Avances en Genética Máster en Biotecnología y...

Genética y genómica del cáncerAvances en Genética

Máster en Biotecnología y Bioingeniería

María Rosa Ponce Molet5 de marzo de 2015

Instituto de BioingenieríaUniversidad Miguel Hernández

Genética del cáncer


• Es una de las causas más importantes de mortalidad en los países del primer mundo, por lo que existen grandes inversiones públicas y privadas en la investigación sobre el cáncer

• Algunos expertos pronostican que se controlará en pocos años, ya que se conocen mucho mejor sus bases moleculares

• La impresión generalizada es que hemos perdido la batalla contra el cáncer, al menos no la hemos ganado

• Varias preguntas en torno al cáncer:• ¿Por qué la lucha contra el cáncer es tan larga y poco

productiva?• ¿Es el cáncer una cuestión de suerte?• ¿Intervienen otros factores?• ¿Son los tratamientos adecuados?• ¿Es realista la esperanza de controlar en pocos años el cáncer?

Reflexiones sobre el cáncer

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• La limitación de la vida es característica de cada organismo, y es extensible a cada una de sus células somáticas, cuyo crecimiento y división está sometido a regulación

• Una excepción son las células cancerosas, que pueden proliferar en localizaciones inapropiadas o dividirse indefinidamente, propiedades que pueden resultar letales para el organismo del que forman parte

El cáncer es una enfermedad genética

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• Se manifiesta a nivel celular, y en base al tejido afectado, se clasifican en más de 200 tipos y muchos más subtipos

• Es un proceso lento, en el que se van acumulando mutaciones en una única célula, precursora del tumor, que no se reparan

• La probabilidad de que esto ocurra es muy baja (tasa mutacional 10-8/gen y célula), pero el cáncer sucede debido a que las mutaciones afectan a genes clave, conductores (drivers) del tumor, implicados en el control de la proliferación celular, la apoptosis y la reparación de lesiones


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• La progresión del cáncer es un ejemplo de un proceso de adaptación rápido, donde aparecen nuevas características celulares que son esenciales para su supervivencia

• Requiere un alta tasa mutacional• Las células precancerosas adquieren unas

pocas mutaciones clave, que modifican su fenotipo, que conducen a un crecimiento rápido de la población y a la carcinogénesis


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Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis

• No estamos programados para la inmortalidad• La razón de que las células somáticas diferenciadas mueran

espontáneamente es el acortamiento de los telómeros, ya que la enzima que los replica (la telomerasa) no se expresa

• Una célula cancerosa es inmortal y expresa constitutivamente la telomerasa

apoptosis7

• Una célula normal decide dividirse o no en función de señales activadoras e inhibidoras procedentes de las células vecinas. Sin embargo, las tumorales• son capaces de autoestimularse (autocrina)• se insensibilizan ante señales inhibidoras de la proliferación

celular

Características de las células cancerosas

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• Una célula normal, en cultivo, no se divide más cuando establece contacto con sus vecinas (inhibición por contacto), las tumorales crecen apiladas

• Una célula normal establece canales de comunicación con otras células, las tumorales no


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• Una célula cancerosa ha perdido mecanismos de reparación de lesiones, por lo que las mutaciones se acumulan, incluidas las aberraciones cromosómicas


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• Una célula normal no migra, las cancerosas adquieren la capacidad de diseminarse e invadir otros tejidos, incluso lejanos, viajando a través del torrente sanguíneo, y si se reproducen generan metástasis

• Cuando sufre un daño irreparable una célula normal, responde a señales apoptóticas, las tumorales no

• Las células cancerosas son propias, y escapan al sistema inmune


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• En un individuo adulto no se forman nuevos vasos sanguíneos, las células cancerosas secretan sustancias que promueven el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos (angiogénesis), por lo que pueden nutrirse mejor y proliferar

angiogénesis


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• La progresión del cáncer es un ejemplo de un proceso de adaptación rápido, donde aparecen nuevas características celulares que son esenciales para su supervivencia

• Requiere un alta tasa mutacional• Las células precancerosas adquieren unas

pocas mutaciones clave, que modifican su fenotipo, que conducen a un crecimiento rápido de la población y a la carcinogénesis

• La carcinogénesis es una consecuencia de la selección natural entre células: La célula, con mas éxito evolutivo que sus vecinas, prolifera anormalmente escapando a los controles y generando un clon de células anormales (tumor)


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• La referencia más antigua se recoge en el papiro de Edwin Smith (siglo XVII antes de nuestra era) que se exhibe en la Academia de Medicina de Nueva York

• A diferencia de otros tratados de la época, es una aproximación científica, objetiva y racional a la medicina en el antiguo Egipto

González Fisher y Flores Shaw, 2005

Historia del cáncer

• La enfermedad primero fue llamada cáncer por el médico griego Hipócrates (460-370 antes de nuestra era)

• John Hunter (1728−1793), médico escocés, sugirió que algunos cánceres se pudieran curar por la cirugía (los no movibles, no extendidos)

• Rudolf Virchow (1821-1902), médico alemán fundador de la patología celular, correlacionó la patología microscópica a la enfermedad

• Propuso que las células cancerosas provenían de otras células sanas

• Afirmaba que el patólogo podía informar al cirujano del éxito o fracaso en la eliminación de las células tumorales

• Hasta que la anestesia no estuvo disponible en los hospitales (1846), no fue posible estirpar tumores de forma rutinaria


• Han existido numerosas teorías sobre las causas del cáncer y el origen de las células tumorales

• Procedencia: humoral (de Hipócrates a la edad media), linfa (siglo XVIII), infección (XVIII), blastema (siglo XIX), irritación crónica (XIX), trauma (XIX)

• A principios del XX se evidenció que el cáncer podía inducirse• Yamagiwa e Ichikawa (1915) inducen cáncer en animales de

laboratorio, aplicando alquitrán a la piel de conejos• Rous (1911) describe un tipo de cáncer (sarcoma) en pollos,

que años más tarde descubrió estaba causado por un virus• Ganó el Premio Nobel en 1968

• Hasta 2014, la IARC, agencia para la investigación del cáncer de la OMS, ha identificado más de 100 carcinógenos físicos, químicos y biológicos


• A finales del siglo XIX comenzó a utilizarse la radioterapia en tratamientos contra el cáncer

• Un accidente durante la Segunda Guerra Mundial, que sufrieron soldados italianos expuestos al gas de mostaza, evidenció que producía la desaparición de las células de la médula ósea

• Los farmacólogos Alfred Gilman y Louis Goodman investigaron el efecto del gas mostaza en linfomas en ratones que mostraron remisiones significativas

• Se les considera los fundadores de la quimioterapia• En los años 50 comienzan a aplicarse terapias dirigidas a la

eliminación de las células tumorales, que interferían con la replicación, la división, transcripción o la traducción


La base de la quimioterapia

El cáncer, una alteración del desarrolloLa base de la quimioterapia

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• En los años 70 comienzan a desarrollarse las herramientas de Ingeniería genética que permiten acceder al material genético, y se descubren los primeros genes asociados al cáncer

• En la actualidad se conocen 4 tipos de genes, cuyas mutaciones se relacionan con el cáncer

• Genes supresores de tumores: Sus productos inhiben la división celular

• Protooncogenes: Sus productos estimulan la división celular• microARN: Algunas de sus dianas son protooncogenes o

genes supresores de tumores• Genes mutadores: Implicados en la replicación o en la

reparación de lesiones en el ADN (se consideran también genes supresores de tumores)


Genes supresores de tumores

• Los productos de los genes supresores de tumores actúaninhibiendo la progresión de las células a través del ciclo celular, induciendo apoptosis y manteniendo la integridad del genoma

• Se clasifican según el papel que juegan:• Genes guardianes (gatekeeper): Inhiben directament el

crecimiento o promuevan la muerte celular (p53, Rb)• Se encuentran mutados en los cánceres familiares

• Genes cuidadores (caretaker) del genoma: están implicados en la reparación de las alteraciones del ADN y en el mantenimiento de la integridad del genoma (BRCA1 y BRCA2, APC, MLH, MSH2 y MSH6)• Sus mutaciones provocan la acumulación de mutaciones

y reorganizaciones cromosómicas

Bases genéticas del cáncer

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• Los oncogenes son versiones mutantes (activadas) de los protooncogenes

• Se pueden generar por mutaciones génicas o cromosómicas• Las mutaciones génicas pueden ser:

• Puntuales y afectar a la región condificante o reguladora• Deleciones que afecta a parte del gen• Las cromosómicas pueden ser:

• Translocaciones e inversiones• Amplificación génica (incremento del número de copias),

generalmente como resultado de amplificaciones al azar de ciertas regiones del genoma

• También se generan por hipometilación de protooncogenes


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Zhang et al., 2006


El cáncer, una alteración del desarrollo

• La quimioterapia más actual combina agentes no específicos, que interfieren con la replicación… , con otros más específicos


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• Descubrir los mecanismos moleculares por los que actúan como antitumorales, con una referencia bibliográfica. Indicar también la empresa que lo ha comercializado y el año. Algunos nombres son comerciales y se debe encontrar el principio activo

• Indicar la empresa que los comercializa y el año en que se autorizó su uso− Imetelstat− Cisplatin (cisplatino)− Arimidex− (S)-crizotinib− Methotrexate (metotrexato)− 5-FU− Novaldex

• En muchos tumores se sobreexpresa el gen MGMT y son resistentes a los agentes alquilantes usados en quimioterapia, ¿por qué?

Bases moleculares de la quimioterapia

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• En la actualidad se emplea cirugía, radioterapia y quimioterapia• Una tasa elevada de división dificulta la reparación de

mutaciones, por lo que las células tumorales son más sensibles al efecto de la radiación ¿Todas las células de un tumor? ¿Todos los tumores?

• La primera prueba de cribado fue desarrollada en 1923, para la detección del cáncer de cuello del útero temprano

• 40 años después se popularizó la prueba, auspiciada por la American Cancer Society (ACS; http://www.cancer.gov)

• Los métodos modernos de la mamografía fueron desarrollados a finales de los 60 (XX), y recomendados por la ACS en 1976

• En la actualidad existen pruebas para la detección de los tipos de cáncer más comunes


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Reflexiones sobre el cáncer

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Un poco de epidemiología

• Se analizan tres parámetros:• Incidencia• Mortalidad • Prevalencia 31


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Ferlay et al., 2014

• Cuando se analizan los datos separando países más y menos desarrollados, se observan diferencias notables en la incidencia:

¿A qué puede deberse? ¿Al azar? Si no, ¿cómo establecer si la

diferencias son debidas al genotipo o al ambiente, o a ambos?

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• Se considera una enfermedad multifactorial cuya incidencia aumenta con la edad

• Los más abundantes son los carcinomas, que afectan a los tejidos epiteliales que recubren las superficies externas e internas del cuerpo

• El epitelio tiene una alta capacidad de renovación

El cáncer es una enfermedad compleja

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• La mayoría se originan a partirde células epiteliales

• Se ha demostradoempleando líneas celulareshumanas y en ratones

• Mediante la deleción y activación condicional de genes supresores de tumores y de oncogenes, respectivamente, se ha logrado establecer con precisión el origen celular de muchos tumores sólidos

Blanpain, 2013

Expresión de un oncogén en distintos tipos celulares de un determinado tejido

Origen celular del cáncer

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Blanpain, 2013 37


Blanpain, 2013

intestino

pulmón

mama

próstata

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• Se considera una enfermedad multifactorial cuya incidencia aumenta con la edad

• Los más abundantes son los carcinomas, que afectan a los tejidos epiteliales que recubren las superficies externas e internas del cuerpo

• El epitelio tiene una alta capacidad de renovación

• Los estudios citológicos han ido revelando que los tumores no son homogéneos (heterogeneidad intratumoral)

• Desde hace tiempo se sospechaba que no todas las células tenían la misma capacidad para inducir un tumor ni para propagarlo

El cáncer es una enfermedad compleja

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• Dos modelos antagónicos sobre la heterogeneidad celular en los tumores:

• Equipotencia de todas las células tumorales y de forma azarosa, unas deciden autorrenovarse y otras diferenciarse

• No equipotencia. Sólo un subconjunto de células tumorales tiene capacidad de autorrenovarse y originar células progenitoras, con una limitada capacidad proliferativa, que se diferencian

Heterogenidad de los tumores: modelos

• Son las células madre cancerosas (cancer stem cell; CSC), cuya existencia se sospechaba desde hace mucho tiempo

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• Las células madre normales (SC) mantienen la homeostasis de los tejidos a través de una serie controlada de divisiones simétricas y asimétricas• Las divisiones asimétricas conducen simultáneamente a una

célula progenitora que se diferenciará en el tejido correspondiente y a una SC

Heterogenidad de los tumores: células madre del cáncer

• Las CSC contribuyen al crecimiento tumoral al producir un excesivo número de divisiones simétricas para autorrenovarse

Pine y Liu, 2014 41

• Para descubrir y confirmar la no equivalencia de los distintos tipos celulares en la propagación tumoral, se realizan ensayos de trasplantes en ratones


aislamiento por citometría de flujo

Trasplante a ratones inmunodeprimidos TPC: tumour-propagating cell

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• Las CSC tienen capacidad migratoria y de invasión de otros tejidos

• Son también resistentes a muchas de las drogas usadas en quimioterapia


Pattabiraman y Weinberg, 2014

• Un tumor está compuesto de células tumorigénicas (CSC) y otras que no lo son, que constituyen el grueso de las célulastumorales

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• Las células son sensibles a radiación ionizante si reúnen tres propiedades:

• Tasa elevada de división, que dificulta la reparación de mutaciones

• Capacidad de división prolongada• Fenotipo no especializado

• Se ha constatado que las células son más sensibles en la fase de mitosis que en cualquier otra

• Las CSC están mayoritariamente en las fases G1/G0 y son resistentes a la radioterapia

• Tienen la capacidad de hacerse quiescentes, y mantenerse largos periodos en fase G0

• Las CSC tienen mecanismos de reparación más eficientes• Tiene activadas rutas anti-apoptóticas

Resistencia a la radioterapia de las CSC

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• Además de las CSC, existen otras células que rodean al tumor y que constituyen su microambiente

• El microambiente tumoral, cuya heterogeneidad se incrementa con la progresión del tumor, condiciona su comportamiento


Flecha verde y roja, estimulación o inhibición de la formación del tumor

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• En la transiciónepitelio-mesénquimase produce una pérdidade la capacidad de adhesion celular y unaganancia de capacidadmigratoria e invasiva, necesarias para la metástasis

• Las células del microambiente secretan factores que estimulan la formación de CSC y las ayudan a mantener pluripotentes, y en un estadío casi mesenquimático

Pattabiraman y Weinberg, 2014 46

• Las CSC son muy resistentes a la quimioterapia convencional (tasa de proliferación baja)

• Se están desarrollando • herramientas para la

detección de CSC y terapias para su eliminación

• fármacos que bloquean los factores secretados por el microambiente tumoral y que inducen la transición epitelio-mesénquima


Pattabiraman y Weinberg, 2014 47

Terapias contra factores clave en las vías de transición epitelio-mesénquima

https://clinicaltrials.gov/ct2/show/results/NCT01351103 https://clinicaltrials.gov/show/NCT01130142

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• La heterogeneidad celular se incrementará con sucesivas mutaciones somáticas, generándose clones de distintos genotipos

• El número de clones diferentes se incrementará con la progresión del tumor

• El cáncer es pués policlonal, y cada clon puede responder de forma diferente a a las terapias


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Genómica del cáncer



• Se ha constatado que las mutacionesconductoras se encuentran con otrasmiles en genes pasajeros, dispersasen el genoma, y que no son recurrentes en los pacientes• Se ha asumido que son neutras y

se las ha ignorado• En los estadíos más avanzados, el

tumor es habitualmente policlonal• Las mutaciones conductoras

pueden ser diferentes, en los diferentes clones

• Cada clon responderá de forma diferente al tratamiento

Genómina del cáncer

Dancey et al., 2012 51


• Muchos procesos tumorales llevan años, incluso décadas antes de que generen letalidad o se manifiesten claramente

• La acumulación de mutaciones somáticas precede a los cambios en la morfología celular

• Las células que escapan a la quimioterapia pueden no detectarse por métodos patológicos tradicionales, y generar clones que serán dominantes en la recaída

Genómica del cáncer

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El cáncer, una alteración del desarrolloGenómica del cáncer

• Para la caracterización de los distintos clones de un tumor deberían obtenerse diferentes biopsias, de cada clon observable

• Muchos clones minoritarios, no se detectan fácilmente• La secuenciación masiva, con un cobertura muy alta, permitiría la

detección de clones que supongan tan sólo 1% del tumor• Se recomienda obtener una cobertura 80x

(2 clones)

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El cáncer, una alteración del desarrolloEjemplo de un panel de cáncer

• La secuenciación masiva es de gran utilidad en cualquiera de las etapas del proceso tumoral

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El cáncer, una alteración del desarrolloGenómica del cáncer

• Se emplean tres estrategias basadas en la secuenciación de ADN• Se comenzó secuenciando con paneles de genes diana• Mas tarde se iniciaron programas de secuenciación completa

Mejor elección sin hipótesis de partida

Gran potencial como herramienta de diagnóstico 55

El cáncer, una alteración del desarrolloSecuenciación dirigida (targeted gene sequencing)

• Se basa en la secuenciación de genes específicos (un panel de genes), cuyas mutaciones juegan un papel conocido en el cáncer• Fácil de interpretar, podría ser la herramienta de diagnóstico

futura, aunque la secuenciación completa se está abaratando

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El cáncer, una alteración del desarrolloSecuenciación masiva: paneles

• La empresa Illumina ha sido pionera en la secuenciación masiva, y en el desarrollo de paneles para el diagnóstico del cáncer

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El cáncer, una alteración del desarrolloSecuenciación masiva: paneles

Paneles Snapshop y OncoCart

Dancey et al., 2012 58

El cáncer, una alteración del desarrolloEl proyectoThe Cancer Genome Atlas (TCGA)

http://cancergenome.nih.gov/

• Se inicia en 2006 en EEUU• Supervisado y sufragado por

el National Cancer Institute– $150M para secuenciación– $70M otros gastos

• Su objetivo es la caracterización molecular de 20 tipos de tumores• Secuenciación• Perfil de expresión• miARN• Metilación del ADN

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El cáncer, una alteración del desarrolloAlgunos resultados del proyecto The Cancer TCGA

Kandoth et al., 2013 60


Kandoth et al., 2013

AML: acute myeloid leukaemiaBRCA: breast adenocarcinomaOV: ovarian carcinomaKIRC: kidney renal carcinomaUCEC: uterine endometrial carcinomaGBM: glioblastoma multiformeCOAD/READ: colon and rectal carcinomaHNSC: head and neck squamouscarcinomaBLCA: bladder urothelial carcinomaLUAD: lung adenocarcinomaLUSC: lung squamous carcinoma

¿Algo llamativo?

Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA

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• La frecuencia de mutaciones en genes que están sujetos a selección positiva (127) es mucho mayor que el resto del genoma• En el 90,3% de las muestras (3.0953) se detectó al menos una

mutación en genes de las siguientes categorías: • De reparación• Receptores tirosina quinasa• Implicados en rutas de transición epitelio-mesénquima• Otras nuevas categorías: factores implicados en el splicing,

proteólisis mediada por ubiquitinación, modificadores de histonas


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Porcentaje de muestras mutadas en cada tipo de tumor

• P53 fue el gen más frecuentemente mutado en la mayoría de los cánceres, lo que indica su relevancia en la tumorogénesis• Confirma muchos

resultados previos

• Otros genes están específicamente mutados en un tipo de tumor, lo que sugiere una relevancia más específicaKandoth et al., 2013


• El número de mutaciones requeridas para el desarrollo tumoral en genes relacionados con el cáncer y otros significativamente mutados (127 identificados en este estudio) parece ser muy bajo (entre 2 y 6 en la mayoría de los casos), aunque no se han tenido en cuenta los reordenamientos

Kandoth et al., 2013

SMG: Significantlymutated genes (127)


El cáncer, una alteración del desarrolloEl consorcio internacional del genoma del cáncer

https://dcc.icgc.org/

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El cáncer, una alteración del desarrolloEl consorcio internacional del genoma del cáncer

• El acceso a los datos es gratuito, libre pero controlado

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El cáncer, ¿cuestión de suerte?

Masticando los números para explicar el cáncer

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http://elpais.com/elpais/2014/12/31/ciencia/1420046780_149337.html http://elpais.com/elpais/2015/01/30/ciencia/1422641735_718659.html

http://www.infobae.com/2015/01/02/1618505-nueva-teoria-cientifica-el-cancer-es-cuestion-mala-suerte

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http://elcomercio.pe/blog/cuidatusalud/2015/01/no-el-cancer-no-ocurre-por-mala-suerte http://www.huffingtonpost.es/jorge-dotto/el-cancer-no-es-por-mala-

_b_6571744.html

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Ferlay et al., 2014 74


De Martel et al., 2012 75


De Martel et al., 2012 76


De Martel et al., 2012

• Muchos de los casos de cáncer relacionados con infecciones podrían haberse evitado, particularmente los asociados a HPV, H. pylori, HBV, and HCV• La OMS recomienda la vacuna contra el HBV a todos los

niños, lo antes posible tras el nacimiento

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Ferlay et al., 2014

Datos de 2012

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