Moleküler Onkolojide Hastalık Modelleri

Moleküler onkoloji; kanserin gelişimini, ilerlemesini ve tedaviye yanıtını belirleyen karmaşık genetik ve hücresel süreçlerin moleküler düzeyde incelenmesine odaklanan onkoloji disiplininin en dinamik alt dallarından biridir. Bu disiplinin temel amacı, tümör biyolojisindeki anormallikleri moleküler seviyede anlamak ve elde edilen bu bilgileri kişiselleştirilmiş tıp uygulamalarına dönüştürmektir.

Kanser, özünde genetik bir hastalıktır. Onkogenez süreci, proto-onkogenlerin aktivasyonu veya tümör baskılayıcı genlerin (TSG) fonksiyon kaybı gibi bir dizi moleküler olay sonucunda hücrenin kontrolsüz çoğalma yeteneği kazanmasıyla başlar. Klinik onkolojideki en büyük zorluklardan biri, her hastanın tümörünün kendine özgü genetik manzarası, intratümöral heterojenliği ve tedaviye verdiği değişken yanıttır.

Bu karmaşıklığı çözmek, ilaç geliştirme süreçlerindeki yüksek başarısızlık oranlarını azaltmak ve yeni terapötik hedefler belirlemek için insan hastalıklarını yüksek benzerlikle taklit eden klinik öncesi hastalık modellerine ihtiyaç duyulmaktadır. Geleneksel iki boyutlu (2D) hücre kültürlerinden, tümör mimarisini ve mikroçevresini daha iyi temsil eden “hasta kaynaklı ksenogreftler (PDX)”, üç boyutlu organoidler ve “Genetik Mühendisliği ile Geliştirilmiş Fare Modelleri (GEMM)”, kanser araştırmalarının temelini oluşturur.

Hastalık modelleri, sadece tümör biyolojisinin anlaşılmasını sağlamakla kalmaz, aynı zamanda pozitron emisyon tomografisi (PET) ve tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografi (SPECT) gibi ileri nükleer tıp yöntemleri aracılığıyla biyolojik süreçlerin invaziv olmayan bir şekilde görüntülenmesi ve sayısallaştırılmasına olanak tanır (1, 2). Bu özelliği nedeniyle de klinik öncesi ve klinik araştırmalar arasında bir köprü görevi görür. Özellikle görüntüleme ve tedaviyi aynı moleküler hedef üzerinde birleştiren teranostik yaklaşımlar, bu modeller üzerinde doğrulanarak kişiselleştirilmiş onkolojik tedavi dönemini başlatmıştır.

Bu derleme çalışması, moleküler onkolojide kullanılan güncel hastalık modellerini, bu modellerin temelini oluşturan biyolojik mekanizmaları ve bu sistemlerin nükleer tıp alanındaki kritik uygulamalarını incelemeyi amaçlamaktadır.

Moleküler Onkolojide Kabul Görmüş ve Yaygın Olarak Kullanılan Canlı Hayvan Modelleri

Kanser araştırmalarında canlı hayvan modelleri, tümör hücrelerinin karmaşık bir mikro dokuda nasıl etkileşime girdiğini ve sistemik tedavilere nasıl yanıt verdiğini anlamak için hayati önem taşır. Kemirgenler, özellikle fareler, genetik modifikasyona uygunlukları, hızlı üreme döngüleri ve insan genomu ile olan yüksek benzerlikleri nedeniyle biyomedikal araştırmaların merkezinde yer almaktadır (3). Modern onkolojik araştırmalarda, her biri belirli araştırma hedeflerine hizmet eden çeşitli model kategorileri geliştirmiştir.

PDX (Patient-Derived Xenografts)

PDX modelleri, hastadan cerrahi operasyon veya biyopsi yoluyla alınan taze tümör parçalarının doğrudan immün yetmezliği olan farelere nakledilmesiyle oluşturulur (4, 5). Bu modellerin en belirgin özelliği, orijinal insan tümörünün genetik çeşitliliğini, mimarisini ve stromal bileşenlerini büyük ölçüde korumasıdır (4, 6). Geleneksel 2D hücre kültürü modellerinin aksine PDX, hastanın klinik yanıtını öngörmede çok daha yüksek bir potansiyele sahiptir. Örneğin, pankreas kanallı adenokarsinomu araştırmalarında PDX modelleri, hastaların tedaviye verdiği yanıtı taklit ederek klinik uygulamalara yol gösteren veriler sağlamaktadır (4).

Bununla birlikte, PDX modellerinin bazı sınırlamaları mevcuttur. En önemlisi transfer edilen insan tümöründeki stromal hücreler, zamanla konakçının (farenin) stromal hücreleriyle yer değiştirmektedir (5). Bu durum, insan tümörü ile insan stroması arasındaki etkileşimlerin incelenmesini zorlaştırmaktadır, çünkü fare sitokinleri ile insan sitokinleri her zaman insan karsinom hücreleri üzerinde aynı etkiye sahip değildir (5). Ayrıca, bu modellerin oluşturulması için immün sistemi baskılanmış farelerin kullanılması gerekliliği, bağışıklık sistemi ile tümör arasındaki etkileşimlerin incelenmesini engellemektedir (7). Bu sorunu çözmek için “insanlaştırılmış fare modelleri” geliştirilmekte olup, bu sistemlerde fareye insan bağışıklık sistemi hücreleri de nakledilmektedir (7).

GEMM (Genetically Engineered Mouse Models)

GEMM modelleri, belirli onkogenlerin aktivasyonu veya TSG’lerin inaktivasyonu yoluyla tümörlerin farede kendiliğinden gelişmesini sağlar (3, 4). Bu modeller, tümörün doğal anatomik konumunda (ortotopik) ve baskılanmamış bir bağışıklık sistemi ile birlikte gelişmesine olanak tanır (3). Pankreas kanseri çalışmalarında kullanılan KPC modeli insan hastalığının metastatik seyrini ve stromal reaksiyonlarını başarıyla taklit eden en önemli GEMM örneklerinden biridir (4). GEMM’ler, özellikle kanserin erken evrelerini, prekanseröz lezyonların gelişimini ve tümör mikroçevresindeki immün hücre dinamiklerini incelemek için en uygun modelleridir (4, 8). Ancak, uzun tümör gelişim süreleri ve yüksek maliyetler bu modellerin geniş çaplı kullanımını zorlaştırmaktadır (4, 7).

İmmünokompetan-Singenik ve Ortotopik Modeller

İmmünokompetan-singenik modeller, fare kaynaklı kanser hücrelerinin aynı genetik arka plana sahip sağlıklı farelere nakledilmesiyle oluşturulur (7). Bu modellerde bağışıklık sistemi tam işlevsel olduğundan ve stroma-tümör ilişkisi doğru şekilde çalıştığından, immünoterapi ilaçlarının (örneğin, kontrol noktası inhibitörleri) etkinliğini değerlendirmek için standart olarak kullanılmaktadırlar (7).

Ortotopik modeller ise hücrelerin veya tümör parçalarının doğrudan köken aldıkları organa nakledilmesini tanımlar. Bu yaklaşım, tümörün invazyon ve metastaz kapasitesini daha gerçekçi bir şekilde yansıtırken, subkutan (deri altı) modellere göre izlenmesi daha zor olmaktadır (3, 7). Bu zorluğu aşmakta araştırmalara yardımcı en önemli teknoloji günümüzde yaygın olarak kullanılan, küçük deney hayvanları için geliştirilmiş PET/bilgisayarlı tomografi (BT) ve SPECT/BT görüntülemeleridir.

Dolaşımdaki Hücre Kaynaklı (Circulating Cell-Derived Xenografts-CDX) Modeller

Hastanın kan dolaşımında bulunan sirküle (dolaşımdaki) tümör hücrelerinden (CTC) türetilen özel bir ksenogreft türüdür (1, 2, 3).

CDX modellerinin en büyük avantajı, cerrahi müdahalenin riskli olduğu veya tümörün konumundan dolayı biyopsi yapılamayan durumlarda veri sağlama yeteneğidir. Bu yöntem, invaziv olmayan “likit biyopsi” yaklaşımının canlı bir model sistemine dönüştürülmüş halidir.

Bu modeller, özellikle metastatik kanser hücrelerinin genomik ve transkriptomik özelliklerini belirlemek ve geç evre kanserlerin tedavisine rehberlik etmek için kritik bir araçtır (4, 5). CTC’ler genellikle metastazın “öncü hücreleri” olarak kabul edildiğinden, bu hücrelerden türetilen modeller yayılım mekanizmalarını anlamamıza yardımcı olur.

CDX modellerinin oluşturulması oldukça zordur; çünkü kanda dolaşan tümör hücreleri oldukça nadir bulunur, toplanmaları zahmetlidir ve dolaşımda hayatta kalma süreleri çok kısadır (1, 2, 3).

CDX modelleri, PDX modellerine benzer bir klinik öngörü kapasitesine sahip olsa da doku örneği yerine kan örneğinden yola çıkmasıyla onkolojideki kişiselleştirilmiş tıp araştırmalarında önemli bir boşluğu doldurmaktadır.

Moleküler onkolojide kullanılan canlı modellerin biyolojik özelliklerini karşılaştırması Tablo 1’de sunulmuştur.

Moleküler Onkolojide Hastalık Modellerinde Tanımlanmış Biyolojik Mekanizmalar

Kanser, temelinde genetik bir hastalıktır ve onkogenez süreci, hücrenin büyüme sinyallerini kendi kendine yeterli hale getirmesi, ölüm sinyallerine duyarsızlaşması ve sınırsız çoğalma yeteneği kazanması gibi bir dizi moleküler olaydan oluşur (9). Bu süreçlerin temelindeki biyolojik mekanizmalar, hastalık modellerinin tasarımını belirleyen ana unsurlardır.

I. Onkogen Aktivasyonu ve Proto-Onkogenler

Proto-onkogenler, normal hücrelerde proliferasyon, farklılaşma ve hayatta kalma süreçlerini düzenleyen genlerdir. Ancak mutasyonlar, gen duplikasyonları, kromozomal translokasyonlar veya viral enfeksiyonlar yoluyla bu genler aşırı aktif “onkogenlere” dönüşebilir (9, 10). Onkogenler dominant karakterdedir; yani bir hücrenin malign transformasyonu için tek bir onkogenik alelin aktivasyonu yeterli olabilir (9). Büyüme faktörü sinyallerini alan reseptörlerin aşırı ekspresyonu, hücreye sürekli bölünmeye zorlar (10). Sinyal iletiminde bozukluğa yol açan mutasyonlar, proteinin sürekli aktif formda kalmasına yol açarak hücre içi sinyal yollarını hiperaktif hale getirir (4, 10). Transkripsiyon faktörleri birçok metabolik ve proliferatif geni regüle ederek tümör büyümesini hızlandırır (10).

II. TSG ve “İki Vuruş” Hipotezi

TSG, normalde hücre büyümesini inhibe eden, deoksiribonükleik asit (DNA) hasarını onaran ve gerektiğinde hücreyi ölüme (apoptoz) yönlendiren koruyucu genlerdir (10). Bu genlerin fonksiyon kaybı genellikle resesiftir ve tümör oluşumu için her iki kopyanın da inaktive olması gerekir.

p53 (TP53): Genomun koruyucusu olarak bilinen, insan kanserlerinin %50’den fazlasında mutasyona uğramıştır. Bu genin kaybı, DNA hasarlı hücrelerin hayatta kalmasına ve kontrolsüzce çoğalmasına neden olur (3, 10).

Retinoblastoma: Hücre döngüsünün kısıtlama noktasını kontrol eder. İlgili protein inaktivasyonu, hücrenin S fazına kontrolsüz geçişini tetikler (10).

BRCA1/2: DNA çift zincir kırıklarının onarımında kritik rol oynarlar ve bu genlerdeki mutasyonlar meme ve over kanseri riskini belirgin şekilde artırır (10).

III. Viral Onkogenez

Virüsler, konakçı hücrenin genetik materyaline onkogenler ekleyerek veya proto-onkogenlerin regülasyonunu bozarak kansere yol açabilirler (9, 10). Retrovirüsler, kendi genomlarını hücrenin kromozomuna entegre ederek onkogenleri hücreye tanıtabilirler ve bu durum hücresel proliferasyonun regülasyonunu tamamen bozabilir (9).

Onkogen ve Tümör Baskılayıcı Sınıflandırması

Kanser biyolojisinde bu genler, ürünlerinin fonksiyonlarına göre beş temel kategoride incelenir (4, 10, 11, 12). Tablo 2’de kategorilerin özellikleri ve örnek genler özetlenmiştir.

Kanserde Moleküler Biyoloji ile İlişkili İşlevler

Kanser hücreleri, sadece kontrolsüz bölünmekle kalmaz, aynı zamanda hayatta kalmak ve yayılmak için normal hücrelerden farklı fonksiyonel özellikler geliştirirler. Bu fonksiyonlar hem hastalık modellerinde hem de nükleer tıp görüntülemede hedeflenen temel süreçlerdir.

Metabolik Adaptasyon ve Glikolitik Kayma

Normal hücreler enerjiyi çoğunlukla mitokondriyal oksidatif fosforilasyon ile üretirken, kanser hücreleri oksijen varlığında bile “aerobik glikoliz” yolunu (Warburg etkisi) tercih ederler (13, 14). Bu durum, hücrenin yapıtaşlarını üretmesi için gereken ara metabolitleri sağlar. Bu fonksiyonel değişiklik, PET görüntülemenin temelini oluşturur; tümörler glikozu normal dokulardan kat kat daha fazla tüketirler (13, 15).

Anjiyogenez ve Vasküler Manipülasyon

Büyüyen bir tümörün oksijen ve besin ihtiyacını karşılamak için yeni kan damarları oluşturması (anjiyogenez) şarttır. Kanser hücreleri, vasküler endotelyal büyüme faktörü gibi pro-anjiyogenetik faktörler salgılayarak damar gelişimini tetikler (10). Klinik öncesi modellerde bu fonksiyon, endotel hücrelerinin yüzeyinde eksprese edilen integrin gibi molekülleri hedefleyen radyofarmasötikler ile görüntülenebilir (8).

Bağışıklık Sisteminden Kaçış ve T-Hücre Dinamikleri

Kanser hücreleri, bağışıklık sisteminin T-hücreleri tarafından tanınmamak için çeşitli moleküler “kalkanlar” (örneğin, programlanmış hücre ölümü ligandı-1) kullanır (16). Moleküler onkolojideki en güncel işlevsel araştırmalar, tümör mikro çevresindeki CD8+T-hücrelerinin miktarını ve aktivitesini belirlemeye odaklanmıştır. İmmüno-PET yöntemleri, bu hücrelerin tümör içine sızma (infiltrasyon) kapasitesini canlı modellerde ölçebilmekte kullanılmaktadır (16).

Ribonükleik Asit (RNA) Splicing ve Terapi Direnci

Son araştırmalar, kanser hücrelerinin RNA splicing (ilmekleme) programlarını yeniden düzenleyerek terapiye direnç kazandığını göstermiştir (12). Mutasyona uğramış splicing faktörleri, hücrenin hayatta kalmasını sağlayan protein varyantlarının üretimine yol açar. Bu moleküler fonksiyon, özellikle KRAS ve BRAF sürücü mutasyonlarına sahip tümörlerde yeni bir terapötik hedef haline

gelmiştir (12).

Kanserin işlevsel özellikleri Tablo 3’ de sunulmuştur.

Moleküler Onkolojide Kullanılan Hastalık Modellerinin Nükleer Tıp Alanında Kullanımı

En klasik ve kısa tanımıyla nükleer tıp, moleküler onkolojide tanımlanan biyolojik anormallikleri canlı organizmalarda görselleştirmek, karakterize etmek ve ölçmek için radyoaktif izleyicileri (radyofarmasötikler) kullanır (1, 2). Bu sayede, biyopsi gibi invaziv yöntemlerin sağlayamadığı “tüm vücut” ve “dinamik” verileri eş zamanlı olarak elde eder.

Hastalık modellerinde nükleer tıp yöntemleri, tümörün evresini belirlemek, metastazları saptamak ve hastalığın seyrini öngörmek için kullanılır (1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,

11,12,13). PET/BT veya SPECT/BT sistemleri, fonksiyonel (moleküler) bilgiyi anatomik detaylarla birleştirerek teşhis doğruluğunu arttırır (13). Örneğin, bir hayvan modelinde tümörün glikoz metabolizmasının azalması, tümör boyutu henüz küçülmeden tedavinin başarılı olduğunu gösterebilir (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20).

Yeni tasarlanan ilaçların tümöre ne kadar ulaştığı ve hedef proteine ne kadar güçlü bağlandığı nükleer tıp teknikleriyle ölçülebilir (8). Klinik öncesi modellerde yapılan “mikro-dozlama” çalışmaları, ilacın insanlardaki davranışını öngörmek için kritik veriler sağlar. Nicel analizler için standardize tutulum değeri veya enjekte edilen dozun gram başına yüzdesi gibi ölçüm parametreleri kullanılır (17, 18, 19, 20, 21).

Nükleer tıp uygulamalarında verilerin standartlaştırılması için kullanılan temel ölçü birimleri Tablo 4’te sunulmuştur.

Nükleer tıp, biyokimyasal değişiklikleri anatomik değişikliklerden aylar önce tespit edebilir (2). Radyoizleyiciler pikomolar düzeyde çalışabildikleri için vücuttaki normal biyolojik dengeyi bozmazlar ve modellenen hastalıklar üzerine etki oluşturmazlar (8). Hibrit sistemlerin kullanımı, PET ve SPECT’in görüntülerini %30-40 daha net hale getirmiştir (19, 26). Hayvan modellerinden elde edilen biyodağılım verileri, insanlara uygulanacak güvenli radyasyon dozunun hesaplanmasında temel teşkil eder (8, 27).

Moleküler onkolojide hastalık modelleri, kanser biyolojisinin teorik bilgisini klinik olarak uygulanabilir verilere dönüştüren temeli oluşturmaktadır. PDX modelleri hastaya özel tedavi seçimlerinde (Avatar modelleri) kritik rol oynarken, GEMM’ler kanserin erken evrelerindeki moleküler mekanizmaları aydınlatmaya devam etmektedir. Nükleer tıp teknolojileri, bu modellerden elde edilen biyolojik hedefleri görüntüleyerek ve teranostik ajanlarla doğrudan tedavi ederek “bireyselleştirilmiş onkoloji” çağını başlatmıştır.

Gelecekte, fibroblast aktivasyon proteini inhibitörü gibi tümörün sadece kanser hücresini değil, onu besleyen stromasını da hedefleyen teranostik ajanların yaygınlaşması beklenmektedir (28). Ayrıca, yapay zeka destekli görüntü analizi ve tüm vücut PET tarayıcılarındaki gelişmeler, nükleer tıbbın tanısal gücünü artırarak en küçük metastatik odakların bile henüz hücresel düzeydeyken yok edilmesine olanak tanıyacaktır. Bu entegrasyon, kanseri kronik ama yönetilebilir bir hastalık haline getirme yolundaki en güçlü stratejidir.