Influência da Hipóxia Tumoral no Tratamento do Cancro

A Influência do Oxigé nio na Histó ria Natural do Cancro

Rui P Rodrigues

Unidade de RadioterapiaHospital CUF Descobertas

http://rt.no.sapo.pt

Objectivos

• Perceber a influência da oxigenaç ão dos tecidos nos

resultados do tratamento das neoplasias malignas

• Actuar sobre os factores que podem influenciar a

oxigenaç ão tumoral

• Melhorar os resultados obtidos com o tratamento

Hipó xia tumoral

O oxigénio molecular (O2) é o factor bioló gico mais importante influenciando o efeito das radiaç ões ionizantes

1º relato 1920's

Reconhecimento 1936

Mottram JC. Factors of importance in radiosensitivity of tumors. Br J Radiol 1936;9:606

Generalizaç ão 1950's

Read J. The effect of ionizing radiation on the broad beam root: the dependence of the x-ray sensitivity on dissolved oxigen. Br J Radiol 1952;25:89

Gray LH, Coger AD, Ebert M et al. The concentration of oxigen dissolved in tissues at the time of irradiation as a factor in radiotherapy. Br J Radiol 1953;26:638

Hipó xia tumoral

Para uma morte celular equivalente, sob condiç ões de hipó xia são necessárias doses superiores de radiaç ão.

OER (oxygen enhancement ratio /índice de amplificaç ão do oxigénio)

Razão entre a dose necessária para uma morte celular equivalente na ausência de oxigénio, relativamente à dose necessária na sua presenç a

OER=2.5-3.5

Efeito oxigénio

• O IAO (OER) varia habitualmente entre 2.5 e 3.0 mmHg

• Metade da sensibilidade máxima ocorre para tensões de oxigénio de ~ 3 mm Hg

• Para valores de pO2 acima de ~ 20 mm Hg são observados efeitos pró ximos dos da oxigenaç ão máxima

IAO=Indice de Amplificaç ão do Oxigénio

OER=Oxygen Enhancement Ratio

Hipó xia tumoralConceitos básicos

O oxigénio deve estar presente durante a irradiaç ão.

A hipó xia tem um efeito radioprotector.

Julga-se que o oxigénio favorece a persistência dos radicais livres de oxigénio.

Os compostos sulfidrílicos têm um efeito inverso.

Efeito oxigénio

• Para irradiaç ão ‘parcialmente ionizante’ ~ 2/3 das lesões induzidas são mediadas por radicais livres que podem ser ‘fixados’ pelo oxigénio

Hall, 1998

Hipó xia tumoralDemonstraç ão da presenç a de zonas hipó xicas em tumores humanos

Thomlinson RH, Gray LH. The histological structure of some human lung cancers and possible implications for radiotherapy. Br J Cancer 1955;9:539

Cálculos sobre a difusão do O2:

até 100µm - boa oxigenaç ão

de 100 a 150µm - hipó xia (radioresistência)

apó s 150µm - anó xia e necrose

Hipó xia tumoralDemonstraç ão clínica

Apenas nos últimos 7 anos foi possível demonstrar a nível clínico uma relaç ão clara entre hipó xia e radioresistência (micro-elétrodos).

Observaç ão

Tensões de oxigénio (distribuiç ões de frequência de

pO2) no tecido mamário normal e em tumores da mama

Vaupel and Hoeckel, 1999

Hipó xia tumoralFisiopatologia da oxigenaç ão tumoral

Oxigenaç ão tumoral = distribuiç ão intratumoral das pressões parciais de O2

Fornecimento de O2 transporte pela corrente sanguíneafluxo difusional a partir dos capilares

Consumo de O2 actividade metabó lica

(Disponibilidade de O2)(outras moléculas)

Vaupel P, Kelleher DK, Thews D. Modulation of tumor oxigenation.

Int J Radiat Oncol Biol Phys 1998; 42:843-848

Hipó xia tumoralFactores de variaç ão no fornecimento de oxigénio

Anomalias na microcirculaç ão tumoral

Microvascularizaç ão heterogénea

Grande variabilidade na disponibilidade de O2 (intra e intertumoral)

Variaç ões instantâneas no estado de oxigenaç ão: stress oxidativo

Situaç ões marginais podem ser agravadas pela presenç a de anemia

Deterioraç ão na geometria da difusão

A oxigenaç ão tissular é pior nos tumores que nos tecidos normais

Nos tumores a oxigenaç ão não é regulada pelas necesidades metabó licas (neovasos incompletos/inervaç ão ausente ou insuficiente)

Microvascularizaç ão heterogénea

Brown & Giaccia, 1994

Variabilidade na disponibilidade de O2 intra e intertumoral

Modelo morfoló gico

Stress OxidativoResistência à terapêutica e outras modificaç ões

Resposta celular ao stress hipó xico:

Alteraç ões na regulaç ão da expressão genética

Evoluç ão de mecanismos favoráveis a sobrevivência celular (durante reoxigenaç ão)

Contribuiç ão para processos que favoreç em a progressão tumoral

Hipó xia transitó ria e recorrente:

Pressão fisioló gica selectiva contra a sobrevivência de células tumorais que expressem o gene p53 wild-type

Favorecimento da oncogénese pelo enriquecimento relativo da populaç ão tumoral com células contendo o p53 mutante

Hipó xia tumoral e progressão neoplásica

Giaccia et al., 1999

Impacto clínico

Efeito do nível de hemoglobina no controlo loco-regional de tumores

de cabeç a e pescoç o

Overgaard et al, 1989

Hb e Cancro de cabeç a e pescoç o

p < .001p = .0018

88 %95 %Hb > 13 g/dL

46 %66 %Hb < 13 g/dL

SobrevivênciaControlo Local

T1 - T2 Carcinoma da glote (n = 109)Fein, D.A. et al - JCO 13:2077-2085, 1995

Impacto clínico

Efeito do nível de hemoglobina no

controlo loco-regional de tumores de cabeç a

e pescoç o

Lee et al, 1998

Impacto clínico

Probabilidade de sobrevivência global e sobrevivência livre de

doenç a para doentes com cancro avanç ados do colo uterino,

tratadas com intenç ão curativa, em funç ão da oxigenaç ão tumoral

Hoeckel et al, 1996

Disseminaç ão metastática

• A exposiç ão a períodos de hipó xia de cé lulas tumorais in vitro pode aumentar as metástases em ratos

Young et al., 1988

• Um maior número de metástases pode ocorrer em ratos com tumores primários hipó xicos

De Jaeger et al., 2001

• A probabilidade de metastizaç ão a distância em sarcomas de tecidos moles duplica para tumores com valores medianos de pO2 < 10 mm Hg relativamente aos com medianas de pO2 > 10 mm Hg

Brizel et al., 1999

Hipó xia tumoral

Impacto clínico

Sobrevivência nos sarcomas de tecidos moles, em funç ão da oxigenaç ão tumoral

Brizel, 1999

Impacto clínico

Influência do tabaco durante o tratamento nos resultados da radioterapia nos tumores

de cabeç a e pescoç o

Overgaard e Horsman, 1996

Hipó xia tumoralResistência à terapêutica e outras modificaç ões

Reduç ão da eficácia terapêutica

Aumento da malignidade/potencial metastático

Siemann WD. The tumor microenvironement: A double-edged sword. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1998; 4:697-699.

Se a hipó xia tem um impacto negativo no

resultado do tratamento, que medidas devem

ser tomadas para minimizar esse impacto ?

Oxigenaç ão tumoral? ? ?

• Corrigir os factores que se sabe estarem associados com uma oxigenaç ão deficiente

• Aumentar a oxigenaç ão para além dos valores normais (!?)

• ‘Apontar’ directamente às células tumorais hipó xicas (hipertermia)

Estraté gias

FraccionamentoDepois de uma fracç ão de radiaç ão as cé lulas sobreviventes são

maioritariamente as da fracç ão hipó xica.

Reduç ão no nº total de cé lulas do tumor (relativamente à área vascular disponível)

Reduç ão da distância entre as cé lulas hipó xicas e os vasos (pela morte preferencial das cé lulas oxigenadas mais pró ximas)

Incremento ‘aparente’ na distância de difusão do O2 (+ O2 disponível por reduç ão no consumo devido à morte das cé lulas proximais)

Reduç ão da pressão intratumoral ('recanalizaç ão')

Apó s algum tempo a proporção de cé lulas hipó xicas retoma os valores pré-irradiaç ão (reduç ão no nº de células hipó xicas) – REOXIGENAÇÃO

Os 4 R’s do fraccionamento

• Reoxigenaç ão

• Repopulaç ão

• Redistribuiç ão

• Reparaç ão

• Processo pelo qual as cé lulas hipó xicas sobreviventes a uma dose de radiaç ão podem ter acesso ao oxigénio

• Teoricamente irá reduzir a relevância do componente hipó xico do tumor, resultando num aumento progressivo da sensibilidade tumoral no decurso de uma irradiaç ão fraccionada

Reoxigenaç ão

Estudos pré-clínicos

• Os padrões de reoxigenaç ão variam muito entre diferentes tumores

• Muitos tumores reoxigenam mal:

• A fracç ão hipó xica na populaç ão celular sobrevivente é frequentemente maior apó s a irradiaç ão (?!)

Reoxigenaç ão

Observaç ão

A oxigenaç ão dos tumores durante a um tratamento de radioterapia fraccionada pode melhorar, piorar ou manter-se inalterada

Autores

• Gabalski et al., 1998

• Stadler et al., 1998

• Brizel et al., 1999

• Jund et al., 1999

• Lyng et al., 1999

Hipó xia em tumores de cabeç a e pescoç o

Padrões de reoxigenaç ão observados em modelos tumorais de laborató rio tratados com radiaç ão.

Tannock and Hill, 1998.

Reoxigenaç ão

Os trabalhos publicados até ao momento não

suportam a noç ão de que haja uma melhoria

contínua no estado de oxigenaç ão tumoral durante

uma administraç ão fraccionada de radioterapia

Hipó xia tumoral

Hipó xia tumoralModulaç ão do estado de oxigenaç ão tumoral

Disponibilidade de O2 = O2 arterial x Perfusão

Melhorar a oxigenaç ão tumoral

Melhorar a uniformidade na oxigenaç ão tumoral

Aumentar a disponibilidade de O2

Reduzir o consumo de O2


(+) Aumentar o conteúdo microvascular em O2

Hiperó xia normobárica O2 a 100% (ef. vasoconstritor arterial do O2)

Carbogénio (ef.vasodilatador do CO2)

Hiperó xia hiperbárica Aumenta o O2 dissolvido no sangue

Irradicaç ão total da hipó xia se pressão > 4 bar

Muitos ensaios, poucos resultados positivos

Correcç ão da anemia Transfusões

rhEPO

O2 Hiperbárico

Com um nº reduzido de fracç ões aumenta a curabilidade.

Em esquemas convencionais não foi demonstrada vantagem.

O2HB + 10 fx é melhor que RT convencional (C&P)

(Henk JM, Kindler PB, Smith CW. Lancet 1977;2:101)

Controlo local Sobrevivência

RT + O2HB 60% 56%

RT convencional 40% 27%

Tecnicamente pesado criando dificuldades a uma localizaç ão precisa do feixe de tratamento - ABANDONADO

Anemia... altera a resposta tumoral à radioterapia ?

Sim: Revisões histó ricas / Princess Margaret Hospital

Efeito da anemia na recidiva em tumores do colo uterino (IIB ou III)(Bush RS, Jenkin RP, Allt WE, et al. Br J Cancer 1978;37:302)

Controlo Transfundidos

Hb <12d/dL >12g/dL >12g/dL

Recidiva pé lvica 10/20(50%) 11/48(23%) 11/67(16%)

... a anemia tem um efeito adverso na curabilidade pela radioterapia, possivelmente por aumentar o componente hipó xico dos tumores ...


(+) Aumentar o conteúdo microvascular em O2

Reduç ão da [HbCO]CO: afinidade para a Hb 270x superior à do O2

HbCO: desvio esq. curva de dissociaç ão da HbFumadores: taxas de 15% de HbCO

Modificar afinidade Hb-O 2 2.3-DPG; antilipidémicos (clofibrato)

Sucesso em sistemas experimentais

Nenhuma aplicaç ão clínica positiva

Transporte artificial do O 2 Perfluorocarbonetos

Hb sem estroma (HbA0)Químicos libertadores de oxigénio

Tetraclorodecaó xido (experiências in vitro)


(+) Melhorar a microcirculaç ão

Drogas vasoactivas

Provavelmente os neovasos tumorais não são inervados e a sua musculatura não responde a estímulos vasoactivos

A resposta a estes fármacos depende da quantidade de vasos originais do hospedeiro que permanecem no interior do tumor

Fenó menos de roubo/anti-roubo dependentes da localizaç ão em paralelo ou em série da circulaç ão tumoral relativamente à circulaç ão local, podem explicar os resultados contraditó rios de diferentes ensaios



Modificadores da viscosidade sanguínea

Efeitos no nº e deformibilidade dos eritrocitos circulantesReduç ão da tendência para a agregaç ão

Reduç ão na viscosidade plasmáticaBloqueadores dos canais do cálcio (flunarizina)

Metilxantinas (pentoxifilina): sarcoma experimental no ratomodificaç ões compensadas por redistrubuiç ão

do fluxo sanguíneo intratumoral( ) perfusão e ( ) oxigenaç ão (!?)



Hemodiluiç ão sistémica: Isovolémica ou normovolémica

Manter hemató crito acima dos 30%

Hipertermia de baixa dose: Hiipertermia moderada ou de curta duraç ão

Aumento temporário da perfusãoMelhoria da perfusão em certos tumores

Variaç ões intratumorais marcadas

Reduç ão da hipertensão Meios mecânicos, químicos, farmacoló gicos, outros (RT)

Intersticial: Melhoria (?) na perfusão >> melhor (??) oxigenaç ão

Nicotinamida - melhora temporariamente a perfusão tumoral- reduz de forma consistente as flutuaç ões e interrupç ões temporárias no fluxo sanguíneo intratumoral- impede o desenvolvimento de hipó xia transitó ria


(-) Reduzir a respiraç ão celular

Modular o consumo de O2 parece ser mais eficaz na modificaç ão da oxigenaç ão dos tecidos do que modificar a disponibilidade de O2

A anulaç ão da hipó xia tumoral requer uma das condiç ões

Redução em 30% no consumo de O2

Aumento na perfusão 4x

Aumento do pO2 arterial 11x

A reduç ão no consumo de O2 induz o aumento aparente

na distância de difusão do O2 nos tecidos

(reduç ão no consumo = maior quantidade disponível a distâncias maiores)


(-) Reduzir a respiraç ão celular

Inibidores mitocondriais Bloq.canais cálcio (verapamil); m-iodobenzilguanidina

Inibidores da sintese do colesterol (lovastatina): red. 33% consumo O2

Apesar da potência in vitro ou da eficácia in vivo nenhum dos agentes melhorou significativamente a oxigenaç ão em tumores só lidos.

Reduç ão na temperatura A 25ºC há uma reduç ão de 64% no consumo de O2

tumoral: Mas ... não são notáveis alteraç ões no pO2 médio ou na fracç ão dos 0-2.5mmHgUma reduç ão significativa na fracç ão de pO2 mais baixo verifica-se abaixo dos 15ºC, correspondendo a uma reduç ão de 84% no consumo de O2

Hiperglicemia aguda Reduz temporariamente o consumo tumoral de oxigénio

RadiosensibilizantesSensibilizantes das cé lulas hipó xicas

1960's - Início da pesquisa de compostos capazes de simular o efeito do oxigénio (Adams GE, Dewetz DL. Biochem Biophys Res Commun 1963;12:473)

Princípio: Compostos de metabolizaç ão lentaCapazes de atingir todas as áreas do tumor

... o oxigénio hiperbárico aumenta a difusão apenas marginalmente, enquanto que sensibiliantes metabolizados lentamente podem de atingir todas as zonas do tumor ...

RadiosensibilizantesSensibilizantes das cé lulas hipó xicas

Nitroimidazois(~1977): Substituiç ão do oxigénio molecularCitotó xicos s/ cé lulas hipó xicasSensibilizaç ão aos citostáticos

Chemical Modifiers Conference. Cambridge 1977

Tenth International Conference on Chemical Modifiers of Cancer Treatment. Clearwater, Florida 1998

Hipó xia tumoralConclusão

Factor de prognó stico

Testemunha da agressividade tumoral

Factor predictivo

Verdadeiro parâmetro de radioresistência

Modulavel

Muitas hipóteses mas poucas soluç ões práticas

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