Deel dit artikel

ondanks decennialang onderzoek naar de behandeling van kanker en de doorbraak van immuno-oncologie blijft deze ziekte wereldwijd een belangrijke doodsoorzaak. dit heeft te maken met de veroudering van de bevolking, maar ook met het gebrek aan succes bij het ontwikkelen van nieuwe kankertherapieën. een goed georganiseerd ‘patient-derived tumor xenograft’-platform kan in de toekomst een belangrijke bijdrage leveren aan de efficiënte ontwikkeling van werkzame en veilige nieuwe kankerbehandelingen.

Muizenissen in het kankeronderzoek

Els Hermans en Frédéric Amant

Het ontdekken van mogelijk nieuwe aangrijpingspunten voor de behandeling van kanker en het ontwikkelen van nieuwe medicijnen zijn lange en complexe processen waarin heel wat fout kan lopen. Vernieuwende, beloftevolle medicatie faalt vaak nog in de laatste fase, omdat er te veel lastige of gevaarlijke nevenwerkingen opduiken. In vergelijking met andere ziekten is in de oncologie de kans om een product succesvol tot bij de patiënt te brengen eerder klein. Dit is hoofdzakelijk te wijten aan de lage efficiëntie (‘het werkt niet goed genoeg’) en de beperkte veiligheid (‘het heeft ook gevaarlijke nevenwerkingen’) van nieuwe medicatie voor kankerbehandeling. Het gebrek aan betrouwbare diermodellen ligt aan de basis van beide problemen. In kankeronderzoek worden nieuwe behandelingen vaak nog steeds alleen uitgetest op commercieel beschikbare kankercellijnen die reeds decennialang gekweekt worden in plastiek schaaltjes (in vitro), en in diermodellen (in vivo) waarbij diezelfde kankercellijnen onderhuids geïnjecteerd worden bij immuundeficiënte muizen. Deze muizen hebben geen immuniteit of afweer meer, ze verdragen dus het injecteren van lichaamsvreemde (kanker)cellen en laten zelfs toe dat deze cellen groeien in hun lichaam. Het zijn kwetsbare muizen; ze moeten in leven worden gehouden in animalia waar ze niet aan virussen of bacteriën blootgesteld worden, anders gaan ze uiteraard dood.

Immuundeficiënte muizen hebben geen immuniteit of afweer meer, ze verdragen dus het injecteren van lichaamsvreemde (kanker)cellen en laten zelfs toe dat die groeien in hun lichaam

De kankercellijnen die gebruikt worden bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën zijn intussen volledig aangepast aan het artificiële en tweedimensionale milieu waarin ze gekweekt worden (de petrischaal) en verliezen daarmee een groot deel van de typische kenmerken van échte tumorcellen ‘in het wild’. Tumoren zijn in het echt namelijk heterogeen: ze bestaan uit verschillende celtypes (tumorcellen, steunweefsel, bloedvaten en dergelijke) én uit verschillende stadia van ontwikkeling van tumorweefsel. Hoewel kankercellijnen essentieel zijn geweest en nog altijd zijn in het onderzoek naar de biologie van kanker, blijkt hun waarde in de ontwikkeling van een nieuwe therapie beperkt. Een therapie die ‘in vitro’ op een kankercellijn werkt, werkt in de praktijk niet noodzakelijk ook op een echte tumor in een patiënt.

Een tweede aspect dat het lage slaagpercentage bij de ontwikkeling van nieuwe kankerbehandelingen verklaart, is het gebrek aan biomerkers. Dit zijn ruwweg testen die toelaten om in tumoren verschillen te detecteren die belangrijk zijn voor de behandelingskeuze. Een biomerker is bijvoorbeeld een bloedtest die bij hoge waarden geassocieerd is met een goede tumorrespons op chemotherapie A, maar met een slechte respons op chemotherapie B, terwijl een lage waarde van de bloedtest net het omgekeerde effect heeft. Een biomerker kan ook een specifiek kenmerk van de tumor zelf zijn: een kleuring die men microscopisch kan detecteren, een genetische test die op tumorweefsel of op tumorcellen die circuleren in het bloed van de patiënt kan worden nagekeken. Op dit ogenblik krijgen grote en dus diverse groepen patiënten, ongeacht de genetische en andere kenmerken van hun tumor, allemaal dezelfde behandeling, meestal op basis van orgaantype. Je hebt een levertumor? Dan krijg je behandeling A. Zelfs wanneer we weten dat de ene levertumor er helemaal anders uitziet dan de andere. Dit leidt vaak tot teleurstellende resultaten in klinische studies, waar slechts een beperkte groep van patiënten een gunstige respons vertoont. Indien de selectie van patiënten gebeurt aan de hand van specifieke biomerkers, die in het beste geval de gevoeligheid van de tumor voor een specifieke therapie voorspellen, ligt de verwachte succesratio uiteraard veel hoger.

Op basis van bovenvermelde problemen blijkt dat er voor kanker dringend nood is aan een andere strategie en een meer betrouwbare en voorspelbare methode om de ontwikkeling van nieuwe therapieën te sturen. Dit is nodig om te vermijden dat er behandelingen ontwikkeld worden die uiteindelijk, na investeringen van vaak honderden miljoenen euro’s, geen voordeel blijken te hebben voor patiënten. Maar ook de algemene trend naar een meer persoonlijke toepassing van geneeskunde, de zogenaamde ‘personalised medicine’ of therapie op maat, waarbij rekening gehouden wordt met de kenmerken van iedere individuele tumor, roept op tot een andere benadering in de ontwikkeling van kankerbehandelingen (Zie ook Karakter 46 en 60 over ‘personalised medicine’).

‘Patient-derived tumor xenograft’ verwijst naar het transplanteren van menselijke tumoren naar muizen, waar deze tumoren zich dan verder kunnen ontwikkelen

‘Patient-derived tumor xenograft’ verwijst naar het transplanteren van menselijke tumoren in muizen, waar deze tumoren zich dan verder kunnen ontwikkelen. Deze modellen zijn complementair aan de reeds bestaande genetisch gemodificeerde muismodellen en leveren een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling en validatie van nieuwe therapeutische strategieën. Hoewel de eerste patient-derived tumor xenografts of PDX’en reeds in 1969 ontwikkeld werden, herleefde dit preklinische in-vivomodel dankzij de grotere beschikbaarheid van betere immuundeficiënte muizen en de opkomst van de ‘personalised medicine’. Het is namelijk door het gebrek aan een immuunsysteem van de drager of de gastheer, meer bepaald de muis, dat de menselijke tumorcellen de kans krijgen te vermeerderen en te expanderen in de lichaamsvreemde gastheer.

De ontwikkeling van een PDX bestaat uit verschillende stappen en begint bij de selectie van een kankerpatiënt die, na voldoende geïnformeerd te zijn door de behandelende arts, zijn/haar deelname bevestigt aan de ethisch goedgekeurde studie. Nadien moet er vers tumorweefsel van die patiënt worden verzameld om te gebruiken voor transplantatie naar de muis. Vers tumorweefsel kunnen we ‘oogsten’ tijdens een chirurgische ingreep (de tumor wordt integraal weggesneden) of via biopsie (we steken een dikke naald in de tumor zodat we een cylindertje tumorweefsel wegnemen, of we gebruiken een dunne naald waarmee we tumorcellen opzuigen uit de tumor). Er kan ook worden gewerkt met tumorcellen die circuleren in het bloed van de patiënt en dus via een bloedafname geoogst kunnen worden. Het (intacte) menselijke weefsel wordt onmiddellijk na de ingreep naar het dierproevencentrum getransporteerd en via een steriele methode onderhuids ingeplant in de nek of de flank van een immuundeficiënte muis. Om eventuele aanpassingen aan het artificiële milieu te vermijden wordt een fragment van ongeveer 8mm3 onmiddellijk getransplanteerd. Hoewel wetenschappelijke bewijzen voorlopig nog ontbreken, zou transplantatie waarbij tumorweefsel ingeplant wordt in het orgaan van oorsprong (bijvoorbeeld een stukje menselijke levertumor in de lever van de muis) een meer waarheidsgetrouwe benadering opleveren. Om een stukje tumor in de hersenen of in de borstkas in te planten is echter een meer gesofisticeerde chirurgische ingreep nodig en ook voor de opvolging van die tumoren (je ziet ze niet gewoon onderhuids liggen!) zijn er hoogtechnologische beeldvormingstechnieken nodig (PET-scans, MR-scans, CT-scans enzovoort). Afhankelijk van het tumor(sub)type en de klinische eigenschappen vertonen de getransplanteerde tumorfragmenten een verschillend groeipatroon. De meer agressieve tumortypes gedragen zich net zoals in de kliniek ook meer kwaadaardig in het muismodel. De eerder traaggroeiende tumoren zullen ook in een PDX-model traag evolueren en gemiddeld acht tot negen maanden nodig hebben om het maximale volume dat een muis kan (ver)dragen te bereiken.

Na een eerste ontwikkelingsfase wordt het uitgegroeide tumorweefsel getransplanteerd naar een tweede generatie (expansiefase), later naar een derde generatie (validatiefase). Afhankelijk van het tumortype neemt dit volledige groeiproces ongeveer zes tot achttien maanden in beslag. De (lange) duur van die fase zal uiteraard de verdere toepassing van het model mee bepalen. Om langdurig gebruik te kunnen maken van een gevalideerd PDX-model wordt er erg zorgvuldig omgesprongen met het materiaal van de eerste drie passages. Vanaf een vierde generatie en bij beschikbaarheid van voldoende weefsel worden behandelingsexperimenten uitgevoerd. Net zoals bij mensen gebeuren er dan behandelingsstudies (clinical trials) bij groepen muizen met dezelfde tumor, afkomstig van één patiënt, of bij nog grotere groepen van muizen met gelijkaardige tumoren, afkomstig van verschillende patiënten. Met die aanpak kunnen er dan hopelijk meer betrouwbare en voorspellende resultaten worden verzameld voor die éne patiënt of voor die homogene groep van tumoren van verschillende patiënten (voor het testen van nieuwe medicijnen). Om in een behandelingsexperiment de meerwaarde van een nieuw medicijn aan te tonen wordt de nieuwe behandeling in de muizengroep met de tumoren vergeleken met de standaardtherapie die patiënten in de kliniek zouden toegediend krijgen. Tumorevolutie wordt dan opgevolgd met de onderzoeken die patiënten ook in de kliniek zouden krijgen (bloedafnames, scans) zodat kan worden vastgesteld of de tumoren onder de nieuwe behandeling progressief, regressief of stabiel zijn.

PDX-modellen blijken op basis van heel gedetailleerde onderzoeken verrassende gelijkenissen te vertonen met het originele menselijke staal

PDX-modellen blijken op basis van heel gedetailleerde onderzoeken (bijvoorbeeld nakijken van alle eiwitten die geproduceerd worden door de tumor, uitlezen van alle genetische informatie in de tumoren) verrassende gelijkenissen te vertonen met het originele menselijke staal. Bovendien blijven de getransplanteerde tumoren ook heterogeen (ze bestaan uit verschillende celtypes én uit verschillende stadia van ontwikkeling van tumorweefsel). Dit zijn twee aspecten die ongetwijfeld de grootste uitdaging vormen in de behandeling van kanker. Hoewel ze niet frequent voorkomen en meestal enkel na orthotope transplantatie, toch kunnen metastasen worden aangetoond, al dan niet met behulp van medische beeldvorming specifiek voor kleine proefdieren. Het verbaast dan ook niet dat PDX-modellen vaak ook een gelijklopende reactie vertonen op behandeling, als de reactie van de tumor van de patiënt waarvan het model afgeleid werd.

Kortom, PDX’en behouden de originele kenmerken van het patiëntweefsel qua morfologie, genetische en andere karakteristieken. Ze kunnen de verschillende stadia van de ziekte weergeven (metastase, resistentie) en hebben bovendien een voorspellende waarde voor de behandeling. Daarom vormen ze dan ook hét in-vivomodel dat vandaag in kankeronderzoek veelvuldig toegepast wordt in de ontdekking en ontwikkeling van biomerkers, het uittesten van nieuwe kankermedicatie en het onderzoek naar het mechanisme van sensitiviteit en resistentie in kanker. Verschillende bedrijven maken een commerciële activiteit van de ontwikkeling en toepassing van dit diermodel en passen in enkele gevallen het PDX-model toe in de meest strikte benadering van geïndividualiseerde behandeling (personalised medicine). Op vraag van een patiënt en na een financiële bijdrage van enkele duizenden dollars/euro’s wordt een patiënt-eigen PDX-model ontwikkeld en reeds in een vroege passage behandeld met verschillende geneesmiddelen. De selectie van deze geneesmiddelen gebeurt op basis van bijvoorbeeld genetische profilering van (de tumor van) de patiënt. De behandeling die de beste tumorrespons bereikt in een groep van PDX-muizen, wordt ook aan de patiënt gegeven. Deze toepassing komt voornamelijk voor in de Verenigde Staten en heeft minder bekendheid in Europa omwille van ethische bezwaren. Alleen welstellende patiënten kunnen zich immers een ‘persoonlijk’ PDX veroorloven. De lange ontwikkelingsduur (zes tot achttien maanden opkweken van tumoren in muizen, pas daarna kunnen medicijnen op de muizen worden uitgeprobeerd) zorgt er echter voor dat het percentage van welstellende patiënten dat werkelijk voordeel haalt uit deze benadering laag is. Tumoren wachten doorgaans geen maanden of jaren voor ze het leven van de patiënt bedreigen.

Ondanks de toegevoegde waarde en de veelvuldige toepassing in verschillende fasen en domeinen van het kankeronderzoek zijn er ook een aantal beperkingen verbonden aan de ontwikkeling en uitbouw van een PDX-Biobank.  Ten eerste, niet alle tumor(sub)types groeien even goed in een muismodel, waardoor slechts een deel van de patiëntenpopulatie vertegenwoordigd wordt en er minder variatie tussen de beschikbare tumoren is. Zo groeien bijvoorbeeld sommige borsttumoren (de zogenaamde triple negatieve) erg goed (succesratio van negentig procent) en is het slaagpercentage bij andere borstkankers (de ER-positieve) erg laag (minder dan tien procent). Een tweede limiterende factor is de beschikbaarheid van geschikte logistieke ondersteuning en de veelheid aan middelen die nodig is voor de opstart en uitbouw van een multicentrisch en multidisciplinair initiatief. Standaardisatie van procedures, efficiënte verzameling en gemakkelijke toegankelijkheid van gegenereerde data en bescherming van patiëntdata zijn slechts enkele aspecten waarmee men in aanraking komt. Ten laatste en ongetwijfeld de meest beperkende factor van PDX-modellen met de grootste impact op eventuele toepassing is het vervangen van menselijk steunweefsel (stroma) door muizenweefsel. Het stroma in organen en tumoren bevat bloedvaten, bindweefsel en immuuncellen en wordt samen met de rest van de tumorcellen getransplanteerd. Menselijke bloedvaten en bindweefselcellen worden echter al snel vervangen door muiscellen en muisbloedvaten met een sterk gelijkende morfologie, densiteit en functionaliteit; menselijke immuuncellen daarentegen verdwijnen volledig en worden niet vervangen. Immers, het is de afwezigheid van het immuunsysteem van de muis-gastheer die de menselijk tumor toelaat om uit te groeien in een lichaamsvreemde omgeving. Het ontbreken van meerdere componenten van het muizenimmuunsysteem (het zijn per definitie immuundeficiënte muizen) alsook het verlies van menselijke immuuncellen na transplantatie, limiteert het gebruik van deze in-vivomodellen in oncologie.

Met het toekennen van de Nobelprijs Geneeskunde in 2018 aan de ontdekkers van immunotherapie, worden wetenschappers in hun strijd tegen kanker erkend. Deze revolutie in het kankeronderzoek daagt heel wat technieken, toepassingen en modellen uit om in een gelijkaardige richting te evolueren, zo ook PDX’en. ‘Gehumaniseerde’ muizen combineren een humaan immuunsysteem met een PDX-model, al dan niet van dezelfde patiënt. Ondanks de veelbelovende eigenschappen van dit model blijken er voorlopig nog heel wat nadelen aan verbonden, zoals de hoge kostprijs, korte gebruiks- en behandelingstermijn, complexe technische procedure, afstotingsverschijnselen en de aanwezigheid van slechts een partieel humaan afweersysteem.

Dierenwelzijn is een van de pijlers van een PDX-platform en wordt verder geoptimaliseerd door de implementatie van de drie V’s – verfijning, vermindering en vervanging – in alle aspecten. Dankzij grootschalige initiatieven in Europa (EurOPDX) en ook vanuit de National Institutes of Health in de Verenigde Staten worden grote netwerken opgezet die samenwerkingen op nationaal en internationaal niveau aanmoedigen en een verhoogde zichtbaarheid van reeds ontwikkelde PDX-collecties creëren. Als gevolg daarvan worden bestaande PDX’en actief gedeeld onder academische en industriële partners en vermijdt men duplicatie van de geleverde inspanningen met als resultaat een maximaal gebruik van beschikbare modellen en een drastische vermindering van het aantal dieren. Omdat het gebruik van PDX-modellen voor high-throughput screening zeer kostelijk maar vooral ook ethisch onverantwoord is, wordt er intensief gezocht naar geschikte alternatieven. PDX-afgeleide celculturen, zowel korte en lange termijn als twee- of driedimensionaal, behouden de heterogeniteit van de menselijke tumor en hebben het grote voordeel dat ze dierproeven kunnen vervangen tot op een bepaald niveau. Ondanks de afwezigheid van bloedvaten, immuuncellen en andere structuren zijn ze geschikt als robuust platform voor selectie van nieuwe therapieën.

In het algemeen kan men stellen dat een state of the art georganiseerd PDX-platform dat bestaat uit een unieke collectie gevalideerde PDX-modellen, een uitstekende basis vormt voor de verdere ontwikkeling van ‘next generation’ PDX’en en derivaten zoals gehumaniseerde muizen, 2D en 3D PDX-celculturen, enzovoort. Deze next generation PDX’en kunnen op hun beurt worden gebruikt in verschillende fasen van het onderzoek en voor een grote variatie van behandelingstechnieken (radiotherapie, chemotherapie, doelgerichte therapie, immunotherapie enzovoort). Een goed georganiseerd PDX-platform zal in de toekomst ongetwijfeld een onmisbaar onderdeel vormen van elk kankercentrum en een belangrijke bijdrage leveren aan de efficiënte ontwikkeling van werkzame en veilige nieuwe kankertherapieën.

Els Hermans is business development manager voor het Center for Cancer Biology aan het VIB. Ze was de coördinator van het PDX-platform aan de KU Leuven en verantwoordelijke voor de opzet en uitbouw van dit initiatief onder supervisie van Frédéric Amant en Sabine Tejpar.

Frédéric Amant is hoofd Gynaecologische Oncologie in het Nederlands Kanker Instituut en Amsterdam Universitaire Medische Centra en ook hoofd van het laboratorium Gynaecologische Oncologie aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen