De pathogenese van tumormetastasen

Zie ook het artikel op bl. 2225.

Een tumormetastase is een dochtergezwel dat ontstaan is door uitbreiding van kankercellen vanuit de oorspronkelijke tumor, versleping door de stroombaan en uitgroei op afstand. Metastasering is het kernverschijnsel van kwaadaardige gezwelgroei. Het ontstaan van tumormetastasen is een uiterst ingewikkeld meerstapsproces, waarbij zowel selectieve als toevalsfactoren een rol spelen.1 Behalve het optreden van metastasen op zich is ook hun uiteindelijke lokalisatie van belang. In de afgelopen jaren is het inzicht in de cellulaire en moleculaire mechanismen van de processen die de basis vormen van metastasering sterk toegenomen. Ook is een aantal immunologische en moleculaire technieken verbeterd. Als gevolg hiervan zijn de mogelijkheden voor vroege diagnostiek, preventie en behandeling van metastasen vergroot. In dit artikel wordt een beknopt overzicht gegeven van deze ontwikkelingen, tegen de achtergrond van de klinische implicaties.

Pathologie

Kwaadaardige gezwelgroei manifesteert zich macroscopisch vaak door een onregelmatige begrenzing van de tumor. Microscopisch ziet men een onregelmatige weefselopbouw, invasieve groei in het omgevend weefsel, celen kernpolymorfie, kerndelingsfiguren (waaronder atypische figuren), necrose van tumorcellen en vaak een begeleidende stromareactie. De stromareactie bestaat uit een soort granulatieweefsel, rijk aan bloedvaatjes, en een wisselend dicht ontstekingsinfiltraat. Wanneer histopathologisch een kwaadaardig aspect bestaat, kan metastasering worden verwacht.2 De kans hierop en het tijdstip en de plaats hiervan worden bepaald door de plaats van de primaire tumor, de uitgebreidheid hiervan (het T-stadium), het type tumor, de differentiatiegraad van de tumor en andere aanvullende kenmerken zoals vaatingroei of DNA-gehalte. Ook de plaatselijke en de algemene afweer spelen hierbij een belangrijke rol. De anatomische distributie van metastasen wordt verklaard door twee verschillende theorieën, te weten de filtertheorie en de zaad-akkertheorie.1 Volgens de filtertheorie treden dochtergezwellen het eerst op in het orgaan waarin de circulerende tumorcellen vastlopen in de haarvaatjes, die dus als filter fungeren. Metastasen van bijvoorbeeld borstkanker doen zich het eerst voor in regionale lymfklieren na versleping door lymfvaatjes en via de bloedstroom in de longen. Vervolgens kunnen de tumorcellen via het hart in de grote circulatie terechtkomen en hierna overal elders in het lichaam tot metastasen uitgroeien. De distributie van metastasen in verschillende organen komt echter lang niet altijd overeen met het op basis van bloeddoorstroming te verwachten patroon. Dit inzicht bracht Steven Paget reeds in 1889 tot het postuleren van de zaad-akkertheorie, die aangeeft dat zowel het type kanker als de aard (en hoedanigheid) van een orgaan bepaalt of er daadwerkelijk een metastase optreedt.1 Longkanker bijvoorbeeld gaat vaak gepaard met metastasen in hersenen, lever, bijnieren en skelet. In bepaalde weefsels, zoals milt of skeletspieren, treft men echter zelden metastasen aan. Onderzoeksresultaten uit de afgelopen jaren hebben het inzicht in de cellulaire en moleculaire mechanismen van metastasering vergroot, waardoor deze nu pathologisch beter te begrijpen is.

Cellulaire en moleculaire mechanismen

Het ingewikkelde meerstapsproces dat tot metastasevorming leidt, is weergegeven in tabel 1.1 Drie sleutelmechanismen spelen hierbij een rol, te weten invasie, migratie en proliferatie.3 Deze gaan gepaard met verlies van cohesie tussen de tumorcellen, bijvoorbeeld door vermindering van de expressie van bepaalde adhesiemoleculen zoals cadherinen.

Invasie

Invasie wordt gekenmerkt door enzymatische afbraak van de basale membraan en andere intercellulaire substanties door de tumorcellen zelf en (of) door begeleidende stromacellen. De hierbij betrokken belangrijkste eiwit-splitsende enzymen zijn metalloproteasen3 en serine-proteasen.34 Een overzicht van de thans bekende enzymsystemen, inclusief activatoren, remmers en receptoren, wordt gegeven in tabel 2. Proteolyse ten bate van tumorinvasie vindt plaats door een subtiel evenwicht tussen activatie, remming en binding van actieve complexen aan het invasiefront. De rol van componenten uit deze enzymsystemen bij metastasering van een aantal kankercellijnen is overtuigend aangetoond.45 Ook is een correlatie gevonden tussen het gehalte van componenten van het plasmine-activatorsysteem in het tumorweefsel en het optreden van metastasen bij patiënten met borstkanker6 en maag-darmkanker.7 Het moleculaire mechanisme van tumorinvasie is door recent fundamenteel onderzoek verhelderd.8

Migratie

Migratie wordt gekenmerkt door verplaatsing van tumorcellen in de interstitiële ruimte. Hierbij spelen beweeglijkheid van de cellen en hechting van de cellen aan andere cellen en (of) intercellulaire componenten een belangrijke rol. Celbeweging wordt mogelijk gemaakt door motiliteitsfactoren, het celskelet en de verankering hiervan aan de celmembraan. Een overzicht hiervan werd reeds eerder in dit tijdschrift gegeven.9 Tussen deze componenten is een fijn samenspel nodig. Een belangrijke voorwaarde voor migratie is het periodiek losraken en hechter. Hierbij spelen de cellulaire adhesiemoleculen een voorname rol. Deze kunnen worden onderverdeeld in een aantal groepen,10 zoals uiteengezet in tabel 3. Hierbij is sprake van homo- of heterofiele interactie. In het eerste geval vindt hechting plaats tussen dezelfde moleculen op verschillende cellen. Bij heterofiele interactie hecht de adhesiereceptor aan een specifieke tegenreceptor (ligans) op cellen en (of) extracellulaire substantie. Ook hier betreft het een complexe wisselwerking van onthechting en hechting. Verminderde hechting tussen tumorcellen uit zich onder meer in een verlaagde expressie van E-cadherine. Deze blijkt bij een aantal vormen van kanker (prostaat-,11 urineblaas-,12 hoofd-halskanker13) gepaard te gaan met een verhoogde kans op metastasen. Celadhesie kan worden geremd door versterkte expressie van mucinen, zoals episialine.14 Toegenomen hechting van tumorcellen aan intercellulaire componenten uit zich bijvoorbeeld door expressie van bepaalde integrinen, zoals vastgesteld bij het melanoom van de huid.15 Expressie van bepaalde CD44-varianten gaat gepaard met een verhoogde kans op metastasen bij dikke-darmkanker.16 Aangezien adhesiemoleculen enerzijds verankerd lijken te zijn aan het cytoskelet en anderzijds betrokken zijn bij de cellulaire signaaloverdracht, wordt hiernaar momenteel veel onderzoek verricht. Zo is onlangs gebleken dat signalen die het gevolg zijn van celadhesie kunnen leiden tot de produktie van metalloproteasen die weefselinvasie bevorderen.

Proliferatie

Proliferatie wordt gekenmerkt door het verschuiven van het evenwicht tussen celaanmaak en -verlies ten gunste van de aanmaak.17 Celaanmaak wordt gestimuleerd door (overmatige) produktie van groeifactoren, het ontbreken van groeiremmende factoren en een combinatie hiervan. Veelal liggen genetische veranderingen van de tumorcellen, zoals mutaties of deleties, ten grondslag aan de verstoorde balans van groeifactoren. De betrokken genen betreffen veelal (proto-)oncogenen en (of) suppressorgenen. Een aantal representatieve voorbeelden van een aantal factoren en de hierbij betrokken genetische veranderingen wordt gegeven in tabel 4. Celverlies wordt geëffectueerd door geprogrammeerde celdood (apoptose) en het reeds langer bekende type van celdood (necrose).18 In tegenstelling tot necrose is apoptose een actief proces waarbij specifieke DNA-afbraaksequenties ontstaan. Zoals blijkt uit de moleculaire karakterisering van het colorectale carcinoom leiden er ongeveer zes opeenvolgende ingrijpende moleculaire veranderingen geleidelijk tot ontaarding van een normale cel tot een metastaserende tumor.19 Deze stappen worden geïllustreerd in figuur 1. Er is hierbij een toenemende genetische instabiliteit, waarbij steeds de kans op een nieuwe ontsporing groter wordt. Vanuit een aanvankelijk goedaardige tumor ontstaat een kwaadaardige woekering, die door groeivoordeel en onttrekking aan plaatselijke groeicontrole invasief wordt en kan metastaseren. Nader onderzoek heeft geleerd dat niet zozeer de volgorde van de moleculaire veranderingen doorslaggevend is voor de tumorprogressie, als wel de opeenstapeling ervan.20

Het tumorstroma

De omvang en de consistentie van een tumor worden deels bepaald door de tumorcellen zelf, maar voor een niet onbelangrijk deel door het tumorstroma.2 Het tumorstroma bestaat uit granulatieweefsel dat rijk is aan bloedvaatjes en collagene vezels. Volgens Dvorak et al. kan dit gezien worden als een reparatiereactie op weefselschade door de tumorgroei, vergelijkbaar met een niet-genezende wond.21 Het granulatieweefsel zou kunnen uitgroeien op een provisionele matrix van fibronectine, dat uit beschadigde bloedvaatjes is gelekt. Anderen zien de stromareactie meer als een reactieve proliferatie die is opgeroepen door tumorfactoren.1 Een centrale plaats in het tumorstroma wordt ingenomen door de bloedvaatjes, omdat ze zorgen voor transport van zuurstof en andere nutriënten. Hierdoor is de tumorgroei in wezen afhankelijk van de bloedvatvoorziening.22 Tumoraggregaten kunnen tot zo'n 2 mm in diameter groeien zonder eigen bloedvatstelsel. Dit stelsel kan geïnduceerd worden door angiogene factoren, die in tabel 5 nader zijn toegelicht.23 De meeste factoren grijpen direct aan op de endotheelcellen, sommige werken echter indirect, bijvoorbeeld door stimulatie van macrofagen, die vervolgens angiogene factoren afscheiden, die op het endotheel inwerken. Wanneer een angiogene prikkel uitblijft of wordt geremd, blijft het tumoraggregaat ‘slapend’. Recent onderzoek van de groep van Folkman heeft aangetoond dat angiostatine, een stof geproduceerd door de primaire tumor, angiogenese remt, waardoor er geen uitgroei tot metastasen ontstaat.24 Verwijdering van de primaire tumor in het experimentele model gaat gepaard met het dalen van de angiostatinespiegel in het bloed en het zichtbaar worden van metastasen. Deze nieuwe inzichten openen de mogelijkheid om strategieën te ontwikkelen voor therapeutische interventie.

Liotta heeft gewezen op het parallelle verloop van de cellulaire en moleculaire processen betrokken bij metastasering en bij angiogenese.3 Bij beide gaat het immers om invasie, migratie en proliferatie. Ook angiogenese is een stapsgewijs proces waarbij onrijpe vaatspruitjes invaderen, endotheliale cellen migreren en prolifereren.24 Deze gelijkenis wordt geïllustreerd in figuur 2. De achterliggende gedachte is dat een tumor die veel bloedvaatjes oproept, meer kans heeft om tumorcellen in de bloedbaan uit te storten en ook beter in staat is om effectief uit te groeien. Verscheidene klinisch-pathologische en fundamentele onderzoeken houden zich momenteel bezig met de verdere opheldering van deze mechanismen en hun klinische implicaties, te weten diagnostiek, prognostiek, therapie en preventie.25

Klinische implicaties

De diagnostiek van micrometastasen in het beenmerg26-28 of in lymfklieren29 is verfijnd door de toepassing van bijzonder gevoelige immuuncytologische27 28 en moleculair-biologische technieken. met name de polymerase-kettingreactie.2930 Ook is het mogelijk om op deze wijze circulerende tumorcellen op te sporen.31 Door het werk van de groep van Riethmüller32-34 is duidelijk geworden dat de aanwezigheid van carcinoomcellen in het beenmerg prognostisch ongunstig is bij patiënten met een aantal soorten kanker, weergegeven in tabel 6.32-36 Bij patiënten met colorectaal carcinoom was deze bevinding een onafhankelijk prognostisch kenmerk.33 Hoewel er een correlatie bestaat tussen de aanwezigheid van in het bloed circulerende tumorcellen en het ziektestadium bij melanoompatiënten37 en patiënten met prostaatcarcinoom,38 is de prognostische waarde van aantoonbare circulerende tumorcellen nog geenszins duidelijk. Hiertoe vindt momenteel nader onderzoek plaats. Ook zullen de diagnostische bruikbaarheid van de immuuncytologische en moleculaire benadering kritisch met elkaar vergeleken moeten worden. Het is denkbaar dat na een moleculaire screening de uiteindelijke diagnose op basis van immuuncytologische beelden kan worden vastgesteld.

Behalve de stadiëring van kankerpatiënten zijn ook de mogelijkheden tot prognose gebaseerd op kenmerken in de primaire tumor sterk verbeterd. De prognostische betekenis van een variabele wordt veelal gebaseerd op een enkelvoudige regressieanalyse. Hierna volgt in de regel een tweede onderzoek met een grotere groep patiënten, waarbij men met behulp van multipele regressieanalyse kan proberen aan te tonen of de onderzochte factor een onafhankelijke prognostische betekenis heeft. Verscheidene deels reeds genoemde tumoreigenschappen bleken prognostisch ongunstig te zijn, zoals aanwezigheid van bepaalde adhesiemoleculen, hormoonreceptoren, groeifactoren, oncogenprodukten, proteasen en proteaseremmers. Dit bevestigt het beeld dat meerdere eigenschappen nodig zijn om metastasering te veroorzaken.

Daarnaast blijkt de dichtheid aan bloedvaatjes in de tumor, gevisualiseerd op basis van immuunhistologisch onderzoek, prognostisch ongunstig te zijn bij een aantal vormen van kanker.39-45 Een overzicht hiervan wordt in tabel 7 gegeven. De variatie in vaatrijkdom hangt samen met verschillen in meetmethoden en in tumortypen.

Multipele regressieanalysen bij relatief grote groepen patiënten met borstkanker hebben aangetoond dat de aanwezigheid van de plasminogeenactivator uPA en de plasminogeenactivator-remmer PAI-1 op basis van ELISA-onderzoek de overheersende prognostische graadmeters waren, ook ten opzichte van de lymfklierstatus.45-49 In een aantal andere onderzoeken, waarin de genoemde proteasen niet waren gemeten, bleek de immuunhistochemisch vastgestelde vaatrijkdom dominant als prognostische graadmeter.39-41 Deze bepalingen kunnen vooral belangrijk zijn bij patiënten zonder aantoonbare oksellymfkliermetastasen, omdat het de mogelijkheid biedt een subgroep te selecteren voor adjuvante behandeling. Standaardisering is van groot belang voor de kwaliteit van deze bepalingen. Mogelijkerwijs weerspiegelen de genoemde componenten van het plasminogeenactivatorsysteem angiogene activiteit in het tumorweefsel. Verder onderzoek zal dit moeten uitwijzen. Ook de mogelijke relatie met de gevoeligheid voor antihormonale therapie verdient nadere aandacht.

Het blootleggen van moleculaire sleutelmechanismen van metastasering maakt het mogelijk om aangrijpingspunten voor een medicamenteuze behandeling te identificeren. Hierbij kan gedacht worden aan antagonisten van receptoren voor bijvoorbeeld groeifactoren of adhesiemoleculen.25 In experimentele diermodellen werd hierdoor het optreden van metastasen voorkomen of werden zelfs bestaande metastasen uitgeroeid.1 Ook bleken stoffen die de angiogenese remmen de uitgroei van tumoren te kunnen voorkomen.50 Verrassend is dat de mate van tumorvascularisatie negatief gecorreleerd blijkt te zijn met de effecten van chemo- en hormoontherapie. Een verklaring hiervoor is dat deze vascularisatie met name aan de rand van de tumor sterk ontwikkeld is, en mogelijk bijdraagt aan de hoge interstitiële druk in het tumorstroma.51 Door deze hoge druk wordt het binnendringen van therapeutica in het tumorstroma en de tumorcellen ernstig belemmerd. Het tumorvaatbed kan ook selectief worden beschadigd door een combinatie van tumornecrosisfactor en melfalan, een antiproliferatief cytostaticum.52 Deze combinatie wordt momenteel met veel succes toegepast bij geïsoleerde perfusie van sarcomen en melanomen die gelokaliseerd zijn aan de extremiteiten. Het werkingsmechanisme is complex: trombocytenaggregatie en toegenomen expressie van endotheliale adhesiemoleculen met marginatie van neutrofiele granulocyten spelen waarschijnlijk een rol bij het ontstaan van de necrose van het behandelde tumorweefsel.53

Conclusie

Door vergroting van het inzicht in de cellulaire en moleculaire mechanismen bij het ontstaan van tumormetastasen en door verbetering van immunologische en moleculaire technieken zijn nieuwe klinische toepassingen mogelijk geworden. Deze betreffen zowel de diagnostiek en de prognostiek als de therapie van patiënten met een primaire tumor en de medicamenteuze therapie gericht op het uitschakelen van een relevante factor of receptor. Voor de toekomst wordt verwacht dat medicamenteuze preventie van bijvoorbeeld invasieve groei tot de mogelijkheden behoort. Een dergelijke aanpak lijkt relevant voor patiënten met precancereuze afwijkingen die een sterk verhoogd risico op carcinoom hebben. Ook lijkt deze benadering zinvol als adjuvans bij patiënten met een chirurgisch behandelde primaire tumor, die blijkens onderzoek van prognostische graadmeters een grote kans hebben op micrometastasen. Deze micrometastasen zouden op deze wijze in een prevasculaire fase kunnen worden gehouden, waarbij verdere uitgroei wordt geblokkeerd. Of deze potentiële ontwikkelingen daadwerkelijk kunnen worden gerealiseerd, hangt af van de resultaten van lopend fundamenteel en klinisch kankeronderzoek, waarvan een belangrijk deel mogelijk wordt gemaakt door de Nederlandse Kankerbestrijding Koningin Wilhelmina Fonds.