Carbonic anhydrases II, IX, and XII in esophageal and duodenal diseases

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.