Die Rolle des Carcinoembryonalen Antigens bei der Lebermetastasierung und therapeutische Ansätze
Abstract
Metastasierung ist ein hochkomplizierter und sequentieller Prozess, bei dem sich primärer Krebs auf sekundäre organische Stellen ausbreitet. Die Leber ist ein bekanntes Metastasierungsorgan von Darmkrebs. Carcinoembryonales Antigen (CEA) wird in den meisten Magen-Darm-, Brust- und Lungenkrebszellen exprimiert. Eine Überexpression von CEA steht in engem Zusammenhang mit Lebermetastasen, die die Haupttodesursache bei Darmkrebs sind. CEA wird häufig als diagnostischer und prognostischer Tumormarker bei Krebspatienten eingesetzt. Es beeinflusst viele Schritte der Lebermetastasierung von Darmkrebszellen. CEA hemmt den Tod zirkulierender Krebszellen. CEA bindet auch an das heterogene nukleare RNA-Bindungsprotein M4 (hnRNP M4), ein Rezeptorprotein der Kupffer-Zellen, und aktiviert die Kupffer-Zellen zur Sekretion verschiedener Zytokine, die die Mikroumgebung für das Überleben von Darmkrebszellen in der Leber verändern. CEA aktiviert auch zelladhäsionsbezogene Moleküle. Die enge Korrelation zwischen CEA und Krebs hat die Erforschung zahlreicher CEA-gerichteter Ansätze als Krebstherapeutika vorangetrieben. Das Verständnis der detaillierten Funktionen und Mechanismen von CEA bei der Lebermetastasierung wird große Chancen für die Verbesserung von Krebsbekämpfungsansätzen gegen kolorektale Karzinome bieten. In diesem Bericht werden die Rolle von CEA bei der Lebermetastasierung und auf CEA abzielende Krebsbehandlungsmethoden untersucht.
1. Einleitung
Das kolorektale Karzinom (CRC) ist in den meisten Industrieländern weltweit ein Gesundheitsproblem. Global gesehen ist er die dritthäufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle. Nach Angaben des World Cancer Research Fund International (http://www.wcrf.org) wurden im Jahr 2012 etwa 1,4 Millionen neue Fälle von Darmkrebs diagnostiziert. Darmkrebs wird bei fast 10 % aller Krebserkrankungen nach Lungenkrebs (13 %) und Brustkrebs (12 %) diagnostiziert und ist die dritthäufigste Krebsart bei Männern und die zweithäufigste bei Frauen. Südkorea hat die höchste Rate an diagnostizierten Darmkrebserkrankungen (45 Personen pro Million), gefolgt von der Slowakei (42,7 Personen pro Million) und Ungarn (42,3 Personen pro Million). Etwa 54 % der Fälle treten in höher entwickelten Ländern auf. Die höchste Inzidenz von Darmkrebs wird aus Ozeanien und Europa gemeldet, während die niedrigste Inzidenz in Afrika und Asien zu verzeichnen ist. Die Inzidenz- und Diagnoseraten des kolorektalen Karzinoms sind aufgrund veränderter Ernährungsgewohnheiten und der zunehmenden Prävalenz von Fettleibigkeit und Rauchen allmählich gestiegen. Die Hauptursache für Todesfälle im Zusammenhang mit Darmkrebs sind Lebermetastasen, die je nach Fortschreiten des Krebses bei 20 bis 70 % der Patienten auftreten. Nur ein kleiner Teil der Lebermetastasen ist mit den derzeitigen therapeutischen Behandlungen behandelbar.
Carcinoembryonales Antigen (CEA, auch bekannt als CEACAM5 oder CD66e) wurde in bösartigen Tumoren des endodermalen Epithels des Magen-Darm-Trakts und der Bauchspeicheldrüse entdeckt. Seit der Entdeckung von CEA vor fast fünf Jahrzehnten hat sich gezeigt, dass es in der Mehrzahl der menschlichen Karzinome überexprimiert wird. CEA weist immunglobulinähnliche Struktureigenschaften und viele Glykosylierungsmodifikationsstellen auf. Die enge Beziehung zwischen CRC und CEA-Expression hat dazu geführt, dass CEA als Tumormarker verwendet wird. Die Messung des CEA-Spiegels im Serum ist für die Diagnose von Darmkrebs klinisch nützlich und zuverlässig. Ein erhöhter CEA-Spiegel ist ein prognostischer Indikator für den Zustand von Darmkrebs-Patienten. Beim kolorektalen Karzinom ist die Leber der Hauptort der Metastasierung. Eine Überexpression von CEA wird mit Lebermetastasen in Verbindung gebracht. CEA unterstützt auch mehrere Schritte der CRC-bedingten Lebermetastasierung. Insbesondere fünf Aminosäuren (Pro-Glu-Leu-Pro-Lys, PELPK) zwischen der N- und A1-Domäne von CEA sind für die Lebermetastasierung von entscheidender Bedeutung.
CEA beeinflusst die Lebermetastasierung hauptsächlich durch drei Schritte. Im ersten Schritt schützt CEA zirkulierende Dickdarmkrebszellen vor dem Tod im Blut. Wenn Zellen aus dem Gewebe herausgelöst werden, wird der Anoikis-vermittelte Zelltod ausgelöst. CEA kann jedoch den zirkulierenden Zelltod durch Hemmung der Anoikis verhindern. Im zweiten Schritt bindet CEA an das heterogene nukleare RNA-Bindungsprotein M4 (hnRNP M4), ein Rezeptorprotein der Kupfferzellen. Kupfferzellen sind Makrophagen, die die Leber schützen. Nach der Bindung von CEA an hnRNP M4 verändern die Kupffer-Zellen die Mikroumgebung der Leber zugunsten von CRC-Zellen, was die Wahrscheinlichkeit der Metastasierung erhöht. Im dritten Schritt regelt CEA die Zelladhäsionsmoleküle für die Metastasierung hoch.
Obwohl eine Fülle von experimentellen und klinischen Daten die wichtige Rolle von CEA bei der Lebermetastasierung von CRC-Zellen dokumentiert hat, sind die detaillierten Mechanismen der CEA-vermittelten Lebermetastasierung noch nicht geklärt. Aufgrund der engen Beziehung zwischen CEA und der Lebermetastasierung wurden verschiedene therapeutische Ansätze erprobt, die die Funktion von CEA blockieren können. Diese Übersicht konzentriert sich auf den aktuellen Wissensstand über die CEA-vermittelte Regulierung der Lebermetastasierung und auf CEA-gerichtete Ansätze für die Krebstherapie.
2. CEA
CEA ist ein Mitglied der Immunglobulin (Ig)-Superfamilie von Proteinen. Die menschliche CEA-Genfamilie umfasst 29 Gene/Pseudogene, von denen 18 exprimiert werden. Mehrere Gene der CEA-Genfamilie werden auch in anderen Säugetieren wie Mäusen, Ratten und Hunden exprimiert. Die CEA-Genfamilie kann aufgrund der Sequenzähnlichkeiten und Funktionen in drei Gruppen unterteilt werden: die Gruppe der CEA-verwandten Zelladhäsionsmoleküle (CEACAM), die Gruppe der schwangerschaftsspezifischen Glykoproteine (PSG) und die Pseudogengruppe.
Die CEACAM-Gruppe besteht aus einer einzigen N-terminalen Domäne und maximal sechs disulfidverknüpften internen Domänen. Die Gruppe umfasst 12 Proteine (CEACAM1, 3-8, 16, 18-21) (Abbildung 1). Ihre N-terminale Domäne ist der Antigenerkennungsdomäne von Ig ähnlich. Andere Domänen der CEACAM-Gruppe ähneln den Ig-Domänen vom C2-Typ. Die extrazellulären Domänen der CEACAM-Gruppe fungieren als homophile und heterophile zelluläre Adhäsionsmoleküle oder Rezeptoren. Mitglieder der CEACAM-Gruppe können als Dimere oder Oligomere mit anderen Membranmolekülen zusammenwirken, die unterschiedliche Funktionen haben. CEACAM1, CEA (CEACAM5) und CEACAM6 wurden im Hinblick auf das Fortschreiten von Krebs untersucht. Im Gegensatz zu CEA und CEACAM6 verfügt CEACAM1 über eine Transmembrandomäne und weist alternative Spleißvarianten auf. Das Expressionsverhältnis der langen (CEACAM1-L) und der kurzen (CEACAM1-S) Isoform von CEACAM1 steht im Zusammenhang mit der Tumorentstehung.
Die Lebermetastasierung ist am engsten mit CEA verbunden. Das Molekulargewicht des CEA-Proteins in normalen Zellen beträgt 72 kDa. In Krebszelllinien und bei Patienten wurde jedoch CEA mit einem Molekulargewicht von etwa 180 bis 200 kDa nachgewiesen, was auf die zahlreichen Glykosylierungsmodifikationsstellen und die unterschiedlichen Glykosylierungsmuster in Krebszellen zurückzuführen ist. Andere Modifikationsstellen als die Glykosylierung wurden nicht gemeldet. CEA ist ein mit Glycophosphatidylinositol (GPI) verknüpftes membranverankerndes Protein, das an der Zelloberfläche, die der extrazellulären Matrix zugewandt ist, exponiert ist. Die membranverankernde Region von CEA kann durch Phospholipase C und Phospholipase D gespalten werden. Die gespaltenen Produkte sind löslich und zirkulieren in den Blutgefäßen. Somit kann CEA in sekretierten und an der Zelloberfläche verankerten Formen vorliegen.
CEA wird funktionell mit zellulärer Interaktion, Zelladhäsion, Immunantwort, Anoikis-Resistenz und der Förderung von Lebermetastasen in Verbindung gebracht. Eine Überexpression von CEA wird mit vielen Krebsarten in Verbindung gebracht, darunter Magen-Darm-, Atemwegs-, Urogenitalsystem- und Brustkrebs . CEA kommt in der apikalen Membran von normalem Gewebe vor, ist jedoch bei Darmkrebs überexprimiert und nimmt bei Darmkrebspatienten die gesamte Oberfläche der Zellmembranen ein.
CEA ist einer der ältesten und am häufigsten verwendeten Tumormarker zur Überwachung des Wiederauftretens von Tumoren nach chirurgischer Resektion und zur Prognose. Ein geringer Anstieg der CEA-Konzentration kann bis zu einem Jahr vor dem Auftreten klinischer Symptome als Vorhersage für ein Rezidiv nach einer kurativen Operation des kolorektalen Karzinoms dienen. Fortschritte bei neuen Bildgebungs- und Targeting-Techniken haben andere Tumormarker zutage gefördert. CEA ist jedoch nach wie vor der zuverlässigste und empfindlichste Biomarker für Darmkrebs. Das Expressionsniveau von CEA im Serum ist ein wichtiger Faktor für die Stadieneinteilung von Dickdarmkrebs und für die Entscheidungsfindung hinsichtlich künftiger therapeutischer Strategien. Die CEA-Protein- und mRNA-Expressionswerte im Serum sind nützliche Frühmarker für das Wiederauftreten von Bauchspeicheldrüsenkrebs und CRC-Patienten. Erhöhungen des CEA-Serumspiegels um 50-60 % können auftreten. CEACAM1, CEACAM6 und NCA-90 werden auch zur Vorhersage von Tumorrezidiven bei Brust-, Lungen- und Darmkrebs verwendet.
CRC-bedingtes und überexprimiertes CEA zirkuliert durch die Blutgefäße und gelangt in die Leber. Dort beeinflusst es wahrscheinlich mehrere Schritte der Lebermetastasierung. CEA schützt vor dem Anoikis-vermittelten Zelltod von zirkulierenden CRC-Zellen. CEA kann auch die Lungenmetastasierung beeinflussen. Diese Übersicht konzentriert sich auf die Rolle von CEA beim Überleben von Darmkrebszellen im Lebergewebe und bei der Lebermetastasierung von Darmkrebs.
3. CEA und Lebermetastasierung
Metastasierung ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem sich bösartige Zellen von der ursprünglichen Tumorstelle ausbreiten und entfernte Organstellen besiedeln. Die Metastasierungskaskade umfasst sehr komplizierte zellbiologische Vorgänge. Um zu metastasieren, müssen Krebszellen strenge Stimuli aus der benachbarten Umgebung ertragen und eine Reihe von Schritten durchlaufen. Zu diesen Schritten gehören die lokale Invasion von Krebszellen in die umgebende extrazelluläre Matrix (ECM) und Stromazellschichten, die Intravasation in Blutgefäße, das Überleben und die Zirkulation in Blutgefäßen, die Arretierung an entfernten Organstellen, die Extravasation in das Parenchym entfernter Gewebe, das anfängliche Überleben in fremden Mikroumgebungen und die erneute Initiierung der Proliferation an metastatischen Stellen, um makroskopische und klinisch nachweisbare neoplastische Wucherungen zu erzeugen.
Theoretisch können sich zirkulierende Krebszellen, die vom Primärkrebs stammen, in einer Vielzahl von Sekundärgeweben und -organen ausbreiten und dort überleben. Allerdings wurde die Metastasierung nur in einer begrenzten Untergruppe von Zielorganen beobachtet. Die Mikroumgebung des Wirts könnte einer der wichtigsten Faktoren und Hauptfaktoren für das Überleben von Krebszellen in fremden Geweben sein. Krebszellen, die aus einem bestimmten Organ stammen, könnten bevorzugte Ziele für die Metastasierung haben. Die wichtigsten Organe für die Metastasierung von Darmkrebs sind die Leber und die Lunge, während die wichtigsten Organe für die Metastasierung von Brustkrebs die Knochen, die Lunge, die Leber und das Gehirn sind. Nahezu 80 % der Metastasen, die bei CRC auftreten, sind auf die Leber gerichtet. CRC breitet sich nur selten in den Knochen aus. Während der Metastasierung erlangen Krebszellen die Fähigkeit, die Mikroumgebung zu verändern, um ihr Überleben in sekundären Organen zu begünstigen. Entzündungsreaktionen, die von benachbarten Stromazellen oder von Makrophagen, die von Krebszellen rekrutiert werden, hervorgerufen werden, sind die wichtigsten Faktoren für das Überleben der Zellen in fremden Geweben und die anschließende Metastasierung. Viele immunbezogene Genexpressionsniveaus werden durch die Metastasierung beeinflusst.
Eine direkte Beziehung zwischen der CEA-Produktion und dem Metastasierungspotenzial der Leber wurde für menschliche Dickdarmkrebszellen dokumentiert. Die Injektion von CEA in Mäuse vor der Injektion von schwach metastasierenden Krebszellen kann die Lebermetastasierung der injizierten Zellen erhöhen. Schwach metastatische Dickdarmkrebszelllinien können nach Transfektion mit CEA cDNA hochgradig metastatisch werden. Umgekehrt kann die Hemmung der CEA-Expression das Lebermetastasierungspotenzial von Darmkrebszellen verringern. CEA hat einen Aminosäureblock aus Pro-Glu-Leu-Pro-Lys (PELPK), der sich an den Positionen 108-112 zwischen der N- und A1-Domäne der Scharnierregion von CEA befindet. Die Penta-Peptid-Aminosäuresequenz PELPK ist das Bindungsmotiv von CEA für Kupffer-Zellen, das mit der Initiierung der Metastasierung und dem mesenchymal-epithelialen Übergang (MET) der hepatischen Metastasierung aus zirkulierenden CRC-Zellen in Verbindung gebracht wird .
Die Einflüsse von CEA auf die Lebermetastasierung umfassen das Überleben von zirkulierenden Tumorzellen in Blutgefäßen, die Aktivierung von Kupfferzellen durch Bindung an hnRNP M4, ein Membranprotein der Kupfferzellen, veränderte Mikroumgebungen in der Leber sowie die Adhäsion und das Überleben von zirkulierenden CRC-Zellen in der Leber.
3.1. Überleben von zirkulierenden Tumorzellen durch CEA
Mit Ausnahme der zirkulierenden blutverwandten Zellen halten sich die meisten Zellen in der Nähe von Geweben auf. Dies ermöglicht eine effiziente Kommunikation zwischen benachbarten Zellen und der ECM, um wichtige Signale für Wachstum und Überleben zu liefern. Wenn sich Zellen von der ECM ablösen, verlieren sie die normalen Zell-Matrix-Interaktionen und die Zellpolarität. Sie können sich einer Anoikis unterziehen, einem Apoptoseprozess, der durch die Ablösung der verankerungsabhängigen Zellen von der umgebenden Umgebung oder der ECM ausgelöst wird. Die Metastasierung in entfernte sekundäre Organe erfordert, dass die Tumorzellen den Anoikis-vermittelten Zelltod überwinden und in den Blutgefäßen überleben.
Der Anoikis-vermittelte Zelltod ist mit dem Verlust der Integrin-vermittelten Zelladhäsionssignalisierung verbunden. Abgelöste Zellen können den Tumor-Nekrose-Faktor- (TNF-) verwandten Apoptose-induzierenden Liganden (TRAIL), den TRAIL-R2-Liganden und den Todesrezeptor 5 (DR5), ein Schlüsselprotein für die Anoikis in Dickdarmkrebszelllinien, produzieren. Zelloberflächen-CEA kann Krebszellen bei Darmkrebspatienten vor Anoikis schützen, indem es direkt an DR5 bindet und so Zelltodsignale in zirkulierenden Tumorzellen blockiert. Das PELPK-Penta-Peptid von CEA ist ebenfalls entscheidend für die Bindung von CEA an DR5; die Bindung hemmt DR5-vermittelte nachgeschaltete Zelltod-Signaltransduktionen.
Zelloberflächen-CEA kann auch direkt mit dem transformierenden Wachstumsfaktor-β (TGF-β) Typ-I-Rezeptor (TBRI) interagieren. Die Interaktion verändert den nachgeschalteten TGF-β-Signalweg und erhöht die Proliferation von Tumorzellen . Anders als bei der Interaktion zwischen CEA und DR5 ist unklar, ob die PELPK-Sequenz an der Interaktion zwischen CEA und TBRI beteiligt ist.
CEACAM6 schützt auch viele Arten von Zelllinien vor Apoptose und Anoikis . CEACAM1 wird mit Apoptose in Brust- und Dickdarmkrebszelllinien in Verbindung gebracht. CEA und CEACAM6 sind antiapoptotische Funktionsproteine, während CEACAM1 an der Apoptose beteiligt ist. Die molekulare Natur dieser umgekehrten Funktionen ist unklar.
3.2. Arretierung von zirkulierenden Tumorzellen in der Leber durch Bindung von CEA an hnRNP M4 in Kupffer-Zellen und Aktivierung von Kupffer-Zellen durch CEA für Lebermetastasen
In der Metastasierungskaskade werden zirkulierende Tumorzellen in entfernten Organen arretiert. Zunächst treffen sie auf Makrophagen, die durch die Differenzierung von Monozyten in Geweben entstehen. Sowohl Monozyten als auch Makrophagen haben phagozytische Eigenschaften. Die Hauptaufgabe der Makrophagen ist die Phagozytose, ein Prozess der Aufnahme und Verdauung von Zelltrümmern oder Krankheitserregern. Dadurch wird das parenchymale Gewebe schließlich vor Reizen und Schäden geschützt. Makrophagen stimulieren auch Lymphozyten und andere Immunzellen, um auf Krankheitserreger zu reagieren. Kupfferzellen sind hepatische Makrophagen, die über den portalen Kreislauf in die hepatischen Sinusoide gelangen. Kupffer-Zellen sind dem Lumen der Sinusoide zugewandt und stehen in direktem Kontakt mit dem portalen Kreislauf. Die Zellen entfernen chemische Verbindungen und tote oder geschädigte Zellen, eliminieren Bakterien und schützen die Leber vor dem Eindringen von Tumorzellen. Erhöhte Konzentrationen von zirkulierendem CEA, das von CRC-Zellen sezerniert wird, können die Funktionen der Kupffer-Zellen aktivieren, was ein kritischer Schritt bei der Lebermetastasierung von CRC-Zellen ist.
Kupffer-Zellen exprimieren das hnRNP M4-Protein. Das Protein ist ein CEA-Rezeptor und wird ubiquitär exprimiert. Normalerweise ist es im Zellkern lokalisiert. Kupfferzellen, andere terminal differenzierte Makrophagen wie Lungen-Alveolarmakrophagen und einige Krebszellen, darunter die menschliche CRC-Zelllinie HT29, exprimieren hnRNP M4 auf der Zelloberfläche. Was hnRNP M4 auf die Zelloberfläche lenkt, ist unbekannt. Kupffer-Zellen exprimieren zwei alternative Splicing-Varianten von hnRNP M4. Beide binden an CEA. Die Hauptaufgaben von hnRNP sind die Regulierung der mRNA-Verarbeitung, des alternativen Spleißens, der mikroRNA-Biosynthese und des mRNA-Transports vom Zellkern ins Zytoplasma. Im Gegensatz dazu hat hnRNP M4 eine einzigartige Funktion in Kupffer-Zellen und Lungen-Alveolarmakrophagen als Rezeptor für CEA . Die PELPK-Peptidsequenz von CEA ist wichtig für die Bindung an hnRNP M4. Andere Proteine, die die PELPK-Sequenz enthalten und mit hnRNP M4 reagieren, wurden nicht gefunden.
Kupfferzellen können zirkulierendes CEA im Blut beseitigen. Insbesondere die Leber- oder Lungenmetastasierung von CRC-Zellen beginnt mit der Bindung von CEA und der hnRNP M4-vermittelten zellulären Aufnahme von CEA. Patienten, die PELPK-mutiertes CEA produzieren, haben sehr hohe CEA-Serumspiegel. Darüber hinaus zeigt das mutierte CEA bei Versuchstieren eine geringere Ausscheidungsrate aus dem Blutkreislauf, was darauf hindeutet, dass PELPK bei der Bindung von CEA an hnRNP M4 und der zellulären Aufnahme in Kupfferzellen eine wichtige Rolle spielt.
Kupfferzellen werden durch die Interaktion mit CEA aktiviert. Die aktivierten Zellen induzieren die Überexpression von Zytokinen und verändern die Mikroumgebung, so dass zirkulierende kolorektale Tumorzellen in der Leber überleben können. Aktivierte Kupffer-Zellen produzieren eine Reihe von Zytokinen, Chemokinen, Proteinen und Metaboliten. Dazu gehören Interleukin- (IL-) 1-α, IL-1-β, IL-6 und IL-10; Interferon-γ (IFN-γ); TGF-β; TNF-α; plättchenaktivierender Faktor (PAF); monozytenchemotaktisches Protein-1 (MCP-1); Makrophagenentzündungsprotein (MIP-1); Matrix-Metalloproteinase (MMP-) 1, MMP-7 und MMP-13; Sauerstoff- und Stickstoffspezies, einschließlich Superoxid, Wasserstoffperoxid und Stickstoffoxid, sowie die Lipidmetaboliten Prostaglandin D2 und E2. Interleukine und TNF-α sind besonders wichtige Zytokine für die Aktivierung der Kupfferzellen. Ihre Produktion in lokalisierten Mikroumgebungen innerhalb des hepatischen Sinusoids hat verschiedene biologische Wirkungen.
Die Zelladhäsion ist entscheidend dafür, dass zirkulierende Tumorzellen festgehalten werden und in entfernten Sekundärorganen überleben können. Kupfferzellen, die durch die Bindung von CEA aktiviert werden, können IL-1-β und TNF-α produzieren, die die Adhäsion von CRC-Zellen an Endothelzellen erhöhen können. Die Erzeugung von Zytokinen aus menschlichen Kupffer-Zellen führt zu einer Überexpression von Zelladhäsionsmolekülen wie ICAM-1, VCAM-1 und E-Selektin in Endothelzellen, die in einem Multizell-Kokultursystem nachgewiesen werden können, das mit CEA-produzierenden Darmkrebszellen, Kupffer-Zellen und Endothelzellen inkubiert wird.
Die Ansammlung von zirkulierenden Tumorzellen in der Leber kann die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erhöhen, um Tumorzellen zu entfernen. NO und ROS spielen eine wichtige Rolle bei der Makrophagen-vermittelten Immunität. Sie beeinflussen krebsbedingte zelluläre Funktionen wie Zellüberleben, Intravasation und Angiogenese. Die Regulierung des NO-Spiegels ist ein klinisch wichtiges Mittel zur Kontrolle des Krebsfortschritts. NO und ROS wirken sich negativ auf die Leber aus und führen zu einem durch die Immunreaktion vermittelten Tod von CRC-Zellen. CEA-aktivierte Kupffer-Zellen können das entzündungshemmende Zytokin IL-10 freisetzen, das für das Überleben von Tumorzellen wichtig ist, da es die Hochregulierung der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase und die Produktion von NO und ROS hemmt. Das von aktivierten Kupffer-Zellen ausgeschüttete IL-6 kann die Metastasierung durch den Hepatozyten-Wachstumsfaktor (HGF) fördern. Im Serum von Darmkrebs-Patienten wurde eine Korrelation zwischen der Expressionshöhe von CEA und IL-6 festgestellt.
Die Lebermetastasierung bei Darmkrebs erfordert eine Reihe von Schritten. Zirkulierende CRC-Zellen, die CEA exprimieren, können die Anoikis im Blut blockieren. Sie können in der Leber auf Kupffer-Zellen treffen und die Mikroumgebung der Leber so verändern, dass sich ein Tumor bildet. Wie CEA die verschiedenen Schritte der Lebermetastasierung beeinflusst, z. B. wie die Interaktion von CEA mit Kupffer-Zellen die Signaltransduktion auslöst und die Zellen aktiviert, bleibt unklar.
3.3. Aktivierung von Zelladhäsionsproteinen durch CEA
Die Adhäsion von Zelle zu Zelle ist entscheidend für die Kommunikation mit Nachbarzellen und die Gewebestruktur. CEA, das als GPI-verknüpftes Membranverankerungsprotein vorliegt, fungiert als Zell-zu-Zell-Adhäsionsmolekül, das Epithelzellmembranen verbindet und bei der Zellclusterbildung eine Rolle spielt. GPI-verknüpftes CEA beeinflusst auch die interzelluläre Adhäsion durch antiparallele reziproke Selbstinteraktion. CEA fungiert als Zelladhäsionsmolekül durch die homophile Interaktion von CEA mit CEA oder CEA mit CEACAM1 oder durch die heterophile Interaktion von CEACAM6. Für homophile und heterophile Interaktionen ist eine Interaktion der N-Domäne mit variablen Ig-Domänen und der A3B3-Domäne des Gegenstücks CEA erforderlich. Dieses Phänomen ist eine einzigartige Eigenschaft von CEA. Obwohl die Funktionen der A3B3-Domäne nicht vollständig charakterisiert sind, gibt es in der A3B3-Domäne 28 mit Asparagin verknüpfte hochglykosylierte Stellen. Ob diese Modifikationen für die antiparallele reziproke Selbstinteraktion wichtig sind, ist unklar.
Zelloberflächen-CEA stört die Gewebsarchitektur und hemmt die Differenzierung und Anoikis durch die Aktivierung des Integrin-Signalwegs . In der Zellmembran kolokalisieren GPI-verknüpftes CEA und α5β1-Integrin. Das α5β1-Integrin ist der Hauptrezeptor der ECM. Daher erhöht seine Kolokalisierung mit CEA die Bindung von Zellen an Fibronektin und aktiviert nachgeschaltete Signale durch die Regulierung der PI3K- und AKT-Aktivität. Die N-Domänen-Deletionsmutante von CEA ist nicht in der Lage, sich selbst zu binden oder zu clustern, während die N-Domänen-Deletionsmutante von CEA mit dem α5β1-Integrin auf der Zelloberfläche kolokalisieren kann. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die N-Domäne von CEA für die Kolokalisierung von CEA und α5β1-Integrin entbehrlich ist.
Glykosylierung ist eine der häufigsten posttranslationalen Modifikationen von Proteinen. Glykosylierte Proteine spielen in Tumorzellen eine entscheidende Rolle. Die Überexpression von Glykosyltransferasen ist ein Tumormerkmal und kann als Tumormarker verwendet werden. Glykosylierungsmodifiziertes CEA wird in Dickdarmkrebstumoren im Vergleich zu normalem Gewebe stark exprimiert. Tumorspezifisches glykosyliertes CEA kann mit dem dendritischen Zell-spezifischen interzellulären Adhäsionsmolekül-3-grabbing nonintegrin (DC-SIGN) interagieren. Diese Interaktion wird durch die Bindung von DC-SIGN an Lewis(x) und Lewis(y) vermittelt, die in CEA von Darmkrebszellen in hohen Mengen vorhanden sind. Die Interaktion von Tumor-CEA und DC-SIGN könnte tumorspezifische Immunantworten von dendritischen Zellen unterdrücken und so zur Tumorprogression beitragen. Die von CEA beeinflussten biologischen Ereignisse bei der Lebermetastasierung sind in Abbildung 2 zusammengefasst.
4. Zielgerichtete therapeutische Ansätze für CEA
Seit der Entdeckung, dass die Überexpression von CEA stark mit dem Fortschreiten des kolorektalen Karzinoms und der Lebermetastasierung assoziiert ist, wurde versucht, CEA als therapeutischen Ansatz zur Krebsbekämpfung zu nutzen. Verschiedene Instrumente, die auf CEA abzielen, wurden entwickelt und klinisch erprobt; dazu gehören Impfstoffe, dendritische Zellen und Antikörper.
Am intensivsten wurden Impfstoffe entwickelt. Die Immunisierung mit Vaccinia-Viren, die rekombinantes CEA exprimieren, kann das Wachstum von Tumoren, die mit dem CEA-Gen transduziert wurden, in einem syngenen Mausmodell deutlich reduzieren. Impfstoffe wurden entwickelt, um Immunreaktionen gegen tumorspezifische Antigene oder tumorassoziierte Antigene auszulösen, mit dem Ziel, das Fortschreiten von Krebserkrankungen zu hemmen, die eines der beiden Antigene exprimieren. Künstlich hergestellte Viren oder DNA-Vektoren, die CEA exprimieren, wurden als Impfstoffe entwickelt, um eine Immunreaktion gegen CEA-exprimierende Krebszellen auszulösen. Auf dendritischen Zellen basierende Impfstoffe wurden ebenfalls entwickelt, indem dendritische Zellen mit CEA-Peptid oder mRNA beladen wurden, um CEA-spezifische T-Zell-Reaktionen zu induzieren. Rekombinante Impfstoffe auf Virus- oder DNA-Basis sowie Impfstoffe auf der Basis dendritischer Zellen haben eine starke Immunantwort auf CEA gezeigt, was bei einigen Krebspatienten zu einer Verzögerung des Tumorwachstums und einer Verlängerung des Überlebens führte. In dieser Studie gelang es jedoch in den meisten Fällen nicht, den Tumor durch die Impfung zu entfernen, was wahrscheinlich auf die hemmende Wirkung der Mikroumgebung des Tumors auf die Immunantwort zurückzuführen ist. Um die Wirkung von Krebsimpfstoffen zu optimieren, ist daher eine gleichzeitige Behandlung mit Arzneimitteln erforderlich, die die immunsuppressiven Effekte hemmen können.
CEA-spezifische, auf Antikörpern basierende Ansätze sind ebenfalls intensiv untersucht worden, um das Fortschreiten von Krebs zu hemmen. Verschiedene zielspezifische Antikörper sind als Arzneimittel entwickelt worden. Viele von ihnen, insbesondere die gegen Krebs und Rheuma, sind bereits im Handel erhältlich und sehr beliebt. CEA-spezifische Antikörper können das Fortschreiten von Krebs und die Metastasierung in Tiermodellen wirksam hemmen. Die Behandlung mit CEA-spezifischen Antikörpern allein hat in klinischen Versuchen nur minimale Wirkungen gezeigt, was höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass sie nur schlecht in den Tumor eindringen und die hochaffinen Antikörper mit dem frei zirkulierenden CEA schnell abgebaut werden. Um die krebsbekämpfende Wirkung zu verstärken, wurden CEA-Antikörper mit verschiedenen Molekülen wie Radioisotopen, Immunotoxinen, Zytokinen und zytotoxischen Enzymen konjugiert. Bei den kürzlich entwickelten kombinatorischen Therapien wurden bispezifische CEA- und T-Zell-Antikörper oder bispezifische Antikörper in Kombination mit Antikörpern gegen Immun-Checkpoint-Moleküle wie Anti-PD-1- oder Anti-PD-L1-Antikörper eingesetzt. Die kombinatorischen Ansätze zeigten in klinischen Studien effektivere krebsbekämpfende Wirkungen, indem sie die Rekrutierung von T-Zellen und die Abtötung von Tumoren maximierten.
Trotz der verschiedenen werkzeugbasierten CEA-gerichteten Krebsbekämpfungsansätze sind die tumorgerichteten und tumorunterdrückenden Aktivitäten noch immer begrenzt. Die meisten wirksamen CEA-Tools beruhen auf der Induktion einer Immunreaktion gegen CEA. Im Gegensatz dazu wurden bisher nur wenige Medikamente entwickelt, die direkt auf CEA abzielen. Ein neuer therapeutischer Ansatz gegen Lebermetastasen wurde durch die Identifizierung eines antimetastatischen, CEA-spezifischen RNA-Aptamers entwickelt. Ein Aptamer ist eine einzelsträngige DNA- oder RNA-Nukleinsäure, die an spezifische molekulare Ziele wie Proteine, Chemikalien, Ionen und Zellen binden kann. Sie können durch In-vitro-Selektionsmethoden identifiziert werden, die als systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung (SELEX) bezeichnet werden. Aptamere haben im Vergleich zu Antikörpern therapeutische Vorteile wie geringe Größe, hohe Affinität und Spezifität, Eindringen in das Tumorgewebe, effiziente chemische Synthese und Konjugation sowie geringe Immunogenität. Aptamere haben auch vorteilhafte Eigenschaften für die Krebstherapie und die Bildgebung, wie z. B. die schnelle Aufnahme in den Tumor, die schnelle Ausscheidung aus dem Blut und die langfristige Speicherung im Tumor. CEA-spezifische Aptamer können spezifisch an die oben erwähnten PELPK-Penta-Peptid-Aminosäuren binden, die eine wichtige Rolle bei der Lebermetastasierung und Anoikis-Resistenz spielen. Wichtig ist, dass ein Aptamer das Volumen von Lebermetastasen aus Dickdarmkrebszellen in Mausmodellen effizient reduzieren kann. Die Bindung eines CEA-Aptamers mit der PELPK-Penta-Peptidsequenz kann die Bindungsfähigkeit von CEA mit hnRNP M4 oder DR5 hemmen, was die Lebermetastasierung blockiert und Krebszellen eine Anoikis-Empfindlichkeit verleiht. Darüber hinaus kann die aptamer-spezifische Bindung an das CEA-Protein und an die CEA-exprimierende Zelloberfläche als Instrument für das Targeting und die Erfassung von Zellen, die Diagnose und die molekulare Bildgebung nützlich sein. Die Anoikis-Resistenz zirkulierender Krebszellen, die durch die Hochregulierung von CEA verursacht wird, kann eine Arzneimittelresistenz hervorrufen. Daher können CEA-gerichtete Aptamer, die allein oder in Kombination mit Chemotherapeutika verwendet werden, wie z. B. eine Mischung aus Aptamer und Medikamenten oder Aptamer-Wirkstoff-Konjugate, eine nützliche Methode zur Bekämpfung der Metastasierung sein.
5. Schlussfolgerung
Metastasierung ist eine große Hürde, die es bei der Heilung von Krebserkrankungen zu überwinden gilt. Im Gegensatz zu primären Krebserkrankungen ist die durch Metastasen vermittelte Ausbreitung von sekundären Krebserkrankungen schwer zu beseitigen. Außerdem treten sie leicht wieder auf. Es wurde ein Zusammenhang zwischen der CEA-Expression in Krebszellen und der Metastasierung bestätigt. Die PELPK-Region zwischen der N- und A1-Domäne der Scharnierregion von CEA ist wichtig für die Lebermetastasierung von Darmkrebs. Sie schützt zirkulierende CRC-Zellen vor Anoikis in Blutgefäßen und orchestriert die Funktionen von Kupffer-Zellen, um die Mikroumgebung der Leber in eine metastasenfreundliche Umgebung zu verwandeln und so das Überleben von Krebszellen in der Leber zu fördern.
CEA-Überexpression wird mit vielen Krebsarten in Verbindung gebracht. CRC-Patienten weisen eine hohe Expression von CEA auf. CEA wird als Tumormarker nach einer Krebstherapie oder Operation bei Krebspatienten eingesetzt. Die Überwachung und Messung des zirkulierenden CEA-Spiegels ist für die Patientenprognose und -diagnose nützlich. Da CEA aufgrund seiner starken Korrelation mit dem Fortschreiten der Krebserkrankung, der Metastasierung und der Medikamentenresistenz ein klinisch bedeutsames Ziel ist, werden derzeit verschiedene klinische Versuche unternommen, um verschiedene auf CEA abzielende Krebsmedikamente zu entwickeln.
Die Einzelheiten darüber, wie CEA die Metastasierung in der Leber aus zirkulierenden CRC-Zellen unterstützt, bleiben vage. Dennoch haben die zunehmenden experimentellen Daten auf die wichtige Rolle von CEA bei der Metastasierung und Tumorentstehung hingewiesen. Es wird erwartet, dass ein besseres Verständnis der detaillierten Funktionen, Mechanismen und der Regulierung von CEA zur Entwicklung wirksamerer Modalitäten gegen Krebs führen wird.
Interessenkonflikte
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.
Danksagungen
Diese Studie wurde durch Zuschüsse der National Research Foundation of Korea durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunftsplanung (2012M3A9B6055200, 2015R1A2A1A15054252) unterstützt.