Kankercellen die in het omringende weefsel infiltreren, moeten zich tussen de omringende cellen en stugge collageenvezels van de extracellulaire matrix door wurmen. Daar komen ze vaak niet ongeschonden doorheen. De kernenvelop kan zwakke plekken vertonen en scheuren. Het DNA loopt dan schade op. Meestal wordt deze snel hersteld. Hetzelfde geldt voor het gat in de envelop. Het blokkeren van deze reparatiemechanismen kan leiden tot celdood en biedt mogelijkheden om de migrerende kankercellen te stuiten.
Deze conclusie trekken de celbiologen dr. Katarina Wolf, dr. Bettina Weigelin, Mariska te Lindert en prof. dr. Peter Friedl van het Radboudumc te Nijmegen uit een onderzoek dat ontstond na een toevallige waarneming. Toen Wolf opnamen bekeek van in collageenweefsels geïmplanteerde kankercellen, zag zij ineens dat kernen van uit de tumor migrerende cellen kapot gedrukt leken te worden. “In het begin vroeg ik mij af of ik het wel goed gezien had”, vertelt Wolf, “maar al snel was duidelijk dat dit zo was.”
Ongeveer gelijktijdig zag haar collega dr. Jan Lammerding in zijn laboratorium aan de Amerikaanse Cornell University iets dergelijks. Onderlinge contacten resulteerden in een gezamenlijk onderzoek en, eind maart, in een gezamenlijke publicatie in Science.1 Daarin beschrijven ze precies hoe de schade ontstaat en weer gerepareerd wordt. De reparatie wordt uitgevoerd door een enzymcomplex, ESCRT-III genaamd, dat ook actief is bij de vorming van een nieuwe kernenvelop na normale celdelingen. Daarnaast komen ook mechanismen om DNA-breuken te herstellen in actie.
Mechanische stress
Dat cellen door het lichaam migreren, is niet bijzonder. Macrofagen en andere cellen van het immuunsysteem doen het voortdurend. Als ze hindernissen tegenkomen zoals de nauwe ruimtes tussen cellen of stugge vezels van de extracellulaire matrix, kunnen ze zich vervormen om toch te passeren. In feite is de celkern hierbij de beperkende factor. Deze is veel stugger dan het omringende cytoplasma en maakt dat migrerende cellen grote moeite hebben met poriën die kleiner zijn dan 25 µm2. Wolf: “Onze hypothese was dan ook dat er op zo’n moment zoveel mechanische stress op de kern wordt uitgeoefend dat die daardoor ernstig beschadigd kan raken.”
Dat de kern zo stug is, wordt veroorzaakt door de kernenvelop die een fysieke barrière vormt tussen kern en cytoplasma. Hij beschermt het DNA tegen aantasting door cytoplasmatische enzymen, maar ook tegen mechanische stress. De envelop bestaat uit een dubbele laag membranen waarvan de binnenste rust op een netwerk van ondersteunende vezels, de lamina. Van verouderingsprocessen en verschillende ziekten, waaronder kanker, is bekend dat ze samenhangen met de DNA-schade die ontstaat als de integriteit van de celkern wordt aangetast.
Blaren en breuken
Om hun hypothese te onderzoeken, ontwierpen de onderzoekers experimenten waarbij fibroblasten, borstkanker- en fibrosarcomacellen in vitro en in vivo door zeer nauwe ruimtes werden gedreven. De Amerikaanse groep liet hiervoor – met dezelfde techniek die bij de fabricage van chips wordt gebruikt – kunststof blokjes maken waarin reservoirtjes voor de cellen waren uitgespaard die onderling waren verbonden door capillairen van verschillende afmetingen. In Nijmegen werd gebruikgemaakt van fysiologische collageennetwerken met variërende porieafmetingen en de huid van levende muizen.
In alle drie modellen komen kankercellen spontaan in beweging. Om de optredende veranderingen precies in beeld te brengen werden diverse onderdelen van de cellen gemerkt met fluorescerende tracers en bestudeerd met behulp van microscopen met een groot oplossend vermogen. De onderzoekers zagen dat de kernen in de nauwe ruimtes vervormden en dat in veel gevallen een blaar ontstond op de ‘voorkant’ van de vervormde kern (zie videofilm). Dat gebeurde alleen als door variaties in de lamina een zwakke plek in de kernenvelop was ontstaan.
Als deze blaren barstten, lekte DNA uit de kern weg en kwam het in aanraking met het cytoplasma. De kans dat dit gebeurde, was groter naarmate de ruimte voor de cel kleiner was. Dat hierbij DNA-schade optreedt, bleek uit de toename van een marker voor dubbelstrengsbreuken tijdens en kort na de passage door een engte. In ernstige gevallen werd de blaar met wat DNA erin helemaal van de kern afgesnoerd. Ondanks al deze schade overleefden veel cellen deze aanslagen.
Herstel
“Om te overleven moeten de cellen tijdens de passage door weefsel voortdurend schade repareren. We zagen dan ook dat al heel snel allerlei herstelprocessen op gang komen,” vertelt Wolf. “Kort na het knappen van de blaar zien we dat DNA-reparatie snel op gang komt. Ook het ESCRT-III-complex wordt actief en repareert de envelop, zoals het dat zou doen wanneer na een celdeling de dochtercellen een nieuwe envelop nodig hebben.”
Samen met een Franse groep, die ook een artikel in hetzelfde nummer van Science publiceerde2, lieten de onderzoekers zien dat ze dit herstelproces konden verstoren door onderdelen van ESCRT-III uit te schakelen. Dat biedt in principe de mogelijkheid om de infiltratie van kankercellen in omringend weefsel tegen te gaan.
Erg eenvoudig wordt dat niet. “We zullen dan wel een manier moeten vinden om onderscheid te maken tussen tumorcellen en cellen waarvan het juist wenselijk is dat ze door weefsel kunnen migreren”, stelt Wolf. “Daar komt bij dat we intussen weten dat je zowel de reparatie van de kernenvelop als die van DNA moet remmen. Bij een blokkade van één van beide zijn er altijd cellen die de dans weten te ontspringen. Wat wel gunstig is, is dat de ondersteunende lamina bij kankercellen vaker verzwakt is dan die van gezonde cellen, zodat ze kwetsbaarder zijn als ze door een nauwe doorgang moeten zien te komen.”
Referenties
1. Denais CM, et al. Science 2016:352;353-8.
2. Raab M, et al. Science 2016:352;359-62.
Drs. Huup E.A. Dassen, wetenschapsjournalist
Oncologie Up-to-date 2016 vol 7 nummer 3
Deze video toont een fibrosarcoomcel terwijl die zich in een klein uur door een nauwe doorgang wurmt. Na 28 minuten ontstaat een blaar vanuit de kernenvelop (zwarte pijl). Twee minuten later scheurt deze open, waardoor kernmateriaal in het cytoplasma lekt (rode pijl). Weer twee minuten later (32 minuten) zijn de eerste tekenen van herstel zichtbaar in de vorm van de gele vlek, een subunit van ESCRT-III.
DEEL DIT ARTIKEL:
