Matthias, Christoph: Molekularbiologische Untersuchungen zum Einfluß genetischer Wirtsfaktoren auf das Erkrankungsrisiko und den Krankheitsverlauf von Patienten mit Plattenepithelkarzinomen im Kopf-Hals-Bereich

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Kapitel 1. Einleitung

Plattenepithelkarzinome des Kopf-Hals-Bereichs stellen etwa 5% der neu diagnostizierten Malignome in Europa und den USA dar. Weltweit werden jährlich mit steigender Tendenz mehr als 500.000 Neuerkrankungen diagnostiziert (Blitzer u. Mitarb. 1988; Boring u. Mitarb. 1994). Trotz deutlicher Verbesserungen der therapeutischen und rekonstruktiven Maßnahmen blieb die 5-Jahres-Überlebensrate in den letzten Jahrzehnten nahezu unverändert (Jahnke 1995a; Muir u. Mitarb. 1995). Die meisten Patienten mit Kopf-Hals-Karzinomen sind Männer im 6. Lebensjahrzehnt. Das Verhältnis von Männern zu Frauen liegt bei etwa 5:1. Während Hypopharynxkarzinome häufiger bei Männern vorkommen (8-10:1), ist der Unterschied bei Mundhöhlenkarzinomen wesentlich geringer ausgeprägt (2:1) (Blitzer 1988; Muir 1995).

Chronischer Alkoholkonsum und Zigarettenrauchen sind die Hauptrisikofaktoren für die Entwicklung von Kopf-Hals-Tumoren. Beide Genußgifte haben nicht nur einen additiven Effekt, sondern erhöhen das Karzinomrisiko multiplikativ. Hoher Alkoholkonsum prädisponiert insbesondere zur Entwicklung von Karzinomen in Mundhöhle, Oropharynx, Hypopharynx sowie im supraglottischen Larynx. Intensives Zigarettenrauchen führt hingegen bevorzugt zur Entwicklung von glottischen Larynxkarzinomen (Blot u. Mitarb. 1988; Brugere u. Mitarb. 1986; Elwood u. Mitarb. 1984). Viele Personen erkranken jedoch trotz ausgiebigen Konsums dieser Genußgifte nicht an einem Plattenepithelkarzinom im Kopf-Hals-Bereich. Im Gegensatz dazu gibt es eine Gruppe von etwa 10% der Patienten mit Plattenepithelkarzinomen im Kopf-Hals-Bereich, die bereits in jungen Jahren (etwa um das 40. Lebensjahr) oder trotz geringen Konsums der o.g. Giftstoffe an einem solchen Tumor erkranken (Elwood u. Mitarb. 1984; Brugere u. Mitarb. 1986; Blot u. Mitarb. 1988; Talami u. Mitarb. 1990).

Interindividuelle Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber Zigarettenrauch-assoziierten Karzinogenen werden in den letzten Jahren zunehmend auf Genvariationen im Metabolismus dieser chemischen Substanzen zurückgeführt. (Nebert 1989; Harris u. Mitarb. 1991; Roots u. Mitarb. 1992a; Nakashi u. Mitarb. 1993). Der menschliche Körper wird permanent durch Verschlucken, Inhalieren und Absorption mit Fremdsubstanzen aus der Umwelt in Kontakt gebracht. Diese Stoffe sind nicht nur Produkte der Industrialisierung oder sogenannte


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Genußgifte, sondern beinhalten auch eine Vielzahl von Substanzen, die in natürlichen Nahrungsmitteln enthalten sind. Viele Pflanzen produzieren solche potentiell toxischen Stoffe, welche der menschliche Körper abbauen muß. Zusätzlich zu diesen natürlichen Substraten führen biochemische Reaktionen im Körper zur Bildung von Intermediär- oder Endprodukten (beispielsweise Gallensäuren oder Steroide), die potentiell toxisch für den Körper sind, falls sie nicht umgehend abgebaut werden. Darüber hinaus kamen im Rahmen der Zivilisation Substanzen hinzu, die vom Körper entgiftet und ausgeschieden werden müssen (Goldstein u. Faletto 1993; Guengerich 1995; Raunio u. Mitarb. 1995). Viele potentiell mutagene Substanzen sind lipophil und können daher Zellmembranen passieren und von Transportproteinen wie Lipoproteinen im Körper transportiert werden (Hodgeson u. Dautermann 1980). Aufgrund ihrer Wasserunlöslichkeit können sie nicht direkt ausgeschieden werden. In der Regel werden diese Substanzen chemisch modifiziert und damit besser wasserlöslich gemacht. Für den Metabolismus dieser Stoffe sind eine Vielzahl entgiftender Enzyme im Körper zuständig. Ihre Rolle wird um so deutlicher, wenn es sich bei den aufgenommenen Giftstoffen um mutagene oder genotoxische Substanzen handelt. Nur eine rasche Inaktivierung und Ausscheidung dieser Substanzen kann das Erkrankungsrisiko für den Körper minimieren.

Die klassische Entgiftungsreaktion findet in zwei Schritten statt (Nebert 1989; Goldenstein u. Faletto 1993; Gonzales u. Mitarb. 1993b; Wolf u. Mitarb. 1994). Die erste Phase beinhaltet die Addition einer polaren reaktiven Gruppe an das Substrat. Diese verwandelt das ursprünglich inerte Substrat in ein reaktives Intermediärprodukt, welches dann von Phase-2-Enzymen in ein wasserlösliches Produkt umgewandelt werden kann. Die Phase 1-Reaktion wird als vorbereitender Schritt zur Entgiftung angesehen, der Prozeß aber erst durch die Phase 2-Enzyme vollendet. Eine koordinierte Expression der Phase 1- und Phase 2-Enzyme ist für das Zusammenspiel der beiden Reaktionsschritte und damit für den effektiven Abbau von Giftstoffen und Karzinogenen essentiell (Abb1.).


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Abb. 1: Entgiftungsstoffwechsel

Die Enzyme, welche die Phase 1-Reaktionen katalysieren, entstammen nahezu ausschließlich der Cytochrom P450 Supergen-Familie (CYP), die auch als Monooxigenasen bezeichnet werden, da sie prokarzinogene Substrate durch die Addition eines einzelnen Sauerstoffatoms in ein aktives Epoxid umformen (Nebert 1989). Diese Enzyme haben eine breite Substratspezifität und daher eine geringe Substrataffinität. Phase 2-Reaktionen beinhalten die Konjugation des reaktiven Intermediärprodukts an endogene Substanzen wie Glukoronide, Wasser, Sulfate, Phosphate und Glutathion. Hauptvertreter der Phase 2-Enzyme sind Glutathion S-Transferasen (GST) und N-Azetyltransferasen. Die GST kommen in verschiedenen Formen vor und ihr Substratprofil überlappt sich stark (Mannervik u. Widersten 1995).

Ein interessantes Charakteristikum der Enzyme des Entgiftungsstoffwechsels ist, daß viele von ihnen genetische Variationen (Polymorphismen) aufweisen. Die unterschiedlichen Genotypen kodieren häufig Enzyme unterschiedlicher katalytischer Aktivität oder beeinflussen die Proteinexpression. Aus dem in Abb. 1 dargestellten Reaktionsablauf lassen sich nun Enzym-Kombinationen konstruieren, welche die Halbwertzeit des aktiven Metaboliten, der das für die Karzinomentstehung kritische Substrat darstellt, beeinflussen. So kann bei dieser Hypothese davon ausgegangen werden, daß im Falle von wenig aktiven CYP-Enzymen die aktiven Metaboliten langsam und kontinuierlich produziert werden. Verfügt eine


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Person mit dieser Phase 1-Konstellation über hoch aktive Phase 2-Enzyme, so wird der aktive Metabolit schnell zu dem harmlosen, wasserlöslichen Produkt weiterverarbeitet. Es resultiert eine kurze Halbwertzeit des aktiven Karzinogens. In einem solchen Fall kann von einer protektiven Enzym-Konstellation ausgegangen werden. Liegen umgekehrt hoch aktive Phase 1-Enzyme vor, die zu einer schnellen Anflutung des aktiven Metaboliten führen, der durch weniger aktive Phase 2-Enzyme langsam weiterverarbeitet wird, so läßt sich ein Hochrisikotyp postulieren (Abb. 1).

Aus dem peripheren Blut lassen sich die Leukozyten extrahieren und daraus die DNA gewinnen. Mittels Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) können die Genotypen der einzelnen CYP- und GST- Polymorphismen für alle Patienten und Kontrollpersonen bestimmt werden. So läßt sich jedem Individuum ein bestimmter Genotyp an dem polymorphen Genort eines Enzyms zuordnen. Da im Genom in der Regel 2 Kopien eines Gens vorliegen (sog. Allele), kann eine Person entweder homozygot für den Wildtyp (Vorliegen zweier nicht durch eine Mutation veränderter Genkopien), heterozygot (Nachweis der Mutation auf einem Allel) oder homozygot für die Mutation (Nachweis der Mutation auf beiden Allelen) sein.

Neben dem Entgiftungsstoffwechsel ist im Prozeß der Karzinogenese das körpereigene Abwehrsystem von großer Bedeutung. Das Zytokin TNFalpha wurde als Endotoxin beschrieben, welches im Rahmen der körpereigenen Antwort auf bestimmte Lipopolysaccharide oder Bacille Carmen Guerre gebildet wird und eine Tumornekrose in tumortragenden Mäusen bewirkt. Zytokine sind Moleküle mit regulatorischen Funktionen, die für die Einleitung und Unterhaltung spezifischer und unspezifischer Immunantworten verantwortlich sind (Carswell u. Mitarb. 1975; Old 1985; Vilcek u. Lee 1991). Obwohl viele Zelltypen TNFalpha produzieren können, sind Monozyten und Makrophagen die Hauptquelle von TNFalpha. Dieses Zytokin induziert in der Endothelzelle eine Reihe proinflammatorischer Veränderungen, die zur Produktion weiterer Zytokine, zur Bildung von Adhäsionsmolekülen und zur Freisetzung von prokoagulatorischen Substanzen führen. Diese Veränderungen können zum septischen Schock führen. Weiterhin stimuliert TNFalpha B- und T-Lymphozyten, induziert Fieber im Gehirn, unterdrückt die Lipoproteinlipase, führt durch Beeinflussung von Fettzellen zur Tumorkachexie und stimuliert Leberzellen zur Produktion von Akutphaseproteinen (Old


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1985; Larrick u. Mitarb. 1990). Unter den vielfältigen biologischen Charakteristika sind die Tumorwachstum-hemmenden Eigenschaften, mittels derer TNFalpha zytotoxisch und zytostatisch auf viele Tumorzellen wirkt, hervorzuheben.

Die Regulation der TNFalpha-Bildung erfolgt durch verschiedene Interleukine und andere hemmende Substanzen wie beispielsweise Kortikosteroide und Adenosin. Darüber hinaus gibt es verschiedene Genvariationen nahe den TNF-Genen, welche regulatorische Eigenschaften haben und die individuelle Fähigkeit beeinflussen, TNFalpha zu produzieren (Pocoit u. Mitarb. 1993). Die Gene von TNFalpha sind auf Chromosom 6p21 im Major Histokompatibility Complex (MHC) lokalisiert (Nedospasov u. Mitarb 1986; Udalova u. Mitarb. 1993). Diese Region ist nach der Struktur und Funktion der Gene in drei Klassen unterteilt. Die Klasse 1- und Klasse 2-MHC Gene bilden das telomere (Chromosomenperipherie) und zentromere (Chromosomenzentrum) Ende des Komplexes (Abb. 2). Sie kodieren sehr polymorphe Zelloberflächen-gebundene Glykoproteine des HLA-Systems, die Ziele bei der T-Zell- Erkennung fremder Oberflächenantigene sind. Polymorphismus ist ein sehr häufiges und wichtiges Charakteristikum der MHC-Gene. Er ist elementar für die biologische Funktion der Klasse 1- und Klasse 2-MHC-Gene (Webb u. Mitarb. 1990). Die Vererbung bestimmter Allelvarianten an diesen Genorten wird für eine Vielzahl von Immunregulationsstörungen verantwortlich gemacht, die u.a. bei dem Typ 1-Diabetes mellitus (Pocoit u. Mitarb. 1993), der Myasthenia gravis und dem systemischen Lupus erythematodes (SLE) eine Rolle spielen (Webb u. Mitarb. 1990; Fugger u. Mitarb. 1989). Die Klasse 3-MHC-Gene sind zwischen denen der Klasse 1 und 2 gelegen (Abb. 2) und kodieren eine Vielzahl verschiedener Moleküle wie Komplementfaktoren, die Nebennierensteroid 21-Hydroxylase, das Hitzeschockprotein HSP 70, TNFalpha und Lymphotoxin (TNFbeta) (Webb u. Mitarb. 1990). Die Strukturvariabilität ist bei den Klasse 3-Genen weniger ausgeprägt, jedoch sind auch hier in den Komplementfaktor-Genen und den TNF-Genen Variationen beschrieben worden, welche die individuelle TNFalpha- und TNFbeta-Produktion beeinflussen und somit bei der Immunabwehr bedeutsam sein können.


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Abb. 2: Schematisierte Genkarte des menschlichen MHC-Komplexes auf dem kurzen Arm von Chromosom 6

Neben den exogenen und möglicherweise endogenen Faktoren, die das individuelle Risiko für die Entstehung eines Kopf-Hals-Karzinoms bestimmen, wird auch der Verlauf der Erkrankung und damit die Prognose von vielen Einflüssen bestimmt. Aufgrund frühzeitiger Symptome werden glottische Larynxkarzinome häufig im Frühstadium diagnostiziert, in dem der Tumor noch organerhaltend operiert werden kann. Pharynxkarzinome werden hingegen meist erst in fortgeschrittenen Tumorstadien symptomatisch und sind meist mit einem zervikalen Lymphknotenbefall verbunden. Neben der Lokalisation, dem Stadium, der adäquaten Therapie und der Compliance des Patienten spielen die Aggressivität des Tumors sowie Reaktionen des Wirtsorganismus bei der Malignomerkrankung eine große Rolle (Chouaib. u. Mitarb. 1997). Vielfältige Anstrengungen sind unternommen worden, Marker zu definieren, die Aussagen über den Verlauf der Kopf-Hals-Karzinom-Erkrankung zulassen, um Hochrisikopatienten, beispielsweise für die Entwicklung von Tumorrezidiven und Zweitkarzinomen, frühzeitiger erkennen und effektiver behandeln zu können. Verbindungen zwischen chromosomalen Veränderungen im Tumorgenom und dem Krankheitsverlauf konnten bereits hergestellt werden (Bockmühl u. Mitarb. 1996; Califano u. Mitarb. 1996). Die in epidemiologischen Studien nachgewiesene familiäre Häufung von aggressiven Tumoren und Zweittumoren legt darüber hinaus die Existenz von genetischen Wirtsfaktoren (Copper u. Mitarb. 1995).


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Mon Sep 30 17:18:40 2002