Czynnik martwicy nowotworów (ang. tumor necrosis factor alpha, TNF-alpha) to polipeptyd z nadrodziny białek TNF/TNF-R. Jest on produkowany przez monocyty i makrofagi, a w mniejszych ilościach również przez adipocyty, keratynocyty, fibroblasty, neutrofile, mastocyty i limfocyty. Wyróżnia się dwie izoformy receptorów białek TNF-alfa: TNF-R1 i TNF-R2. Różnią się one między sobą masą cząsteczkową, poziomem glikozylacji, rodzajem wiązanych ligandów, a także sposobem przekazywania sygnałów. Ich pobudzenie aktywuje komórki do produkcji i uwalniania cytokin. Receptory białek TNF-alfa leżą na komórkach immunokompetentnych. Czynnik martwicy nowotworów bierze udział w procesach zapalnych. Nadmierne wydzielanie TNF-alfa prowadzi do alergii i większego ryzyka zapadalności na astmę, choroby autoimmunologiczne i nowotwory.
1. Historia odkrycia TNF-alfa
Białka TNF-alfa zostały odkryte ponad 100 lat temu. Nowojorski chirurg William B. Coley leczył pacjenta na różę. Zaobserwował on u chorego zanik mięsaka, do którego doszło w wyniku zakażenia paciorkowcem. Sądząc, iż to infekcja miała leczniczy wpływ na przebieg róży, Coley zarażał chorych na nowotwory żywymi szczepami bakterii. Terapię zastosował u ponad 1000 chorych. Dziś wiemy, że efekt leczniczy uzyskał dzięki zastosowaniu toksyny, w wyniku czego doszło do nasilenia reakcji zapalnej i wzmożonego wytwarzania cytokin, w tym czynnika martwicy nowotworów. [2]
W 1968 roku dr Gale Granger z Uniwersytetu Kalifornijskiego opisał substancję o właściwościach cytotoksycznych produkowaną przez limfocyty. Nazwał ją limfotoksyną (LT). Następnie w 1975 r. Carswell i wsp. opisali substancję o podobnych cechach wyizolowaną z makrofagów. Nadali jej nazwę: czynnik martwicy nowotworów. [3] Dziewięć lat później okazało się, że te dwie substancje w rzeczywistości są jedną. W 1985 roku Bruce A. Beutler i Anthony Cerami prowadzili badania, z których wynikało, że czynnik martwicy nowotworów odpowiada za wyniszczenie organizmu. Przełomem było wykorzystanie inhibitorów TNF-alfa w leczeniu nieswoistych chorób zapalnych jelit (NChZJ). [4] Obecnie wiadomo, że przedstawiciele nadrodziny TNF cechują się różnorodnym działaniem biologicznym w wielu tkankach organizmu. Cały czas trwają badania nad szeregiem innych efektów biologicznych przedstawicieli tych białek.
2. Powstawanie TNF-alfa
Gen dla TNF-alfa znajduje się na chromosomie 6 w pozycji p21.3. [1] W tym miejscu leżą również geny głównego układu zgodności tkankowej (MHC). Gen dla TNF-alfa zawiera 4 eksony, w tym region promotorowy odpowiedzialny za wydzielanie cytokin. Część sekwencji genu dla TNF jest identyczna z sekwencjami dla innych białek, takich jak interleukina 1 (IL-1) i interferon gamma (IFN-gamma). Ostatni z eksonów genu dla TNF-alfa zawiera aż 80% sekwencji kodującej to białko. [2]
Czynnik martwicy nowotworów produkowany jest głównie przez komórki układu odpornościowego, m.in przez komórki żerne. Jego synteza zachodzi w obecności lipopolisacharydów uwalnianych ze ścian komórkowych bakterii (LPS). [2] Niektóre substancje mają właściwości zwiększające produkcję TNF-alfa. Są to m.in. mirtazapina i niektóre neuroleptyki. Inhibitorami wydzielania TNF-alfa są natomiast glikokortykosteroidy, interleukiny 4 i 10 (IL-4, IL-10) oraz prostaglandyny E2 (PGE2). [4]
3. Budowa TNF-alfa
Białko TNF-alfa zbudowane jest ze 182 aminokwasów, tworzących trzy łańcuchy polipeptydowe o identycznej długości. Powstaje w wyniku modyfikacji potranslacyjnej 212-aminokwasowych polipeptydów. Prekursorem TNF-alfa jest białko transbłonowe o masie cząsteczkowej 26 kDa. Pod wpływem metaloproteinaz jest ono przekształcane do postaci wolnej o masie cząsteczkowej 17 kDa. Zarówno forma wolna, jak i transbłonowa TNF-alfa mają strukturę homotrimerów. [4]
4. Receptory TNF-alfa
Wyróżnia się dwie izoformy receptorów białek TNF-alfa: TNF-R1 i TNF-R2. Receptor TNF-1 to białko o masie cząsteczkowej 55 kD. Receptor ten aktywowany jest przez obie formy TNF-alfa (wolną i transbłonową). Występuje na większości komórek jądrowych. Natomiast receptor TNF-2 to białko o masie cząsteczkowej 75 kD. Wiąże się z błonowymi formami czynnika martwicy nowotworów. [2]
Receptory TNF-1 i TNF-2 wykorzystują wiele ścieżek przekazywania sygnału wewnątrz komórki. Mobilizują w ten sposób inne białka cytoplazmatyczne (tzw. białka adaptorowe) do działania. Istnieją dwie podstawowe grupy białek adaptorowych dla receptora TNF-alfa: czynniki związane z receptorem TNF (ang. TNF – receptor-associated factors, TRAF) oraz cząsteczki domeny śmierci (ang. death domain molecules, DD). Powstawanie białek adaptorowych uzależnione jest od obecności wiążących ich domen na cytoplazmatycznej części receptora. [18]
Domena śmierci umiejscowiona w receptorze TNF-1 indukuje apoptozę, jednocześnie aktywując czynnik transkrypcyjny NF-kB i wywiera działanie prozapalne. Pobudzenie receptora TNF-1 indukuje apoptozę komórki docelowej lub ją hamuje, w zależności od tego, które z białek sygnałowych zwiąże się z receptorem. Natomiast pobudzenie domeny DD receptora TNF-2 powoduje aktywację czynnika transkrypcyjnego NF-κB. Prowadzi to do działania antyapoptotycznego i prozapalnego. Receptory TNF-alfa oddziałują również wzajemnie na siebie, nasilając lub hamując swoje właściwości. [18] Ekspresję receptorów dla TNF-alfa zwiększają interleukiny (m.in.IL-1, IL-2), interferony (m.in. INF-gamma) oraz sam TNF-alfa. [2]
Istnieje także trzeci typ receptorów TNF-alfa. Są to rozpuszczalne zewnątrzkomórkowe fragmenty receptorów, które w dużych stężeniach mogą działać jak inhibitor TNF-alfa. Mechanizm ich działania wykorzystuje się w leczeniu chorych na reumatoidalne zapalenie stawów (RZS). W terapii stosuje się rozpuszczalną formę receptorów TNF-2. Nosi ona nazwę etanerceptu. [4]
5. Czynnik martwicy nowotworów a układ odpornościowy
Czynnik martwicy nowotworów jest cytokiną. Bierze udział w reakcjach zapalnych, zarówno ostrych, jak i w przewlekłych. Wpływa na funkcjonowanie wszystkich komórek układu odpornościowego. Wzmaga cytotoksyczność monocytów i makrofagów, zwiększa właściwości fagocytarne neutrofili, a także aktywuje cytotoksyczność eozynofili. Wykazuje działanie przeciwwirusowe indukując wewnątrzkomórkową syntezę INF-gamma. Ma także właściwości przeciwpasożytnicze, dzięki możliwości aktywacji makrofagów. [5]
Czynnik martwicy nowotworów indukuje proliferację oraz różnicowanie limfocytów T i B, a także komórek NK (ang. natural killer). Aktywuje syntezę niektórych czynników wzrostu oraz prostaglandyn. Ponadto wpływa pobudzająco na ekspresję cząsteczek głównego układu zgodności tkankowej MHC I i MHC II. Natomiast działając bezpośrednio na komórki śródbłonka, indukuje syntezę cząsteczek adhezyjnych i chemokin. Są one niezbędne dla gromadzenia się białych krwinek w miejscu objętym stanem zapalnym. [5]
Czynnik martwicy nowotworów bierze również udział w tworzeniu wtórnych narządów limfatycznych. Należą do nich węzły chłonne, kępki Peyera i śledziona. Badania na gryzoniach wykazały, że odpowiedzialne są za to receptory TNF-1. Pozbawienie gryzoni tych receptorów powodowało upośledzenie rozwoju węzłów chłonnych i kępek Peyera. [7]
6. Rola TNF-alfa w patomechanizmie niektórych chorób
6.1. Rola TNF-alfa w procesach nowotworzenia
Czynnik martwicy nowotworów jest bezpośrednio zaangażowany w mechanizmy nowotworzenia. Wynika to z faktu indukowania proliferacji, transformacji komórek i wydłużenia ich przeżycia. Czynnik martwicy nowotworów pobudza procesy angiogenezy. Uczestniczy także w tworzeniu przerzutów. [8] U pacjentów chorujących na nowotwory poziom TNF-alfa wzrasta. Natomiast u osób z rakiem piersi i rakiem prostaty poddanych chemioterapii obserwuje się spadek stężenia tego białka, co wydaje się mieć związek ze stopniem odpowiedzi na wdrożone leczenie. [9]
Region promotorowy TNF-alfa może cechować się polimorfizmem pojedynczego nukleotydu (ang. single nucleotide polymorphysms, SNPs). Jego obecność wiąże się z większym ryzykiem pojawienia się niektórych typów nowotworów, m.in. nieziarniczych chłoniaków, raka wątrobowokomórkowego, raka żołądka i raka jelita grubego. [4] Badania na zwierzętach wykazały, że u osobników pozbawionych białka TNF-alfa lub receptorów TNF-1, występowało mniejsze ryzyko indukcji nowotworów, a ich rozwój – jeśli już rak się pojawił – był wolniejszy. [8]
Jednocześnie niektóre badania wskazują na przeciwnowotworowe właściwości TNF-alfa. Może to wynikać z możliwości aktywowania apoptozy, hamowania proliferacji komórek nowotworowych oraz zwiększenia różnicowania komórek. Czynnik martwicy nowotworów w połączeniu z interferonem gamma i melfalanem często stosuje się w leczeniu miejscowym czerniaków i mięsaków skóry. [2] Białko to nie znajduje jednak szerokiego zastosowania w innych terapiach przeciwnowotworowych. Jego działanie wydaje się niespecyficzne i potrzeba większej ilości badań, aby zweryfikować jego pełne działanie. [4]
6.2. Rola TNF-alfa w chorobach zapalnych jelit
Czynnik martwicy nowotworów jest jednym z bodźców w procesie powstawania nieswoistych chorób zapalnych jelit. [4] Nieswoiste choroby zapalne jelit (NChZJ) to schorzenia o podłożu autoimmunizacyjnym, przebiegające z okresami zaostrzeń i remisji. Należą do nich choroba Leśniowskiego-Crohna i wrzodziejące zapalenie jelita grubego. [10]
Etiologia powstawania NChZJ jest złożona. W chorobach tych dochodzi m.in. do nieadekwatnej odpowiedzi układu odpornościwoego na czynniki środowiskowe. Zaburzenia odpowiedzi immunologicznej dotyczą głównie nadekspresji limfocytów T pomocniczych. W chorobach zapalnych jelit dochodzi również do wzrostu stężeń interferonu gamma i interleukiny 12. [11] Dodatkowo w obrębie błony śluzowej jelit u osób chorych zauważa się nadmierną aktywność TNF-alfa. [12] W efekcie dochodzi do zwiększonego uwalniania limfocytów, makrofagów i neutrofili. Skutkiem jest powstawanie nacieków zapalnych. Podwyższone stężenie czynnika martwicy nowotworów wpływa na utrzymywanie się stanu zapalnego. Ponadto TNF-alfa powoduje indukcję apoptozy enterocytów. Dochodzi do przerwania ciągłości bariery nabłonkowej i wzrostu sekrecji chemokin przez komórki nabłonkowe jelit. [13] Dodatkowo wysoki poziom czynnika martwicy nowotworów pociąga za sobą tworzenie się grudek chłonnych w obrębie śluzówki jelita. [5]
6.3. Rola TNF-alfa w insulinooporności
Czynnik martwicy nowotworów przyczynia się do zaburzeń gospodarki glukozowej i do powstawania insulinooporności. Białko to powoduje dysfunkcję receptora insulinowego w tkankach obwodowych, głównie w tkance tłuszczowej i mięśniowej oraz, w mniejszym stopniu, w wątrobie. Na skutek działania TNF-alfa dochodzi do zaburzeń w wiązaniu insuliny z jej receptorami. Czynnik martwicy nowotworów hamuje działanie receptorów insulinowych. Dochodzi również do zmniejszenia ekspresji przenośnika glukozy stymulowanego insuliną GLUT 4 w komórkach tłuszczowych oraz mięśniach szkieletowych i w mięśniu sercowym. W efekcie następuje znaczne zmniejszenie wychwytu glukozy przez tkanki. Skutkiem tych procesów jest powstawanie zjawiska insulinooporności. Ta z kolei jest czynnikiem ryzyka otyłości i stopniowego rozwoju cukrzycy typu 2. W tkance tłuszczowej osób otyłych zauważa się nadekspresję czynnika martwicy nowotworów. Białka te są uwalniane przez makrofagi pod wpływem krążących w nadmiarze we krwi nie estryfikowanych kwasów tłuszczowych. Czynnik martwicy nowotworów przyczynia się do upośledzenia oksydacji kwasów tłuszczowych, prowadząc do dalszego wzrostu ich stężenia w surowicy. [15]
6.4. Rola TNF-alfa w rozwoju stwardnienia rozsianego
Stwardnienie rozsiane to choroba przewlekła ośrodkowego układu nerwowego. Prowadzi do zaniku mięśni i niepełnosprawności. W jej przebiegu dochodzi do demielinizacji, czyli rozpadu, osłonek mielinowych włókien nerwowych. W efekcie dochodzi do uszkodzenia układu nerwowego, mózgu i rdzenia kręgowego. W patogenezie choroby zwraca się szczególną uwagę na procesy autoagresji, toczący się proces zapalny i szeroko pojętą neurodegenerację z przerostem astrogleju. Wśród subpopulacji komórek biorących udział w rozwoju stwardnienia rozsianego dominującą rolę odgrywa TNF-alfa, który współdziałając z interferonem gamma i interleukiną 6, aktywuje i podtrzymuje kaskadę reakcji zapalnej. [16]
U osób chorych na stwardnienie rozsiane stężenie TNF-alfa w płynie mózgowo-rdzeniowym koreluje z ciężkością choroby. Wykazano także, że białko to powoduje wzrost ekspresji syntazy tlenku azotu (iNOS) w astrocytach oraz w mikrogleju. Do wzrostu stężenia TNF-alfa dochodzi w korze mózgowej i w limfocytach w momencie zaostrzenia objawów choroby. Dzieje się tak ponieważ TNF-alfa indukuje ekspresję cząsteczek adhezyjnych oraz wielu chemokin, które odgrywają kluczową rolę w gromadzeniu się leukocytów w miejscu zapalenia. Czynnik martwicy nowotworów nie jest jednak wykorzystywany jako marker diagnostyczny stwardnienia rozsianego. Aby szczegółowo poznać rolę TNF-alfa w patomechanizmie tej choroby niezbędne są dalsze badania z uwzględnieniem różnych postaci klinicznych oraz analizy szeregu parametrów w rozwoju stwardnienia rozsianego. [16]
6.5. Rola TNF-alfa w zaburzeniach hormonalnych
Czynnik martwicy nowotworów może się przyczyniać do zaburzeń w gospodarce hormonalnej. Wynika to z faktu, iż TNF-alfa nasila wydzielanie kortykoliberyny (CRH) z podwzgórza. [4] Kortykoliberyna jest hormonem regulującym łaknienie, odpowiada także za reakcje organizmu na stres. Wpływa na układ sercowo-naczyniowy i moduluje syntezę innych hormonów (m.in. hormonu adrenokortykotropowego). [14]
Czynnik martwicy nowotworów odgrywa znaczącą rolę w zespole policystycznych jajników (ang. polycystic ovary syndrome, PCOS). U kobiet z PCOS zauważa się wzrost poziomu TNF-alfa w surowicy, co dodatnio koreluje z masą ciała, a ujemnie z wrażliwością na insulinę. Insulinooporność jest jedną z cech charakterystycznych dla PCOS. Ponadto TNF-alfa stymuluje uwalnianie gonadoliberyny z podwzgórza, co zwiększa sekrecję hormonu luteinizującego (LH). Ten z kolei przyczynia się do wzrostu wytwarzania androgenów w jajnikach. Czynnik martwicy nowotworów uczestniczy też w procesach różnicowania i apoptozy gonadotropin. Właściwości proapoptotyczne TNF-alfa biorą udział w patogenezie PCOS. [19]
6.6. Rola TNF-alfa w rozwoju endometriozy
Endometrioza to choroba cechująca się rozrostem błony śluzowej macicy (endometrium) poza jamą macicy. Najczęściej dotyczy kobiet w wieku rozrodczym. [17] U kobiet chorujących na endometriozę obserwuje się wzrost stężenia TNF-alfa i rozpuszczalnych form receptorów TNF-1 i TNF-2 w płynie otrzewnowym. Występuje także dodatnia korelacja pomiędzy poziomem TNF-alfa a stopniem zaawansowania choroby. [18]
W patomechanizmie endometriozy uczestniczy subkliniczny proces zapalny toczący się w narządach miednicy mniejszej. Dodatkowo dochodzi do zwiększonej angiogenezy w świetle macicy. Towarzyszą temu zaburzenia działania komórek immunokompetentnych w płynie otrzewnowym, co sprzyja rozprzestrzenianiu się ognisk endometriozy. Ponadto limfocyty obecne we krwi obwodowej tracą zdolność do proliferacji i odpowiedzi cytotoksycznej wobec komórek i antygenów endometrium. Makrofagi obecne w płynie otrzewnowym uwalniają cytokiny, m.in. TNF-alfa. Czynnik martwicy nowotworów oddziałuje na komórki efektorowe za pomocą receptorów TNF-1 i TNF-2. Ich pobudzenie aktywuje proliferację komórek endometrium, a także zwiększa adhezję komórek ektopowego endometrium do otrzewnej. Dodatkowo pobudzenie receptora TNF-2 powoduje aktywację czynnika transkrypcyjnego NF-κB, a w konsekwencji działanie antyapoptotyczne i prozapalne. Jednakże efekt wywierany przez TNF-alfa nie zależy tylko od rozmieszczenia receptorów, lecz także od typu komórki docelowej oraz jej stanu metabolicznego. [18]
6.7. Rola TNF-alfa w powstawaniu mięśniaków macicy
Mięśniaki macicy to łagodne zmiany rozrostowe powstające w obrębie śluzówki macicy. Przyczyną ich powstawania są zmiany stężenia hormonów steroidowych, np. estrogenów, wydzielanych przez jajniki oraz działanie czynników wzrostowych, m.in. TNF-alfa. Rola estrogenów i TNF-alfa we wzroście mięśniaków macicy jest ściśle powiązana. Czynnik martwicy nowotworów może sterować działaniem estrogenów i przyczynia się do rozrostu mięśniaków, a hormony powodują zwiększenie syntezy TNF-alfa i jego receptorów. W efekcie dochodzi do samostymulacji procesu proliferacji i hiperplazji. [19]
6.8. Rola TNF-alfa w zaburzeniach afektywnych
Zaburzenia afektywne to grupa endogennych schorzeń psychicznych, w których okresowo występują wahania nastroju, emocji i aktywności psychoruchowej. Zaburzenia te mogą się przejawiać występowaniem zespołów depresyjnych, hipomaniakalnych i maniakalnych. [20] W patogenezie zaburzeń afektywnych występuje brak homeostazy układu immunologicznego z powodu wzmożonego wydzielania cytokin prozapalnych. Dochodzi do dominacji odpowiedzi komórkowej Th1. U pacjentów zauważa się podwyższone poziomy interleukiny 1, interleukiny 6 i czynnika martwicy nowotworów, a także ich receptorów. Prowadzi to poważnych zmian w funkcjonowaniu układu nerwowego. Obserwuje się istotną rolę TNF-alfa w powstawaniu depresji, schizofrenii czy zaburzeń obsesyjno-kompulsywnych. [21]
Sztuczna stymulacja produkcji TNF-alfa prowadzi u ludzi do zachowań depresyjnych. Zależność ta wynika z wzajemnego powiązania układu serotoninergicznego z działaniem cytokin prozapalnych. W depresji dochodzi do deficytu serotoniny. Dodatkowo TNF-alfa oddziałuje na metabolizm tryptofanu. Tryptofan jest aminokwasem, który jest ważnym substratem do produkcji serotoniny. Czynnik martwicy nowotworów powoduje jego katabolizm, zwiększając aktywność enzymu 2,3-dioksygenazy indolaminy (IDO), co prowadzi do wyczerpania zasobów tryptofanu. Ponadto TNF-alfa oddziałuje na inne cytokiny prozapalne w kierunku zwiększonej ekspresji enzymu IDO. [21] Zhu i wsp. w badaniach eksperymentalnych na zwierzętach stwierdzili, że TNF-alfa zwiększa wychwyt serotoniny, przez co neuroprzekaźnik ten jest mniej dostępny dla tkanki nerwowej. [22] Czynnik martwicy nowotworów reguluje zarówno aktywność transporterów serotoninowych, jak i ich ekspresję. [23]
6.9. Rola TNF-alfa w innych schorzeniach
Czynnik martwicy nowotworów bierze udział w patogenezie niektórych chorób autoimmunologicznych. Odgrywa także istotną rolę w procesie odrzucania przeszczepów oraz w reakcji przeszczepu przeciw gospodarzowi (GVHR). Czynnik martwicy nowotworów stymuluje proliferację fibroblastów, aktywuje degradację osteoklastów i pobudza angiogenezę. [2] Natomiast aktywacja TNF-alfa pochodzenia wątrobowego prowadzi do wzrostu syntezy białek ostrej fazy, m.in. białka C-reaktywnego (CRP). Dlatego na podstawie stężenia białka CRP w osoczu krwi można monitorować aktywność reakcji zapalnej zależnej od TNF-alfa. [6] Ponadto białko TNF-alfa hamuje wydzielanie lipazy lipoproteinowej w tkance tłuszczowej. W efekcie dochodzi do zmniejszenia syntezy lipidów w adipocytach. Długotrwały wysoki poziom TNF-alfa może prowadzić do wyniszczenia organizmu (kacheksji). [4]