t tanulmányozták szájon át alkalmazott vasterápiával együtt, aminek eredményeképp szignifikánsan fokozódott a hemoglobin szint a nem ebbe a kezelésben résztvevő paciensekhez képest.

Konklúzió:

Folyamatosan szükség van olyan módszerekre, amelyek növelik a lokoregionális kontrollt, valamint a túlélési rátát sugárkezelés után. Mivel ennek útjában nagyban ott áll a daganati hypoxia, emiatt mindig új és hatékonyabb módszerekre van szükségünk annak kezelésére. Emiatt fontosak azon kutatások, amelyeknek célja a különböző jelenleg is ismert módszerek fejlesztése, valamint új módszerek felfedezése.

HBO

Granowitz és mtsai kimutatták, hogy a hiperbarikus oxigén kezelés (HBO) karcinómák sejttenyészetében programozott sejthalált okoz. Ezt többen is bizonyították. Ennek során 100 százalékos oxigéngázt lélegeztetnek be a beteggel, a besugárzás vagy a kemoterápiás kezelés előtt. A gáz belélegzése történhet közvetlenül oxigénpalackból orrmaszk segítségével. Ez a terápia azért működhet hatékonyan, mert az oxigenizáció a későbbiekben majd növeli a sejtek sugárérzékenységét, így sokkal kevesebb besugárzás is elég azonos hatás kiváltásához. Előnye az oxigén kezelésnek abban nyilvánul meg, hogy ezzel gyógyíthatóak a késői krónikus sugárkárosodások is. Korábbiakban pedig arra is rájöttek, hogy az oxigenizáció szintén gátolja a lymphoma sejtek, fibroszarkóma sejtek növekedését. Ez a kezelés egyaránt jól alkalmazható jó- és rosszindulatú daganatokra. Ebből arra a lehet következtetni, hogy az anyagcsere folyamatokra hat. A tartós oxigéntelítettség szintén hasonló hatással bír.

Kemoterápiás gyógyszerek

Kiderült, hogy az oxigénhiányos tumorok sokszor ellenállóak a kemoterápiával szemben, in vitro és in vivo körülmények között is. Ezt hypoxia-indukált kemorezisztenciának nevezzük, komplex mechanizmuson alapul. A HBO kezelés a különböző gyógyszerek adagolásával együtt még kedvezőbb hatást tud elérni a tumorok visszaszorításában.

Ilyenek például a HBO és a doxorubicin vagy a HBO és az 5-fluorouracil. Az előbbi nagymértékben csökkentette a tüdőáttéteket, az utóbbi pedig a szarkóma gyógyszer érzékenységének növelését idézte elő. Körülbelül 6 olyan molekulát fedeztek fel, ami kifejti a daganatellenes hatását a hypoxiás szövetben is. Ezek a tirapazamin, a tercier nitrogén oxid, EO9, RH1, NLCQ1, CB1954.

Egyéb lehetőségek

Számos egyéb daganatellenes kezelést is alkalmaznak még. Egy másik lehetséges módszer amikor egy oxigénben telített vízfürdőt készítenek a betegnek, a telítés oxigéngáz áramoltatással történik. Emellett ózonnal is próbálkoztak, de ez nem lett általánosan használt anyag. Az oxigén bejutása a tumorszövetbe közvetlen diffúzóval vagy vörösvérsejtek közvetítésével történik, ezért a vérszegény betegeknél sokszor nem sikeres ez a gyógymód. A daganatos betegek vérszegénységét eritropoetinnel kezelik, ami fokozza a tumorsejtek oxigenizációját.

A tanulmány összegzése:

Az előzőekben leírtakat összesítve a daganatterápia egyik nélkülözhetetlen alapköve a kóros daganat sejteknek az oxigén ellátottsága, mely a kezelés kimenetelét lényegesen befolyásolhatja pozitív, illetve negatív irányban is. A terápia megkezdése előtt tisztában lévén a daganatok általános működési mechanizmusának, diagnosztizálni kell a tumort, majd felállítani az ismertek fényében a megfelelő prognózist. Ezek után kezdődhet maga a kezelés. Amennyiben a daganat hypoxiás, úgy oxigén hiányában rezisztensebb a sugár-, vagy kemoterápiával szemben, éppen ezért az anoxiás szöveti képződmény invazív is lehet. Erre építkeznek a különböző terápiás módszerek során, ezt kell kiküszöbölni azáltal, hogy a szervezetbe oxigént juttatunk be, vagy éppen azzal, hogy bizonyos készítmények felvételével a szövetekben reaktív oxigén gyökök képződnek, melyek elősegítik a sugárterápia soráni DNS károsítását a tumorsejtekben, ezzel mintegy kiírtva őket. A kutatások az oxigenizáció irányában hatalmas áttöréseket érnek el a daganatterápiában, mintegy 20 %-kal is növelhetik a túlélési esélyét a paciensnek, ami nem kis szó, tekintve, hogy még mindig mennyi feltérképezhetetlen területe maradt a témának.

Források

Tóth J. (2007): Az oxigenizáció hatása a daganatok biológiai viselkedésére. Orvosi Hetilap, 148. évfolyam, 30. szám, 1415–1420

Gődény Mária;Léránt Gergely (2014): Új lehetőségek, MRI-biomarkerek a fej-nyaki daganatok értékelésében. Magyar Onkológia 58:269–280

Deme Dániel dr.;Telekes András dr. (2017): A laktátdehidrogenáz (LDH) prognosztikai jelentősége az onkológiában. Orvosi hetilap, 158. évfolyam, 50. szám, 1977-1988 DOI: 10.1556/650.2017.30890

Louis B. Harrison at al. (2002): Impact of Tumor Hypoxia an Anemia on Radiation Therapy Outcomes. The Oncologist 7:492-508