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Referat 3
Zellkinetisehe Aspekte der intraepithelialen Kanzerisierung O. D. Laerum, Bergen (Norwegen) Malignes Wachstum in Epithelien ist das Endstadium eines langen, fiber mehrere Schritte ablaufenden Prozesses. Die Proliferationskinetik der Zellen ist in diesem Zusammenhang yon groBer Bedeutung. Beim Studium der Proliferationskinetik sind wir auf experimentelle Modelle angewiesen. Ein geeignetes Untersuchungsobjekt ist die Epidermis der ,,haarlosen Maus". An diesem Gewebe lassen sich alle Stufen der formalen Karzinomentwicklung nach Einwirkung chemischer Karzinogene untersuchen. Grundlage dieser Studien ist die Kenntnis der normalen Zellproliferation in geschichteten Epithelien.
Zelikinetik in der normalen Epidermis
Die Zellerneuerung der Epidermis findet normalerweise in der Basalzellschicht statt. Eine Basalzelle hat zwei M6glichkeiten. Entweder kann sie durch Zellteilung neue Basalzellen produzieren oder aus dem Teilungszyklus ausscheren, in die obere Zellschicht hinaufwandern, um dort zu keratinisieren (Iversen u. a., 1968). AuBer von der Lage im Epithelverband ist das proliferative Verhalten der Zellen von versehiedenen weiteren Faktoren abh/ingig (Iversen u. Iversen, 1967; Mackenzie, 1969). Der Zellverlust in der oberen Hornschicht wird durch eine entsprechende Basalzellproliferation kompensiert. Beim Menschen betr/igt die Zeit von der Neubildung einer Zelle in der Basalschicht bis zu ihrer Abschilferung als verhornte Superfizialzelle durchschnittlich 27 Tage (Rothberg u. a., 1961). In der Epidermis der haarlosen Maus 1/iuft der gleiche Prozel3 in etwa 7 Tagen ab (Iversen u. a., 1968). Um eine Teilung durchffihren zu k6nnen, muf3 die normale Zelle zun/ichst ihr Chromosomenmaterial reduplizieren, d. h. Desoxyribonukleins/iure (DNS) synthetisieren, damit ffir beide Tochterzellen der normale DNS-Gehalt gesichert ist. Dieser ProzeB benftigt in Abh/ingigkeit vom Zelltyp mehrere Stunden. Er wird als S-Phase oder DNS-Synthesephase des Zellzyklus bezeichnet. Die folgenden Stunden (G 2Phase) dienen der Vorbereitung der eigentlichen Mitose (M-Phase). Nach einer der Mitose folgenden Latenzzeit (G~-Phase) kann die Zelle erneut in eine S-Phase eintreten (s. Abb. 1). Die sich wiederholende Folge yon G1-, S-, G2- und M-Phasen wird als Zellzyklus bezeichnet. Die Bezeichnung G entstammt dem englischen Wort ,,gap" = Loch und grfindet sich auf die ursprfingliche Vorstellung, dab in der G~und G2-Phase die Zelle im Gegensatz zu der S- und Mitose-Phase inaktiv w/ire. Der wichtigste Unterschied zwischen G~ und G2-Phase ist, dab die Zelle in G2-Phase fiber den doppelten Chromosomengehalt verffigt.
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Phases of the
cell cycle sensitive
to the effect of extracts made from separated epidermis
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/o, Abb. 1. Links: Phasen des Zellzyklus. Rechts: Unsere heutigen Vorstellungen fiber die Bildung der Chalone in der Epidermis. Die rich differenzierenden Zellen (D) scheiden eine Substanz aus, welche die Proliferation der Basalzellen in der Gi-Phase hemmt. Die Basalzellen (B) entha!ten einen weiteren Inhibitor, der die G2-Phase verl~ingert (nach Elgjo, Laerum u. Edgehill, 1972)
Die Dauer der Zellzyktusphasen kann sehr unterschiedlich sein, wie auch der Anteil proliferierender Zellen am Gesamtzellsystem (P-Compartment). Biologische Rhythmen spielen hierbei eine groBe Rolle (Laerum, 1974). Im normalen Vaginal- und Zervixepithel der Frau findet die Zellerneuerung haupts~ichlich in der parabasalen Schicht statt (Fettig u. Sievers, 1965). Averette u. a. (1970) finden folgende Werte: ts (DNS-Synthese) 9 Std, t~2 5,4 Std, tM (Mitose) 0,2 Std. Bei parabasalen Zellen betr~igt die gesamte Dauer des Zellzyklus (tc) etwa 3 Tage, bei Basalzellen 33 Tage.
Proliferationskinetik wllhrend der Karzlnogenese Um die Biologie der Kanzerisierung zu studieren, sind wir auf das Experiment mit karzinogenen Stoffen angewiesen. Bei der Karzinogenese ist zwischen zwei grunds/itzlich verschiedenen Phasen zu unterscheiden: Erstens der direkten Reaktion der ZeUproliferation auf das Karzinogen und zweitens der sp/iteren Zellproliferation an der behandelten Epidermis, die schlieBlich in infiltratives Tumorwachstum/ibergeht (Rajewsky, 1972; Iversen, 1973; Oehlert, 1973). 1. Direkte Reaktion. Die direkte Wirkung von verschieden starken Karzinogenen
auf die Epidermis ist in mehreren Laboratorien untersucht worden. Diese Kanzerogene - 3-Methylcholantren, 3,4-Benzpyren oder Benzanthracen - sind hoch toxisch und f/ihren nach einmaliger Applikation zu einer akuten toxischen Sch/idigung der ZeUen (Iversen, 1973). Mit radioaktiv markiertem Karzinogen hat Oehlert (1973) zeigen k6nnen, dab die maximale Aufnahme der kanzerogenen Substanz in der M/iusehaut schon nach zwei bis vier Stunden erfolgt ist. Die DNS-Synthese und Zellteilung werden sofort blockiert (Iversen u. Evensen, 1962; Elgjo, 1968). In den nachfotgenden zwei Tagen sterben die gesch/idigten Zellen ab und werden vonder oberen Zellschicht der Epidermis abgestol3en. Dieser Vorgang 15st nach etwa 10 Stunden Latenzzeit eine/iberhShte DNS-Synthese der benachbarten Zellen aus, und nach zwei weiteren Tagen kommt es zu einer exzessiv gesteigerten Proliferation. Die Mitoserate ist um ein Mehrfaches erhSht und es resultiert eine ausgesprochene Hy-
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perplasie des Epithels. Nach ungeffihr einer Woche klingt der Proliferationsreiz langsam ab. Vergleicht man die Wirkung der Karzinogene mit der von anderen toxischen Substanzen, wie z. B. Cantharidin, so zeigt die proliferative Reaktion in beiden F/illen fihnlichen Verlauf. Wichtige Unterschiede bestehen aber erstens in der initialen Unterdrfickung der Zellproliferation durch das Karzinogen und zweitens im Ausmal3 der induzierten Zellteilungsrate, die beim Karzinogen wesentlich h6her als bei anderen toxischen Substanzen ist (Elgjo, 1968). Abnorme Mitosen wie auch Polyploidisierung sieht man schon in den ersten Tagen nach der Karzinogenapplikation (Rohrbach u. a., 1968; Wiest, 1972; Hitachi u. a., 1976). Ebenso beobachtet man eine VerUingerung der Mitosephase (Elgjo, 1968), d. h. kritische Ver~inderungen der Zelle sind schon vorhanden. Histologisch erscheint die Epidermis nach Abklingen der Hyperplasie wieder normal. Die Entwicklung epidermaler Tumoren setzt bei der Maus ca. 6 Wochen nach Applikation des Kanzerogens ein.
2. Spdtere Zellproliferation. Wird das Karzinogen mehrere Male auf die Epidermis aufgetragen, so resultieren mehrere Prolifer'ationswellen. Man kann sich infolgedessen das Karzinogen sparen und eine Substanz verwenden, die einen unspezifischen Reiz auf die Epidermis aus/ibt, ein sog. Co-Karzinogen. Die meisten sind Substanzen, die die Krebsentwicklung f'6rdern, ohne selbst Karzinogene zu sein. Sie k6nnen auch als schwache Karzinogene wirken. Dies f/ihrt also zu einer neuen Welle von Zellproliferation. Auch nach unterschwelliger Karzinogendosis k6nnen Co-Karzinogene jederzeit eine neue Welle yon Zellproliferation induzieren und danach Tumoren ausl6sen. Die Wirkung des Co-Karzinogens ist nicht zeitlich limitiert. Sie ist kurz nach der initialen Behandlung mit einem Karzinogen ebenso effektiv wie mehrere Monate danach (Berenblum, 1967). Verschiedene Kanzerogene k6nnen ihre Wirkung gegenseitig verst/irken, aber auch aufheben. In der sp~iteren Phase der Kanzerogenese kann die Krebsentstehung also sowohl durch verschiedene kanzerogene Faktoren als auch durch unspezifische Entz/indungsreaktionen gef'6rdert werden. Ein Tumor braucht daher nieht nur eine, sondern kann multiple Ursachen haben. Wie chemische Karzinogene k6nnen onkogene Viren eine exzessive Zellproliferation ausl6sen. Bei der Wirkung der Karzinogene spielen chemische Ver/inderungen der DNS eine entscheidende Rolle. Grunds~itzlich besitzen die Zellen die F~ihigkeit, besch/idigte Teile der DNS zu eliminieren und wieder intakt zu machen. Die hochgradige Zellproliferation nach Karzinogengabe f/ihrt zu/ibersteigerten Teilungszyklen. Es bleibt daher zu wenig Zeit f/ir eine komplette DNS-Reparatur. Dadurch bleiben die chemischen karzinogeninduzierten Ver/inderungen der DNS nicht nur auf die urspr/inglich gesch~idigten Zellen begrenzt, sondern werden auf die Tochterzellen vererbt. Auf diese Weise entsteht eine neue Population von ver/inderten Zellen (ein sog. Klon), die als pr/imaligne Zellen anzusehen sind (Rajewsky, 1972; Goth u. Rajewsky, 1974; Magee, 1974). In den Epithelhyperplasien ist die Zellproliferation noch regulierenden Einfl/issen unterworfen. Wenn aber Zellen mit invasiven Eigenschaften entstehen, bedeutet es, dal3 sie nicht mehr genfigend auf die normalen Regulationsmechanismen ansprechen.
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Regulationsmechanismen. Die Kenntnis der normalen Regulation der Zellproliferation ist die Voraussetzung ffir die Beurteilung des malignen Wachstums. Die physiologischen Regulationsmechanismen sind in den vergangenen Jahren in zahlreichen Laboratorien intensiv untersucht worden. Es handelt sich um die sog. Chalone, die die normale Zellproliferation in Oberfl~ichenepithelien wie auch anscheinend in andeten Organen regulieren (Bullough, 1965). Chalone werden von den sich differenzierenden Zellen des Epithels gebildet (Elgjo u. a., 1972). Die Substanz erreicht die teilungsf/ihigen Basalzellen und hemmt die weitere Zellproliferation. Kommt es zu einem erh6hten Zellverlust des geschichteten Epithels, so wird weniger Hemmsubstanz ausgeschieden und die Zellproliferation automatisch gesteigert. So l~il3t sich die normale Proliferationsregulation als negativer Feedbackmechanismus erkl~iren, obwohl viele andere Faktoren auch eine Rolle spielen dfirften (Elgjo u. a., 1971, 1972; Houck, 1976). Rohrbach hat 1975 in umfassenden Untersuchungen gezeigt, dab die Chalonesubstanzen schon sehr frfih nach der Gabe von Karzinogenen verschwinden. Dies 1/iBt sich durch den erh6hten Zellverlust und die damit verbundene Reduzierung yon Chalon-produzierenden Zellen erkl~ren. Der Wegfall der Hemmung ffihrt zu einer fibersteigerten Proliferation der fiberlebenden Zellen. Diese neugebildeten Zellen des hyperplastischen Epithels reagieren nach den Untersuchungen yon Marks (1976) anfangs nur sehr wenig auf Chalone, sprechen aber zunehmend an, wenn sie /ilter und reifer werden. Zellkinetik beim Carcinoma in situ und der Dysplasie. Ein Hauptcharakteristikum der Cervixdysplasie und des Carcinoma in situ ist die gest6rte Polarit/it der Zellen und die aufgehobene Schichtung des Epithels. Proliferierende Zellen finden sich nicht nur in den basalen und parabasalen Bereichen, sondern auch in den oberen Zellschichten (Fettig u. Sievers, 1965; Bennington, 1969; Rubio u. Lagerl6f, 1975). Da die Latenzzeiten vonder Dysplasiephase bis zum invasiven Karzinom sehr lang sein k6nnen, mug man annehmen, dab die Regulationsmechanismen fiir die Zellproliferation fiber 1/ingere Zeit wirksam bleiben. Zellkinetische Untersuchungen an Dysplasien und Carcinomata in situ zeigen, dab mehr Zellen im Epithel proliferieren als normalerweise (Bennington, 1969). Dies bedeutet abet nicht notwendigerweise, dab sic schneller die Zellzyklusphasen durchlaufen. Offensichtlich brauchen die atypischen Zellen 1/ingere Zeit als die normalen, um die Mitosephase und vielleicht auch die DNS-S3nathesephase zu durchlaufen (Fettig u. Sievers, 1965; Bennington, 1969; Richart, 1973; Siracky u. Siracka, 1973). Der Bestand des Epithels an Zellen ist abet nicht nur eine Funktion der Zellproliferation, sondern auch der Zellverlustrate. Normalerweise entstehen genau so viele Zellen in der Basalzellschicht wie t/iglich an der Oberfl~iche verlorengehen. In einem malignen Epithel entstehen pro Zeiteinheit mehr Zellen als Zellen absterben. Durch dieses MiBverh/iltnis w/ichst die GesamtzeUzahl des Tumors trotz prozentual hoher Verluste (Refsum u. Berdal, 1967).
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Literatur Averette, H. E., Weinstein, G. D., Frost, Ph.: Autoradiographic analysis of cell proliferation kinetics in human genital tissues. Ed.: John I. Brewer, Allan C. Barnex, Howard C. Taylor, jr., Louis M. Hellmann. In: Amer. J. Obstet. Gynec. 108, 8 - 1 7 (1970) Bennington, J. L.: Cellular kinetics of invasive squamous carcinoma of the human cervix 1'2. Cancer Res. 29, 1082--1088 (1969) Berenblum, I.: Two-stage mechanism for carcinogenese. Cancer Res. Today. Pergamon Press 1967 Bullough, W. S.: Mitotic and funfional homeostasis. Cancer Res. 25, 1683-1727 (1965) Elgjo, K.: Epidermal cell population kinetics after a single application of some hyperplasia-producing substances. Europ. J. Cancer 3, 519--530 (1968) Elgjo, K., Laerum, O. D., Edgehill, W.: Growth regulation in mouse epidermis. I. G2-inhibitor present in the basal cell layer. Virchows Arch. B Zellpath. 8, 277-283 (1971) Elgjo, K., Laerum, O. D., Edgehill, W.: Growth regulation in mouse epidermis. II. Gldnhibitor present in the differentiating cell layer. Virehows Arch. B Zellpath. 10, 229--236 (1972) Fettig, O., Sievers, R.: 3H-Indes und mittlere Generationszeit des menschlichen Portiokarzinoms und seiner Vorstufen. Beitr. Path. 83, 83-100 (1965) Goth, R., Rajewsky, M. F.: Molecular and cellular mechanisms associated with pulse carcinogenesis in the rat nervous system by ethylnitrosourea: Ethylation of nucleic acids and elimination rats of ethylated bases from the DNA of different tissues. Z. Krebsforsch. 82, 37--64 (1974) Hitachi, M., Yamada, K., Takayama, S.: Diethylnitrosamin-induced chromosome changes in rat liver cells. J. Natl. Cancer 53, 507-516 (1976) Houck, J. C.: Ed. Chalones. North Holland Publ. Comp. 1976 Iversen, O. H.: Cell proliferation kinetics and carcinogenesis. A review. International Congress Series No. 321. Proc. of the 5. Int. Symposium on the biol. Charact. of human tumors, Bologna, 1973. Eds.: Walter Davies and Cesare Maltoni: pp. 21-29. Excerpta Medica, Amsterdam Iversen, O. H., Evensen, A.: Experimental skin carcinogenesis in mice. Norwegian Universities Press 7--184 (1962) Iversen, O. H., Iversen, U.: A study of epidermal tumorigenesis in the hairless mouse with single and with repeated applications of 3-methylcholanthrene at different dosages. Acta path. microbiol. scandinav. 62, 305-314 (1964) Iversen, O. H., Bjerknes, R., Devik, F.: Kinetics of cell renewal, cell migration and cell loss in the hairless mouse dorsal epidermis. Cell Tissue Kinet. 1, 351-367 (1968) Iversen, U., Iversen, O. H.: Cycles of hair growth in hairless mice. Acta path. mierobiol, scand. 69, 5 0 - 6 2 (1967) Laerum, O. D.: Biologische Rhythmen der Haut. Kosmetologie 5, 2 - 8 (1974) Mackenzie, I. C.: Ordered structure of the stratum corneum of mammalian skin. Nature (Lond.) 222, 881-882 (1969) Magee, P. N.: Activation and inactivation of chemical carcinogens and mutagens in the mammal. Biochemistry 10, 105-136 (1974) Marks, F.: Epidermal growth control mechanisms, hyperplasia, and tumor promotion in the skin. Cancer Res. 36, 2636-2643 (1976) Oehlert, W.: Cellular proliferation in carcinogenesis. Cell Tissue Kinet. 6, 325--335 (1973) Rajewsky, M. F.: Proliferative parameters of mammalian cell systems and their role in tumor growth and carcinogenesis, Z. Krebsforsch. 78, 12-30 (1972) Refsum, S. B. d. y., Berdal, P.: Cell loss in malignant tumours in man. Europ. J. Cancer 3, 235--236 (1967) Rohrbach, R.: Zur Steuerung der Zellproliferation bei Chalone. Eds.: W. Bfingeler, M. Eder, K. Lennert, G. Peters, W. Sandritter. pp. 1--67. In: Stuttgart: Fischer 1975 Rohrbach, R., Hecker, E., Sandritter, W.: Cytophotometrische Messungen des DNS-Gehaltes der Epidermis naeh unspezifisehen, cocarcinogenen und carcinogenen Reizen. Z. Krebsforsch. 70, 2ti--221 (1968) Rothberg, S., Crounse, R. G., Lee, J. L.: Glycine-C 14 incorporation into the proteins of normal stratum corneum and the abnormal stratum corneum of psoriasis. J. Invest. Derm. 3% 497-505 (1961)
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P. Citoler und H. H. Zippel: Vor- und Friihstadien des Mammacarcinoms
Rubio, C. A., LagerlSf,B.: Proliferating and nonproliferatingcompartmentsin cervicaldysplasia and carcinoma in situ. Acta path. microbiol, scand. Sect. A. 83, 189--191 (1975) Siracky, J., Siracka, E.: Mitotic activityin epidermoidcarcinomaof the uterinecervix.Neoplasma 20, 665--669 (1973) Wiest, L.: The effect of diethylnitrosamineon the distribution of cell classes in the parenchyrnaof the liver of newborn rats. Europ. J. ~ancer 8, 121-125 (1972)
Vortr~ige zum Thema I. P. Citoler, H. H. Zippel (Univ.-Frauenklinik K61n): Morphologisehe Beobaehtungen zur Differenzierung yon Vor- und Friihstadlen ties Mammaeareinoms Durch die M6glichkeit einer differenzierten Therapie des sogenannten lobul/iren Carcinoma in situ der Mamma (LCS) hat die histologische Charakterisierung der vorkommenden Varianten dieser Ver/inderung an praktischer Bedeutung gewonhen. Im Anschlul3 an eine Untersuchung yon Gad und Azzopardi (J. Clin. Pathol. 28, 711-716, 1975) fiber die mucinsekretorische Aktivitfit des LCS wurde an Paraffinschnitten von 54 F/illen eines LCS eine Kombination der Alcianblau-(pH 2,4) mit der PAS-F/irbung vorgenommen. Dabei wurden Ffille beobachtet mit einem sehr reichlichen Gehalt an Mukopolysacchariden, wobei es sich um intralobul/ire, vorwiegend in situ wachsende Carcinome mit an sehr umschriebenen Stellen beginnender Stromainfiltration handelte. Bei anderen LCS war der Mukopolysaccharidgehalt als m~if3ig reichlich zu bezeichnen. Von zytologischen Merkmalen her geh6ren diese F/ille vorwiegend zum Typ B nach Haagensen. SchlieBlicb wurden bei einer relativ grogen Anzahl yon LCS keine Mukopolysaccharide oder nur in sehr geringer Menge nachgewiesen. Hier handelte es sich ausschlief31ich um Formen ohne Zeltpolymorphie (Typ A) oder mit nut geringer Kernpolymorphie. In denselben F/illen wurde die Dicke der Basalmembran tier befallenen Lobuli nach entsprechender fiirberischer Darstellung der Retikulinfasern (Gomori) gemessen. Es zeigte sicb eine deutliche Verdfinnung der Basalmembran beim LCS gegenfiber den normalen Lobuli. Die Verdiinnung und gelegentliche Aufsplitterung waren bei dem LCS mit Kernpolymorphie am st/irksten ausgepr/igt. Somit lassen sich durch die Anwendung der erw~ihnten, in der Routinediagnostik durchffihrbaren zus~itzlichen histologischen Untersuchungen weitere Kriterien ffir die Differenzierung der Varianten des LCS gewinnen. Der fehlende oder nur geringe Nachweis yon Mukopolysacchariden geht meistens mit einer fehlenden oder nur geringgradig ausgepriigten Kernpolymorphie der Zellproliferation einher. Es wird vorgeschlagen, diese Formen des LCS als lobuldre Neoplasie zu bezeichnen. Damit wird eine lobul~ire Zellneubildung verstanden, bei der prinzipiell eine wahrscheinlich hormonell gesteuerte Rfickbildung m6glich ist. Die Bezeichnung lobuldres Carcinoma in situ sollte ffir die F/ille, die eine deutliche Kernpolymorphie und meist einen h6heren Mukopolysaccharidgehalt zeigen, reserviert werden. Diese Kriterien und auch die zytofotometrischen Ergebnisse fiber den Kern-DNS-Gehalt (s. Vortrag Zippel und Citoler) weisen auf eine gesteigerte atypische Proliferation hin. Von diesen letzteren F~illen ist anzunehmen, dab sie eine nichtrfickbildungsf'~ihige obligate Praecancerose oder eine praeinvasive Form des Mammacarcinoms darstellen.
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Zellkinetisehe Aspekte der intraepithelialen Kanzerisierung O. D. Laerum, Bergen (Norwegen) Malignes Wachstum in Epithelien ist das Endstadium eines langen, fiber mehrere Schritte ablaufenden Prozesses. Die Proliferationskinetik der Zellen ist in diesem Zusammenhang yon groBer Bedeutung. Beim Studium der Proliferationskinetik sind wir auf experimentelle Modelle angewiesen. Ein geeignetes Untersuchungsobjekt ist die Epidermis der ,,haarlosen Maus". An diesem Gewebe lassen sich alle Stufen der formalen Karzinomentwicklung nach Einwirkung chemischer Karzinogene untersuchen. Grundlage dieser Studien ist die Kenntnis der normalen Zellproliferation in geschichteten Epithelien.
Zelikinetik in der normalen Epidermis
Die Zellerneuerung der Epidermis findet normalerweise in der Basalzellschicht statt. Eine Basalzelle hat zwei M6glichkeiten. Entweder kann sie durch Zellteilung neue Basalzellen produzieren oder aus dem Teilungszyklus ausscheren, in die obere Zellschicht hinaufwandern, um dort zu keratinisieren (Iversen u. a., 1968). AuBer von der Lage im Epithelverband ist das proliferative Verhalten der Zellen von versehiedenen weiteren Faktoren abh/ingig (Iversen u. Iversen, 1967; Mackenzie, 1969). Der Zellverlust in der oberen Hornschicht wird durch eine entsprechende Basalzellproliferation kompensiert. Beim Menschen betr/igt die Zeit von der Neubildung einer Zelle in der Basalschicht bis zu ihrer Abschilferung als verhornte Superfizialzelle durchschnittlich 27 Tage (Rothberg u. a., 1961). In der Epidermis der haarlosen Maus 1/iuft der gleiche Prozel3 in etwa 7 Tagen ab (Iversen u. a., 1968). Um eine Teilung durchffihren zu k6nnen, muf3 die normale Zelle zun/ichst ihr Chromosomenmaterial reduplizieren, d. h. Desoxyribonukleins/iure (DNS) synthetisieren, damit ffir beide Tochterzellen der normale DNS-Gehalt gesichert ist. Dieser ProzeB benftigt in Abh/ingigkeit vom Zelltyp mehrere Stunden. Er wird als S-Phase oder DNS-Synthesephase des Zellzyklus bezeichnet. Die folgenden Stunden (G 2Phase) dienen der Vorbereitung der eigentlichen Mitose (M-Phase). Nach einer der Mitose folgenden Latenzzeit (G~-Phase) kann die Zelle erneut in eine S-Phase eintreten (s. Abb. 1). Die sich wiederholende Folge yon G1-, S-, G2- und M-Phasen wird als Zellzyklus bezeichnet. Die Bezeichnung G entstammt dem englischen Wort ,,gap" = Loch und grfindet sich auf die ursprfingliche Vorstellung, dab in der G~und G2-Phase die Zelle im Gegensatz zu der S- und Mitose-Phase inaktiv w/ire. Der wichtigste Unterschied zwischen G~ und G2-Phase ist, dab die Zelle in G2-Phase fiber den doppelten Chromosomengehalt verffigt.
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0,,,...nt,.,o,c.,,.
/o, Abb. 1. Links: Phasen des Zellzyklus. Rechts: Unsere heutigen Vorstellungen fiber die Bildung der Chalone in der Epidermis. Die rich differenzierenden Zellen (D) scheiden eine Substanz aus, welche die Proliferation der Basalzellen in der Gi-Phase hemmt. Die Basalzellen (B) entha!ten einen weiteren Inhibitor, der die G2-Phase verl~ingert (nach Elgjo, Laerum u. Edgehill, 1972)
Die Dauer der Zellzyktusphasen kann sehr unterschiedlich sein, wie auch der Anteil proliferierender Zellen am Gesamtzellsystem (P-Compartment). Biologische Rhythmen spielen hierbei eine groBe Rolle (Laerum, 1974). Im normalen Vaginal- und Zervixepithel der Frau findet die Zellerneuerung haupts~ichlich in der parabasalen Schicht statt (Fettig u. Sievers, 1965). Averette u. a. (1970) finden folgende Werte: ts (DNS-Synthese) 9 Std, t~2 5,4 Std, tM (Mitose) 0,2 Std. Bei parabasalen Zellen betr~igt die gesamte Dauer des Zellzyklus (tc) etwa 3 Tage, bei Basalzellen 33 Tage.
Proliferationskinetik wllhrend der Karzlnogenese Um die Biologie der Kanzerisierung zu studieren, sind wir auf das Experiment mit karzinogenen Stoffen angewiesen. Bei der Karzinogenese ist zwischen zwei grunds/itzlich verschiedenen Phasen zu unterscheiden: Erstens der direkten Reaktion der ZeUproliferation auf das Karzinogen und zweitens der sp/iteren Zellproliferation an der behandelten Epidermis, die schlieBlich in infiltratives Tumorwachstum/ibergeht (Rajewsky, 1972; Iversen, 1973; Oehlert, 1973). 1. Direkte Reaktion. Die direkte Wirkung von verschieden starken Karzinogenen
auf die Epidermis ist in mehreren Laboratorien untersucht worden. Diese Kanzerogene - 3-Methylcholantren, 3,4-Benzpyren oder Benzanthracen - sind hoch toxisch und f/ihren nach einmaliger Applikation zu einer akuten toxischen Sch/idigung der ZeUen (Iversen, 1973). Mit radioaktiv markiertem Karzinogen hat Oehlert (1973) zeigen k6nnen, dab die maximale Aufnahme der kanzerogenen Substanz in der M/iusehaut schon nach zwei bis vier Stunden erfolgt ist. Die DNS-Synthese und Zellteilung werden sofort blockiert (Iversen u. Evensen, 1962; Elgjo, 1968). In den nachfotgenden zwei Tagen sterben die gesch/idigten Zellen ab und werden vonder oberen Zellschicht der Epidermis abgestol3en. Dieser Vorgang 15st nach etwa 10 Stunden Latenzzeit eine/iberhShte DNS-Synthese der benachbarten Zellen aus, und nach zwei weiteren Tagen kommt es zu einer exzessiv gesteigerten Proliferation. Die Mitoserate ist um ein Mehrfaches erhSht und es resultiert eine ausgesprochene Hy-
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perplasie des Epithels. Nach ungeffihr einer Woche klingt der Proliferationsreiz langsam ab. Vergleicht man die Wirkung der Karzinogene mit der von anderen toxischen Substanzen, wie z. B. Cantharidin, so zeigt die proliferative Reaktion in beiden F/illen fihnlichen Verlauf. Wichtige Unterschiede bestehen aber erstens in der initialen Unterdrfickung der Zellproliferation durch das Karzinogen und zweitens im Ausmal3 der induzierten Zellteilungsrate, die beim Karzinogen wesentlich h6her als bei anderen toxischen Substanzen ist (Elgjo, 1968). Abnorme Mitosen wie auch Polyploidisierung sieht man schon in den ersten Tagen nach der Karzinogenapplikation (Rohrbach u. a., 1968; Wiest, 1972; Hitachi u. a., 1976). Ebenso beobachtet man eine VerUingerung der Mitosephase (Elgjo, 1968), d. h. kritische Ver~inderungen der Zelle sind schon vorhanden. Histologisch erscheint die Epidermis nach Abklingen der Hyperplasie wieder normal. Die Entwicklung epidermaler Tumoren setzt bei der Maus ca. 6 Wochen nach Applikation des Kanzerogens ein.
2. Spdtere Zellproliferation. Wird das Karzinogen mehrere Male auf die Epidermis aufgetragen, so resultieren mehrere Prolifer'ationswellen. Man kann sich infolgedessen das Karzinogen sparen und eine Substanz verwenden, die einen unspezifischen Reiz auf die Epidermis aus/ibt, ein sog. Co-Karzinogen. Die meisten sind Substanzen, die die Krebsentwicklung f'6rdern, ohne selbst Karzinogene zu sein. Sie k6nnen auch als schwache Karzinogene wirken. Dies f/ihrt also zu einer neuen Welle von Zellproliferation. Auch nach unterschwelliger Karzinogendosis k6nnen Co-Karzinogene jederzeit eine neue Welle yon Zellproliferation induzieren und danach Tumoren ausl6sen. Die Wirkung des Co-Karzinogens ist nicht zeitlich limitiert. Sie ist kurz nach der initialen Behandlung mit einem Karzinogen ebenso effektiv wie mehrere Monate danach (Berenblum, 1967). Verschiedene Kanzerogene k6nnen ihre Wirkung gegenseitig verst/irken, aber auch aufheben. In der sp~iteren Phase der Kanzerogenese kann die Krebsentstehung also sowohl durch verschiedene kanzerogene Faktoren als auch durch unspezifische Entz/indungsreaktionen gef'6rdert werden. Ein Tumor braucht daher nieht nur eine, sondern kann multiple Ursachen haben. Wie chemische Karzinogene k6nnen onkogene Viren eine exzessive Zellproliferation ausl6sen. Bei der Wirkung der Karzinogene spielen chemische Ver/inderungen der DNS eine entscheidende Rolle. Grunds~itzlich besitzen die Zellen die F~ihigkeit, besch/idigte Teile der DNS zu eliminieren und wieder intakt zu machen. Die hochgradige Zellproliferation nach Karzinogengabe f/ihrt zu/ibersteigerten Teilungszyklen. Es bleibt daher zu wenig Zeit f/ir eine komplette DNS-Reparatur. Dadurch bleiben die chemischen karzinogeninduzierten Ver/inderungen der DNS nicht nur auf die urspr/inglich gesch~idigten Zellen begrenzt, sondern werden auf die Tochterzellen vererbt. Auf diese Weise entsteht eine neue Population von ver/inderten Zellen (ein sog. Klon), die als pr/imaligne Zellen anzusehen sind (Rajewsky, 1972; Goth u. Rajewsky, 1974; Magee, 1974). In den Epithelhyperplasien ist die Zellproliferation noch regulierenden Einfl/issen unterworfen. Wenn aber Zellen mit invasiven Eigenschaften entstehen, bedeutet es, dal3 sie nicht mehr genfigend auf die normalen Regulationsmechanismen ansprechen.
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Regulationsmechanismen. Die Kenntnis der normalen Regulation der Zellproliferation ist die Voraussetzung ffir die Beurteilung des malignen Wachstums. Die physiologischen Regulationsmechanismen sind in den vergangenen Jahren in zahlreichen Laboratorien intensiv untersucht worden. Es handelt sich um die sog. Chalone, die die normale Zellproliferation in Oberfl~ichenepithelien wie auch anscheinend in andeten Organen regulieren (Bullough, 1965). Chalone werden von den sich differenzierenden Zellen des Epithels gebildet (Elgjo u. a., 1972). Die Substanz erreicht die teilungsf/ihigen Basalzellen und hemmt die weitere Zellproliferation. Kommt es zu einem erh6hten Zellverlust des geschichteten Epithels, so wird weniger Hemmsubstanz ausgeschieden und die Zellproliferation automatisch gesteigert. So l~il3t sich die normale Proliferationsregulation als negativer Feedbackmechanismus erkl~iren, obwohl viele andere Faktoren auch eine Rolle spielen dfirften (Elgjo u. a., 1971, 1972; Houck, 1976). Rohrbach hat 1975 in umfassenden Untersuchungen gezeigt, dab die Chalonesubstanzen schon sehr frfih nach der Gabe von Karzinogenen verschwinden. Dies 1/iBt sich durch den erh6hten Zellverlust und die damit verbundene Reduzierung yon Chalon-produzierenden Zellen erkl~ren. Der Wegfall der Hemmung ffihrt zu einer fibersteigerten Proliferation der fiberlebenden Zellen. Diese neugebildeten Zellen des hyperplastischen Epithels reagieren nach den Untersuchungen yon Marks (1976) anfangs nur sehr wenig auf Chalone, sprechen aber zunehmend an, wenn sie /ilter und reifer werden. Zellkinetik beim Carcinoma in situ und der Dysplasie. Ein Hauptcharakteristikum der Cervixdysplasie und des Carcinoma in situ ist die gest6rte Polarit/it der Zellen und die aufgehobene Schichtung des Epithels. Proliferierende Zellen finden sich nicht nur in den basalen und parabasalen Bereichen, sondern auch in den oberen Zellschichten (Fettig u. Sievers, 1965; Bennington, 1969; Rubio u. Lagerl6f, 1975). Da die Latenzzeiten vonder Dysplasiephase bis zum invasiven Karzinom sehr lang sein k6nnen, mug man annehmen, dab die Regulationsmechanismen fiir die Zellproliferation fiber 1/ingere Zeit wirksam bleiben. Zellkinetische Untersuchungen an Dysplasien und Carcinomata in situ zeigen, dab mehr Zellen im Epithel proliferieren als normalerweise (Bennington, 1969). Dies bedeutet abet nicht notwendigerweise, dab sic schneller die Zellzyklusphasen durchlaufen. Offensichtlich brauchen die atypischen Zellen 1/ingere Zeit als die normalen, um die Mitosephase und vielleicht auch die DNS-S3nathesephase zu durchlaufen (Fettig u. Sievers, 1965; Bennington, 1969; Richart, 1973; Siracky u. Siracka, 1973). Der Bestand des Epithels an Zellen ist abet nicht nur eine Funktion der Zellproliferation, sondern auch der Zellverlustrate. Normalerweise entstehen genau so viele Zellen in der Basalzellschicht wie t/iglich an der Oberfl~iche verlorengehen. In einem malignen Epithel entstehen pro Zeiteinheit mehr Zellen als Zellen absterben. Durch dieses MiBverh/iltnis w/ichst die GesamtzeUzahl des Tumors trotz prozentual hoher Verluste (Refsum u. Berdal, 1967).
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P. Citoler und H. H. Zippel: Vor- und Friihstadien des Mammacarcinoms
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Vortr~ige zum Thema I. P. Citoler, H. H. Zippel (Univ.-Frauenklinik K61n): Morphologisehe Beobaehtungen zur Differenzierung yon Vor- und Friihstadlen ties Mammaeareinoms Durch die M6glichkeit einer differenzierten Therapie des sogenannten lobul/iren Carcinoma in situ der Mamma (LCS) hat die histologische Charakterisierung der vorkommenden Varianten dieser Ver/inderung an praktischer Bedeutung gewonhen. Im Anschlul3 an eine Untersuchung yon Gad und Azzopardi (J. Clin. Pathol. 28, 711-716, 1975) fiber die mucinsekretorische Aktivitfit des LCS wurde an Paraffinschnitten von 54 F/illen eines LCS eine Kombination der Alcianblau-(pH 2,4) mit der PAS-F/irbung vorgenommen. Dabei wurden Ffille beobachtet mit einem sehr reichlichen Gehalt an Mukopolysacchariden, wobei es sich um intralobul/ire, vorwiegend in situ wachsende Carcinome mit an sehr umschriebenen Stellen beginnender Stromainfiltration handelte. Bei anderen LCS war der Mukopolysaccharidgehalt als m~if3ig reichlich zu bezeichnen. Von zytologischen Merkmalen her geh6ren diese F/ille vorwiegend zum Typ B nach Haagensen. SchlieBlicb wurden bei einer relativ grogen Anzahl yon LCS keine Mukopolysaccharide oder nur in sehr geringer Menge nachgewiesen. Hier handelte es sich ausschlief31ich um Formen ohne Zeltpolymorphie (Typ A) oder mit nut geringer Kernpolymorphie. In denselben F/illen wurde die Dicke der Basalmembran tier befallenen Lobuli nach entsprechender fiirberischer Darstellung der Retikulinfasern (Gomori) gemessen. Es zeigte sicb eine deutliche Verdfinnung der Basalmembran beim LCS gegenfiber den normalen Lobuli. Die Verdiinnung und gelegentliche Aufsplitterung waren bei dem LCS mit Kernpolymorphie am st/irksten ausgepr/igt. Somit lassen sich durch die Anwendung der erw~ihnten, in der Routinediagnostik durchffihrbaren zus~itzlichen histologischen Untersuchungen weitere Kriterien ffir die Differenzierung der Varianten des LCS gewinnen. Der fehlende oder nur geringe Nachweis yon Mukopolysacchariden geht meistens mit einer fehlenden oder nur geringgradig ausgepriigten Kernpolymorphie der Zellproliferation einher. Es wird vorgeschlagen, diese Formen des LCS als lobuldre Neoplasie zu bezeichnen. Damit wird eine lobul~ire Zellneubildung verstanden, bei der prinzipiell eine wahrscheinlich hormonell gesteuerte Rfickbildung m6glich ist. Die Bezeichnung lobuldres Carcinoma in situ sollte ffir die F/ille, die eine deutliche Kernpolymorphie und meist einen h6heren Mukopolysaccharidgehalt zeigen, reserviert werden. Diese Kriterien und auch die zytofotometrischen Ergebnisse fiber den Kern-DNS-Gehalt (s. Vortrag Zippel und Citoler) weisen auf eine gesteigerte atypische Proliferation hin. Von diesen letzteren F~illen ist anzunehmen, dab sie eine nichtrfickbildungsf'~ihige obligate Praecancerose oder eine praeinvasive Form des Mammacarcinoms darstellen.
