Kankercellen opsporen, doden met behulp van fotodynamische therapie en óók nog een immuunrespons opwekken: de plannen van dr. Luis Javier Cruz (Leids Universitair Medisch Centrum, Leiden) liegen er niet om. Met steun van KWF Kankerbestrijding gaat de Leidse onderzoeker werken aan de ontwikkeling van exosomen die, geladen met verschillende gereedschappen, als een paard van Troje de tumorcellen binnendringen. Het multimodale platform voor diagnostiek en therapie zou uiteindelijk moeten leiden tot een betere kwaliteit en hogere overlevingskansen voor kankerpatiënten.
Met een KWF-subsidie van ruim drie ton gaat onderzoeker Luis Javier Cruz onderzoek doen naar het inzetten van exosomen voor de diagnostiek en behandeling van (gemetastaseerde) kanker. Hiermee wil hij een innovatief multimodaal platform ontwikkelen dat een combinatie biedt van fotodynamische therapie, immunotherapie en imaging.
Minuscule blaasjes
Exosomen zijn blaasjes van rond de 100 nanometer groot die door de meeste eukaryotische cellen geproduceerd en uitgescheiden worden. Ze bevatten onder meer eiwitten, DNA, messenger-RNA en micro-RNA en spelen een belangrijke rol bij de communicatie tussen cellen. Cruz en collega’s produceren de exosomen in vitro in cellen afkomstig van een adenocarcinoom van het colon bij muizen. De exosomen presenteren tumorantigenen die dendritische cellen kunnen activeren. De onderzoekers laden ze bovendien vol met componenten voor imaging en fotodynamische therapie, waarna de exosomen geïnjecteerd kunnen worden in de bloedbaan van de muis.
Selectieve opname
“De exosomen zullen als een soort Trojaanse paarden de tumorcellen binnendringen”, vertelt Cruz. “Na intraveneuze injectie zullen ze selectief ophopen in tumorcellen. De tumorantigenen wijzen de exosomen de weg, en door het EPR-effect - enhanced permeability and retention - zullen ze sterker ophopen in tumorcellen dan in gezonde cellen.” Dit EPR-effect ontstaat door de verschillen tussen tumoren en gezond weefsel. Rond kankercellen treedt bijvoorbeeld veel vaatnieuwvorming op, waarbij de bloedvaatjes slordig en gehaast zijn aangelegd. Dat leidt ertoe dat kleine deeltjes zoals exosomen makkelijk de tumorcellen in lekken. Daarnaast hebben tumoren geen lymfeafvoer, waardoor de exosomen zich in tumorweefsel zullen ophopen. Wat gebeurt er met exosomen die de tumorcellen niet bereiken? “Die zullen op natuurlijke wijze het lichaam verlaten”, antwoordt Cruz.
Nanodeeltjes
Eenmaal in de kankercellen zullen de exosomen op drie manieren actief zijn. “Ten eerste zijn ze geladen met op-converterende nanodeeltjes (UCNP’s). Dat zijn nanodeeltjes gebaseerd op lanthaniden, die heel geschikt zijn als contrastmiddelen. Doordat ze röntgenstraling absorberen, zijn ze zichtbaar op CT-scans. Zo kun je bepalen waar in het lichaam zich metastasen bevinden.” De UCNP’s kunnen ook licht geven: als je ze beschijnt met infrarood licht, zenden ze fotonen uit in het zichtbare of ultraviolette deel van het spectrum. “Dat licht kun je theoretisch ook nog gebruiken voor imaging”, merkt de onderzoeker op.
Fotodynamische therapie
De tweede modaliteit berust op het vooraf laden van de exosomen met lichtgevoelige stoffen (fotosensitizers) die bij bestraling met licht van een specifieke frequentie (meestal in het ultraviolette deel van het spectrum) cellen kunnen vernietigen. Deze methode - fotodynamische therapie - is al tientallen jaren in gebruik bij de behandeling van oppervlakkige tumoren. “Behandeling van dieper gelegen tumoren is lastig, omdat het benodigde ultraviolette licht slechts moeizaam in weefsels doordringt”, legt Cruz uit. “Dat lossen wij nu op met behulp van de UCNP’s. Die kun je belichten met infrarood licht, dat wél diep in weefsels doordringt, waarna de UCNP’s dit ter plaatse omzetten in de benodigde ultraviolette straling voor de fotodynamische therapie. Op die manier kunnen we ook in dieper gelegen weefsels fotodynamische therapie geven.” De therapie zal worden toegepast op de tumor en op eventuele metastasen die met CT met behulp van de exosomen zijn opgespoord.
Immuunrespons
Bij fotodynamische therapie ontstaan vrije radicalen die leiden tot apoptose van de tumorcellen. “Doordat je lokaal belicht, kun je de schade aan gezonde weefsels minimaliseren”, licht Cruz toe. De onderzoeker verwacht ook een (late) immuunrespons, die de overgebleven kankercellen moet vernietigen. “Bij apoptose van de tumorcellen door fotodynamische therapie komen verschillende stoffen vrij of tot expressie, zoals danger-associated molecular patterns (DAMP’s), tumorgeassocieerde antigenen (TAA’s) en vrije zuurstofradicalen. Dit zijn stoffen waarop het lichaam reageert met een immuunrespons, die de resterende kwaadaardige cellen moet elimineren”, legt Cruz uit. “De tumorantigenen op het membraanoppervlak van de exosomen zullen naar verwachting de immuunrespons van het lichaam nog extra versterken.”
Tumorvaccin
Bij toekomstige toepassing in de kliniek zijn er drie wegen om te bewandelen, als het gaat om de door tumorantigenen geïnduceerde immuunrespons. “We kunnen exosomen van de eigen tumorcellen van de patiënt gebruiken, die we dan opkweken vanuit een biopt van de tumor. We kunnen ook dendritische cellen (DC’s) van de patiënt afnemen, ze activeren met tumorantigenen en daarna de geactiveerde DC’s teruggeven aan de patiënt. Of we kunnen hetzelfde doen maar alleen de exosomen teruggeven die gemaakt worden door de geactiveerde DC’s. Alle drie deze wegen zijn al getest in klinische trials”, voegt Cruz toe. De onderzoekers hopen dat de behandeling zelfs kan dienen als een tumorvaccin, zodat het lichaam in een later stadium eventuele nieuwe tumorcellen direct zal kunnen opruimen voordat ze de kans krijgen om verder uit te groeien.
Functionaliteit testen
In het huidige project gaat het om studies in het laboratorium en bij proefdieren, in een later stadium zullen klinische trials bij patiënten volgen. “We gaan eerst de functionaliteit van de exosomen testen: worden ze opgenomen door kankercellen, kunnen we ze detecteren, zijn ze niet toxisch en werkt de fotodynamische therapie?” Cruz zal ook de antitumorimmuunrespons onderzoeken door te kijken naar herkenning van de vrijgekomen DAMP’s en TAA’s door DC’s en macrofagen. “We willen eerst een proof-of-concept leveren, we hebben nog veel te standaardiseren en te verbeteren. Als het systeem werkt zoals we verwachten, zullen we eerst overgaan tot patenteren voordat we met trials bij mensen starten.”
Synthese van nanodeeltjes
Een belangrijk onderdeel van het onderzoeksproject is de ontwikkeling van een methode om binnenin gekweekte tumorcellen UCNP’s te synthetiseren, waarna die vanzelf terecht moeten komen in de exosomen die de tumorcellen in het medium uitscheiden. “Onlangs is aangetoond dat synthese van nanodeeltjes mogelijk is als de bouwstenen hiervan worden toegevoegd aan het kweekmedium van tumorcellen”, vertelt Cruz. “In dit geval ging het om gouddeeltjes. Voor UCNP’s is zoiets nog niet eerder gedaan, maar mocht het ons lukken, dan maakt dat ons productieproces van de exosomen een stuk eenvoudiger. Bovendien houd je de exosomen dan intact, wat niet lukt als je naderhand nog UCNP’s moet toevoegen.” De onderzoekers hebben daar overigens wel back-uptechnieken voor beschikbaar. “Maar die vereisen het gebruik van toxische reagentia of processen met intensieve verhitting en druk. Dus we hopen dat het lukt om de UCNP’s in de cellen te synthetiseren, zodat ze op natuurlijke wijze belanden in de exosomen die de cel uitscheidt.”
Weinig bijwerkingen
Voor het ontwikkelen van de UCNP’s zal Cruz samenwerken met fysicus dr. Hong Zhang (Universiteit van Amsterdam). Moleculair bioloog prof. dr. Ferry Ossendorp (LUMC) is betrokken bij het onderdeel gericht op immunotherapie. Uiteindelijk hoopt Cruz dat zijn onderzoek leidt tot een nieuw multimodaal nanoplatform dat kankercellen op een efficiënte wijze kan detecteren en selectief kan doden, zonder veel bijwerkingen. “Zo hopen we de kwaliteit van leven en de overlevingskansen van kankerpatiënten te verbeteren”, besluit hij.
Dr. Diana de Veld, wetenschapsjournalist
Immunoncologie.nl 2020 vol 4 nummer 3
DEEL DIT ARTIKEL:
