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Molekulare Zellbiologie der Tumorentstehung (I)
WS 19/20
Primärzellen: Patientengewebe Primärzellen: Tumormodell (FAP-pig)
(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
3
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?
4
Dickdarm eines Patienten
mit FAP-Syndrom
(Familiäre adenomatöse
Polyposis)
Normalgewebe
Tumor
5
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“
7
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)
10
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
12
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
13
Figure 2.7a The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Beispiele für den Aufbau von Tumoren mesenchymalen Ursprungs
Osteosarcom Liposarcom
14
15
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
18
(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
19
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 ?
24
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
26
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?
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
36
37
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!
38
zellbio_ws19_20