Het aantal verschillende genetische veranderingen in een tumor is gerelateerd aan zowel het succes van immunotherapie als de resistentie daartegen, blijkt uit recent onderzoek. Oncoloog dr. Marco Gerlinger (Institute of Cancer Research & Royal Marsden Hospital, Londen, Verenigd Koninkrijk) bestudeert de evolutie van kankercellen binnen een tumor. Tijdens het Multidisciplinair Immuno-Oncologie Symposium, dat op 10 oktober jl. plaatsvond in Amersfoort, vertelde hij over nieuwe ontwikkelingen die aanwijzingen geven over de manieren waarop tumorheterogeniteit de uitkomst van immunotherapie zou kunnen beïnvloeden.
Hoge mutational load
Kanker is een ziekte van ontspoorde genen, maar het aantal mutaties dat aanwezig is in een tumor, de mutational load, verschilt sterk per kankersoort. Dat bleek enkele jaren geleden uit het Cancer Genome Atlas-project waarbij duizenden tumoren werden gescreend.1 Ziekten als longkanker en melanoom hebben een hoge mutational load, terwijl bijvoorbeeld bij leukemie en medulloblastoom veel minder mutaties worden gevonden. Al snel werd duidelijk dat immunotherapie vooral succesvol is bij tumoren die veel mutaties hebben. “Mogelijk kan het immuunsysteem vooral neoantigenen goed herkennen. Mutaties zorgen voor veranderde eiwitten, die worden in stukjes gehakt en gepresenteerd door de kankercellen. Dat is waarschijnlijk wat het adaptieve immuunsysteem ziet, en waarom immunotherapie werkt”, vertelde Marco Gerlinger tijdens het symposium. Ook binnen een tumorsoort bleek immunotherapie beter te werken bij de patiënten met de meeste mutaties. Mutational load zou dus een biomarker kunnen zijn. Een beperking daarbij is dat niet alle mutaties immunogeen zijn – hoewel er methodes bestaan om te voorspellen welke dat wel zijn.
Stam en takken
Tumoren zijn echter genetisch heterogeen. Sommige mutaties worden in de gehele tumor aangetroffen, deze waren al in de oorspronkelijke tumorcel aanwezig. Maar veel mutaties ontstaan later, bij het uitgroeien van de tumor, en zijn niet in alle tumorcellen aanwezig. Bij nierkanker zag Gerlinger bijvoorbeeld dat ongeveer twee derde van de gevonden mutaties subklonaal is. Alle mutaties samen kunnen weergegeven worden als een fylogenetische boom, waarbij de stam wordt gevormd door mutaties die in de oorspronkelijke cel aanwezig waren, met subklonale mutaties als de uitspreidende takken. “Om tumoren beter te raken moeten we ons richten op de mutaties in de stam. Dat valt in de praktijk niet mee. Het is bijvoorbeeld lastig om aan te tonen wat de stam is, meestal kun je niet tien verschillende stukjes van een tumor analyseren. Het probleem bij sequencen van een individueel monster is dat er altijd veel meer mutaties uitkomen dan de zes of zeven mutaties die tot de stam behoren”, aldus Gerlinger.
Hoe de fylogenetische boom eruitziet verschilt ook weer per tumorsoort. Bij zowel longkanker als melanoom worden niet alleen meer mutaties aangetroffen, maar ook behoort een groter deel tot de stam. Het absolute aantal heterogene mutaties bij nierkanker, longkanker en melanoom is vergelijkbaar, het grootste verschil zit in het aantal stammutaties. Gerlinger: “Tumoren die heel goed reageren op immunotherapie hebben enorme stammen.”
Om te bepalen welke mutaties tot de stam behoren, gaat zijn voorkeur uit naar het gebruik van circulerend tumor (ct)-DNA. “Dit testen we nu in het lab, en het ziet er veelbelovend uit. Stammutaties zijn makkelijk op te pikken, terwijl subklonale mutaties bijna verdwijnen in de assay.”
Stimulans of hindernis
“De vraag is nu: is genetische heterogeniteit een stimulans of een hindernis bij immunotherapie?” zei Gerlinger. Vanaf het moment van het ontstaan van de eerste getransformeerde cel blijft het aantal mutaties dat op dat moment aanwezig was – de stammutaties – gelijk. Door genomische instabiliteit ontstaan bij elke celdeling nieuwe mutaties, waarvan de helft in een van de dochtercellen aanwezig is, en de andere helft in de andere dochtercel. Bij elke celdeling neemt zo het aantal subklonale mutaties exponentieel toe, terwijl tegelijkertijd de frequentie van die mutaties afneemt. De frequentie van de stammutaties blijft echter gelijk, die blijven in alle tumorcellen aanwezig. “Wat je ziet bij het sequencen van tumormateriaal is een groep mutaties die vaak voorkomen, dan enkele mutaties met een redelijk hoge frequentie, en dan zijn er nog een heleboel die beneden de detectiegrens liggen van de standaardsequencingtechnieken. Dat is waar het immuunsysteem mee te maken krijgt.”
Uitgaande van vier nieuwe mutaties per celdeling zou een tumor na dertig celdelingen bestaan uit ongeveer 1 miljard cellen, en meer dan 4 miljard mutaties hebben, rekende Gerlinger voor. De helft van die mutaties is ontstaan bij de laatste celdeling en heeft dus een zeer lage frequentie. “Een T-cel die in de tumor komt, zal al deze variaties zien. De vraag is hoe, en of, een effectieve immuunrespons tot stand komt.”
Als er veel nieuwe mutaties ontstaan, is de kans ook groter dat nieuwe epitopen gepresenteerd worden die hoog-immunogeen zijn, en T-cellen aantrekken naar kleine subklonen. De uitdaging voor het immuunsysteem zit in het detecteren van de stammutaties en het voorkomen van afleiding door de zeer vele, mogelijk hoog-immunogene, subklonale mutaties. Gerlinger: “Kunnen tumoren een hoge mutatiesnelheid gebruiken om het immuunsysteem af te leiden met een heleboel kleine gevechten met minieme subklonen? Zouden ze, door krachtige immuunstimulerende mutaties te genereren, kunnen voorkomen dat ze helemaal opgeruimd worden door aanvallen van het immuunsysteem gericht tegen de stammutaties?”
Aanwijzingen voor interactie
Een aantal recente studies heeft aanwijzingen geleverd die deze theorie ondersteunen. Zo analyseerden Angelova en collega’s de relatie tussen het aantal subklonen in een tumor en de respons op immunotherapie bij patiënten met colorectaal carcinoom.2 Van elke tumor hadden de onderzoekers één monster waarin ze met behulp van ultragevoelige sequencingtechnieken ook laagfrequente subklonen konden detecteren. Op basis van het aantal gedetecteerde subklonen classificeerden ze de tumoren in vier groepen: laag-subklonaal, hoog-subklonaal, en twee groepen daartussen. Patiënten met hoog-subklonale tumoren hadden een slechtere overleving dan patiënten met laag-subklonale tumoren na behandeling met immunotherapie. Daarnaast bleek dat subklonaliteit correleerde met het immuuninfiltraat in de tumor. De onderzoekers zagen een reductie van immuuncelverrijking in tumoren met hogere subklonaliteit, ofwel hogere heterogeniteit. Ze postuleerden dat in deze tumoren uitgroei van subklonen mogelijk was door gebrek aan herkenning door het immuunsysteem. Gerlinger: “Dat is een andere mogelijke uitleg voor de manier waarop interactie plaatsvindt tussen heterogeniteit en het immuunsysteem: het immuunsysteem houdt heterogeniteit in toom. Op dit moment weten we nog niet welke uitleg de juiste is.”
Ook McGranahan en collega’s observeerden een relatie tussen subklonaliteit en respons op immunotherapie bij patiënten met longkanker of melanoom.3 Patiënten die niet profiteerden van behandeling met immuuncheckpointremmers hadden minder klonale, en meer subklonale mutaties dan patiënten die wel een duurzame respons vertoonden. “Dit suggereert dat de aanwezigheid van subklonale mutaties in deze tumoren mogelijk bijdraagt aan een slechtere uitkomst”, aldus Gerlinger. De onderzoekers lieten bovendien met survivalanalyses zien dat de overleving niet alleen gestratificeerd kan worden op basis van het aantal aanwezige mutaties in een tumor, maar ook op basis van subklonaliteit. De vraag blijft echter of het aantal heterogene mutaties relevant is, of juist het aantal aanwezige klonale (stam)mutaties.
Een beperking van deze studies is volgens Gerlinger dat ze gedaan zijn op basis van één monster per tumor. Wanneer subklonen verspreid door de tumor voorkomen, wat waarschijnlijk geldt voor veel kankersoorten, resulteert dit in een onderschatting van de heterogeniteit.
Respons ondanks heterogeniteit
Er zijn echter ook aanwijzingen dat immunotherapie kan werken ondanks de aanwezigheid van veel heterogene mutaties. Een studie van Le en collega’s liet zien dat de immuuncheckpointremmer pembrolizumab zeer effectief is bij tumoren met microsatellietinstabiliteit (MSI).4 Dit komt onder meer voor bij patiënten met colorectaal carcinoom, soms door het lynchsyndroom, soms ook spontaan. MSI-tumoren hebben een zeer hoge mutational load, met honderden tot duizenden mutaties per tumor.
Bij analyse van tumormateriaal van een maagkankerpatiënt met MSI vonden Gerlinger en collega’s bijna 2.000 mutaties, waarvan ruim 900 in de stam, en bij een andere patiënt ruim 4.000 mutaties, waarvan ruim 1.000 in de stam. “MSI-kankers behoren tot de tumorsoorten die tot nu toe de beste respons vertonen op immunotherapie. Is die enorme stam het enige dat telt, en is de heterogeniteit verder niet relevant? Om die vraag te beantwoorden zijn meer studies nodig bij patiënten die immunotherapie ontvangen.”
Evolutionair gezichtspunt
Een relatie tussen heterogeniteit en de uitkomst van immunotherapie zou dus verklaard kunnen worden doordat vele kleine subklonen het immuunsysteem afleiden van de stammutaties. Andersom kan heterogeniteit het gevolg zijn van gebrek aan herkenning door het immuunsysteem. In tumoren die immunogener zijn en beter worden herkend door het immuunsysteem, krijgen subklonen eenvoudigweg niet de kans om uit te groeien. Maar er is ook een mogelijke verklaring vanuit evolutionair gezichtspunt die Gerlinger interessant vindt. Dit model beschouwt tumorheterogeniteit als een ijsberg. De top daarvan bestaat uit macroheterogeniteit, met grote subklonen die al succesvol zijn geweest bij de evolutie van de tumor. Daaronder bevindt zich een grote massa aan microheterogeniteit, met vele laagfrequente subklonen. Deze vormt de motor van de volgende evolutionaire stappen in de tumor. Subklonen die nieuwe tumorfenotypes kunnen gaan vormgeven zijn al aanwezig, wachtend totdat selectiedruk ze de mogelijkheid geeft om uit te groeien, bijvoorbeeld omdat ze door toeval resistent zijn tegen een bepaalde behandeling.
“Welke van deze drie mechanismen overheerst, is nu nog de grote vraag. In de komende paar jaren zullen hier meer data over beschikbaar komen”, verwacht Gerlinger. “De ontwikkelingen die een link leggen tussen tumorheterogeniteit en de respons op immunotherapie zijn snel gegaan, en dit lijkt een vruchtbare manier om te onderzoeken waarom patiënten wel of niet reageren.”
Rol immuunsysteem bij metastasering
Kan herkenning door het immuunsysteem ook een drijvende kracht zijn achter de evolutie van kanker en het ontstaan van tumorheterogeniteit? Gerlingers groep toonde onlangs aan dat in lymfekliermetastasen van patiënten met gastro-intestinale kanker vaak amplificaties voorkwamen van genen zoals KRAS en ERBB3, die betrokken zijn bij de MAPK-signaalroute, een belangrijke route voor de regulatie van celgroei. Omdat deze veranderingen specifiek voorkwamen in de lymfekliermetastasen en niet in de primaire tumoren, vroegen de onderzoekers zich af of ze bij zouden kunnen dragen aan het ontduiken van het immuunsysteem.
In metastasen met amplificatie van KRAS en ERBB3 zagen ze inderdaad een verminderde expressie van eiwitten die een rol spelen bij de verwerking en presentatie van antigenen. Ook zagen ze een hoger immuuninfiltraat dan in tumoren zonder amplificatie van deze genen. Gerlinger: “Dit suggereert dat deze mutaties immuunherkenning koppelen aan de mutational load, en de tumor helpen om te overleven. We denken dat het immuunsysteem mogelijk een drijvende kracht is gedurende metastasering, maar we weten nog niet wat de implicaties daarvan zijn voor de kliniek.”
Referenties
1. Alexandrov LB, et al. Nature 2013;500:415-21.
2. Angelova M, et al. Genome Biol 2015;16:64.
3. McGranahan N, et al. Science 2016;351:1463-9.
4. Le DT, et al. N Engl J Med 2015;372:2509-20.
Dr. Astrid Danen, wetenschapsjournalist
Commentaar prof. dr. Winald Gerritsen, internist-oncoloog, Radboudumc, Nijmegen
Wat Marco Gerlinger prachtig heeft geïllustreerd is dat er een grote mate van heterogeniteit is bij verschillende tumoren. Op basis van wat hij presenteerde is het verbazingwekkend hoe vaak het ons nog lukt om met één enkel medicijn toch een significante tumorreductie te krijgen. Op basis van zijn verhaal zou combinatietherapie de toekomst zijn; wellicht vormt dat ook de oplossing om al die verschillende subklonen die ontstaan tijdens metastasering toch ook de baas te worden. Wat we bijvoorbeeld bij prostaatkanker steeds beter leren is dat we met antihormonale en chemotherapie uiteindelijk uitkomen bij een groep cellen die initieel niet in grote hoeveelheden aanwezig waren, maar die door hun neuro-endocriene kenmerken verderop in de ziekte de overhand krijgen.
Heterogeniteit zie ik vooral als een pleidooi om ons te gaan richten op immunotherapie, omdat die vaak niet gericht is tegen een enkel antigeen, maar tegen meerdere antigenen die ontstaan tijdens progressie van de kanker. Dit zou ook een pleidooi kunnen zijn om vooral de cellulaire vaccins niet te vergeten, naast natuurlijk de immuuncheckpointremmers die van nature al heel breed het immuunsysteem stimuleren.
Fascinerend is dat tumorcellen zo goed kunnen groeien in een lymfeklier, ondanks de aanwezigheid van T- en B-cellen en antigeenpresenterende cellen. Dat zou ons ook iets moeten leren over wanneer het immuunsysteem de groei van tumorcellen stimuleert, en wanneer we het immuunsysteem kunnen gaan inzetten om de groei van kanker te remmen. Daar zijn we pas net aan begonnen.
We leren wel steeds meer dat tumorgeassocieerde macrofagen (TAM’s) een rol kunnen spelen bij stimulering van de groei. Als je cellen met radiotherapie beschadigt, en niet doodt, creëer je eigenlijk een wondbed waarin met name die TAM’s gaan infiltreren, wat in theorie gezien de tumorgroei zou kunnen stimuleren. De grote uitdaging is om meer onderzoek te gaan doen naar de interactie tussen tumorgroei en het immuunsysteem. Wat vertellen uitzaaiingen in lymfeklieren daar bijvoorbeeld over?
Naar mijn idee kunnen we vooral veel leren van patiënten die een mixed respons vertonen. In de praktijk zien we dat een deel van de uitzaaiingen in regressie gaat, terwijl tegelijkertijd een ander deel progressief is, wat we dan scoren als progressieve ziekte. Dat zou een ideale gelegenheid zijn om te gaan kijken wat er gebeurt in de uitzaaiingen die in regressie gaan of die progressief zijn.
Immunoncologie.nl 2017 vol 1 nummer 3
DEEL DIT ARTIKEL:
