Search

Inflammatory and neoplastic diseases of the esophagus and duodenum cause a significant burden to healthcare and economies worldwide. Their etiology is multifactorial, but precursor lesions and risk factors are identifiable. Gastroesophageal reflux disease (GERD) is exceedingly common in western countries and causes the most medical health care expenses of all gastrointestinal diseases. GERD is the main risk factor for esophageal adenocarcinoma (EAC)––it can complicate into Barrett’s esophagus (BE) and further into esophageal adenocarcinoma. EAC has a poor overall prognosis still today, despite evolving management. High-quality prognostic biomarkers for EAC and progression of BE into cancer are lacking. Unlike esophageal diseases, nonampullary duodenal adenomas and adenocarcinoma (DAC) are rare neoplasias, although their incidence is slowly rising. In these rare diseases, the molecular pathological profiling is still incomplete, and the range of applicable prognostic biomarkers is very limited. Carbonic anhydrases (CA) are highly active, pH-controlling enzymes of the body. They participate in various physiological processes, but their primary function is to preserve optimal intra- and extracellular pH conditions in normal tissues. In cancer, CAII, CAIX, and CAXII seem to contribute to the development of malignant pH arrangement. The malignant pH gradient––slightly alkaline intracellular pH and extracellular acidosis––is in many ways critical to cancer progression, by benefiting cancer cell abilities to grow, migrate, invade, and metastasize. This study’s aim was to investigate the immunohistochemical expression patterns and potential roles of CAII, CAIX, and CAXII in the predisposing, premalignant and malignant conditions of distal esophagus and nonampullary duodenum. CA expression was evaluated in normal esophagus, GERD, Barrett’s esophagus, esophageal adenocarcinoma, normal duodenum, nonampullary duodenal adenomas and duodenal adenocarcinoma. The patient cohorts were studied for clinicopathological parameters, including age, sex, severity of esophagitis or tumor characteristics, and survival. Our results show that the CA expression increases significantly in GERD. In Barrett’s metaplasia and EAC the isoenzymes had characteristic expression profiles. CAII and CAIX were only faintly expressed in EAC, low CAII being significantly associated with metastatic disease. However, none of the isoenzymes seemed to serve as potential biomarkers of any type for Barrett’s esophagus nor EAC. In normal duodenum, the expression patterns were distinct for each isoenzyme. CAII and CAIX may be useful in the recognition of dysplastic epithelium in duodenum. In DAC, low expression of CAII is potentially associated with poor differentiation, whereas high CAIX levels may be associated with lack of nodal spread. In conclusion, CAs seem to have a role in the mucosal response to pH-related injury of esophagus. CAII and CAIX expressions may associate with clinicopathological prognostic factors of EAC and DAC. Tiivistelmä Ruokatorven ja pohjukaissuolen tulehdukselliset sairaudet ja kasvaimet aiheuttavat merkittäviä kustannuksia ja kuormittavat terveydenhuoltoa kaikkialla maailmassa. Näiden sairauksien etiologia on monitekijäinen, mutta hoidettavia esiasteita ja riskitekijöitä on tunnistettu ja niiden tutkiminen on potilaan hoidon ja ennusteen kannalta tärkeää. Ruokatorven refluksitauti on yleistynyt pitkään maailmanlaajuisesti. Sen hoito aiheuttaa nykyään suurimmat lääkehoidolliset kustannukset kaikista ruuansulatuskanavan sairauksista. Refluksitauti on myös ruokatorven adenokarsinooman merkittävin riskitekijä — Barrettin ruokatorvi on refluksitaudin komplikaatio ja ruokatorven adenokarsinooman esiaste. Ruokatorven adenokarsinooman ennuste on edelleen huono. Biomerkkiaineita ruokatorvisyövän ennusteen ja Barrettin ruokatorven muuntumisriskin selventämiseksi on etsitty pitkään, mutta käyttökelpoisia merkkiaineita ei ole juurikaan kliinisessä käytössä. Ei-ampullaarisen pohjukaissuolen adenoomat ja adenokarsinooma ovat sen sijaan hyvin harvinaisia kasvaimia. Tämän vuoksi niiden molekyylipatologisten ennustetekijöiden ja biomerkkiaineiden määritystyö on vielä epätäydellistä verrattuna yleisempiin syöpätyyppeihin. Hiilihappoanhydraasit (CA) ovat korkean aktiviteetin entsyymejä, jotka kontrolloivat pH:n muutoksia elimistössä. Ne osallistuvat lukuisiin kehon fysiologisiin prosesseihin, mutta niiden pääasiallinen tehtävä on säilyttää optimaaliset pH-olosuhteet soluissa ja niiden ulkopuolella. Syöpäsoluissa CAII, IX ja XII kuitenkin näyttävät olevan osallisina nk. pahanlaatuisen pH-gradientin syntymisessä. Tässä suhteessa niiden liiallinen tai liian vähäinen toiminta vaikuttaa olevan hyödyllistä syöpäsoluille. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää CAII, IX ja XII:n immunohistokemiallinen ilmentyminen ja potentiaalinen merkitys ruokatorven ja pohjukaissuolen syövissä sekä niille altistavissa muutoksissa. Hiilihappoanhydraasien ilmentyminen määritettiin normaalissa ruokatorvessa, refluksitaudissa, Barrettin ruokatorvessa, ruokatorven adenokarsinoomassa, normaalissa pohjukaissuolessa, ei-ampullaarisen pohjukaissuolen adenoomissa ja pohjukaissuolen adenokarsinoomassa. Tutkimuskohorttien potilaista kerättiin kliinispatologiset tiedot. Tuloksemme osoittavat, että kaikkien tutkittujen hiilihappoanhydraasien ilmentyminen lisääntyi merkitsevästi refluksitaudissa ja niillä on todennäköisesti merkitystä ruokatorven epiteelisolujen suojautumisessa happoaltistukselta. Barrettin ruokatorvessa ja ruokatorven adenokarsinoomassa hiilihappoanhydraasien ilmentyminen oli tunnusomaista kullekin isoentsyymille. CAII ja CAIX ilmentyivät heikosti ja CAXII erittäin heikosti ruokatorven adenokarsinoomassa siten, että ainoastaan matala CAII taso assosioitui merkitsevästi etäpesäkkeisen taudin kanssa. Minkään tutkitun hiilihappoanhydraasin ilmentyminen ei vaikuttanut ennusteeseen ruokatorven syövässä eivätkä ne tulostemme perusteella sovellu biomerkkiaineiksi tai hoidon kohteiksi ruokatorven adenokarsinoomassa tai esiastemuutoksissa. Normaalissa pohjukaissuolessa CAII ja CAIX ilmentyivät tyypillisillä tavoilla, CAXII ei ilmentynyt lainkaan. Pohjukaissuolen adenoomissa sekä CAII, että CAIX saattavat soveltua dysplasiadiagnostiikkaan. Pohjukaissuolen syövässä heikosti ilmentyvä CAII on potentiaalinen huonon erilaistumisen merkkiaine ja voimakkaasti ilmentyvä CAIX saattaa viitata tautimuotoon, jolla on pienempi taipumus lähettää etäpesäkkeitä imusolmukkeisiin.

Incidence of esophageal adenocarcinoma is rising rapidly in Western countries. The main risk factor for esophageal adenocarcinoma is Barrett’s esophagus. Barrett’s esophagus results from long-term gastroesophageal reflux disease. The gastrointestinal tract is colonized by bacteria, fungi and viruses forming the alimentary tract microbiome. Microbiome transformation is involved in pathogenesis of alimentary tract cancer and also in the development of Barrett’s metaplasia. Toll-like receptors (TLR) are molecules of the innate immune system and they are involved in bacterial and viral recognition and regulation of immune functions in the host and cancer cells. This thesis examined the effect of alimentary tract microbiome and cancer- on the function of TLRs in normal gastrointestinal epithelial cells. An additional focus of the thesis was also to assess the carcinogenetic effect of TLRs 1–9 in Barrett’s esophagus metaplasia – dysplasia – carcinoma sequence. Study material consisted of: a patient cohort, organ donors, conventional and germ-free mice. TLRs are expressed also in a “microbe-free” gut. There were significant differences in all TLRs between small- and large intestine of conventional mice and in humans. In germ-free mice that difference was not observed. Normal tissue sampled adjacent to the tumors of cancer patients can be used as controls in immunohistochemical TLR studies in gastrointestinal cancer Clinical data indicate that TLRs linearly increase toward dysplasia in Barrett’s esophagus. High cytoplasmic and nuclear TLR4 expression and TLR1 and 8 nuclear immunoreactivity in esophageal adenocarcinoma are associated with metastatic disease and poor prognosis. Based on our results, bacteria seem to downregulate TLR expression of the intestine. TLRs 1–9 apparently have a role in malignant progression of Barrett’s dysplasia. TLR1, TLR4 and TLR8 may represent a novel therapeutic target in esophageal adenocarcinoma. Tiivistelmä Ruokatorven adenokarsinooma on länsimaissa nopeasti yleistyvä syöpätyyppi. Tämän syöpätyypin tärkein riskitekijä on Barrettin ruokatorvi, joka kehittyy pitkään jatkuneen gastroesofageaalisen refluksitaudin pohjalta. Ruuansulatuskanavassa on suuri määrä bakteereja, sieniä ja viruksia, jotka muodostavat yhdessä ruuansulatuskanavan mikrobiomin. Normaalin mikrobiomin muutokset ovat yhteydessä usean eri ruuansulatuskanavan syövän patogeneesiin ja myös Barrettin ruokatorven muodostumiseen. Tollin kaltaiset reseptorit ovat luontaisen immuniteetin molekyylejä, jotka osallistuvat bakteerien ja virusten tunnistukseen ja sääntelevät immuunivastetta sekä normaalitilanteessa että syövissä. Väitöskirjassa tutkitaan ruuansulatuskanavan mikrobiomin ja syövän vaikutuksia normaalien epiteelisolujen TLR:ien toimintaan. Lisäksi selvitetään TLR:ien karsinogeneettisiä vaikutuksia Barrettin ruokatorven metaplasia- dysplasia -adenokarsinoomasekvenssissä. Tutkimusmateriaalina käytetään potilaskohortista ja elinluovutuksista peräisin olevia potilasnäytteitä sekä normaalien ja bakteerittomien hiirien näytteitä. Tuloksemme osoittavat, että TLR:t ilmentyvät myös bakteerittomassa ruuansulatuskanavassa, ja TLR:en ilmentyminen oli merkittävästi voimakkaampaa ohutsuolessa kuin paksusuolessa normaaleilla hiirillä ja ihmisillä. Tätä eroa ei havaittu bakteerittomilla hiirillä. Ruuansulatuskanavan syöpien viereistä ja sen altistamaa tervettä kudosta voidaan käyttää terveenä kontrollina immunohistokemiallisissa TLR- tutkimuksissa. Kliinisessä aineistossa TLR:ien ilmentyminen kasvaa lineaarisesti kohti dysplasiaa Barrettin ruokatorvessa. TLR4:n korkea ilmentyminen solulimassa ja tumassa sekä TLR8:n ilmentyminen tumassa ovat yhteydessä metastaattiseen tautiin ja huonoon ennusteeseen. Tulosten perusteella bakteerit näyttävät heikentävän TLR:ien toimintaa suolistossa. Lisäksi kaikilla tutkituilla TLR:illä (1–9) näyttää olevan osuutta Barrettin dysplasian etenemisessä kohti syöpää. TLR1, TLR4 ja TLR8 ovat mahdollisia terapeuttisia kohteita ruokatorven adenokarsinoomassa.