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Ist es wahrscheinlicher, dass ein großer Tumor hypoxische Regionen entwickelt?

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Es ist bekannt, dass Krebstumore beim Menschen hypoxische Regionen entwickeln können, in denen weder Blut noch Sauerstoff zu einem bestimmten Volumen ihrer Zellen gelangen, wodurch ein toter Knoten innerhalb oder um den Tumor herum entsteht. Siehe Wikipedia - Tumorhypoxie.

  • Sind hypoxische Regionen und Regionen ohne Blutversorgung bei großen Tumoren häufiger als bei kleinen Tumoren?
  • Was ist die Wahrscheinlichkeit oder Häufigkeit von hypoxischen Regionen bei kleinen (< 2 cm) und großen (> 4 cm) Tumoren?
  • Was ist die typische Größe einer hypoxischen Region innerhalb eines Tumors?

Der Artikel in Wikipedia ist zu technisch und sehr schwer zu lesen und zu verstehen und hat keine explizite Antwort auf meine Frage.


Das Vorliegen einer Hypoxie ist unabhängig von Größe, Grad oder Histologie. Es tritt aufgrund einer Unterbrechung der Blutversorgung des Tumors auf. Oder ungenügende Gefäßsysteme, sodass der Sauerstoff nicht bis in den Tumor diffundieren kann. Aberrantes Tumorwachstum kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Tumore hypoxische Regionen entwickeln.


Physikalische und biologische Grundlagen der Strahlentherapie

Eric J. Hall , James D. Cox , in Radiation Oncology (Neunte Ausgabe) , 2010

Nicotinamid- und Carbogen-Atmung

Radiosensibilisatoren mit hypoxischen Zellen wie die Nitroimidazole wurden in erster Linie entwickelt, um chronisch Hypoxie, die eine diffusionsbegrenzte Hypoxie ist, die aus der Unfähigkeit von Sauerstoff resultiert, weiter als etwa 100 μm durch das atmende Gewebe zu diffundieren. Hypoxie entsteht aber auch durch akut Mechanismen (d. h. die intermittierende Blockierung von Blutgefäßen). Nicotinamid, ein Vitamin B3 Analogon wurde bei Maustumoren gezeigt, dass es die vorübergehenden Fluktuationen der Tumordurchblutung verhindert, die zur Entwicklung einer akuten Hypoxie führen.

Die Kombination von Nicotinamid zur Überwindung akuter Hypoxie mit Carbogen-Atmung zur Überwindung chronischer Hypoxie ist die Grundlage der ARCON-Studien, die in mehreren europäischen Zentren durchgeführt werden. Diese Studien beinhalten auch eine beschleunigte und hyperfraktionierte Strahlentherapie, um eine Tumorproliferation und eine Schädigung von normalem Gewebe, das spät anspricht, zu vermeiden.


Einführung

Die Evolution unserer vielzelligen Vorfahren von ihren einzelligen Vorgängern erforderte die Entwicklung einer Fähigkeit, Veränderungen der Sauerstoffspannung zu spüren und sowohl mit einer akuten Veränderung des Zell-Phänotyps zu reagieren, um das Überleben zu sichern, als auch eine längerfristige Neuordnung der umgebenden Architektur um eine bessere Sauerstoffperfusion zu ermöglichen. Die Diffusionsgrenze für Sauerstoff ist

100–200 μm, was bedeutet, dass sich die Zellen für eine ausreichende Sauerstoffversorgung innerhalb dieses Radius befinden müssen. 1, 2 Hypoxie ist jedoch kein binärer Reiz, und Gradienten zwischen einem funktionellen Blutgefäß und dem nächsten ermöglichen oft eine angemessene Zell- und Gewebeentwicklung und -funktion. Während der fetalen Entwicklung stellt Hypoxie einen positiven, notwendigen Reiz dar, der für die entsprechende Musterung und Funktion der meisten Organe erforderlich ist. 3 Tatsächlich ist in einigen Organen ein Gradient der Sauerstoffspannung im Gewebe während des gesamten Lebens für ihre Funktion erforderlich – ein Beispiel ist die Leberzonierung. 4 Es wird jedoch immer klarer, dass die zellulären Auswirkungen einer Exposition gegenüber niedrigen Sauerstoffspannungen eine schädliche Facette vieler Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Demenz und Diabetes darstellen.


Die Biologie der Hypoxie

Sauerstoffgehalt im Tumor

Frühere Studien zur Beurteilung der Sauerstoffspannung (PÖ2) in Tumoren durch den Einsatz der Eppendorf-Elektroden haben deutlich gezeigt, dass Hypoxie ein häufiges Merkmal von Gebärmutterhalskrebs ist. Kohortenbasierter Median PÖ2 Werte im Bereich von 2 mmHg (0,3% O2) bis 14 mmHg (1,8% O2), gemessen vor Behandlungsbeginn, wurde berichtet [1, 3, 11,12,13]. Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede zwischen einzelnen Tumoren und der hypoxischen Fraktion in Bezug auf PÖ2 Messwerte unter 5 mmHg (0,7% O2), kann von 0 bis 100 % abweichen. Ein großes hypoxisches Volumen vor der Behandlung wurde mit dem Vorhandensein von Lymphknotenmetastasen bei der Diagnose und einem schlechten Gesamt- oder krankheitsfreien Überleben in Verbindung gebracht [1,2,3,4]. Ähnliche Assoziationen wurden für die lokoregionale Kontrolle berichtet, aber die Daten sind weniger konsistent, wahrscheinlich aufgrund weniger Rückfälle in kleinen Patientenkohorten. In der multivariaten Analyse mit klinischen Markern wie Tumorstadium und -größe bleibt die Signifikanz in der Regel erhalten [1, 2, 4]. Die Beurteilung des Hypoxiestatus würde daher die traditionelle Diagnostik in der Behandlungsplanung um wertvolle Informationen ergänzen.

Obwohl einige Tumoren hypoxischer sind als andere, besteht eine große intratumorale Heterogenität der Sauerstoffkonzentrationen, und es sind Proben aus mehreren Regionen erforderlich, um zuverlässige Hypoxie-Schätzungen zu erhalten, die zwischen den Patienten verglichen werden können [14]. Die Bildgebung ist hier besonders attraktiv, da sie Informationen aus dem gesamten Tumor liefert. Eine Herausforderung ist jedoch die geringe Größe der hypoxischen Regionen, die unter der räumlichen Auflösung medizinischer Bilder liegen können. Somit, PÖ2 Werte von 1 bis 20 mmHg (0,1–2,6 % O2) über eine Distanz von weniger als 1 mm gemessen [15], und mit dem Hypoxiemarker Pimonidazol wurden noch kleinere hypoxische Flecken von einigen Zelldurchmessern immunhistochemisch nachgewiesen [16].

Die Tumorhypoxie ist nicht statisch, sondern entwickelt und verringert sich in einem dynamischen Prozess in Abhängigkeit von Tumorwachstum, Neoangiogenese und Behandlung [17]. Somit ist die zeitliche Schwankung in PÖ2 über kurze Zeiträume von weniger als 1 h wurde bei Zervixkarzinom-Xenotransplantaten nachgewiesen [18]. In einem orthotopen Gebärmutterhalskrebs-Mausmodell wurden die Mäuse unterschiedlichen O2 Es wurde gezeigt, dass Konzentrationen in Zyklen während des Tumorwachstums die Fähigkeit von Tumorzellen erhöhen, in lokale Lymphknoten zu metastasieren [19]. Dies deutet darauf hin, dass O2 Schwankungen können von klinischer Relevanz sein. Es fehlen Informationen zur zyklischen Hypoxie bei menschlichen Tumoren, und die Bildgebung könnte solche Untersuchungen durch wiederholte nicht-invasive Messungen erleichtern.

Veränderungen der Tumorhypoxie wurden während der fraktionierten Strahlentherapie gemessen [13, 20, 21, 22]. In einer vergleichenden Studie PÖ2 Daten vor der Behandlung und nach 10 Gy Bestrahlung wurde vor allem bei den am stärksten sauerstoffreichen Tumoren eine erhöhte Oxygenierung gefunden, während die hypoxischen Tumoren keine Veränderung oder Abnahme zeigten [22]. Diese Beobachtung wurde einem stärker behandlungsinduzierten Zelltod und damit wahrscheinlich einer stärkeren Abnahme des Sauerstoffverbrauchs in sauerstoffreichen Tumoren zugeschrieben. Der Nutzen der Beurteilung der Hypoxie während der Therapie für die Vorhersage des Ergebnisses ist jedoch nicht klar. Suzukiet al. [13] fanden eine stärkere Assoziation mit der lokoregionalen Kontrolle für PÖ2 Daten gemessen nach 2 Wochen externer Bestrahlung, während die Daten vor der Behandlung unabhängig vom Endpunkt in der Studie von Lyng et al. [4]. Tumor PÖ2 gemessen nach 26–52 Gy externer Strahlentherapie scheint weniger sinnvoll zu sein [21].

Physiologische und molekulare Hypoxiemarker

Hypoxische Tumoren weisen spezifische physiologische und molekulare Eigenschaften auf, die in medizinischen Bildern sichtbar gemacht werden können. Hypoxie tritt bei schlecht vaskularisierten Tumoren auf, bei denen die gestörte Sauerstoffversorgung den Sauerstoffbedarf der Zellen nicht decken kann. Nekrose kann sich unter schwerer, lang anhaltender Hypoxie entwickeln, abhängig von der Fähigkeit der Zellen, sich an die Bedingungen des Sauerstoff- und Nährstoffmangels anzupassen. Daher wurde eine negative Korrelation zwischen dem Anteil der Nekrose und . gefunden PÖ2 bei Gebärmutterhalstumoren [23]. Mehrere Studien haben sich mit den Beziehungen zwischen Hypoxie und immunhistochemischen Markern für Sauerstoffangebot und -nachfrage befasst. Schlecht vaskularisierte Tumoren oder Tumorregionen haben sich als niedrig erwiesen PÖ2 [24, 25], und ein langer interkapillärer Abstand wurde mit einem lokoregionalen Rezidiv in Verbindung gebracht [25]. Vaskuläre Parameter können daher vor Behandlungsbeginn als Surrogatmarker für eine Hypoxie bei Zervixtumoren dienen. Assoziationen mit einem schlechten Outcome wurden jedoch auch bei hoher Gefäßdichte in Hot Spots gefunden, die eine hohe angiogenetische Aktivität widerspiegeln können, die nicht unbedingt mit einer Hypoxie zusammenhängt [25, 26]. Es hat sich gezeigt, dass der behandlungsinduzierte Zelltod für die Reoxygenierung während der frühen Phase der Strahlentherapie wichtiger ist als vaskuläre Veränderungen, wahrscheinlich weil in diesem Stadium nur geringe Veränderungen der Gefäßdichte aufgetreten sind [22]. Die Zellularität des Tumors scheint daher auch den Hypoxiestatus zu beeinflussen, was höchstwahrscheinlich den Sauerstoffbedarf widerspiegelt.

Tumorzellen passen sich an die hypoxische Umgebung teilweise durch Stabilisierung der Hypoxie-induzierbaren Faktoren HIF1A und EPAS1 (HIF2A) an, wodurch die glykolytische Aktivität erhöht wird, um die ATP-Spiegel aufrechtzuerhalten, wenn sich die mitochondriale Aktivität verlangsamt hat [27]. Proteine, die am Glukosestoffwechsel beteiligt sind, wurden in immunhistochemischen Studien als mögliche endogene Hypoxiemarker untersucht. Eine hohe Expression von HIF1A und seinen Zielproteinen Glucosetransporter SLC2A1 (GLUT1) und pH-Regulator CA9 wurde in Zervixtumoren gefunden, die durch Pimonidazol-Färbung oder Elektrodenmessungen als hypoxisch identifiziert wurden [28,29,30,31,32]. Allerdings hat sich bei vielen Tumoren die räumliche Überlappung zwischen Proteinexpression und Pimonidazol-Färbung als gering erwiesen [28, 31]. Obwohl ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem klinischen Ergebnis und der Expression von HIF1A, SLC2A1, CA9 oder den glykolytischen Enzymen HK2 und PFKM2 sowohl für das frühe [33,34,35] als auch das späte Krankheitsstadium [32, 36, 37, 38, 39,40,41,42,43] wurden widersprüchliche Ergebnisse berichtet [29, 30, 41]. Dies kann wahrscheinlich erklärt werden, weil HIF1A und seine Zielgene durch andere Faktoren als Hypoxie reguliert werden können, einschließlich reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), Onkogene und metabolische Stressoren wie Laktat [27]. Darüber hinaus sind Tumorzellen auch in Gegenwart von Sauerstoff im Allgemeinen auf die Glykolyse und nicht auf die oxidative Phosphorylierung als Energiequelle angewiesen, ein Phänomen, das als Warburg-Effekt bezeichnet wird [27]. Schnell proliferierende Zellen können daher eine hohe glykolytische Aktivität aufweisen und Proteine ​​exprimieren, die am Glukosestoffwechsel beteiligt sind, ungeachtet einer Hypoxie.

Neben der Aktivierung des HIF-Signalwegs wird die Hypoxietoleranz in Tumoren auch durch die Aktivierung der ungefalteten Proteinantwort (UPR) und die Hemmung des MTOR-Signalwegs vermittelt [44]. In globalen Genexpressionsstudien fanden wir, dass sowohl HIF-Targets als auch UPR-Gene erforderlich waren, um einen robusten Hypoxie-Gen-Klassifikator zu konstruieren, der über zwei unabhängige Gebärmutterhalskrebs-Kohorten validiert werden konnte [45, 46]. Die Bedeutung von UPR wurde weiter durch die Beobachtungen unterstrichen, dass eine hohe Expression des UPR-regulierten Proteins LAMP3 die hypoxiegetriebene Metastasierung in einem orthotopen Zervixkarzinommodell förderte und mit Hypoxie in Patiententumoren assoziiert war [47]. Ein besseres Verständnis der Mechanismen, die der hypoxiebedingten Aggressivität zugrunde liegen, wird für die Entwicklung neuer molekularer Bildgebungsansätze wichtig sein.


Sauerstoffsensorik und das System des Hypoxie-induzierbaren Faktors (HIF)

Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren setzte die Entwicklung der Photosynthese in Cyanobakterien Sauerstoff in die Erdatmosphäre frei 1 . Unter Standardtemperatur und -druck verbinden sich zwei Sauerstoffatome zu molekularem Sauerstoff (d. h. O2 oder „Sauerstoff“), ein farb- und geruchloses Gas. Die Zunahme des atmosphärischen Sauerstoffs fiel mit der Entwicklung mehrzelliger Organismen (Metazoa) 2 zusammen, die für eine Reihe physiologischer Prozesse, insbesondere die Energieproduktion, auf Sauerstoff angewiesen sind. Obwohl Sauerstoff für die Erzeugung von Zellenergie unerlässlich ist, ist er in hohen Konzentrationen giftig 3 . Daher muss die Sauerstoffhomöostase Angebot und Nachfrage über verschiedene Zelltypen hinweg anpassen, die Umgebungen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt bewohnen 4 . Bei höheren Tieren sind das respiratorische, kardiovaskuläre und hämatopoetische System für den Sauerstofftransport verantwortlich. Physiologische Kontrolle erfolgt durch akute Regulierung der Ventilation durch periphere und zentrale Chemorezeptoren, verwoben mit langsameren adaptiven Reaktionen, einschließlich transkriptionaler Effekte, die durch das HIF-System vermittelt werden 5, 6 . Entscheidende Entdeckungen auf diesem Weg wurden kürzlich mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2019 7 ausgezeichnet.

HIF fungiert als Heterodimer einer sauerstoffregulierten α-Untereinheit (entweder HIF-1α, HIF-2α oder HIF-3α) und einer β-Untereinheit (HIF-β), die weithin sauerstoffunabhängig exprimiert wird. HIF-α-Untereinheiten werden sauerstoffabhängig durch die Prolylhydroxylase-Domänen enthaltenden Enzyme (PHD1, 2 und 3) hydroxyliert, was die Erkennung durch die von Hippel-Lindau-Ubiquitin-E3-Ligase (pVHL) und den anschließenden proteasomalen Abbau erleichtert (Abbildung 1 ). Die PHDs gehören zur Familie der 2-Oxoglutarat (2-OG)-abhängigen Dioxygenasen, die beim Menschen etwa 70 Enzyme enthält, die auf verschiedene Substrate abzielen. Diese Enzyme benötigen Disauerstoff, das Zwischenprodukt 2-OG des Tricarbonsäure(TCA)-Zyklus und Eisen(II) (Fe 2+ ) als Reaktions-Cofaktoren. Andere Mitglieder der 2-OG-abhängigen Dioxygenase-Familie umfassen Collagen-Prolyl-Hydroxylasen und epigenetische Modifikatoren, wie die Jumonji-Domäne enthaltende Familie der Histon-Demethylasen und die Zehn-Elf-Translokations-(TET)-DNA-5-Methylcytosin-Hydroxylasen. Bei Hypoxie hemmt eine reduzierte Sauerstoffverfügbarkeit die enzymatische Aktivität von PHDs, was zu einer HIF-α-Stabilisierung, Heterodimerisierung mit HIF-β, Co-Aktivator-Rekrutierung (selbst sauerstoffabhängig reguliert durch die Asparaginyl-Hydroxylase, Faktor inhibierender HIF [FIH]) führt , ein weiteres Mitglied der Dioxygenase-Familie) und die Transkription von vielen hundert Genen. Insgesamt führt dies zu einem Genexpressionsprofil, das die zelluläre Anpassung an Hypoxie erleichtert, indem es beispielsweise den Zellstoffwechsel von oxidativer Phosphorylierung auf Glykolyse umstellt (um den Sauerstoffbedarf zu reduzieren) und Erythropoese und Angiogenese (um die Sauerstoffversorgung des Gewebes wiederherzustellen) fördert, aber auch verursacht Reaktionen, die weniger intuitiv mit der Oxygenierung zusammenhängen 8 . Wie die meisten physiologischen Systeme wird die Aktivierung des HIF-Signalwegs durch eine Reihe von Rückkopplungsschleifen reguliert, die seine Gesamtleistung formen 9 . Beim Menschen wird die HIF-1α-PHD2-VHL-Achse ubiquitär exprimiert und repräsentiert am ehesten „archaische“ Komponenten des Signalwegs, während HIF-2α, HIF-3α, PHD1 und PHD3 „moderne“ Gene sind, abgeleitet über Genduplikationsereignisse, die eine gewebeeingeschränkte Expression zeigen und sich entwickelt haben, um spezifische Funktionen auszuführen. Dieses Paradigma widerspiegelnd modulieren HIF-1&agr; und HIF-2&agr; die Expression von sowohl überlappenden als auch unterschiedlichen Zielgenen 10 .

Die Wirkungen der Aktivierung des HIF-Signalwegs hängen von Veränderungen der Transkriptionsleistung ab und stellen folglich mittel- bis langfristige Anpassungen an Hypoxie dar, die über Stunden, Tage und Wochen auftritt. Andere weniger gut definierte oder noch zu entdeckende Sauerstoffsensorsysteme müssen existieren, die akute Reaktionen über Sekunden bis Minuten vermitteln. Interessanterweise wurde kürzlich ein Säugetierhomologe eines Pflanzensauerstoffsensors als Cysteamin (2-Aminoethanthiol)-Dioxygenase (ADO) 11 identifiziert. Dieses Enzym verändert die Stabilität des Zielproteins direkt durch posttranslationale Modifikation und wandelt daher wahrscheinlich schnellere Reaktionen auf Hypoxie um als diejenigen, die durch das HIF-System vermittelt werden (Abbildung 2).


Rolle der Ferroptose bei Krankheiten und therapeutische Möglichkeiten

Obwohl die physiologische Funktion der Ferroptose im Dunkeln bleibt, ist ihre Rolle bei einer Vielzahl von menschlichen Krankheiten umfassend dokumentiert. Wichtig ist, dass sich die pharmakologische Modulation der Ferroptose in verschiedenen präklinischen Tiermodellen als vielversprechender therapeutischer Ansatz für die Behandlung von Krebs und IRI erwiesen hat. Während wir uns in diesem Abschnitt auf die Rolle und therapeutischen Implikationen der Ferroptose bei Krebs und IRI konzentrieren, wurde Ferroptose mit der Pathogenese vieler anderer Krankheiten in Verbindung gebracht, wie in Kasten 1 diskutiert.

Kasten 1 –

Krankheiten, die möglicherweise mit Ferroptose zusammenhängen

Neben Krebs und ischämischen Organverletzungen wird Ferroptose mit der Pathogenese einer wachsenden Liste anderer Krankheiten in Verbindung gebracht, wie Neurodegeneration 19.165�.182 , Leber- und Lungenfibrose 80.183 , Autoimmunerkrankungen 184.185 , Mykobakterium-Tuberkulose-induzierte Gewebenekrose 186 , Zigarettenrauchen-assoziierte chronisch obstruktive Lungenerkrankung 187,188 und eine seltene genetische neurologische Erkrankung namens Pelizaeus-Merzbacher-Krankheit 189 . Während diese lange Liste auf die klinische Relevanz und das therapeutische Potenzial von Ferroptose-modulierenden Ansätzen spricht, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob die Ferroptose tatsächlich eine ursächliche Rolle bei diesen Erkrankungen spielt. In den meisten Fällen wird beispielsweise allgemein beobachtet, dass im erkrankten Gewebe nicht-apoptotischer Zelltod beobachtet wurde und dass ein Ferroptose-Inhibitor, oft ein lipophiles RTA, den beobachteten Zelltod mildern und in einigen Fällen die Schwere der Symptom. Lipidperoxide können jedoch Immunität und Entzündung regulieren, Prozesse, die bei allen aufgeführten Krankheiten eine wichtige Rolle spielen. Daher ist Vorsicht geboten, um zu unterscheiden, ob die beobachtete Wirkung der lipophilen RTA über eine Modulation der Entzündung oder Ferroptose oder beides erfolgt. Eine detaillierte mechanistische Untersuchung des mit der Krankheit verbundenen Gewebezelltods, einschließlich der Untersuchung spezifischer in vivo Ferroptose-Biomarker (die das Feld schmerzlich vermisst) werden für diesen Zweck von entscheidender Bedeutung sein.

Ferroptose bei Krebs.

Ferroptose wird von Anfang an mit Krebs in Verbindung gebracht: Die erste Entdeckung chemischer Induktoren der Ferroptose ist das Ergebnis einer Suche nach neuen therapeutischen Wirkstoffen gegen Krebs 20,21 . Spätere mechanistische Studien haben gezeigt, dass zahlreiche krebsrelevante Gene und Signalwege die Ferroptose regulieren. Die Beobachtungen, dass mesenchymale und dedifferenzierte Krebszellen, die oft gegen Apoptose und gängige Therapeutika resistent sind, sowie sogenannte “therapie-persister”-Krebszellen sehr anfällig für Ferroptose-Induktoren sind 39,133,134 , unterstreichen das Versprechen der Ferroptose-Induktion als eine neuartige Krebstherapie.

Da es sich bei der Ferroptose um eine durch oxidativen Stress induzierte metabolische Form des Zelltods handelt, scheint es konzeptionell logisch vorzuschlagen, dass Krebszellen aufgrund des insgesamt aktiveren Stoffwechsels und der höheren ROS-Belastung eine höhere Tendenz zur Ferroptose aufweisen können. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Krebszellen häufig einen hohen Eisengehalt benötigen 135,136 , was sie weiter für Ferroptose sensibilisieren kann. Krebszellen können jedoch auch zusätzliche genetische oder epigenetische Veränderungen nutzen, um diesen metabolischen und oxidativen Belastungen entgegenzuwirken, wie beispielsweise eine erhöhte Expression von SLC7A11 oder eine Hochregulierung des antioxidativen Transkriptionsfaktors NRF2 137 . Ob ein bestimmter Krebs empfindlicher oder resistenter gegenüber einer Ferroptose-Induktion ist, hängt daher von seinem spezifischen genetischen Hintergrund ab. Die Genomik von Krebs sowie verschiedene andere Parameter, wie unten diskutiert, sollten bei der Entwicklung einer auf Ferroptose-Induktion basierenden Krebstherapie in Betracht gezogen werden.


Abbildung 1. Tumorhypoxie. Wenn ein kleiner, lokalisierter Tumor aus seiner vaskulären Versorgung herauswächst (Abstände >100 &mgr;m), entsteht in Regionen mit eingeschränkter Sauerstoffzufuhr eine Tumorhypoxie. Folglich schalten hypoxische Zellen Zielgene ein, die an der Angiogenese [vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor (VEGF)], dem Glukosetransport [Glukosetransporter 1 (GLUT-1)] und der Zellmigration [Urokinase-Typ-Plasminogen-Aktivator-Rezeptor (u-PAR) und Plasminogen] beteiligt sind Aktivator-Inhibitor 1 (PAI-1)]. Eine gesteigerte Gefäßversorgung des Tumors durch die Induktion der Neubildung von Blutgefäßen (Angiogenese) fördert das Tumorwachstum und erleichtert die Metastasierung an entfernte Stellen. Eine der Funktionen der hypoxischen Reaktion von Säugetieren bei der Entwicklung und bei Krebs ist die Erzeugung von entstehenden vaskulären Netzwerken durch Angiogenese. Durch die transkriptionelle Regulation des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors A (VEGF-A) und anderer angiogenetischer Faktoren können die Hypoxie-induzierbaren Faktor 1 und 2 alpha (HIF-1alpha und HIF-2alpha) die Angiogenese auf sauerstoffabhängige Weise steigern und so ein Überleben ermöglichen und Wachstumsvorteil gegenüber HIF-Wildtyp-Tumoren (UCSD nd). Angiogenese ist ein wichtiger Mediator der Tumorprogression. Wenn sich Tumore ausbreiten, nehmen die Diffusionsentfernungen von der bestehenden Gefäßversorgung zu, was zu einer Hypoxie führt. Eine anhaltende Expansion einer Tumormasse erfordert die Bildung neuer Blutgefäße, um schnell proliferierende Tumorzellen mit ausreichend Sauerstoff und Metaboliten zu versorgen. Der Schlüsselregulator der Hypoxie-induzierten Angiogenese ist der Transkriptionsfaktor Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF)-1 (Liao & Johnson, 2007). Sauerstoffmangel ist bei soliden Tumoren weit verbreitet. Der Transkriptionsfaktor HIF-1a ist ein wichtiger Mediator der hypoxischen Reaktion von Tumorzellen und kontrolliert die Hochregulierung einer Reihe von Faktoren, die für die Expansion solider Tumore wichtig sind, einschließlich des angiogenen Faktors vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor (VEGF). Die Beweise aus diesen Experimenten von Ryan et al. (2000) weisen darauf hin, dass die hypoxische Reaktion über HIF-1a ein wichtiger positiver Faktor beim Wachstum solider Tumore ist und dass HIF-1a die Tumorexpansion auf eine Weise beeinflusst, die nicht mit seiner Regulation der VEGF-Expression zusammenhängt. Zellen unterliegen einer Vielzahl von biologischen Reaktionen, wenn sie in hypoxische Bedingungen gebracht werden, einschließlich der Aktivierung von Signalwegen, die die Proliferation, Angiogenese und den Tod regulieren. Krebszellen haben diese Signalwege angepasst, sodass Tumore unter hypoxischen Bedingungen überleben und sogar wachsen können, und eine Tumorhypoxie ist mit einer schlechten Prognose und Resistenz gegenüber einer Strahlentherapie verbunden. Viele Elemente des Hypoxie-Reaktionsweges sind daher gute Kandidaten für therapeutisches Targeting (Harris, 2002). Nobelpreisträger Dr. Otto Warburg schrieb in seinem Artikel “The Prime Cause and Prevention of Cancer” (1966), “Krebs hat vor allen anderen Krankheiten unzählige sekundäre Ursachen. Fast alles kann Krebs verursachen. Aber auch für Krebs gibt es nur eine Hauptursache. Die Hauptursache für Krebs ist der Ersatz der Sauerstoffatmung (Oxidation von Zucker) in normalen Körperzellen durch die Vergärung von Zucker… Zellen werden zu fermentierenden Anaerobiern, die alle ihre Körperfunktionen verloren haben und nur noch die nun nutzlose Eigenschaft des Wachstums und der Vermehrung behalten.“ Dr. Otto Warburg untersuchte den Stoffwechsel von Tumoren und die Atmung von Zellen, insbesondere von Krebszellen, und in 1931 erhielt er den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine “Entdeckung des Wesens und der Wirkungsweise des respiratorischen Enzyms” Diese Schlussfolgerungen sind wichtig, da wir bereits die folgenden zentralen Erkenntnisse bewiesen haben: 1. Kranke Patienten (verschiedene chronische Krankheiten) viel mehr atmen als normal. 2. Überatmung oder Hyperventilation reduziert den CO2-Gehalt in der Lunge und im arteriellen Blut. 3. Aufgrund der zahlreichen Verwendungen von CO2 im menschlichen Körper führt Hypokapnie (erniedrigtes CO2) zu einer reduzierten Sauerstoffversorgung aller lebenswichtigen Organe und Gewebe aufgrund von Brustatmung, Vasokonstriktion und unterdrücktem Bohr-Effekt. Der Bohr-Effekt erklärt die Sauerstofffreisetzung in Kapillaren oder warum rote Blutkörperchen Sauerstoff in Gewebe abgeben. Der Bohr-Effekt wurde erstmals 1904 vom dänischen Physiologen Christian Bohr (Vater des berühmten Physikers Niels Bohr) beschrieben. Christian Bohr stellte fest, dass Hämoglobin bei niedrigeren pH-Werten (saurere Umgebung, z. B. in Geweben) mit geringerer Affinität an Sauerstoff binden wird. Da Kohlendioxid in direktem Gleichgewicht mit der Protonenkonzentration im Blut steht, führt ein steigender Kohlendioxidgehalt im Blut zu einer Abnahme des pH-Wertes, was zu einer Abnahme der Affinität für Sauerstoff durch Hämoglobin führt. Haben moderne Wissenschaftler eine andere Meinung über die Hauptursache von Krebs auf Zellebene? Es ist seit Jahrzehnten bekannt, dass bösartige Zellen aufgrund von Milliarden von Zellteilungen und Mutationen in jedem menschlichen Organismus normalerweise und ständig auftreten und existieren. Diese abnormalen Zellen werden unter normalen Bedingungen vom Immunsystem schnell erkannt und zerstört. Die Arbeit von Makrophagen, Enzymen und anderen Wirkstoffen des Immunsystems wird jedoch stark behindert, wenn Hypoxiezustände vorliegen. Das war das Ergebnis verschiedener Studien. Zum Beispiel untersuchte Dr. Rockwell von der Yale University School of Medicine (USA) bösartige Veränderungen auf zellulärer Ebene und schrieb: „Die physiologischen Auswirkungen von Hypoxie und die damit verbundenen Mikro-Umweltunzulänglichkeiten erhöhen die Mutationsraten, selektieren Sie auf Zellen, denen es an normalen Signalwegen mangelt programmierten Zelltod und tragen zur Entwicklung eines zunehmend invasiven, metastasierenden Phänotyps bei (Rockwell, 1997). Der Titel dieser Veröffentlichung lautet ” Sauerstoffabgabe: Implikationen für die Biologie und Therapie solider Tumoren”. Die Ergebnisse zahlreicher Studien zusammenfassend, wählte eine Gruppe von Biowissenschaftlern der University of California (San Diego) den folgenden Titel für ihren Artikel: “Das Hypoxie-induzierbare Faktor-1-Gen ist für die Embryogenese und die Bildung solider Tumore erforderlich” (Ryan et al, 1998). Unter normalen Bedingungen stirbt sogar eine Gruppe hypoxischer Zellen (oder wird leicht zerstört). Was ist mit Zellen in bösartigen Tumoren? Forscher des Gray Laboratory Cancer Research Trust (Mount Vernon Hospital, Northwood, Middlesex, UK) kamen zu dem Schluss, dass „Zellen unter hypoxischen Bedingungen eine Vielzahl von biologischen Reaktionen durchlaufen, einschließlich der Aktivierung von Signalwegen, die Proliferation, Angiogenese und Tod regulieren. Krebszellen haben diese Signalwege angepasst, sodass Tumore überleben und sogar unter hypoxischen Bedingungen wachsen können…” (Chaplin et al, 1986). Es gibt so viele professionelle Beweise für das schnelle Wachstum von Tumoren, wenn Hypoxie vorliegt, dass eine große Gruppe kalifornischer Forscher kürzlich eine Arbeit schrieb: “Hypoxie – induzierbarer Faktor-1 ist ein positiver Faktor für das Wachstum solider Tumoren” (Ryanet al, 2000). In Anlehnung an ihre Veröffentlichung ging der britische Onkologe Dr. Harris vom Weatherhill Institute of Molecular Medicine (Oxford) mit dem Manuskript “Hypoxie – ein wichtiger regulatorischer Faktor beim Tumorwachstum” weiter (Harris, 2002). Wenn der solide Tumor groß genug ist und die Krankheit fortschreitet, beginnt der Krebs, in andere Gewebe einzudringen. Dieser Vorgang wird als Metastasierung bezeichnet. Beeinflusst eine schlechte Sauerstoffversorgung es? „Daher wird Gewebehypoxie als zentraler Faktor für Tumoraggressivität und Metastasierung angesehen“ (Kunz & Ibrahim, 2003). Zu diesem Ergebnis kommt eine Gruppe deutscher Forscher der Universität Rostock und der Universität Leipzig. Da Dutzende von medizinischen und physiologischen Studien das gleiche Ergebnis liefern, was ist mit dem folgenden Titel? “Tumoroxygenierung sagt die Wahrscheinlichkeit von Fernmetastasen beim menschlichen Weichteilsarkom voraus” (Brizel et al, 1996). Dieser Titel behauptet, dass die Sauerstoffversorgung des Tumors die Wahrscheinlichkeit einer Krebsinvasion vorhersagt. Die Wirkung der Krebstherapie und die Überlebenschancen derjenigen, die an schwerer chronischer Hyperventilation leiden, kann der Leser vermutlich erahnen. Tatsächlich ist eine „Tumorhypoxie“ mit einer schlechten Prognose und einer Resistenz gegenüber einer Strahlentherapie assoziiert“ (Chaplin et al., 1986). Amerikanische Wissenschaftler der Harvard Medical School stellten fest, dass Hypoxie somit sowohl eine Behandlungsresistenz als auch einen Wachstumsvorteil bewirken kann (Schmaltz et al., 1998). “Es hat sich gezeigt, dass eine niedrige Sauerstoffkonzentration im Gewebe für das Ansprechen menschlicher Tumoren auf Strahlentherapie, Chemotherapie und andere Behandlungsmodalitäten wichtig ist. Hypoxie ist auch als prognostischer Indikator bekannt, da hypoxische menschliche Tumoren biologisch aggressiver sind und eher lokal rezidivieren und Metastasen bilden (Evans & Koch, 2003). “Klinische Beweise zeigen, dass eine Tumorhypoxie ein unabhängiger prognostischer Indikator für ein schlechtes Behandlungsergebnis ist. Hypoxische Tumoren haben veränderte physiologische Prozesse, einschließlich vermehrter Angiogenese-Regionen, vermehrter lokaler Invasion, vermehrter Fernmetastasierung und veränderter apoptotischer Programme (Denko et al., 2003). Ein weiterer Faktor ist der Eisenstoffwechsel. Eisen ist ein essentielles Element in allen lebenden Organismen und wird als Cofaktor für sauerstoffbindende Proteine ​​benötigt. Eisenstoffwechsel, Sauerstoffhomöostase und Erythropoese sind daher stark miteinander verknüpft. Eisen muss streng reguliert werden, da Eisenmangel bei Säugetieren eine Hypoeisenanämie induziert, gekoppelt mit Hypoxie im Gewebe, während überschüssiges Eisen toxisch ist und die Bildung freier Radikale verursacht. Angesichts der Zusammenhänge zwischen Sauerstofftransport und Eisenstoffwechsel sind Zusammenhänge zwischen der Physiologie der hypoxischen Reaktion und der Kontrolle der Eisenverfügbarkeit wichtig. Zahlreiche Untersuchungslinien haben bewiesen, dass die HIF-Transkriptionsfaktoren als zentrale Mediatoren der zellulären Anpassung an kritisch niedrige Sauerstoffkonzentrationen sowohl in normalen als auch in kompromittierten Geweben fungieren. Mehrere dieser Zielgene sind an der Eisenhomöostase beteiligt, was die molekularen Verbindungen zwischen Sauerstoffhomöostase und Eisenstoffwechsel widerspiegelt (Peyssonnaux et al, 2008). Kupfer ist ein weiterer Faktor bei Hypoxie. Der zelluläre Sauerstoffpartialdruck wird von einer Familie von Prolyl-4-Hydroxylase-Domänen-(PHD)-Enzymen erfasst, die Untereinheiten des Hypoxie-induzierbaren Faktors (HIF)alpha modifizieren. Ceruloplasmin, das wichtigste Kupfertransportprotein im Plasma und in vitro ein bekanntes HIF-1-Ziel, wurde auch in vivo in der Leber von hypoxischen Mäusen induziert. Sowohl Hypoxie als auch CuCl(2) erhöhten die mRNA-Spiegel von Ceruloplasmin (sowie des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors [VEGF] und des Glucosetransporters 1 [Glut-1]) in Hepatomzellen, was auf die transkriptionelle Induktion des Promotors des Ceruloplasmin-Gens (CP) zurückzuführen war (Martin et al., 2005). Die Autoren einer der oben zitierten Studien grübelten über die Ursprünge all dieser Probleme, „über den natürlichen Verlauf solcher hypoxischen Zellen ist jedoch überraschend wenig bekannt“ (Chaplin et al., 1986). Warum erscheinen sie? Was ist die Quelle der Gewebehypoxie? Die Antwort ist unbekannt und wahrscheinlich systemisch, aber die Schlussfolgerung lautet daher, dass das Auftreten, die Entwicklung und die Metastasierung von Tumoren auf Zellhypoxie beruhen. Verweise Brizel DM, Scully SP, Harrelson JM, Layfield LJ, Bean JM, Prosnitz LR, Dewhirst MW, Tumoroxygenierung sagt für die Wahrscheinlichkeit von Fernmetastasen beim humanen Weichteilsarkom voraus, Cancer Research 1996, 56: p. 941–943. Chaplin DJ, Durand RE, Olive PL, Acute Hypoxie in Tumors: Implikationen für Modifikatoren von Strahlungseffekten, International Journal of Radiation, Oncology, Biology, Physics 1986, 12. August (8): p. 1279-1282. Denko NC, Fontana LA, Hudson KM, Sutphin PD, Raychaudhuri S, Altman R, Giaccia AJ, Investigating hypoxic tumor physiology through gene expression pattern, Oncogene 2003 1. September 22(37): p. 5907-5914. Evans SM &. Koch CJ, Prognostische Bedeutung der Tumoroxygenierung beim Menschen, Cancer Letters 2003 30. Mai 195(1): p. 1-16. 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[…] Dr. Rockwell from Yale University School of Medicine (USA) studied malignant changes on the cellular level and wrote, “The physiological effects of hypoxia and the associated micro environmental inadequacies increase mutation rates, select for cells deficient in normal pathways of programmed cell death, and contribute to the development of an increasingly invasive, metastatic phenotype”[3] […]

VINDICATED AT LAST’
The first Cancer conference I attended 16 years ago was a joint Lorne (Vic Aust) AACR (American Association of Cancer Research) conference. A lecture on the second day was about a bowel cancer in which the number one tumor repressor p53 was mutated, presumably the reason for the tumor, and it secreted a prostaglandin PGF2. Now I knew that PGF2 constricted or narrowed blood vessels supplying the gastrointestinal tract and suddenly I had a different spin on the sequence of events. At question time I suggested that hypoxia or oxygen starvation was the cause of the bowel cancer, not the mutations in the p53 tumor repressor. I suggested that the mutations in the p53 were a RESULT of the hypoxia. As I said this tumor secreted a prostaglandin PGF2 which is a vasoconstrictor. Adrenalin activates PGF2 in the gastro-intestinal tract in response to ‘fight or flight’, stress in other words. My theory went like this. Stress>adrenalin>PGF2>vasoconstriction>HYPOXIA>p53 mutation>CANCER.

At the end of the symposium a chap approached me and suggested that this was a very interesting idea as he was working on the same cells. It turned out that he was the AACR convener. I saw him later and explained to him what is called the RAS pathway by which adrenalin works. He said, “You must be a very good biochemist” I was nonplussed by this as I didn’t thing my suggestion was anything extraordinary and I replied that “I’m not a biochemist, I’m an electronic technician, this is just a hobby for me. He looked dumbfounded as if I was taking the Mickey out of him and didn’t say anything, then took off. I didn’t run into him again for the rest of the Conference.

The following year when I went to pay the Conference secretary for everything, registration, all meals and accommodation she whispered as she handed me my bag, “Don’t worry Noddy, it all been taken care off” ($750>. I was gobsmacked as there was no explanation as to why. The same thing happened for the following two years the gradually tapered off. I know now. You see my answer that day involved endocrinology, biochemistry, hematology, oncology, molecular biology etc. all of which I had studied BECAUSE I DIDN’T KNOW THAT I WASN’T SUPPOSED TO

HYPOXIA 2.
All of the delegates are molecular biologist looking for GENES to blame, then design the appropriate drug. It is pure commerce and that blinds totally. This, plus Dawkinist dogma, makes it IMPOSSIBLE to understand cancer, let alone find a cure. How could the delegates POSSIBLY admit that an amateur scientist had worked something out that the entire global community of cancer researchers couldn’t. Yet taking the multidisciplinary approach made it easy, hence my amazement at the response to my suggestion. These conferences are run by private enterprise and they are not gonna give away thousands of dollars to some amateur out the goodness of their hearts. Now I know this sounds incredibly mean spirited, but I really am grateful.

At the last conference I attended there were two lectures on the discovery of the HIF (hypoxia inducable factor) proteins and their associated genes. No kudos for me, however. If I had said “I suggested that years ago” I would have been howled down.

OXYGEN TENSION AS PRIMARY DIFFERENTIATION FACTOR.
There would appear to be overwhelming evidence that OXYGEN Tension is the PRIMARY differentiating factor, ie that which determines at what stage of development or differentiation (going forward) that cells are at or what stage of DEDIFFERENTIATION (going backward) that cancer cells are at. What if, after transformation of epithelial cells, angiogenesis (the growth of blood vessels) is PROGRAMMED to lag behind tumor growth, so that as oxygen tension goes down in the tumor, it’s cells increasingly DEDIFFERENTIATE, those furthest from the blood vessels and thus exposed to the LEAST oxygen tension. undergoing EMT (epithelial to mesenchymal transfer) to become cancer stem cells.

Then as these cells with a mesenchymal phenotype crawl toward the blood vessels to metastasise they are exposed to increased oxygen tension and revert to an epithelial phenotype? The question is why all this order? HIF (hypoxia inducable factor) proteins affect 800 genes, 1/13 of all coding genes. That an AWFUL lot of genes for something that is supposed to be a stuff up, eh

HIFs IN CANCER PROGRESSION. (Semenza. PDF)
This is from an excellent paper, with several exceptions, by Jeff Semenza MD, on hypoxia. The text in brackets is mine.

HIFs play key roles in many crucial aspects of cancer biology including 1. angiogenesis, (the growth of blood vessels to accommodate the growth of a tumour) 2. stem cell maintenance, (preventing the cell from fully differentiating to a mature cell going onto terminal differentiation, ie apoptosis or cell suicide) 3. metabolic reprogramming (from oxidative metabolism to non oxidative fermentation of glucose), 4. autocrine growth factor signalling (self signalling rather than paracrine , juxtacrine , or endocrine signalling, 5. epithelial-mesenchymal transition or EMT (not limited to a single or monolayer of cells, eg those lining a milk duct and conversion of resultant tumor cells from an epithelial phenotype to a mesenchymal phenotype), 6. invasion (of surrounding tissue), 7. metastasis (cells moving into nearby bloodvessels then circulating to set up a secondary tumor at a a distant site), and 8. resistance to radiation therapy and chemotherapy.

AMAZING.
ALL attributes of CANCER, built into almost every cell in response to HYPOXIA. WARUM? Why don’t cancer researchers ask this question? This and a lot of other factors suggest ‘wild type’ cancer. There is one very important word glaringly missing in this paper. DEDIFFERENTIATION of the cancer cell, going BACKWARDS, retracing the steps that it took during embryogenesis. Older books eg my ‘Ocology 1972’ are full of the word. It is not questioned. It is a word that has fallen into almost total misuse, maybe for the very reason that is might suggest Larmarkism, ie back all the way to the germ line and THAT is heresy. (This blindness seems to coincide with the rise of Richard Dawkins). Thus the stem cells referred to might have arisen from fully differentiated cells that have dedifferentiated in response to hypoxia.

Instead of the paper suggesting addressing the CAUSES of the hypoxia, ie stress and arteriosclerosis it instead suggests different sites whereby the action of HIF’s might be blocked by a drug or two or three. Still, getting rid of the stress in the US, might make these drugs, and their myriad side effects, the only option. (I live in Australia.)

ADRENALIN.
In ‘fight or flight’ adrenalin, mediated by prostaglandin PGF2, CONSTRICS all blood vessels not essential to same, the gastrointestinal tract and associated organs and presumably to breast as an animal cannot breast feed and run simultaneously. Enter HYPOXIA, not a problem short term, but long term due to persistent stress, malabsorption of IRON (and cobalt) thus adding ANEMIA, making the hypoxia global, but obviously worse in tissue in which vasocontriction prevails. (Then there is malabsorption of nutrients, such as anti-oxidants, vitamins, minerals etc.)

NORADRENALIN.
A mood enhancer at low levels, as evidenced by the SNRI’s blocking noradrenalin’s reuptake in the synapse. However at higher levels associated with panic attacks, paranoid schizophrenia etc.

At high concentrations noradrenalin constricts ALL ARTERIES AND VEINS. Global HYPOXIA.
However not everybody gets panic attacks, so what about something that is almost universal and can profoundly effect oxygen transport to the tissues.

REFINED SUGAR and ARTERIOSCLEROSIS.
Almost the entire world pigs out on HUGE amounts of sugar. In high blood concentrations albeit transitory with reactive hypoglycaemia, glucose binds to blood vessel walls via NON-ENZYMATIC GLYCOSATION of PROTEIN, also trapping cholesterol. The use of Statins to control blood cholesterol can lead to diabetes 2 because they block the pathway between Acetyl CoA and the Melovanate pathway. Thus excess glucose is converted to cholesterol, maybe to limit OSMOTIC HYPERTENSION caused by excess blood glucose.

Thus sugar also contributes cholesterol to the plaques gunking up blood vessels and possibly smothering receptors on epithelial cells, so inhibiting the action of endocrine hormones on hemostasis.

BLOOD PRESSURE and BETA BLOCKERS.
Blood vessels have carbon dioxide detector nodes along them, so that if CO2 builds up in the bloodstream, meaning reduced oxygen, then the heart increases its output, the result being higher blood pressure. Now gunked up blood vessels inhibit the flow of blood through them so the heart has to increase it’s output to compensate, meaning higher blood pressure and risk of stroke. So you take blood pressure controls e.g. beta blockers and you lower your blood pressure but increase your RISK OF CANCER by definition, the Warburg effect.

INDUCER AND PROMOTER.
If HYPOXIA can be the prime INDUCER of cancer, albeit slow growing, then what about a toxic blood concentration of estradiol (due to impaired deactivation resulting from liver pathology, as the liver is the primary site of estradiol deactivation), acting as the PROMOTER of breast cancer.
Early ductal cell carcinoma cells have up to 1,000 times more ER than a normal cell. This would suggest 1,000 times more deactivation of estradiol than a normal ductal cell. Hundreds of times more cells in the tumor and you have a MASSIVE increase in the ability of the tumor to deactivate the hormone, thus protecting the body from estradiol mediated kidney and liver damage AND osteoporosis, as a high concentration estradiol stimulates the secretion of PROLACTIN which demineralises bone.

It is thus difficult not to reason that THIS IS WHY THE CANCER GROWS IN THE FIRST PLACE, ie. to compensate for LIVER pathology. Thus to use chemo which is hepatoxic does seem a little irrational I think one just might agree, unless one is drowning in Dawkinism.


Diffusion Tensor Imaging and White Matter Tractography

Diffusion tensor imaging (DTI) is a rapidly growing area of research in technical optimization and image processing, as well as clinical application in a variety of intracranial disorders. DTI is distinguished from DWI by its sensitivity to anisotropic or directionally dependent diffusion and provides unique information on 3D diffusivity, which is characterized by 3 eigenvectors (direction) and 3 eigenvalues (magnitude). In humans, brain DTI provides a 3D depiction of white matter connectivity that allows unprecedented opportunity to study brain cytoarchitecture at a microscopic level. The term “tensor” is a mathematic construct adopted from physics and engineering to describe tension forces in solid bodies with an array of 3D vectors. In DTI, tensor is made up of a matrix of numbers derived from diffusion measurements in at least 6 independent diffusion-encoding directions to calculate orientation-dependent diffusion in all spatial directions for each image voxel. The anisotropic diffusion in the brain is largely attributed to 2 unique cytoarchitectural compositions of the brain: myelin and axons. The lipid bilayer of myelin sheath creates a unique microsopic diffusion barrier that results in different degrees of diffusion along different planes. 17 Myelin alone, however, cannot be responsible for anisotropic diffusion, because nonmyelinated nerves have been shown to demonstrate striking diffusion anisotropy. 18 The attenuation and packing of axons and the subcomponents of axons such as the micro- and neurofilaments, microtubules, and membranes also contribute significantly to the anisotropic diffusion. Although the biologic basis of diffusion anisotropy is not yet completely understood, the differential degree of water diffusivity that is maximal parallel to and minimal perpendicular to the long axes of collimated axonal bundles and myelin sheath create a unique situation to measure and tract fiber orientation, especially in large white matter tracts such as the corticospinal tract.

In brain tumors, DTI tractography has had a tremendous impact on intraoperative guidance in tumor resection. 19 DTI tractography maps of desired white matter tracts can be overlaid onto high-resolution anatomic images and provide information on alterations in fiber tract directionality and integrity due to neighboring brain tumor (Fig 3). DTI tractography of the corticospinal tract has gained popularity among neurosurgical colleagues as a noninvasive guide to avoid injuring the corticospinal tract during tumor resection.

A 37-year-old man with right frontal low-grade astrocytoma. A series of axial postcontrast T1-weighted images of the brain demonstrate a nonenhancing right frontal insular mass. The diffusion tensor tractogram, which has been coregistered and overlaid onto the contrast-enhanced T1-weighted images, demonstrates corticospinal tract (white marks) that is displaced but not invaded by the tumor.


Oxygen-starved tumor cells have survival advantage that promotes cancer spread

Using cells from human breast cancers and mouse breast cancer models, researchers at the Johns Hopkins Kimmel Cancer Center say they have significant new evidence that tumor cells exposed to low-oxygen conditions have an advantage when it comes to invading and surviving in the bloodstream.

The experiments mapping the "fate" of the cells in two- and three-dimensional lab-created tissue systems and in live animals specifically showed that cells from a primary cancer exposed to low oxygen levels, or hypoxia, have a four times greater probability of becoming viable circulating tumor cells -- and likely spreading to distant tissues -- than those under normal oxygen conditions.

The results were described Oct. 24 in the journal Naturkommunikation.

"Our findings also show that these post-hypoxic cells have six times the probability of forming lung metastases, suggesting that oxygen starvation enhances their metastatic capabilities," says study leader Daniele Gilkes, Ph.D., assistant professor of oncology and researcher in the breast and ovarian cancer program of the Johns Hopkins Kimmel Cancer Center.

Gilkes and her team also identified a pattern of genetic expression in post-hypoxic cells that appears to help the cells survive oxidative stress when they enter the bloodstream. Some tumor cells retain parts of this genetic signature as a "hypoxic memory" even after they have been reoxygenated, the researchers found.

"Cancer cells tend to become more aggressive as they adapt to low oxygen levels," says Gilkes, "but we were surprised to find that cells that were exposed to hypoxia in the primary tumor maintained their aggressive features even when they were reoxygenated in the blood."

In the future, the unique features of the hypoxic cells might be used as biomarkers to identify patients at risk for metastasis, or might be targeted directly by therapies to prevent or limit metastasis, the research team suggested.

Hypoxia occurs in 90% of solid tumors and is known to have an adverse impact on a patient's prognosis. However, little is known about how tumor cells change in response to low oxygen. Gilkes says most research teams -- including her own -- grow and experiment with tumor cells using the same oxygen concentrations as normal air.

"This is actually a much higher level of oxygen than what is found in our bodies," Gilkes says. "For example, the average concentration of oxygen in breast tissue is on the order of 6% to 8%, whereas solid breast tumors have a gradient of oxygen concentrations that reach much less than 1% oxygen in some regions."

For their new experiments, designed to capture the changes that occur as normal breast cells become malignant, Gilkes and colleagues developed an experimental system that uses oxygen as a switch to make tumor cells "light up" with a fluorescent marker after they are exposed to low oxygen conditions of 0.5% or less, comparable to the levels measured in human tumors.

The study's first author and member of Gilkes' lab, Inês Godet, used this marker to follow the fate of these cells as they multiplied and moved around within 2D and 3D tissue "spheres " and "mini-organs" created in the laboratory, as well as in live mouse models of breast cancer.

Using fluorescence activated cell sorting to capture red or green (oxygen deprived) breast cancer cells, followed by RNA sequencing, the team found that the expression of many gene products, including integrin alpha 10 (ITGA10) and ceruloplasmin (CP) are induced in cells that experienced hypoxia within tumors, but not in cells exposed to hypoxia in the lab. The tumor-based hypoxia pattern was also better at predicting the survival of patients free of distant metastases, they concluded after studying similar genetic expression data from primary tumors from more than 1000 patients with breast cancer.

Among the next questions to answer, say the researchers, are whether post-hypoxic tumor cells at metastatic sites are more resistant to chemotherapy than other cells and whether targeting these post-hypoxic cells will be beneficial for treating patients with metastatic cancers.


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