The Roles of Carcinoembryonic Antigen in Liver Metastasis and Therapeutic Approaches
Abstract
Metastase is een zeer gecompliceerd en opeenvolgend proces waarbij primaire kanker zich verspreidt naar secundaire organische plaatsen. Lever is een bekend metastatisch orgaan van colorectale kanker. Carcino-embryonaal antigeen (CEA) komt tot expressie in de meeste gastro-intestinale, borst- en longkankercellen. Overexpressie van CEA is nauw geassocieerd met levermetastase, de belangrijkste doodsoorzaak bij colorectale kanker. CEA wordt veel gebruikt als diagnostische en prognostische tumormarker bij kankerpatiënten. Het beïnvloedt vele stappen van levermetastase van colorectale kankercellen. CEA remt de circulerende dood van kankercellen. CEA bindt zich ook aan heterogene nucleaire RNA-bindende proteïne M4 (hnRNP M4), een receptoreiwit voor Kupffercellen, en activeert Kupffercellen tot de afscheiding van diverse cytokines die de micro-omgeving voor de overleving van colorectale kankercellen in de lever veranderen. CEA activeert ook celadhesie-gerelateerde moleculen. De nauwe correlatie tussen CEA en kanker heeft geleid tot de exploratie van vele CEA-gerichte benaderingen als antikanker therapeutica. Inzicht in de gedetailleerde functies en mechanismen van CEA in levermetastase zal grote mogelijkheden bieden voor de verbetering van antikankerbenaderingen tegen colorectale kankers. In dit rapport worden de rollen van CEA in levermetastase en CEA-gerichte antikankermodaliteiten besproken.
1. Inleiding
Colorectale kanker (CRC) is een gezondheidsprobleem in de meeste geïndustrialiseerde landen wereldwijd. Wereldwijd is het de derde meest voorkomende oorzaak van sterfgevallen door kanker. Volgens het World Cancer Research Fund International (http://www.wcrf.org) werden in 2012 ongeveer 1,4 miljoen nieuwe gevallen van CRC gediagnosticeerd. CRC wordt in bijna 10% van alle gevallen van kanker gediagnosticeerd, na longkanker (13%) en borstkanker (12%) en is de op twee na meest voorkomende vorm van kanker bij mannen en de op een na meest voorkomende vorm van kanker bij vrouwen. Zuid-Korea heeft het hoogste aantal gediagnosticeerde gevallen van CRC (45 personen per miljoen), gevolgd door Slowakije (42,7 personen per miljoen) en Hongarije (42,3 personen per miljoen). Ongeveer 54% van de gevallen doet zich voor in meer ontwikkelde landen. De hoogste incidentie van CRC wordt gemeld in Oceanië en Europa, terwijl de laagste incidentie zich in Afrika en Azië voordoet. De incidentie en de diagnose van CRC zijn geleidelijk toegenomen als gevolg van een verandering in de voedingsgewoonten en de toenemende prevalentie van zwaarlijvigheid en roken. De belangrijkste oorzaak van CRC-gerelateerde sterfte is levermetastase, die optreedt bij 20 tot 70% van de patiënten, afhankelijk van de progressie van de kanker . Slechts een klein deel van de levermetastasen is beheersbaar met de huidige therapeutische behandelingen.
Carcino-embryonaal antigeen (CEA, ook bekend als CEACAM5 of CD66e) werd ontdekt in kwaadaardige tumoren van endodermaal afgeleid epitheel van het maagdarmkanaal en de alvleesklier . Sinds de ontdekking van CEA bijna vijf decennia geleden, is gebleken dat het in de meerderheid van menselijke carcinomen tot overexpressie komt. CEA heeft immunoglobuline-achtige structurele kenmerken en veel glycosyleringsmodificatieplaatsen. De nauwe relatie tussen CRC en CEA-expressie heeft geleid tot het gebruik van CEA als tumormarker. Meting van het CEA-gehalte in serum is klinisch nuttig en betrouwbaar voor de diagnose van CRC. Verhoging van het CEA-niveau is een prognostische indicator voor de toestand van CRC-patiënten. Bij CRC is de voornaamste plaats van metastase de lever. CEA overexpressie is geassocieerd met levermetastase . CEA helpt ook meerdere stappen van CRC-gerelateerde levermetastase . Met name vijf aminozuren (Pro-Glu-Leu-Pro-Lys, PELPK) die bestaan tussen het N en A1 domein van CEA zijn kritisch in levermetastase .
CEA beïnvloedt levermetastase voornamelijk door drie stappen. In de eerste stap beschermt CEA circulerende darmkankercellen tegen de dood in het bloed. Wanneer cellen worden losgemaakt van weefsels, wordt anoikis-gemedieerde celdood geïnduceerd. CEA kan echter circulerende celdood voorkomen door anoikis te remmen. In de tweede stap bindt CEA aan heterogene nucleaire RNA-bindende proteïne M4 (hnRNP M4), een receptoreiwit voor Kupffercellen. Kupffercellen zijn macrofagen die de lever beschermen. Na de binding van CEA aan hnRNP M4 veranderen de Kupffercellen de micro-omgeving in de lever ten gunste van CRC-cellen, waardoor de kans op metastase toeneemt. In de derde stap upreguleert CEA celadhesiemoleculen voor metastase.
Hoewel een overvloed aan experimentele en klinische gegevens de belangrijke rol van CEA in levermetastase van CRC-cellen hebben gedocumenteerd, moeten de gedetailleerde mechanismen van CEA-gemedieerde levermetastase nog worden opgehelderd. Gezien de nauwe relatie tussen CEA en levermetastase, zijn er verschillende therapeutische benaderingen geprobeerd die de functie van CEA kunnen blokkeren. Dit overzicht zal zich richten op de huidige kennis van de CEA-gemedieerde regulatie van levermetastasestappen en CEA-gerichte benaderingen voor kankertherapie.
2. CEA
CEA is een lid van de immunoglobuline (Ig) superfamilie van eiwitten. De menselijke CEA-genfamilie bevat 29 genen/pseudogenen, waarvan er 18 tot expressie komen. Verscheidene genen van de CEA-genfamilie komen ook tot expressie bij andere zoogdieren, waaronder muizen, ratten en honden. De CEA-genfamilie kan op basis van sequentie-overeenkomst en functies in drie groepen worden verdeeld: de CEA-gerelateerde celadhesiemoleculegroep (CEACAM), zwangerschapsspecifieke glycoproteïne (PSG) en pseudogeengroep.
De CEACAM-groep bestaat uit een enkel N-terminaal domein en maximaal zes disulfide-gekoppelde interne domeinen. De groep bevat 12 eiwitten (CEACAM1, 3-8, 16, 18-21) (figuur 1). Hun N-terminale domein is vergelijkbaar met het antigeenherkenningsdomein van Ig. Andere domeinen van de CEACAM-groep zijn vergelijkbaar met Ig-domeinen van het C2-type. De extracellulaire domeinen van de CEACAM-groep fungeren als homofiele en heterofiele cellulaire adhesiemoleculen of receptoren. De leden van de CEACAM-groep kunnen als dimeren of oligomeren met andere membraanmoleculen met uiteenlopende functies optreden . CEACAM1, CEA (CEACAM5), en CEACAM6 zijn bestudeerd met betrekking tot kankerprogressie . In tegenstelling tot CEA en CEACAM6 bevat CEACAM1 een transmembraandomein en kent het alternatieve splicingvarianten. De expressieverhouding van de lange (CEACAM1-L) en korte (CEACAM1-S) isovorm van CEACAM1 is gerelateerd aan tumorigenese.
Livermetastase is het meest in verband gebracht met CEA. Het molecuulgewicht van CEA-eiwit in normale cellen is 72 kDa. In kankercellijnen en -patiënten is echter CEA met een molecuulgewicht van ongeveer 180 tot 200 kDa aangetroffen, hetgeen de talrijke plaatsen van glycosyleringsmodificatie en de verschillende glycosyleringspatronen in kankercellen weerspiegelt. Andere modificatieplaatsen dan glycosylering zijn niet gerapporteerd. CEA is een glycofosfatidylinositol- (GPI-) gekoppeld membraanverankerend eiwit dat blootgesteld is aan het celoppervlak dat gericht is op de extracellulaire matrix. De membraanverankerende regio van CEA kan worden gesplitst door fosfolipase C en fosfolipase D. De gesplitste producten zijn oplosbaar en circuleren door de bloedvaten. Aldus kan CEA aanwezig zijn als gesecreteerde en aan het celoppervlak verankerde vormen.
CEA is functioneel geassocieerd met cellulaire interactie, celadhesie, immuunrespons, anoikis-resistentie, en bevordering van levermetastase . CEA-overexpressie is geassocieerd met vele soorten kanker, waaronder gastro-intestinale, respiratoire en urogenitale systeem en borstkankers . CEA is aanwezig in het apicale membraan van normaal weefsel, maar wordt overgeëxpresseerd in CRC en bezet het volledige oppervlak van celmembranen bij colorectale kankerpatiënten.
CEA is een van de oudste en meest gebruikte tumormarkers voor het monitoren van tumorrecidief na chirurgische resectie en voor prognose. Een kleine stijging van het CEA-niveau kan voorspellend zijn voor een recidief na curatieve chirurgie voor CRC tot een jaar voor het begin van klinische symptomen. Vooruitgang op het gebied van nieuwe beeldvormings- en targetingtechnieken heeft andere tumormarkers aan het licht gebracht. CEA blijft echter de meest betrouwbare en gevoelige biomarker voor CRC. Het expressieniveau van CEA in serum is een belangrijke factor voor de stadiëring van dikke darmkanker en voor de besluitvorming over toekomstige therapeutische strategieën. CEA proteïne- en mRNA expressieniveaus in serum zijn nuttige vroege markers voor recidief bij pancreaskanker- en CRC-patiënten. Verhoogingen van serum CEA van 50-60% kunnen voorkomen. CEACAM1, CEACAM6, en NCA-90 worden ook prognostisch gebruikt om tumorrecidief van borst-, long-, en colorectale kanker te voorspellen.
CRC-gerelateerd en overgeëxpresseerd CEA circuleert door de bloedvaten en komt in de lever terecht. Daar beïnvloedt het waarschijnlijk meerdere stappen van levermetastase. CEA beschermt tegen anoikis-gemedieerde celdood door circulerende CRC-cellen. CEA kan ook longmetastase beïnvloeden. Dit overzicht zal zich richten op de rol van CEA in de overleving van CRC-cellen in leverweefsel en in levermetastase van colorectale kanker.
3. CEA en levermetastase
Metastase is een proces in meerdere stappen waarbij kwaadaardige cellen zich verspreiden van de oorspronkelijke plaats van het tumororgaan om verre plaatsen in het orgaan te koloniseren. De metastasecascade omvat zeer gecompliceerde cel-biologische gebeurtenissen. Om te kunnen metastaseren moeten kankercellen strenge prikkels van de naburige omgeving verdragen en een reeks stappen doorlopen. Deze stappen omvatten lokale invasie van kankercellen in de omliggende extracellulaire matrix (ECM) en stromale cellagen, intravasatie in bloedvaten, overleving en circulatie in bloedvaten, arrestatie op afgelegen plaatsen in organen, extravasatie in het parenchym van afgelegen weefsels, aanvankelijke overleving in vreemde micromilieus, en het opnieuw op gang brengen van de proliferatie op metastatische plaatsen om macroscopische en klinisch waarneembare neoplastische gezwellen te genereren.
Theoretisch kunnen circulerende kankercellen die afkomstig zijn van de primaire kanker zich verspreiden en overleven in een grote verscheidenheid van secundaire weefsels en organen. Metastase is echter slechts in een beperkte subset van doelorganen gerapporteerd. De micro-omgeving van de gastheer zou een van de belangrijke factoren en belangrijke determinanten kunnen zijn voor de overleving van kankercellen in vreemde weefsels. Kankercellen die afkomstig zijn van een specifiek orgaan kunnen preferentiële doelwitten voor metastase hebben. De belangrijkste organen voor CRC metastase zijn de lever en de long, terwijl de belangrijkste organen voor borstkanker-gemedieerde metastase het bot, de long, de lever en de hersenen zijn. Bijna 80% van de metastase die optreedt bij CRC is gericht op de lever. CRC zaait zelden uit naar de botten. Tijdens de metastase verwerven kankercellen het vermogen om de micro-omgeving te veranderen ten gunste van hun overleving in secundaire organen. Ontstekingsreacties geproduceerd door aangrenzende stromale cellen of door kankercellen gerekruteerde macrofagen zijn de belangrijkste factoren voor de overleving van de cellen in vreemde weefsels en daaropvolgende metastasering. Veel immuun-gerelateerde genexpressieniveaus worden beïnvloed door metastase.
Een direct verband tussen CEA-productie en levermetastatisch potentieel is gedocumenteerd voor menselijke darmkankercellen. Injectie van CEA bij muizen voorafgaand aan injectie van zwak metastatische kankercellen kan levermetastase van de geïnjecteerde cellen verhogen. Slecht metastatische darmkanker cellijnen kunnen zeer metastatisch worden na transfectie met CEA cDNA. Omgekeerd kan remming van de CEA-expressie het levermetastatisch potentieel van CRC-cellen verminderen. CEA heeft een aminozuurblok van Pro-Glu-Leu-Pro-Lys (PELPK) dat zich op positie 108-112 tussen het scharniergebied van het N- en A1-domein van CEA bevindt. De PELPK penta-peptide aminozuursequentie is het bindingsmotief van CEA voor Kupffercellen, dat in verband wordt gebracht met de initiatie van metastase en de mesenchymaal-epitheliale transitie (MET) van levermetastase vanuit circulerende CRC-cellen .
De invloeden van CEA op levermetastase omvatten overleving van circulerende tumorcellen in bloedvaten, activering van Kupffercellen door binding aan hnRNP M4, Kupffercelmembraaneiwit, veranderde levermicro-omgevingen, en adhesie en overleving van circulerende CRC-cellen in de lever.
3.1. Overleving van circulerende tumorcellen door CEA
De meeste cellen, met uitzondering van circulerende bloedgerelateerde cellen, blijven dicht bij weefsels. Dit maakt efficiënte communicatie mogelijk tussen aangrenzende cellen en de ECM om essentiële signalen voor groei en overleving te leveren. Wanneer cellen zich losmaken van de ECM, verliezen ze de normale cel-matrix interacties en celpolariteit. Zij kunnen anoikis ondergaan, een proces van apoptose dat wordt geïnduceerd door het losraken van ankerafhankelijke cellen van de omringende omgeving of ECM. Metastase in verre secundaire organen vereist dat tumorcellen anoikis-gemedieerde celdood overwinnen en overleven in bloedvaten.
Anoikis-gemedieerde celdood wordt geassocieerd met verlies van integrine-gemedieerde celadhesie signalering . Onthechte cellen kunnen tumornecrosefactor- (TNF-) gerelateerd apoptose-inducerend ligand (TRAIL) produceren, het TRAIL-R2 ligand, en doodreceptor 5 (DR5), een sleuteleiwit voor anoikis in dikke darmkanker cellijnen . CEA aan de oppervlakte van de cel kan kankercellen beschermen tegen anoikis bij CRC-patiënten door rechtstreeks te binden aan DR5, en zo celdoodsignalen in circulerende tumorcellen te blokkeren. Het PELPK penta-peptide van CEA is ook kritisch in de binding van CEA aan DR5; de binding remt DR5-gemedieerde stroomafwaartse celdood signaaltransducties.
Celoppervlak CEA kan ook direct interageren met transformerende groeifactor-β (TGF-β) type I receptor (TBRI). De interactie verandert de stroomafwaartse TGF-β signaalroute en verhoogt de proliferatie van tumorcellen. In tegenstelling tot de interactie tussen CEA en DR5 is het onduidelijk of de PELPK-sequentie betrokken is bij de interactie tussen CEA en TBRI.
CEACAM6 beschermt ook vele soorten cellijnen tegen apoptose en anoikis . CEACAM1 is geassocieerd met apoptose in borst- en colonkanker cellijnen . CEA en CEACAM6 zijn anti-apoptotische functionele proteïnen, terwijl CEACAM1 deelneemt aan apoptose. De moleculaire aard van deze inverse functies is onduidelijk.
3.2. Arrestatie van circulerende tumorcellen in de lever door binding van CEA aan hnRNP M4 in Kupffer Cellen en activering van Kupffer Cellen door CEA voor levermetastase
In de metastatische cascade worden circulerende tumorcellen gearresteerd in verafgelegen organen. Eerst zullen zij in aanraking komen met macrofagen, geproduceerd door differentiatie van monocyten in weefsels. Zowel monocyten als macrofagen hebben fagocytische eigenschappen. De voornaamste rol van macrofagen is fagocytose, een proces van opslokken en verteren van celresten of ziekteverwekkers. Het beschermt uiteindelijk parenchymweefsels tegen prikkels en beschadigingen. Macrofagen stimuleren ook lymfocyten en andere immuuncellen om te reageren op ziekteverwekkers. Kupffercellen zijn hepatische macrofagen die zich via de portale circulatie in de hepatische sinusoïden bevinden. Kupffercellen zijn gericht op het sinusoïdale lumen en staan in direct contact met de portale circulatie. De cellen verwijderen chemische verbindingen en dode of beschadigde cellen, elimineren bacteriën en beschermen de lever tegen de invasie van tumorcellen. Verhoogde niveaus van circulerend CEA, afgescheiden door CRC-cellen, kunnen Kupffer-celfuncties activeren, wat een kritieke stap is in levermetastase van CRC-cellen.
Kupffercellen brengen hnRNP M4-eiwit tot expressie. Het eiwit is een CEA-receptor en wordt ubiquitair tot expressie gebracht. Het lokaliseert normaal in de celkern. Kupffercellen, andere terminaal gedifferentieerde macrofagen zoals long alveolaire macrofagen, en sommige kankercellen waaronder de menselijke CRC cellijn HT29 brengen hnRNP M4 tot expressie op het celoppervlak. Wat hnRNP M4 naar het celoppervlak oriënteert is onbekend. Kupffercellen brengen twee alternatieve splicingvarianten van hnRNP M4 tot expressie. Beide binden aan CEA. De belangrijkste rollen van hnRNP zijn het reguleren van mRNA-verwerking, alternatieve splicing, microRNA-biosynthese, en mRNA-transport naar het cytoplasma vanuit de kern . Daarentegen heeft hnRNP M4 een unieke functie in Kupffercellen en long alveolaire macrofagen als een receptor voor CEA . De PELPK-peptidesequentie van CEA is belangrijk voor de binding van hnRNP M4 . Andere eiwitten die de PELPK-sequentie bevatten die met hnRNP M4 reageren, zijn niet gevonden.
Kupffercellen kunnen circulerend CEA in het bloed opruimen. Met name lever- of longmetastase van CRC-cellen begint met de binding met CEA en hnRNP M4-gemedieerde cellulaire opname van CEA. Patiënten die PELPK-mutant CEA produceren, hebben zeer hoge serum-CEA-spiegels. Bovendien vertoont het gemuteerde CEA bij proefdieren een lagere klaringssnelheid uit de circulatie, hetgeen erop wijst dat PELPK belangrijk is voor de binding van CEA met hnRNP M4 en de cellulaire opname in Kupffercellen.
Kupffercellen worden geactiveerd door de interactie met CEA. De geactiveerde cellen induceren de overexpressie van cytokines en veranderen de micro-omgeving om circulerende colorectale tumorcellen in staat te stellen in de lever te overleven. Geactiveerde Kupffercellen produceren een reeks cytokines, chemokines, eiwitten en metabolieten. Hiertoe behoren interleukine- (IL-) 1-α, IL-1-β, IL-6, en IL-10; interferon-γ (IFN-γ); TGF-β; TNF-α; plaatjes-activerende factor (PAF); monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1); macrophage inflammatory protein (MIP-1); matrix metalloproteinase- (MMP-) 1, MMP-7, en MMP-13; zuurstof- en stikstofspecies waaronder superoxide, waterstofperoxide, en stikstofmonoxide; en de vetmetabolieten prostaglandine D2 en E2 . Interleukines en TNF-α zijn bijzonder belangrijke cytokines voor de activering van Kupffercellen. Hun productie in gelokaliseerde micro-omgevingen binnen de lever sinusoïde heeft verschillende biologische effecten.
Celadhesie is van cruciaal belang voor circulerende tumorcellen om gearresteerd te worden en te overleven in verafgelegen secundaire organen. Kupffercellen die geactiveerd worden bij binding van CEA kunnen IL-1-β en TNF-α produceren die de adhesie van CRC-cellen aan endotheelcellen kunnen verhogen. Het genereren van cytokines door menselijke Kupffercellen resulteert in de overexpressie van celadhesiemoleculen zoals ICAM-1, VCAM-1, en E-selectine in endotheelcellen die kunnen worden gedetecteerd in een multicel cocultuursysteem geïncubeerd met CEA-producerende darmkankercellen, Kupffercellen, en endotheelcellen.
Arrestatie van circulerende tumorcellen in de lever kan de productie van stikstofmonoxide (NO) en reactieve zuurstofspecies (ROS) verhogen om tumorcellen te verwijderen. NO en ROS spelen een belangrijke rol in de macrofaag-gemedieerde immuniteit. Zij beïnvloeden kankergerelateerde celfuncties zoals celoverleving, intravasie en angiogenese. Regulering van het niveau van NO is een klinisch belangrijk middel om de voortgang van kanker te beheersen. NO en ROS hebben een nadelige invloed op de lever, wat leidt tot immuunrespons-gemedieerde dood van CRC-cellen . CEA-geactiveerde Kupffercellen kunnen het ontstekingsremmende cytokine IL-10 afgeven, dat belangrijk is voor de overleving van tumorcellen door de remming van de upregulatie van induceerbaar stikstofmonoxide synthase en de productie van NO en ROS . IL-6, afgescheiden door geactiveerde Kupffercellen, kan metastasering bevorderen via hepatocyte-groeifactor (HGF). Een correlatie tussen het expressieniveau van CEA en IL-6 is gerapporteerd in het serum van CRC patiënten .
Levermetastase in CRC vereist de voltooiing van een reeks stappen. Circulerende CRC-cellen die CEA tot expressie brengen, kunnen anoikis in het bloed blokkeren. Zij kunnen Kupffercellen in de lever tegenkomen en de micro-omgeving van de lever veranderen ten gunste van de vestiging van een tumor. Hoe CEA de verschillende stappen van levermetastase beïnvloedt, zoals hoe de interactie van CEA met Kupffercellen signaaltransductie induceert en cellen activeert, blijft onduidelijk.
3.3. Activation of Cell Adhesion-Related Proteins by CEA
Cell-to-cell adhesion is critical for communication with neighbouring cells and tissue architectures. CEA, dat aanwezig is als een GPI-gekoppeld membraanverankeringseiwit, functioneert als een cel-naar-cel adhesiemolecuul dat epitheliale celmembranen verbindt en in celclustering. GPI-gekoppeld CEA beïnvloedt ook de intercellulaire adhesie via antiparallelle reciproke zelf-interactie. CEA functioneert als celadhesiemolecuul via homofiele interactie tussen CEA en CEA, of CEA en CEACAM1 of via heterofiele interactie tussen CEACAM6. Voor homofiele en heterofiele interacties is een interactie van het N-domein met variabele Ig-domeinen en het A3B3-domein van de tegenhanger van CEA vereist . Dit fenomeen is een uniek kenmerk van CEA . Hoewel de functies van het A3B3-domein niet volledig zijn gekarakteriseerd, zijn er 28 asparagine-gekoppelde sterk geglycosyleerde plaatsen aanwezig in het A3B3-domein . Of deze modificaties belangrijk zijn in de antiparallelle reciproke zelf-interactie is onduidelijk.
Celoppervlak CEA verstoort weefselarchitectuur en remt differentiatie en anoikis door de activering met de integrine signaalroute . In het celmembraan colokaliseren GPI-gekoppeld CEA en α5β1 integrine. Het α5β1 integrine is de belangrijkste receptor van ECM. Colokalisatie met CEA verhoogt dus de binding van cellen aan fibronectine en activeert stroomafwaartse signalen door de regulatie van PI3K en AKT activiteit. De N-domein deletiemutant van CEA is niet in staat tot zelfbinding of clustering, terwijl de N-domein deletiemutant CEA wel kan colokaliseren met de α5β1 integrine op het celoppervlak. Deze resultaten wijzen erop dat het N-domein van CEA niet nodig is voor de colokalisatie van CEA en α5β1 integrine.
Glycosylering is een van de meest frequente posttranslationele modificaties van eiwitten. Glycosyleerde eiwitten spelen een cruciale rol in tumorcellen. Glycosyltransferase overexpressie is een tumor hallmark en kan gebruikt worden als tumormarker . Glycosylatie-gemodificeerd CEA komt in hoge mate tot expressie in darmkankertumoren in vergelijking met dat in normale weefsels . Tumorspecifiek geglycosyleerd CEA kan interageren met dendritische celspecifieke intercellulaire adhesiemolecule-3-grabbing nonintegrin (DC-SIGN) . Deze interactie wordt gemedieerd door de binding van DC-SIGN met Lewis(x) en Lewis(y), die in hoge concentraties aanwezig zijn in CEA van CRC-cellen. Interactie van tumor CEA en DC-SIGN zou tumorspecifieke immuunreacties van dendritische cellen kunnen onderdrukken voor tumorprogressie. CEA-beïnvloedende biologische gebeurtenissen in levermetastase zijn samengevat in figuur 2.
4. CEA-gerichte therapeutische benaderingen
Sinds de ontdekking dat de overexpressie van CEA sterk geassocieerd is met CRC-progressie en levermetastase, is geprobeerd CEA als antikanker-therapeutische benadering aan te pakken. Diverse middelen gericht tegen CEA zijn ontwikkeld en klinisch onderzocht; deze omvatten vaccins , dendritische cellen , en antilichamen .
Vaccins zijn het meest intensief ontwikkeld. Immunisatie met vacciniavirus dat recombinant CEA tot expressie brengt, kan de groei van met het CEA-gen getransduceerde tumoren in een syngeneïsch muismodel aanzienlijk verminderen. Vaccins zijn ontworpen om immuunreacties op te wekken tegen tumorspecifieke antigenen of tumorgeassocieerde antigenen, met als doel de progressie te remmen van kankers die een van beide antigenen tot expressie brengen. Er zijn gemanipuleerde virussen of DNA-vectoren die CEA tot expressie brengen, ontwikkeld als vaccins om immuunreacties op te wekken tegen kankercellen die CEA tot expressie brengen. Op dendritische cellen gebaseerde vaccins zijn ook ontwikkeld door dendritische cellen te laden met CEA-peptide of mRNA om CEA-specifieke T-celreacties op te wekken. Recombinant virus- of DNA-gebaseerde en dendritische cel-gebaseerde vaccins hebben een sterke immuunrespons op CEA aangetoond, resulterend in vertraagde tumorprogressie en verlengde overleving bij sommige kankerpatiënten. In die studie slaagde vaccinatie er echter niet in tumoren te verwijderen in de meeste gevallen, waarschijnlijk als gevolg van het remmende effect van de tumormicro-omgeving op de immuunrespons. Daarom is medebehandeling met geneesmiddelen die de immunosuppressie-effecten kunnen belemmeren nodig om het effect van kankervaccins te optimaliseren.
CEA-specifieke antilichaam-gebaseerde benaderingen zijn ook intensief bestudeerd om kankerprogressie te remmen. Diverse doel-specifieke antilichamen zijn als geneesmiddelen ontwikkeld. Vele daarvan, vooral die tegen kanker en reuma, zijn reeds in de handel verkrijgbaar en populair. CEA-specifieke antilichamen kunnen de progressie en metastasering van kanker in diermodellen efficiënt remmen. Behandeling met CEA-specifieke antilichamen alleen heeft in klinische proeven minimale effecten te zien gegeven, waarschijnlijk als gevolg van hun slechte penetratie in de tumor en de snelle klaring van antilichamen met hoge affiniteit en vrij circulerend CEA. Om de antikankereffecten te versterken, zijn CEA-antilichamen geconjugeerd met verschillende moleculen, zoals radio-isotopen, immunotoxinen, cytokinen en cytotoxische enzymen. Recent ontwikkelde combinatorische regimes maakten gebruik van CEA en T-cel bispecifieke antilichamen of bispecifieke antilichamen in combinatie met antilichamen tegen immuuncheckpointmoleculen, waaronder anti-PD-1 of anti-PD-L1 antilichamen. De combinatorische benaderingen toonden effectievere antikanker effecten in klinische studie door het maximaliseren van de rekrutering van T-cellen en het doden van tumoren.
Ondanks de diverse tool-based CEA-targeting antikanker benaderingen, tumor-targeting en tumor-onderdrukkende activiteiten zijn nog steeds beperkt. De meeste effectieve CEA-gerichte middelen zijn gebaseerd op de inductie van een immuunrespons tegen CEA. Daarentegen zijn er nog maar weinig geneesmiddelen ontwikkeld die zich rechtstreeks tegen CEA richten. Een nieuwe therapeutische benadering tegen levermetastase werd ontwikkeld door de identificatie van een antimetastatische, CEA-specifieke RNA-apentameer. Een aptameer is een enkelstrengs DNA of RNA nucleïnezuur dat zich kan binden aan specifieke moleculaire doelwitten, waaronder eiwitten, chemicaliën, ionen en cellen. Het kan worden geïdentificeerd door in vitro selectiemethoden, de zogenaamde systematische evolutie van liganden door exponentiële verrijking (SELEX) . Aptameren hebben therapeutische voordelen in vergelijking met antilichamen, waaronder kleine afmetingen, hoge affiniteit en specificiteit, penetratie tot tumorweefsel, efficiënte chemische synthese en conjugatie, en lage immunogeniciteit . Aptamers hebben ook gunstige eigenschappen bij kankertherapie en beeldvorming, waaronder snelle tumoropname, snelle klaring in het bloed, en langdurige tumorretentie. CEA-specifieke aptameren kunnen zich specifiek binden aan de eerder genoemde PELPK penta-peptide aminozuren, die een belangrijke rol spelen bij levermetastase en anoikis resistentie. Belangrijk is dat een aptameer efficiënt het volume van levermetastase van darmkankercellen in muismodellen kan verminderen. Binding van een CEA aptameer met de PELPK penta-peptide sequentie kan het bindingsvermogen van CEA met hnRNP M4 of DR5 inhiberen, waardoor levermetastase wordt geblokkeerd en kankercellen gevoelig worden voor anoikis. Bovendien kan de aptameer-specifieke binding met CEA-eiwit en CEA-expresserend celoppervlak nuttig zijn als een cel-targeting en het vastleggen, diagnostische, en moleculaire beeldvorming tool. Anoikis resistentie van circulerende kankercellen veroorzaakt door upregulatie van CEA kan drug resistentie induceren. Daarom CEA-targeting aptamer gebruikt alleen of in combinatie met chemotherapeutische drugs, zoals mengsel van aptamer en drugs of aptamer-drug conjugaten, kan een gunstige modaliteit tegen metastase.
5. Conclusie
Metastase is een belangrijke hindernis die overwonnen moet worden bij het genezen van kankers. In tegenstelling tot primaire kankers, is de metastase-gemedieerde verspreiding van secundaire kankers moeilijk uit te roeien. Bovendien komen ze gemakkelijk terug. Een correlatie tussen CEA-expressie in kankercellen en metastase is bevestigd. De PELPK-regio tussen de N- en A1-domeinen van het scharniergebied van CEA is belangrijk bij levermetastase van CRC. Het beschermt circulerende CRC-cellen tegen anoikis in bloedvaten en orkestreert de functies van Kupffercellen om de microomgeving van de lever te veranderen in een metastatisch vriendelijke omgeving, waardoor de overleving van kankercellen in de lever wordt bevorderd.
CEA-overexpressie is geassocieerd met vele soorten kanker. CRC-patiënten vertonen hoge expressieniveaus van CEA. CEA wordt gebruikt als tumormarker na kankertherapie of operatie bij kankerpatiënten. Het monitoren en meten van het circulerende CEA-niveau is nuttig voor de prognose en diagnose van patiënten. Aangezien CEA een klinisch zinvol doelwit is vanwege zijn sterke correlatie met kankerprogressie, metastase en resistentie tegen geneesmiddelen, worden er diverse klinische pogingen ondernomen om verschillende instrument-gebaseerde CEA-gerichte antikankergeneesmiddelen te ontwikkelen.
Details over hoe CEA levermetastase vanuit circulerende CRC-cellen ondersteunt, blijven vaag. Niettemin hebben accumulerende experimentele gegevens de belangrijke rollen van CEA in metastase en tumorigenese aangegeven. Meer inzicht in de gedetailleerde functies, mechanismen en regulering van CEA zal naar verwachting leiden tot de ontwikkeling van meer effectieve modaliteiten tegen kanker.
Conflicts of Interest
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende belangen hebben.
Acknowledgments
Deze studie werd ondersteund door subsidies van de National Research Foundation van Korea door het ministerie van Wetenschap, ICT en Toekomstplanning (2012M3A9B6055200, 2015R1A2A1A15054252).