مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

77 

Nomenclature

 

 

 

 

Benign Tumors 

 

Malignant Tumors

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

78 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

79 

Characteristics of benign andmalignant neoplasms 

 

1)  Malignant transformation (Differentiation and Anaplasia) 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

80 

 

 

 

 

Dysplasia 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

81 

 

 

2)  Rate of Growth (Growth rate of transformed cells) 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

82 

3)  Local Invasion 

 

 

 

4)  Metastasis 

 

 

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

83 

Epidemiology of neoplasm 

Cancer epidemiology can contribute substantially to 
knowledge about the origin of cancer. Now well-
established concept that cigarette smoking is causally 
associated with lung cancer arose primarily from 
epidemiologic studies. Epidemiology of cancer is focused 
on several subjects which are: 
 

Cancer incidence 

Incidence of cancers all over the world will give idea 
about the effect of  prevention and treatment cancers. 
Over several decades, the death rates of many forms of 
malignant neoplasia have changed. Particularly notable is 
the significant increase in the overall cancer death rate 
among men that was attributable largely to lung cancer, but 
this has finally begun to drop. In contrast, the overall death 
rate among women has fallen slightly, mostly as a result of 
the decline in death rates from cancers of the uterine cervix, 
stomach, and large bowel. These welcome trends have 
more than counterbalanced the striking climb in the rate of 
lung cancer among women, which not long ago was a 
relatively uncommon form of neoplasia in this sex. The 
declining death rate from cervical cancer is directly related 
to widespread use of cytologic smear studies for early 
detection of this tumor while it is still curable. The causes 
of decline in death rates for cancers of the stomach are 
obscure; however, there have been speculations about 
decreasing exposure to dietary carcinogens. 
 

Geographical and environmental factors 

The incidences of certain cancer are different from on 
area to other in our world this may be due to certain 
environmental or genetic factors that may occur due to 
certain environmental factors. 
This notion is supported by the geographic differences in 
death rates from specific forms of cancer. For example, 
death rates from breast cancer are about fourfold to 
fivefold higher in the United States and Europe compared 
with Japan. Conversely, the death rate for stomach 
carcinoma in men and women is about seven times higher 
in Japan than in the United States. Liver cell carcinoma is 
relatively infrequent in the United States but is the most 
lethal cancer among many African populations. Nearly all 
the evidence indicates that these geographic differences 
are environmental rather than genetic in origin. 
 

 

Age 

In general, the frequency of cancer increases with age. 
Most cancer mortality occurs between ages 55 and 75; the 
rate declines, along with the population base, after age 75. 
The rising incidence with age may be explained by: 
1)  The accumulation of somatic mutations associated 

with the emergence of malignant neoplasms. 

2)  The decline in immune competence that accompanies 

aging also may be a factor. 

Cancer causes slightly more than 10% of all deaths among 
children younger than 15years. The major lethal cancers in 
children are leukemia, tumors of the central nervous 
system, lymphomas, soft tissue sarcomas & bone sarcomas.  
 

Heredity 

The evidence now indicates that for many types of cancer, 
including the most common forms, there exist not only 
environmental influences but also hereditary 
predispositions. Hereditary forms of cancer can be 
divided into three categories 
 

A- Inherited cancer syndromes: (Autosomal 
dominant pattern)  

Inherited cancer syndromes include several well-defined 
cancers in which inheritance of a single mutant gene 
greatly increases the risk of developing a tumor. The 
predisposition to these tumors shows an autosomal 
dominant pattern of inheritance
. Childhood 
retinoblastoma is the most striking example of this 
category. 
Tumors within this group often are associated with a 
specific marker phenotype. There may be multiple benign 
tumors in the affected tissue, as occurs in familial polyposis 
of the colon and in multiple endocrine neoplasia.  
 

B – Familial cancers 

Virtually all the common types of cancers that occur 
sporadically have been reported to occur in familial 
forms. Examples include carcinomas of colon, breast, 
ovary, and brain. Features that characterize familial 
cancers include early age at onset, tumors arising in two 
or more close relatives of the index case, and sometimes 
multiple or bilateral tumors.
 Familial cancers are not 
associated with specific marker phenotypes. For example, 
in contrast to the familial adenomatous polyposis 
syndrome, familial colonic cancers do not arise in 
preexisting benign polyps. The transmission pattern of 
familial cancers is not clear. 
 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

84 

C- Autosomal recessive syndromes (Defective 
DNA repair) 

Besides the dominantly inherited precancerous conditions, 
a small group of autosomal recessive disorders is 
collectively characterized by chromosomal or DNA 
instability. One of the best-studied examples are 
xeroderma pigmentosum, Fanconi anemia, ataxic 
talangectsia. in which DNA repair is defective.   
  

Acquired Preneoplastic Disorders  

In addition to the genetic influences described earlier, 
certain clinical conditions are well-recognized 
predispositions to the development of malignant neoplasia 
and are referred to as preneoplastic disorders. This 
designation is unfortunate because it implies a certain 
inevitability, but in fact, although such conditions may 
increase the likelihood, in most instances cancer does not 
develop. A brief listing of the chief conditions follows: 
* Persistent regenerative cell replication (e.g., squamous 
cell carcinoma in the margins of a chronic skin fistula or 
in a long-unhealed skin wound; hepatocellular carcinoma 
in cirrhosis of the liver)Hyperplastic and dysplastic 
proliferations (e.g., endometrial carcinoma in atypical 
endometrial hyperplasia; bronchogenic carcinoma in the 
dysplastic bronchial mucosa of habitual cigarette 
smokers)Chronic atrophic gastritis (e.g., gastric 
carcinoma in pernicious anemia or following long-
standing Helicobacter pylori infection)Chronic ulcerative 
colitis (e.g., an increased incidence of colorectal 
carcinoma in long-standing disease)Leukoplakia of the 
oral cavity, vulva, or penis (e.g., increased risk of 
squamous cell carcinoma)Villous adenomas of the colon 
(e.g., high risk of transformation to colorectal carcinoma)  
 

Carcinogenesis: the molecular basis 

of cancer 

 

  Non-lethal genetic damage lies at the heart of 

carcinogenesis. Such genetic damage (or mutation) may 
be acquired by the action of environmental agents, such as 
chemicals, radiation, or viruses, or it may be inherited in 
the germ line. The genetic hypothesis of cancer implies 
that a tumor mass results from the clonal expansion of a 
single progenitor cell that has incurred genetic damage 
(i.e., tumors are monoclonal).  

  Four classes of normal regulatory genes-growth-

promoting proto-oncogenes, growth-inhibiting tumor 
suppressor genes, genes that regulate programmed cell 

death (i.e., apoptosis), and genes involved in DNA repair-
are the principal targets of genetic damage. Collectively 
the genetic alterations in tumor cells confer upon them 
growth and survival advantages over normal cells. 

  Carcinogenesis is a multi-steps process resulting from the 

accumulation of multiple mutations. Over a period of time 
many tumors become more aggressive by acquiring 
greater malignant potential .This phenomena is referred to 
as tumor progression. Increasing malignancy is often 
acquired step by step. At the molecular level, tumor 
progression result from multiple mutations that 
accumulate independently in different cells generating 
subclones with different characteristics such as ability to 
invade, rate of growth, metastatic ability, hormonal 
responsiveness and susceptibility to anti neoplastic drugs. 
Even though most malignant tumors are monoclonal in 
origin by the time they become clinically evident their 
constituent cells are extremely hetrogenous.  

 
Illustration of Pathogenesis of cancer 

 

 
Hallmarks of cancer

 

Cancer critical genes 

These genes are had a role in seven fundamental changes in 
cell physiology that together determine its malignant attributes 

1)  Self-sufficiency in growth signals  
2)  Insensitivity to growth-inhibitory signals  
3)  Evasion of apoptosis  


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

85 

4)  Limitless replicative potential (i.e., overcoming cellular 

senescence and avoiding mitotic catastrophe)  

5)  Development of sustained angiogenesis  
6)  Ability to invade and metastasize  
7)  Genomic instability resulting from defects in DNA repair  

  Mutation in genes that regulate some or all of the above 

cellular traits are seen in every cancer and hence these 
will form the basis of the molecular origins of cancer. 

1-  Self – sufficiency in growth signals  

  Genes that promote autonomous cell growth in cancer cells 

are called oncogenes. They are derived by mutations in 
proto-oncogenes and are characterized by the ability to 
promote cell growth in the absence of normal growth-
promoting signals. Their products, called oncoproteins, 
resemble the normal products of proto-oncogenes except 
that oncoproteins are devoid of important regulatory 
elements & their production in the transformed cells does 
not depend on growth factors or other external signals. 

  Under physiologic conditions, cell proliferation can be 

readily resolved into the following steps: 

1)  The binding of a growth factor to its specific receptor on 

the cell membrane 

2)  Transient and limited activation of the growth factor 

receptor, which in turn activates several signal- transducing 
proteins on the inner leaflet of the plasma membrane  

3)  Transmission of the transduced signal across the cytosol 

to the nucleus via second messengers or a cascade of 
signal transduction molecules 

4)  Induction and activation of nuclear regulatory factors that 

initiate DNA transcription 

5)  Entry and progression of the cell into the cell cycle, 

resulting ultimately in cell division. 

Self – sufficiency involve the following  

A – Growth factors  

All normal cells require stimulation by growth factors to 
undergo proliferation. Most soluble growth factors are 
made by one cell type and act on a neighboring cell to 
stimulate proliferation (paracrine action). Many cancer cells 
acquire growth self-sufficiency, however, by acquiring the 
ability to synthesize the same growth factors to which they 
are responsive. For example, many glioblastomas secrete 
platelet-derived growth factor (PDGF) and express the 
PDGF receptor, and many sarcomas make both 
transforming growth factor-α (TGF-α) and its receptor. 

 
B- Growth factors receptors  

Mutant genes present in two forms: 

1)  Formation of mutant receptor protein that deliver 

continuous mitogenic signals to cells even in the absence 
of the relevant growth factor in the environment. 

2)  Overexpression of growth factor receptors that render 

cancer cells hyper-responsive to levels of growth factor that 
would not normally trigger proliferation. As examples are  
EGF (epidermal growth factor) overexpression in 80% of 
squamous cell carcinoma. HER/NEU receptor is amplified 
in 25% of breast carcinoma which indicated bad prognosis. 

 
C- Single – transducing proteins 

 A relatively common mechanism by which cancer cells 
acquire growth autonomy is mutations in genes that 
encode various components of the signaling molecules 
couple growth factor receptors to their nuclear targets. 
Many such signaling proteins are associated with the 
inner leaflet of the plasma membrane, where they receive 
signals from activated growth factor receptors and 
transmit them to the nucleus, either through second 
messengers or through a cascade of phosphorylation and 
activation of signal transduction molecules. Two 
important members in this category are RAS and ABL.  

 
D – Nuclear transcription factors: 

Transcription is the synthesis of messenger RNA (mRNA) 
from a DNA this is a key step in the formation of protein 
coded by DNA. Transcription factors are proteins 
necessary for RNA polymerase to initiate transcription of 
mRNA molecule from its DNA template. 
As example of this group (MYS) gene which showed 
mutation by translocation between chromosomes (8 : 14) 
which occur in burkitt lymphoma & also breast, colon, lung. 

 
E – cyclins and cyclin – dependent Kinase (CDKs). 

They are activated by binding to cyclins (so called because 
of cyclic nature of their production and degradation). The 
CDK- cyclin complexes activate the crucial RB protein that 
derives the cell cycle. On completion of this task, cyclin 
levels decline rapidly. Cyclin D, E , A , and B appear 
sequentially during the cell cycle to one or more CDK. 
Mutation that dsregulate the activity of cyclins and CDKs 
would favor cell proliferation .The cyclin D genes are 
overexpressed in many cancers including breast, esophagus, 
melanoma, sarcom. While cyclins activate the CDKs their 
inhibitors (CDKIs) such as (P21 ,P 27 and P57 ) silence the 
CDKs and exert negative control the cell cycle. The CDKIs 
are frequently mutated or otherwise silenced in many 
malignancies. (Pancreatic, esophagus or glioblastoma.   
 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

86 

2) Insensitivity to Growth Inhibitory Signals 

RB Gene: Governor of the Cell Cycle

 

 

P53 Gene: Guardian of the Genome 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

87 

 

Transforming Growth Factor-β Pathway (TGF-β) 

 

Adenomatous polyposis Coli-β-Catenin Pathway 

 

3) Avoidance of apoptosis 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

88 

 

 

 

4) Unlimited replicative potential 

 

5) Development of sustain angiogenesis 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

89 

 

 

6) Invasion & Metastasis 

 

 

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

90 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

91 

Etiology of cancer: carcinogenic agents 

Three classes of carcinogenic agents can be identified:  
(1) chemicals, (2) radiant energy, and (3) microbial 
agents. Chemicals and radiant energy are documented 
causes of cancer in humans, and oncogenic viruses are 
involved in the pathogenesis of tumors in several animal 
models and at least in some human tumors. In the 
following discussion, each class of agents is considered 
separately, but it is important to note that several may act 
in concert or sequentially to produce the multiple genetic 
abnormalities characteristic of neoplastic cells. 
 

Chemical Carcinogens 

  Direct-Acting Agents  

Direct-acting agents require no metabolic conversion to 
become carcinogenic. They are in general weak 
carcinogens but are important because some of them are 
cancer chemotherapeutic drugs (e.g., alkylating agents) 
that have successfully cured, controlled, or delayed 
recurrence of certain types of cancer (e.g., leukemia, 
lymphoma, Hodgkin lymphoma, and ovarian carcinoma), 
only to evoke later a second form of cancer, usually 
leukemia. This situation is even more tragic when their 
initial use has been for non-neoplastic disorders, such as 
rheumatoid arthritis or Wegener granulomatosis. The risk 
of induced cancer is low, but its existence dictates 
judicious use of such agents.  

  Indirect-Acting Agents  

The designation indirect-acting agent refers to chemicals 
that require metabolic conversion to an ultimate 
carcinogen
 before they become active. Some of the most 
potent indirect chemical carcinogens-the polycyclic 
hydrocarbons-are present in fossil fuels. For example, 
benzo[a]pyrene and other carcinogens are formed in the 
high-temperature combustion of tobacco in cigarette 
smoking. These products are implicated in the causation 
of lung cancer in cigarette smokers.
 Polycyclic 
hydrocarbons may also be produced from animal fats 
during the process of broiling meats and are present in 
smoked meats & fish. The principal active products in 
many hydrocarbons are epoxides, which form covalent 
adducts (addition products) with molecules in the cell, 
principally DNA, but also with RNA and proteins.  
The aromatic amines and azo dyes are another class of 
indirect-acting carcinogens. Before its carcinogenicity was 
recognized, β-naphthylamine was responsible for a 50-fold 
increased incidence of bladder cancers in heavily exposed 
workers in the aniline dye and rubber industries. Many 

other occupational carcinogens. Because indirect-acting 
carcinogens require metabolic activation for their 
conversion to DNA-damaging agents, much interest is 
focused on the enzymatic pathways that are involved, such 
as the cytochrome P-450-dependent monooxygenases. The 
genes that encode these enzymes are polymorphic, and 
enzyme activity varies among different individuals. It is 
widely believed that the susceptibility to chemical 
carcinogenesis depends at least in part on the specific allelic 
form of the enzyme inherited. Thus, it may be possible in 
the future to assess cancer risk in a given individual by 
genetic analysis of such enzyme polymorphisms. 

  A few other agents merit brief mention. Aflatoxin B

1

 is of 

interest because it is a naturally occurring agent produced 
by some strains of Aspergillus, a mold that grows on 
improperly stored grains and nuts. There is a strong 
correlation between the dietary level of this food 
contaminant &the incidence of hepatocellular carcinoma in 
some parts of Africa and the Far East.
 Additionally, vinyl 
chloride, arsenic, nickel, chromium, insecticides, fungicides 
& polychlorinated biphenyls are potential carcinogens in 
the workplace and about the house. Finally, nitrites used as 
food preservatives have caused concern, since they cause 
nitrosylation of amines contained in the food. The 
nitrosoamines so formed are suspected to be carcinogenic.  
 

Mechanisms of Action of Chemical Carcinogens  

  Because malignant transformation results from mutations, 

it should come as no surprise that most chemical 
carcinogens are mutagenic. Indeed, all direct and ultimate 
carcinogens contain highly reactive electrophile groups 
that form chemical adducts with DNA, as well as with 
proteins and RNA. Although any gene may be the target 
of chemical carcinogens, the commonly mutated 
oncogenes and tumor suppressors, such as RAS and p53, 
are important targets of chemical carcinogens. Indeed, 
specific chemical carcinogens, such as aflatoxin B

1

produce characteristic mutations in the p53 gene, such 
that detection of the "signature mutation" within the p53 
gene establishes aflatoxin as the causative agent. These 
associations are proving useful tools in epidemiologic 
studies of chemical carcinogenesis.  

  Carcinogenicity of some chemicals is augmented by 

subsequent administration of promoters (e.g., phorbol 
esters, hormones, phenols, and drugs) that by themselves 
are nontumorigenic. To be effective, repeated or sustained 
exposure to the promoter must follow the application of 
the mutagenic chemical, or initiator. The initiation-
promotion sequence of chemical carcinogenesis raises an 
important question: Since promoters are not mutagenic, 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

92 

how do they contribute to tumorigenesis? Although the 
effects of tumor promoters are pleiotropic, induction of 
cell proliferation is a sine qua non of tumor promotion.
 It 
seems most likely that while the application of an initiator 
may cause the mutational activation of an oncogene such 
as RAS, subsequent application of promoters leads to 
clonal expansion of initiated (mutated) cells. Forced to 
proliferate, the initiated clone of cells accumulates 
additional mutations, developing eventually into a 
malignant tumor. Indeed, the concept that sustained cell 
proliferation increases the risk of mutagenesis, and hence 
neoplastic transformation, is also applicable to human 
carcinogenesis. For example, pathologic hyperplasia of 
the endometrium) and increased regenerative activity that 
accompanies chronic liver cell injury are associated with 
the development of cancer in these organs. Were it not for 
the DNA repair mechanisms discussed earlier, the 
incidence of chemically induced cancers in all likelihood 
would be much higher. As mentioned above, the rare 
hereditary disorders of DNA repair, including xeroderma 
pigmentosum, are associated with greatly increased risk of 
cancers induced by UV light and certain chemicals. 
  

Radiation Carcinogenesis 

  Radiation, whatever its source (UV rays of sunlight, x-

rays, nuclear fission, radionuclides) is an established 
carcinogen. Unprotected miners of radioactive elements 
have a 10-fold increased incidence of lung cancers. 
Follow-up of survivors of the atomic bombs dropped on 
Hiroshima and Nagasaki disclosed a markedly increased 
incidence of leukemia-principally acute and chronic 
myeloid leukemia-after an average latent period of about 
7 years, as well as an increased mortality rate from 
thyroid, breast, colon, and lung carcinomas. The nuclear 
power accident at Chernobyl in the former Soviet Union 
continues to exact its toll in the form of high cancer 
incidence in the surrounding areas. Therapeutic irradiation 
of the head and neck can give rise to papillary thyroid 
cancers years later. The oncogenic properties of ionizing 
radiation are related to its mutagenic effects; it causes 
chromosome breakage, translocations, and, less 
frequently, point mutations. Biologically, double-stranded 
DNA breaks seem to be the most important form of DNA 
damage caused by radiation. There is also some evidence 
that nonlethal doses of radiation may induce genomic 
instability, favoring carcinogenesis. 

  The oncogenic effect of UV rays merits special mention 

because it highlights the importance of DNA repair in 
carcinogenesis. Natural UV radiation derived from the sun 

can cause skin cancers (melanomas, squamous cell 
carcinomas, and basal cell carcinomas). At greatest risk 
are fair-skinned people who live in locales such as 
Australia and New Zealand that receive a great deal of 
sunlight. Nonmelanoma skin cancers are associated with 
total cumulative exposure to UV radiation, whereas 
melanomas are associated with intense intermittent 
exposure-as occurs with sunbathing. UV light has several 
biologic effects on cells. Of particular relevance to 
carcinogenesis is the ability to damage DNA by forming 
pyrimidine dimers. This type of DNA damage is repaired 
by the nucleotide excision repair pathway. With extensive 
exposure to UV light, the repair systems may be 
overwhelmed, and skin cancer results. As mentioned 
above, patients with the inherited disease xeroderma 
pigmentosum
 have a defect in the nucleotide excision 
repair pathway. As expected, there is a greatly increased 
predisposition to skin cancers in this disorder.  
 

Viral and Microbial Oncogenesis 

a- Oncogenic RNA Viruses  

The study of oncogenic retroviruses in animals has 
provided spectacular insights into the genetic basis of 
cancer. However, human T-cell leukemia virus-1 (HTLV-
1) is the only retrovirus that has been demonstrated to 
cause cancer in humans. HTLV-1 is associated with a 
form of T-cell leukemia/lymphoma that is endemic in 
certain parts of Japan and the Caribbean basin but is found 
sporadically elsewhere, including the United States. 
Similar to the human immunodeficiency virus (HIV), 
HTLV-1 has tropism for CD4+ T cells, and this subset of 
T cells is the major target for neoplastic transformation. 
Human infection requires transmission of infected T cells 
via sexual intercourse, blood products, or breastfeeding. 
Leukemia develops only in about 3% to 5% of infected 
individuals after a long latent period of 20 to 50 years. 

 
There is little doubt that HTLV-1 infection of T 
lymphocytes is necessary for leukemogenesis, but the 
molecular mechanisms of transformation are not clear. 
HTLV-1 does not contain a viral oncogene, and in contrast 
to certain animal retroviruses, no consistent integration site 
next to a cellular oncogene has been discovered. Indeed, the 
long latency period between initial infection and 
development of disease suggests a multistep process, during 
which many oncogenic mutations are accumulated. 
The genome of HTLV-1 contains, in addition to the usual 
retroviral genes, a unique region called pX. This region 
encodes several genes, including one called TAX. The TAX 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

93 

protein has been shown to be necessary and sufficient for 
cellular transformation. By interacting with several 
transcription factors, such as NF-κB, the TAX protein can 
transactivate the expression of genes that encode cytokines, 
cytokine receptors, and costimulatory molecules. This 
inappropriate gene expression leads to autocrine signaling 
loops and increased activation of pro-mitogenic signaling 
cascades. Furthermore, TAX can drive progression through 
the cell cycle by directly binding to and activating cyclins. 
In addition, TAX can repress the function of several tumor 
suppressor genes that control the cell cycle, including 
CDKN2A/p16 and p53. From these and other observations 
the following scenario is emerging The TAX gene turns on 
several cytokine genes and their receptors (IL-2 and IL-2R, 
IL-15, and IL-15R), setting up an autocrine system that 
drives T-cell proliferation. Of these cytokines, IL-15 seems 
to be more important, but much remains to be defined. 
Additionally, a parallel paracrine pathway is activated by 
increased production of granulocyte-macrophage colony-
stimulating factor, which stimulates neighboring 
macrophages to produce other T-cell mitogens. Initially the 
T-cell proliferation is polyclonal because the virus infects 
many cells, but, because of TAX-based inactivation of 
tumor suppressor genes such as p53, the proliferating T 
cells are at increased risk of secondary transforming events 
(mutations), which lead ultimately to the outgrowth of a 
monoclonal neoplastic T-cell population.  
 

B -  Oncogenic DNA Viruses 

 

As with RNA viruses, several oncogenic DNA viruses 
that cause tumors in animals have been identified. Four 
DNA viruses-human papillomavirus (HPV), Epstein-Barr 
virus (EBV), Kaposi sarcoma herpesvirus (KSHV, also 
called human herpesvirus 8), and hepatitis B virus (HBV)-
are of special interest, because they are strongly 
associated with human cancer 

 
Human Papillomavirus 

Scores of genetically distinct types of HPV have been 
identified. Some types (e.g., 1, 2, 4, and 7) definitely cause 
benign squamous papillomas (warts) in humans). By 
contrast, high-risk HPVs (e.g., 16 and 18) have been 
implicated in the genesis of several cancers, particularly 
squamous cell carcinoma of the cervix and anogenital 
region. In addition, at least 20% of oropharyngeal cancers 
are associated with HPV. In contrast to cervical cancers, 
genital warts have low malignant potential & are associated 
with low-risk HPVs predominantly HPV-6 & HPV-11. 

The oncogenic potential of HPV can be related to 
products of two early viral genes, E6 and E7. Together, 
they interact with a variety of growth-regulating proteins 
encoded by protooncogenes and tumor suppressor genes. 
The E7 protein binds to the retinoblastoma protein and 
displaces the E2F transcription factors that are normally 
sequestered by RB, promoting progression through the 
cell cycle. Interestingly, E7 protein from high-risk HPV 
types has a higher affinity for RB than does E7 from low-
risk HPV types. E7 also inactivates the CDKIs 
CDKN1A/p21 and CDNK1B/p27. E7 proteins from high-
risk HPV types (types 16, 18, and 31) also bind and 
presumably activate cyclins E and A. The E6 protein has 
complementary effects. It binds to and mediates the 
degradation of p53 and BAX, a pro-apoptotic member of 
the BCL2 family, and it activates telomerase. In analogy 
with E7, E6 from high-risk HPV types has a higher 
affinity for p53 than E6 from low-risk HPV types. 
Interestingly, in benign warts the HPV genome is 
maintained in a nonintegrated episomal form, while in 
cancers the HPV genome is randomly integrated into the 
host genome. Integration interrupts the viral DNA, 
resulting in overexpression of the oncoproteins E6 and 
E7. Furthermore, cells in which the viral genome has 
integrated show significantly more genomic instability.  
            To summarize, infection with high-risk HPV types 
simulates the loss of tumor suppressor genes, activates 
cyclins, inhibits apoptosis, and combats cellular 
senescence.
 Thus, it is evident that many of the hallmarks 
of cancer discussed earlier are driven by HPV proteins. 
However, infection with HPV itself is not sufficient for 
carcinogenesis. For example, when human keratinocytes 
are transfected with DNA from HPV 16, 18, or 31 in 
vitro, they are immortalized, but they do not form tumors 
in experimental animals. Cotransfection with a mutated 
RAS gene results in full malignant transformation. These 
data strongly suggest that HPV, in all likelihood, acts in 
concert with other environmental factors). However, the 
primacy of HPV infection in the causation of cervical 
cancer is attested to by the near complete protection from 
this cancer by anti-HPV vaccines.  
 

Epstein-Barr Virus  

EBV has been implicated in the pathogenesis of several 
human tumors: Burkitt lymphoma, B-cell lymphomas in 
patients with acquired immunodeficiency syndrome and 
other causes of immunosuppression, a subset of Hodgkin 
lymphoma, and nasopharyngeal carcinoma. Except for 
nasopharyngeal carcinoma, all others are B-cell tumors. A 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

94 

subset of T-cell lymphomas and the rare NK-cell 
lymphomas may also be related to EBV.  
EBV has been implicated in the pathogenesis of Burkitt 
lymphomas, lymphomas in immunosuppressed 
individuals with HIV infection or organ transplantation, 
some forms of Hodgkin lymphoma, and nasopharyngeal 
carcinoma. All except the nasopharyngeal cancers are B-
cell tumors.Certain EBV gene products contribute to 
oncogenesis by stimulating a normal B-cell proliferation 
pathway. Concomitant compromise of immune 
competence allows sustained B-cell proliferation and 
eventually development of lymphoma with occurrence of 
additional mutations such as t(8 ; 14), leading to 
activation of the MYC gene. 

Hepatitis B and Hepatitis C Viruses:- 

Between 70% and 85% of hepatocellular carcinomas 
worldwide are due to infection with HBV or HCV.The 
oncogenic effects of HBV and HCV are multifactorial, 
but the dominant effect seems to be immunologically 
mediated chronic inflammation, hepatocellular injury, 
stimulation of hepatocyte proliferation, and production of 
reactive oxygen species that can damage DNA.The HBx 
protein of HBV and the HCV core protein can activate a 
variety of signal transduction pathways that may also 
contribute to carcinogenesis.  
 

Bacterial oncogene (Helicobacter pylori) 

H. pylori infection has been implicated in both gastric 
adenocarcinoma and MALT lymphoma.The mechanism 
of H. pylori-induced gastric cancers is multifactorial 
including immunologically mediated chronic 
inflammation, stimulation of gastric cell proliferation & 
production of reactive oxygen species that damage DNA. 
H. pylori pathogenicity genes, such as CagA, may also 
contribute by stimulating growth factor pathways.It is 
thought that H. pylori infection leads to polyclonal B-cell 
proliferations & that eventually a monoclonal B-cell 
tumor (MALT lymphoma) emerges as a result of 
accumulation of mutations 

 

 

 

 

 

Host defense against tumors: tumor 
immunity  

 

 

Tumor Antigens  

Antigens that elicit an immune response have been 
demonstrated in many experimentally induced tumors & in 
some human cancers. Initially, they were broadly classified 
into two categories based on their patterns of expression: 
tumor-specific antigens, which are present only on tumor 
cells and not on any normal cells, and tumor-associated 
antigens,
 which are present on tumor cells and also on some 
normal cells. This classification, however, is imperfect, 
because many antigens thought to be tumor specific turned 
out to be expressed by some normal cells as well. The 
modern classification of tumor antigens is based on their 
molecular structure and source. An important advance in 
the field of tumor immunology was the development of 
techniques for identifying tumor antigens that were 
recognized by cytotoxic T lymphocytes (CTLs), because 
CTLs are the major immune defense mechanism against 
tumors. Recall that CTLs recognize peptides derived from 
cytoplasmic proteins that are displayed bound to class I 
major histocompatibility complex (MHC) molecules  
 

Products of Other Mutated Genes  

Because of the genetic instability of tumor cells, many   
genes are mutated in these cells, including genes whose 
products are not related to the transformed phenotype &  
have no known function. Products of these mutated genes   
are potential tumor antigens. These antigens are extremely 
diverse because the carcinogens that induce the tumors may 
randomly mutagenize virtually any host gene. Mutated 
cellular proteins are found more frequently in chemical 
carcinogen- or radiation-induced animal tumors than in 
spontaneous human cancers. They can be targeted by the 
immune system, since there is no self-tolerance against them.  
 

Overexpressed or Aberrantly Expressed 
Cellular Proteins 

 

Tumor antigens may be normal cellular proteins that are 
abnormally expressed in tumor cells and elicit immune 
responses. In a subset of human melanomas some tumor 
antigens are structurally normal proteins that are produced 
at low levels in normal cells and overexpressed in tumor 
cells. One such antigen is tyrosinase, an enzyme involved 
in melanin biosynthesis that is expressed only in normal 
melanocytes and melanomas. T cells from melanoma 
patients recognize peptides derived from tyrosinase, 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

95 

raising the possibility that tyrosinase vaccines may 
stimulate such responses to melanomas; clinical trials 
with these vaccines are ongoing. It may be surprising that 
these patients are able to respond to a normal self-antigen. 
The probable explanation is that tyrosinase is normally 
produced in such small amounts and in so few cells that it 
is not recognized by the immune system and fails to 
induce tolerance. 
Another group, the so called "cancer-testis" antigens, are 
encoded by genes that are silent in all adult tissues except 
the testis-hence their name. Although the protein is 
present in the testis it is not expressed on the cell surface 
in an antigenic form, because sperm do not express MHC 
class I antigens. Thus, for all practical purposes, these 
antigens are tumor specific. Prototypic of this group is the 
MAGE family of genes. Although they are tumor specific, 
MAGE antigens are not unique for individual tumors. 
MAGE-1 is expressed on 37% of melanomas and a 
variable number of lung, liver, stomach, and esophageal 
carcinomas. Similar antigens called GAGE, BAGE, and 
RAGE have been detected in other tumors. 
 

Tumor Antigens Produced by Oncogenic Viruses  

Some viruses are associated with cancers. Not 
surprisingly, these viruses produce proteins that are 
recognized as foreign by the immune system. The most 
potent of these antigens are proteins produced by latent 
DNA viruses; examples in humans include HPV and 
EBV. There is abundant evidence that CTLs recognize 
antigens of these viruses and that a competent immune 
system plays a role in surveillance against virus-induced 
tumors because of its ability to recognize and kill virus-
infected cells. Indeed, vaccines against HPV antigens 
have been found effective in prevention of cervical 
cancers in young females. 
 

Oncofetal Antigens  

Oncofetal antigens or embryonic antigens, such as 
carcinoembryonic antigen (CEA) and α-fetoprotein, are 
expressed during embryogenesis but not in normal adult 
tissues. Derepression of the genes that encode these 
antigens causes their reexpression in colon and liver 
cancers. Antibodies can be raised against these, and they 
are useful for detection of oncofetal antigens. Although, 
as discussed later, they are not entirely tumor specific, 
they can serve as serum markers for cancer.  
 

Altered Cell Surface Glycolipids & Glycoproteins  

Most human and experimental tumors express higher than 
normal levels and/or abnormal forms of surface 

glycoproteins and glycolipids, which may be diagnostic 
markers and targets for therapy. These altered molecules 
include gangliosides, blood group antigens, and mucins. 
Although most of the epitopes recognized by antibodies 
raised against such antigens are not specifically expressed 
on tumors, they are present at higher levels on cancer cells 
than on normal cells. This class of antigens is a target for 
cancer therapy with specific antibodies.  
Several mucins are of special interest and have been the 
focus of diagnostic and therapeutic studies. These include 
CA-125 and CA-19-9, expressed on ovarian carcinomas, 
and MUC-1, expressed on breast carcinomas. Unlike 
many other types of mucins, MUC-1 is an integral 
membrane protein that is normally expressed only on the 
apical surface of breast ductal epithelium, a site that is 
relatively sequestered from the immune system. In ductal 
carcinomas of the breast, however, the molecule is 
expressed in an unpolarized fashion and contains new, 
tumor-specific carbohydrate and peptide epitopes. These 
epitopes induce both antibody and T-cell responses in 
cancer patients and are therefore being considered as 
candidates for tumor vaccines. 
 

Cell Type-Specific Differentiation Antigens 

Tumors express molecules that are normally present on 
the cells of origin. These antigens are called 
differentiation antigens, because they are specific for 
particular lineages or differentiation stages of various cell 
types. Their importance is as potential targets for 
immunotherapy and for identifying the tissue of origin of 
tumors. For example, lymphomas may be diagnosed as B-
cell-derived tumors by the detection of surface markers 
characteristic of this lineage, such as CD10 and CD20. 
Antibodies against these molecules are also used for 
tumor immunotherapy. These differentiation antigens are 
typically normal self-antigens, and therefore they do not 
induce immune responses in tumor-bearing hosts.  
 

Antitumor Effector Mechanisms 

Cell-mediated immunity is the dominant anti-tumor 
mechanism in vivo. Although antibodies can be made 
against tumors, there is no evidence that they play a 
protective role under physiologic conditions. 

Cytotoxic T Lymphocytes 

The role of specifically sensitized CTLs in experimentally 
induced tumors is well established. In humans, they seem to 
play a protective role, chiefly against virus-associated 
neoplasms (e.g., EBV-induced Burkitt lymphoma and 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

96 

HPV-induced tumors). The presence of MHC-restricted 
CD8+ cells that can kill autologous tumor cells within 
human tumors suggests that the role of T cells in immunity 
against human tumors may be broader than previously 
suspected. In some cases, such CD8+ T cells do not 
develop spontaneously in vivo but can be generated by 
immunization with tumor antigen-pulsed dendritic cells.  
 

Natural Killer Cells  

NK cells are lymphocytes that are capable of destroying 
tumor cells without prior sensitization; they may provide 
the first line of defense against tumor cells. After 
activation with IL-2, NK cells can lyse a wide range of 
human tumors, including many that seem to be 
nonimmunogenic for T cells. T cells and NK cells seem to 
provide complementary antitumor mechanisms. Tumors 
that fail to express MHC class I antigens cannot be 
recognized by T cells, but these tumors may trigger NK 
cells because the latter are inhibited by recognition of 
normal autologous class I molecules. The triggering 
receptors on NK cells are extremely diverse and belong to 
several gene families. NKG2D proteins expressed on NK 
cells and some T cells are important activating receptors. 
They recognize stress-induced antigens that are expressed 
on tumor cells and cells that have incurred DNA damage 
and are at risk for neoplastic transformation. 
 

Macrophages  

Activated macrophages exhibit cytotoxicity against tumor 
cells in vitro. T cells, NK cells, and macrophages may 
collaborate in antitumor reactivity, because interferon-γ, a 
cytokine secreted by T cells and NK cells, is a potent 
activator of macrophages. Activated macrophages may 
kill tumors by mechanisms similar to those used to kill 
microbes or by secretion of tumor necrosis factor (TNF).  
 

Humoral Mechanisms 

Although there is no evidence for the protective effects of 
anti-tumor antibodies against spontaneous tumors, 
administration of monoclonal antibodies against tumor 
cells can be therapeutically effective. A monoclonal 
antibody against CD20, a B cell surface antigen, is widely 
used for treatment of certain non-Hodgkin lymphomas.  
 

Immune Surveillance & Immune Evasion 
by Tumors 

 

Given the host of possible and potential antitumor 
mechanisms, is there any evidence that they operate in 
vivo to prevent the emergence of neoplasms? The 

strongest argument for the existence of immune 
surveillance is the increased frequency of cancers in 
immunodeficient hosts. About 5% of individuals with 
congenital immunodeficiencies develop cancers, a rate 
that is about 200 times that for individuals without such 
immunodeficiencies. Analogously, immunosuppressed 
transplant recipients and patients with acquired 
immunodeficiency syndrome have increased numbers of 
malignancies. It should be noted that most (but not all) of 
these neoplasms are lymphomas, often lymphomas of 
activated B cells. Particularly illustrative is X-linked 
lymphoproliferative disorder. When affected boys develop 
an EBV infection, such infection does not take the usual 
self-limited form of infectious mononucleosis but instead 
evolves into a chronic or sometimes fatal form of 
infectious mononucleosis or, even worse, malignant 
lymphoma.  
 

Escape mechanisms of tumor from 
immunosurveillance 

1)  Selective outgrowth of antigen-negative variants. 

During tumor progression, strongly immunogenic 
subclones may be eliminated 

2)  Loss or reduced expression of histocompatibility 

molecules. 
Tumor cells may fail to express normal levels of HLA 
class I, escaping attack by CTLs. Such cells, however, 
may trigger NK cells 

3)  Immunosuppression. Many oncogenic agents (e.g., 

chemicals and ionizing radiation) suppress host immune 
responses. Tumors or tumor products also may be 
immunosuppressive. For example, TGF-β, secreted in 
large quantities by many tumors, is a potent 
immunosuppressant. In some cases, the immune response 
induced by the tumor may inhibit tumor immunity. 
Several mechanisms of such inhibition have been 
described. For instance, recognition of tumor cells may 
lead to engagement of the T-cell inhibitory receptor, 
CTLA-4, or activation of regulatory T cells that suppress 
immune responses.  
It is worth mentioning that although much of the focus in 
the field of tumor immunity has been on the mechanisms 
by which the host immune system defends against tumors, 
there is some recent evidence that, paradoxically, the 
immune system may promote the growth of tumors. It is 
possible that activated lymphocytes and macrophages 
produce growth factors for tumor cells. Enzymes, such as 
MMPs, that enhance tumor invasion, may also be 
produced. Harnessing the protective 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

97 

Clinical aspects of neoplasia  

Ultimately the importance of neoplasms lies in their 
effects on patients. Although malignant tumors are of 
course more threatening than benign tumors, any tumor, 
even a benign one, may cause morbidity and mortality. 
Indeed, both malignant and benign tumors may cause 
problems because of (1) location and impingement on 
adjacent structures, (2) functional activity such as 
hormone synthesis or the development of paraneoplastic 
syndromes, (3) bleeding and infections when the tumor 
ulcerates through adjacent surfaces, (4) symptoms that 
result from rupture or infarction & (5) cachexia or wasting 

Effects of Tumor on Host 

Location is crucial in both benign and malignant tumors.   
A small (1-cm) pituitary adenoma can compress and 
destroy the surrounding normal gland and give rise to 
hypopituitarism. A 0.5-cm leiomyoma in the wall of the 
renal artery may lead to renal ischemia and serious 
hypertension. A comparably small carcinoma within the 
common bile duct may induce fatal biliary tract obstruction. 
Hormone production is seen with benign and malignant 
neoplasms arising in endocrine glands. Adenomas and 
carcinomas arising in the β-cells of the islets of the 
pancreas can produce hyperinsulinism, sometimes fatal. 
Analogously, some adenomas and carcinomas of the 
adrenal cortex elaborate corticosteroids that affect the 
patient (e.g., aldosterone, which induces sodium retention, 
hypertension, and hypokalemia). Such hormonal activity 
is more likely with a well-differentiated benign tumor 
than with a corresponding carcinoma.  
 

Cancer Cachexia 

Many cancer patients suffer progressive loss of body fat 
and lean body mass, accompanied by profound weakness, 
anorexia, and anemia, referred to as cachexia. There is 
some correlation between the size and extent of spread of 
the cancer and the severity of the cachexia. However, 
cachexia is not caused by the nutritional demands of the 
tumor. Although patients with cancer are often anorexic, 
current evidence indicates that cachexia results from the 
action of soluble factors such as cytokines produced by 
the tumor and the host rather than reduced food intake. In 
patients with cancer, calorie expenditure remains high, 
and basal metabolic rate is increased, despite reduced 
food intake. This is in contrast to the lower metabolic rate 
that occurs as an adaptational response in starvation. The 
basis of these metabolic abnormalities is not fully 
understood. It is suspected that TNF produced by 

macrophages in response to tumor cells or by the tumor 
cells themselves mediates cachexia. TNF suppresses 
appetite and inhibits the action of lipoprotein lipase, 
inhibiting the release of free fatty acids from lipoproteins. 
Additionally, a protein-mobilizing factor called 
proteolysis-inducing factor, which causes breakdown of 
skeletal muscle proteins by the ubiquitin-proteosome 
pathway, has been detected in the serum of cancer 
patients. Other molecules with lipolytic action also have 
been found. There is no satisfactory treatment for cancer 
cachexia other than removal of the underlying cause, the 
tumor. 

Paraneoplastic Syndromes 

Symptom complexes that occur in patients with cancer 
and that cannot be readily explained by local or distant 
spread of the tumor or by the elaboration of hormones 
indigenous to the tissue of origin of the tumor are referred 
to as paraneoplastic syndromes. They appear in 10% to 
15% of patients with cancer, and it is important to 
recognize them for several reasons 
The paraneoplastic syndromes are diverse and are 
associated with many different tumors . The most common 
syndromes are hypercalcemia, Cushing syndrome, and 
nonbacterial thrombotic endocarditis;
 the neoplasms most 
often associated with these and other syndromes are lung 
and breast cancers and hematologic malignancies. 
Hypercalcemia in cancer patients is multifactorial, but the 
most important mechanism is the synthesis of a parathyroid 
hormone-related protein (PTHrP) by tumor cells. Also 
implicated are other tumor-derived factors, such as TGF-α, 
a polypeptide factor that activates osteoclasts, and the 
active form of vitamin D. Another possible mechanism for 
hypercalcemia is widespread osteolytic metastatic disease 
of bone, but it should be noted that hypercalcemia resulting 
from skeletal metastases is not a paraneoplastic syndrome

Cushing syndrome as a paraneoplastic phenomenon is 
usually related to ectopic production of ACTH or ACTH-
like polypeptides by cancer cells, as occurs in small-cell 
cancers of the lung. Sometimes one tumor induces several 
syndromes concurrently. For example, bronchogenic 
carcinomas may elaborate products identical to or having 
the effects of ACTH, antidiuretic hormone, parathyroid 
hormone, serotonin, human chorionic gonadotropin, and 
other bioactive substances.  

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

98 

Grading and Staging of Cancer:- 

Methods to quantify the probable clinical aggressiveness of 
a given neoplasm and its apparent extent and spread in the 
individual patient are necessary for making accurate 
prognosis and for comparing end results of various 
treatment protocols. For instance, the results of treating 
extremely small, highly differentiated thyroid 
adenocarcinomas that are localized to the thyroid gland are 
likely to be different from those obtained from treating 
highly anaplastic thyroid cancers that have invaded the 
neck organs.  
The grading of a cancer attempts to establish some 
estimate of its aggressiveness or level of malignancy 
based on the cytologic differentiation of tumor cells and 
the number of mitoses within the tumor. The cancer may 
be classified as grade I, II, III, or IV, in order of 
increasing anaplasia. Criteria for the individual grades 
vary with each form of neoplasia and so are not detailed 
here. Difficulties in establishing clear-cut criteria have led 
in some instances to descriptive characterizations (e.g., 
"well-differentiated adenocarcinoma with no evidence of 
vascular or lymphatic invasion" or "highly anaplastic 
sarcoma with extensive vascular invasion").  
Staging of cancers is based on the size of the primary 
lesion, its extent of spread to regional lymph nodes, and 
the presence or absence of metastases. This assessment is 
usually based on clinical and radiographic examination 
(computed tomography and magnetic resonance imaging) 
and in some cases surgical exploration. Two methods of 
staging are currently in use: the TNM system (T, primary 
tumor; N, regional lymph node involvement; M, 
metastases) and the AJC (American Joint Committee) 
system. In the TNM system, T1, T2, T3, and T4 describe 
the increasing size of the primary lesion; N0, N1, N2, and 
N3 indicate progressively advancing node involvement; 
and M0 and M1 reflect the absence or presence of distant 
metastases. In the AJC method, the cancers are divided 
into stages 0 to IV, incorporating the size of primary 
lesions and the presence of nodal spread and of distant 
metastases. Examples of the application of these two 
staging systems are cited in subsequent chapters. It is 
worth noting that when compared with grading, staging 
has proved to be of greater clinical value.
 
 

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

99 

Laboratory Diagnosis of Cancer

 

 

 


background image

Unit 5: Neoplasia

 

 

 

100 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 150 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل