de spectaculaire evolutie van de moleculaire biologie heeft ervoor gezorgd dat we het kankerproces ook op moleculair niveau beter begrijpen. gerichte moleculaire therapieën zijn een krachtig nieuw wapen in de strijd tegen kanker. bieden ze ook een definitief antwoord op het kankerprobleem? hoe sturen ze het toekomstige kankeronderzoek? peter marynen pleit voor een multidimensionale aanpak, die rekening houdt met de dynamica van het tumorsysteem.
Moleculaire kankertherapie: veldslag of oorlog?
Fouten in de processen die het sociale gedrag van cellen sturen, liggen aan de basis van de ontwikkeling van kanker. Een complexe communicatie van de tumorcel met zijn omgeving bepaalt of de tumorcel kan delen en zo schade berokkenen, of afsterft. Inzicht in de moleculaire processen die het gedrag van tumorcellen sturen, leidt tot de ontwikkeling van gerichte moleculaire strategieën om de kankercellen te bestrijden. Die vindingen krijgen terecht grote aandacht in de pers. Zij illustreren hoe fundamentele kennis van biologische processen, dikwijls na tientallen jaren intensief onderzoek, tot nieuwe rationele therapieën leidt. Wordt dit een definitief antwoord op het kankerprobleem? Hoe moet dit paradigma verder kankeronderzoek leiden? In een opvallende publicatie in het tijdschrift Nature beschrijven Helen Bryant, Thomas Helleday en medewerkers hoe specifieke genetische defecten in sommige borstkankers kunnen worden gebruikt als doelwit voor nieuwe rationele therapieën. Ongeveer één op tien vrouwen wordt ooit geconfronteerd met borstkanker. Minder dan één op twintig van de borstkankers is erfelijk en wordt veroorzaakt door overgeërfde mutaties in het BRCA1- of BRCA2-gen. Hoe mutaties in BRCA2 tot borstkanker leiden, is een vraag die gedeeltelijk is opgelost. Het BRCA2-gen codeert voor een eiwit dat betrokken is bij DNA-herstel.
PARP1 is een tweede voorbeeld van een gen dat betrokken is bij het herstel van breuken in DNA. Net zoals voor andere herstelmechanismen zijn er voor PARP1 alternatieven. Het uitschakelen van PARP1 in muizen leidt dus niet tot een significante verhoging van mutaties en tumoren. Een diep inzicht in de moleculaire rol van BRCA2 en PARP1 leidde bij Helen Bryant en collega’s tot de bijzonder elegante hypothese dat PARP1 een deel van de DNA-schade die ontstaat in cellen waarin BRCA2 gemuteerd is, herstelt. Het bewijs van die hypothese leidde tot de volgende stap: als men in kankercellen met mutante BRCA2 óók de activiteit van PARP1 inhibeert door middel van chemische stoffen, zullen die cellen zo veel DNA-schade accumuleren dat ze sterven. Ook dat is experimenteel aangetoond. Chemische stoffen die de activiteit van PARP1 inhiberen, kunnen worden ontwikkeld tot medicatie die specifiek borstkankercellen met BRCA2-mutatie bestrijdt. Dit is een goed voorbeeld van een gerichte moleculaire therapie.
Samengevat: PARP1 en BRCA2 behoren tot de genen die verantwoordelijk zijn voor de integriteit van ons DNA. Als de BRCA2-activiteit in een cel verdwijnt, accumuleert de cel mutaties in het DNA en ontstaat er een kankercel. Voor PARP1 heeft de cel blijkbaar voldoende alternatieven, inhibitie van PARP1 heeft op de cel geen effect. In cellen zonder BRCA2 wordt PARP1 echter essentieel: het herstelt een groot deel van de DNA-schade die accumuleert als gevolg van de afwezigheid van BRCA2, dat de kankercellen toelaat te overleven. De inhibitie van PARP1 in die cellen zal tot hun dood leiden. Door de afwezigheid van BRCA2 wordt PARP1 de achillespees van de kankercel. De inhibitie van PARP1 heeft geen effect op normale cellen maar wel op BRCA2-mutanten en doodt zo specifiek de kankercellen.
Moleculaire gerichte therapie voor BRCA2-borsttumoren, op basis van de inhibitie van PARP1, moet nog worden ontwikkeld. Er zijn op dit ogenblik echter al verschillende moleculaire therapieën, gericht tegen andere moleculaire doelwitten in kankercellen, die met succes in de klinische praktijk worden gebruikt. Een belangrijk deel van het kankeronderzoek volgt dat model en probeert nieuwe doelwitten voor moleculaire therapie te ontwikkelen. Het is dus nodig de rationele voor die invalshoek te plaatsen in het geheel van onze kennis van tumorbiologie.
In een volwassen organisme moeten er in elk orgaan precies evenveel nieuwe cellen worden gevormd als er sterven
Multicellulaire organismen kunnen, in tegenstelling tot ééncelligen, meer complexe taken uitvoeren, zoals het schrijven van dit artikel. Gespecialiseerde hersencellen vormen ingewikkelde netwerken waarbinnen ideeën ontstaan, zenuwcellen leggen contacten met de perifere organen, spiercellen en skeletcellen werken samen om via een toetsenbord tekst te vormen, lichtgevoelige cellen zorgen voor een feedbackloop, waarbij spellingsfouten kunnen worden gedetecteerd en verbeterd. De prijs voor dergelijke specialisatie is hoog: de mogelijkheid tot het ontstaan van tumoren. Er is een perfecte coördinatie nodig van het gedrag van de verschillende gespecialiseerde celtypes. In een volwassen organisme moeten er in elk orgaan precies evenveel nieuwe cellen worden gevormd als er sterven: homeostase. Die nieuwe cellen moeten bovendien de juiste specialisatie hebben: levercellen horen thuis in de lever, huidcellen in de huid. Alle celtypes in ons lichaam ontstaan uit minder gespecialiseerde cellen. Dit proces noemen we differentiatie. Tijdens het differentiatieproces wordt de cel voorbereid op zijn specifieke taken, daarbij gaat de capaciteit van de cel om zich te vermenigvuldigen verloren en worden de activiteiten van de cel beperkt tot die taken die de cel uiteindelijk moet uitvoeren. Die processen worden gestuurd door een complex netwerk van externe signalen. Homeostase vereist dus een zeer precieze sturing van het gedrag van cellen, het resultaat is dan ook dat elk celtype alleen in een zeer precieze context kan functioneren: huidcellen zullen slechts overleven als ze op het substraat van de huid rusten, beenmergcellen overleven alleen in de micro-omgeving van het beenmerg. Niet-delen is daarbij de basisoptie, delen vereist een extern signaal, zoals bij wondheling met littekenvorming als gevolg.
Het leven van een kankercel is dus niet eenvoudig: kankercellen moeten delen in afwezigheid van externe signalen die de normale cellen tot delen aanzetten en zij moeten ongevoelig blijven voor de externe signalen die normale cellen aanzetten tot sterven als hun taak erop zit. Bovendien ontstaat de schade aan een organisme door kanker meestal pas nadat de kankercel erin geslaagd is om het oorspronkelijke orgaan te verlaten om de omliggende weefsels te invaderen, of via bloed- en lymfevaten naar andere organen te trekken en daar verder te delen (metastaseren). De kankercel moet dus overleven en delen in een omgeving die vreemd is en waar de juiste externe signalen ontbreken. Kwaadaardige kankercellen ontstaan pas uit normale cellen nadat de talrijke zeer strikte controleprocessen die het gedrag van die cellen sturen, worden omzeild.
Kanker is het onvermijdelijke gevolg van de noodzaak aan controle op het gedrag van de individuele cel in een multicellulair organisme
Homeostase van een organisme is echter alleen mogelijk als alle cellen zich aan de spelregels houden en inderdaad op correcte wijze reageren op externe signalen. Cellen die zich niet houden aan de spelregels winnen het spel. Als een cel iets sneller deelt dan zijn collega-cellen in een weefsel, of iets langer overleeft als er een negatief signaal komt, zal hij onvermijdelijk de competitie winnen van zijn collega’s en het weefsel ‘overnemen’. Er bestaat dus een zeer strikte controle op het naleven van de spelregels, die geïmplementeerd wordt door de DNA-code. Eenmaal de code voldoende beschadigd is zodat een aantal essentiële spelregels verloren gaan, treedt darwiniaanse evolutie op die onvermijdelijk in het voordeel uitdraait van de sneller delende, meer kwaadaardige kankercel. Kanker is dus het onvermijdelijke gevolg van de noodzaak aan controle op het gedrag van de individuele cel in een multicellulair organisme, gecombineerd met de even onontkoombare imperfectie van elk biologisch of fysisch controlesysteem.
Als we de chirurgische verwijdering van tumoren (slechts mogelijk als die nog lokaal en bereikbaar zijn) buiten beschouwing laten, komen de klassieke kankertherapieën – chemotherapie en radiotherapie – neer op een weliswaar vijandelijk verzoek aan de kankercel om de spelregels te volgen. Chemotherapie en bestraling hebben als doel het DNA van delende cellen, in dit geval de kankercellen, te beschadigen. Het succes van de therapie vereist dat de cel de DNA-schade vaststelt, probeert die schade te herstellen, constateert dat ze te groot is voor herstel en dan de processen start die de cel doen sterven bij onherstelbare DNA-schade. Het belang van dit proces voor normale homeostase is zo groot dat de implementatie ervan in de DNA-code zeer sterk is en het proces inderdaad in vele kankercellen nog intact is. Dit vormt de basis van het succes van de klassieke kankertherapieën en vooruitgang bij de toepassing van die therapieën steunt op een zorgvuldige dosering, timing en combinatie van de therapieën om hun effect te maximaliseren. Het vervolg is ook voorspelbaar. Cellen die in staat zijn dat controlemechanisme te ontwijken, zullen verder delen, inclusief DNA-schade, en de tumor wordt resistent aan de therapie. De klassieke antitumortherapieën vertonen nog een tweede interne contradictie: zij zijn gericht op het beschadigen van het DNA en zijn dus bij definitie mutageen. Als de therapie er niet in slaagt de tumorcellen te doden, is er een risico dat ze een bijdrage levert aan de verdere ontwikkeling van de tumor.
De spectaculaire evolutie van de moleculaire biologie heeft ervoor gezorgd dat we het kankerproces ook op moleculair niveau beter begrijpen. Dat leidt tot de ontwikkeling van rationele therapieën, zoals het artikel van Helen Bryant voorstelt. Het voorbeeld van rationele, gerichte antitumortherapieën die al in de praktijk worden gebruikt, zijn de kinase-inhibitoren.
Een extern signaal dat een cel aanzet tot delen is meestal de aanwezigheid van een groeifactor, zoals EPO, dat de deling van de voorlopers van rode bloedcellen induceert. De binding van een groeifactor aan speciale eiwitten aan het oppervlak van een cel wordt dan via een waterval van tussenliggende stappen doorgegeven aan de celkern, die de deling inzet. Het doorgeven van dat signaal gebeurt door eiwitten die zich als moleculaire schakelaars gedragen. De schakelaar heeft een aan- en uit-stand, die wordt bepaald door het wijzigen van het eiwit. Zeer dikwijls gebeurt dat door een chemische modificatie van het eiwit, waarbij aan bouwstenen van het eiwit een bijkomende fosfaatgroep wordt gehecht. Die aanhechting gebeurt door andere eiwitten in de cascade, die we kinasen noemen. Een eiwit met fosfaatgroep fungeert als een schakelaar in de aan-stand, hetzelfde eiwit zonder de fosfaatgroep is een schakelaar in de uit-stand. Als in een cel een mutatie optreedt die een kinase activeert, zal die de andere eiwitten in de cel onterecht fosforyleren en zo een abnormaal signaal tot delen geven.
In een beperkt aantal tumoren kennen we de mutante kinase die het abnormale celdelingssignaal genereert. Die kennis heeft geleid tot de ontwikkeling van chemische stoffen die specifiek de activiteit van de mutante kinase inhiberen. Door het stopzetten van de abnormale activiteit van de kinase verdwijnt ook het signaal dat de cellen doet delen en verdwijnen de tumorcellen. Kinase-inhibitoren vormen het paradigma van de gerichte nieuwe kankertherapieën en worden sinds een vijftal jaren in de kliniek toegepast. Zeer succesvolle voorbeelden zijn de inhibitie van kinasen in chronische myeloïde leukemie, chronische eosinofiele leukemie en gastro-intestinale stromale tumoren. Daar de chemische stoffen die worden gebruikt voor de inactivering van de abnormale kinasen erg specifiek zijn, heeft gerichte moleculaire therapie ook dikwijls een klein aantal bijwerkingen.
In een overzichtsartikel in The New England Journal of Medicine bespreken Daniela Krause en Richard van Etten het potentieel van gerichte therapie met kinase-inhibitoren. De beperkingen komen ook aan bod. Gerichte moleculaire therapie is bij definitie alleen mogelijk voor die tumoren waarin het moleculaire doelwit van de therapie actief is. Op dit ogenblik kennen we slechts in een gering aantal tumoren de gemuteerde kinasen, maar er zijn goede argumenten voor de hypothese dat we in een belangrijk deel van de andere tumoren ook geactiveerde kinasen zullen ontdekken, die dan het doelwit kunnen vormen voor nieuwe inhibitoren.
De beperkingen van gerichte moleculaire therapie in de klinische praktijk werden echter zeer snel duidelijk: resistentie. Kankercellen kunnen een reeks verschillende strategieën ontwikkelen om aan de inhibitor te ontsnappen. De hoeveelheid abnormaal kinase dat de kankercel maakt, kan worden verhoogd zodat de concentratie van de inhibitor niet meer in staat is om alle activiteit te inhiberen. De structuur van de kinase kan muteren naar vormen die ongevoelig zijn aan de inhibitor. Of alternatieve signaalwegen kunnen actief worden zodat de cel niet meer afhankelijk blijft van de kinase activiteit.
De tumorcel blijkt dus een snelbewegend doelwit te zijn voor gerichte therapieën
Gerichte moleculaire therapieën leggen een zeer grote negatieve selectiedruk op kankercellen. De tumor is echter goed uitgerust om die selectie te overleven. De genetische instabiliteit van de kankercellen leidt tot een verhoogde frequentie aan mutaties, die de kans op het ontstaan van een resistentiemutatie sterk verhoogt. De tumorcel blijkt dus een snelbewegend doelwit te zijn voor gerichte therapieën. Genetische instabiliteit leidt bovendien ook in afwezigheid van selectie tot heterogeniteit van de tumorcelpopulatie, op het ogenblik dat een gerichte moleculaire therapie start, zijn er in de tumorcelpopulatie soms al enkele cellen aanwezig die resistent zijn. De tumor is niet alleen een snelbewegend doelwit, er blijken ook verschillende doelwitten aanwezig te zijn in de heterogene populatie. Beide processen zijn afhankelijk van toeval, een toevallige mutatie moet een specifiek proces treffen, maar ook hier is de tumor in het voordeel: hij bestaat meestal uit een zeer talrijke populatie cellen. De statistiek wordt hier een handje geholpen. Resistentie tegen een gerichte moleculaire therapie betekent niet noodzakelijk het einde van de behandeling. Men kan nieuwe chemische stoffen selecteren, die de activiteit van de resistente kinase toch stilleggen, of andere moleculaire doelwitten in de tumor zoeken. Het verhaal start dan opnieuw.
Gerichte moleculaire therapieën vormen een bijzonder krachtig nieuw wapen in de strijd tegen kanker. De fundamentele principes die het tumorproces sturen maken echter dat ook die nieuwe, eendimensionale therapieën inherente beperkingen hebben en geen definitief antwoord kunnen bieden. Dat is geen argument tegen investeren in dit onderzoek: elke substantiële verlenging van de levensverwachting en de levenskwaliteit van een kankerpatiënt is een waardevolle bijdrage. Gerichte moleculaire therapieën zullen hier zonder twijfel een grote bijdrage leveren. Het is echter duidelijk dat er een multidimensionale aanpak met een combinatie van klassieke en nieuwe strategieën nodig is om tot een [quantum leap] in het succes van de bestrijding van kanker te komen. Die aanpak moet onder meer worden gericht op het verminderen van de tumorcelpopulatie, de vermindering van de tumorcelheterogeniteit en het herkennen van relevante moleculaire doelwitten, rekening houdend met de dynamica van het tumorsysteem.
H.E. Bryant, N. Schultz, H.D. Thomas, K.M. Parker, D. Flower, E. Lopez, S. Kyle, M. Meuth, , N.J. Curtin, T. Helleday, ‘Specific killing of BRCA2-deficient tumours with inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase’, in: Nature, 2005, 434 (7035), 913-7.
D.S. Krause, R.A. Van Etten, ‘Tyrosine kinases as targets for cancer therapy’, in: The New England Journal of Medecine, 2005, 353(2), 172-87.
Peter Marynen is als geneticus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License