Tümör hipoksisinin klinik önemi ve Hipoksiyi aşma stratejileri 19-20 Şubat 2010 Klinik Radyobiyoloji Kursu Dr Mine Genç [email protected] “Hücrelerin iyonize radyasyona cevabı kuvvetle O2 nin varlığına bağlıdır.” Gray et al 1953 Wright and Howard-Flanders 1957 Hücre kültürü Flowing Nitrogen gas OH. OH. İndirekt DNA’da kimyasal bağ kopar Oksijen fiksasyon hipotezi R.+ O2 →RO2 RO2→ROOH FIXED DAMAGE 10 0 X-Rays Surviving Fraction OER = 1.5 hypoxic 10 -1 oxic OER = 2.5 10 -2 10 -3 0 2 4 6 8 10 12 14 Radiation Dose 16 18 20 Oxygen enhancement ratio (OER) • OER= Hipoksik ortamda gereken radyasyon dozu Havada gereken radyasyon dozu • X ışını için OER = 3 TEDAVİ SIRASINDA VEYA TEDAVİDEN SONRA BİRKAÇ SN İÇİNDE O2 ORTAMDA OLMALI ! Howards Flanders and Moore, 1958 Michael et al 1973 Oxygen Enhancement Ratio (OER) Oksijen basıncı artarken OER ↑ <0.15 mmHg (% 0.02) radyasyona maksimum direnç 0.5-20 mmHg OER’da hızlı artış Koch et al 1984 Whillans and Hunt 1982 Denekamp 1989 Wouters and Brown 1997 3.0 Air Relative Radiosensitivity 2.5 venous blood arterial blood 3 mm Hg or about 1/2% 2.0 100% oxygen 1.5 1.0 Range for tumor 0.5 Range for well vascularized tissue 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 o Oxygen Tension (mm Hg @ 37 C) 760 Tümör hipoksisi • Tümörde nasıl ve neden hipoksi oluşur? • Tümör oksijenasyonunda heterojenite. • Hipoksinin hücresel sonuçları Dokularda oksijen difüzyonu kapiller Normal oksijen Hipoksik canlı Anoksik - nekrotik Tümör Hipoksisi • Tümör içindeki anormal damarlaşma hipoksinin nedenidir ANGIOGENESIS Primitif ve yetersiz damarlanma HİPOKSİK HÜCRE ORANI: Surviving Fraction 10 0 10 -1 10 -2 40% anoxic cells 100% oxygenated cells 10 -3 0 2 4 6 8 10 12 14 Radiation Dose 16 18 20 Gray ve Thomlinson 1955, Bronş ca histolojik kesitleri incelemişler. tumör nekroz nekroz tumör tumör 100 - 180 Reoksijenasyon RT sonrası sağkalan Oksijenlenen hücreler Hipoksik hücreler reoksijenasyon reoksijenasyon reoksijenasyon Tümör Reoksijenasyonunun Kinetiği 100 80 percent anoxic cells 60 40 30 20 10 Gy 10 0 2 4 6 tim e in hours 8 10 12 Reoksijenasyon Mekanizma zaman Obstrukte damarın açılması Dakikalar Hasarlı hücrelerde solunum hızının ↓ Dk-saatler İskemik ölüm Saatler Mitotik ölüm Saatler Ölü h.lerin rezorbsiyonu Günler Kronik ve akut hipoksi Akut hipoksi: trombus kollaps basınç Kronik hipoksi: difüzyon↓ Hypoksi (EF5, Kırmızı) ve proliferasyon (Ki67, yeşil) Evans and Koch, 2001 • Hipoksinin varlığını göstermek reoksijenasyon kapasitesi optimizasyonu için gerekli. Hipoksi seviyesinin ölçülmesi (insan tümörleri) • • • Tümör vaskülarizasyonu – İnterkapiller uzaklık – Vasküler densite – Tm h.lerinden en yakın damara uzaklık Hb-O2 saturasyonu – Cryospectroscopy – Near-infrared spectroscopy Tümör metabolik aktivitesi – Biyokimyasal – Bioluminescence – NMR/PET • • • • DNA hasar – Comet assay – Alkaline elution Hipoksik marker – İmmunhistokimya – 18F-Fluoromisonidasole – 123I-Iodoazomycin arabinoside O2 parsiyel basıncı – Polarografik o2 elektrotları – 19F-NMR-spektroskopi Diğer Parsiyel O2 basıncı • PROGNOSTİK • Baş&boyun (6 çalışma) ve serviks tümörlerinde (4 çalışma) tedavi öncesi PO2 basıncı ölçümü ile RT cevabı arasında KORELASYON var. Tümör hipoksisinin biyolojisi Hipoksik bölge Gene/Protein Regulasyonu Apoptozise direnç Kan damarı Artmış genomik instabilite Kemoradyoterapi direnci Artmış Glikolizis O2 / ilaç konsantrasyonu Artmış anjiogenezis HIF aktivasyonu Tumorigenesis Angiogenesis Metastasis Anaerobic Metabolism PHD 1,2,3 FIH Mitoch. O2 consumption DNA Repair Differentiation--Development Differentiation HIF O2 HIF1,2 Muscle tissue survival ROS OH Proteasome degradation OH VHL Erythropoesis Elong. Stem Cell Differentiation Cul2 mt Embryo gastrulation Lung Morphogenesis pO2 Maxwell & Coumenis, 2006 Tümör hipoksisi • Hipoksik hücreler radyasyona daha az hassastır. • Hipoksik hücreler RT sonrası tedavi başarısızlığının önemli bir nedenidir (öz. az sayıda yüksek fraksiyon doz uygulanan) • Hipoksi kronik veya akut olabilir. • Reoksijenasyonun varlığı gösterilmiştir. • Hipoksik hücreler KT ajanlarına da dirençlidir. Bu dersten neler öğrendik? • İki mekanizma var: Akut ve kronik hipoksi • Hipoksi heterojen dağılım gösterir • Hipoksi – Malignensiye teşvik eder – Tümör hipoksiye toleranslı hale gelir – Hücresel fonksiyonları değiştirir. • HIF anjiogenesis ve enerji üretimi için önemlidir. Hipoksiyle başa çıkma: • • • • Ortamdaki oksijeni arttırmak Hipoksik hücre radyosensitizasyonu Hipoksik hücrelere toksik ajanlar Tümör vasküler sistemi hedef almak Oksijeni arttırmak • Hiperbarik oksijen 3 atm • Tek başına radyoterapiye üstünlüğü gösterilmiş • Özellikle ↑ fraksiyon dozuyla birlikte • Churchill and Davidson 1968 • Overgaard 1989 British Medical Research Council HBO çalışması İleri evre baş boyun ve serviks ca hastaları Watson et al 1978 • Kimyasal radyoduyarlaştırıcıların bulunması • HBO kullanımı rahat değil HBO bırakıldı • Yüksek oksijenli gaz solunması • (Horsman 2007) Karbojen (%95 oksijen+ %5 CO2 Opt. soluma zamanı Akut hipoksi %100 Oksijen Hipoksik hücre duyarlaştırıcıları • Bazı ajanlar oksijene çok benzer • Daha uzak bölgelere difüze olabilir • Normal doku yan etkisini arttırmaz • NİTROBENZEN • NİTROFURAN • NİTROİMİDAZOL Sensitizer Enhancement Ratio (SER) Radyasyon dozu duyarlaştırıcılı Radyasyon dozu duyarlaştırıcısız Tek doz DAO>2 Fraksiyone DAO↓ (reoksijenizasyon) Meme ca • TCD50 54Gy vs 26 Gy SER: 2.1 DAHANCA 5 Nimorazole Hemoglobin seviyesi Belli tümör tiplerinde (özellikle SCC) önemli bir prognostik faktördür. Overgaard 1989 Grau and Overgaard 1997 Horsman 2007 Transfüzyon • 2 randomize çalışmada düşük Hb seviyeli hastalarda transfüzyonun + etkisi izlenmedi • Overgaard 1998 • Flyes 2000 • RT sırasında tümör küçülürken Hb seviyesinin arttırılması tümöre daha fazla oksijen gitmesini ve RT cevabını arttırır ERİTROPOETİN • Hb seviyelerinde yavaş yükselme • Ancak sonuçlar kötü • Henke 2003 • Machtay 2007 Non-hematopoetik etki? Sigara içilmesi kanın oksijen bırakma kapasitesini %30un üzerindeki oranlarda azaltır. Bu durum tümör oksijenasyonunu ve tümör kontrolünü azaltır Akut hipoksiye çözüm • Nikotinamid radyasyon hasarını artırır (Horsman 1995) • Kan akımındaki geçici fluktuasyonları önler • Kronik hipoksiye etkili ajanlarla kombine etmek lazım (hipertermi, pentoksifilin, oksijen) Hayvan deneyi nikotinamid-B3 analoğu • • • • Akselere RT Karbojen Nikotinamid BAŞ-BOYUN TM ARCON ARCON Hipoksik hücre sitotoksinleri • Seçici olarak radyoresistan hipoksik hücrelerin öldürülmesi • Kuninonlar(mitomisin c) • Nitroimidazol (RSU-1069) • N-oksidler (tirapazamin) Metaanaliz-hipoksi • 11000 hasta • 91 randomize çalışma • Hipoksiyi modifiye etmeyi amaçlayan – HBO-31 – Hipoksik h. duyarlaştırıcıları-53 – HBO& HHD-1 – O2&karbojen-5 – Kan tx-1 Metaanaliz • • • • • • • Mesane-18 Uterin serviks-20 SSS-13 H&N-29 AC-10 Ösefagus-2 Karışık-1 Lokal kontrolde artma Uterin servix ve baş-boyun Başboyunda OS da↑ Uzak m ve komplik fark yok Adeno Ca için hipoksik R marginal Hedeflenmiş Vasküler Tedaviler Anjiogenesis inhibitörleri Direkt vasküler hasar yapan ajanlar Direkt anti-tümör etki Radyasyonun etkisini arttırıcı etki Tümör hipoksisini azaltır Anjiogenesis inhibitörleri tümör oksijenizasyonunu ↑ preklinik??? • İki tedavinin zamanlaması ve sırası • • • • • • Tümör vasküler yapısını hedefleyen stratejiler Vasküler hasar yapan ajanlar Bu dersten öğrendiklerimiz • Hipoksik hücre direnci özellikle baş boyun ve serviks SCC tumörlerinde başarısızlığın önemli bir nedenidir. • Hipoksiye karşı geliştirilen klinik çalışmaların sonucu uyumlu değildir. HBO, radyoduyarlaştırıcı ve kan transfüzyonu ile hipoksiyi yenmeyi amaçlayan çalışmaların toplandığı metaanalizde anlamlı yarar olduğu gösterilmiştir. . Bu dersten öğrendiklerimiz • Kronik hipoksiye ek olarak akut hipoksinin giderilmesi yararı artırabilir. • Hipoksik hücre sitotoksinleri radyoresistansın ortadan kaldırılmasında önemli olabilir. • Tümör kan damarlarını hedefleyen ajanlarla ilgili çalışmalar devam etmektedir.