Fluorescentiegeleide chirurgie op basis van tracers met absorptie- en emissiespectra in het nabij-infrarode gebied ontstijgt de preklinische fase. Onderzoekers van het Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC) te Leiden en het belendende Centre for Human Drug Research (CHDR) kregen onlangs subsidies van de Amerikaanse National Institute of Health en KWF Kankerbestrijding voor het testen van nieuwe tracers in diverse klinische toepassingen. Dr. Alexander Vahrmeijer, oncologisch chirurg in het LUMC, en prof. dr. Koos Burggraaf, hoogleraar Translationele geneesmiddelenontwikkeling en directeur research van het CHDR, lichten de mogelijkheden toe.
Fluorescentiegeleide oncologische chirurgie (FGOC) kan operateurs real-time feedback geven over de locatie en uitgebreidheid van maligne weefsels en zo de kans verhogen om het tumorweefsel radicaal te verwijderen.1 Daarnaast kan het worden toegepast om gezonde weefselstructuren beter zichtbaar te maken, bijvoorbeeld om de kans op beschadiging tijdens bepaalde ingrepen te reduceren. “Vaak is niet goed te zien of te voelen of je nog tumorweefsel hebt laten zitten,” zegt Alexander Vahrmeijer, die in het LUMC leiding geeft aan de Image Guided Surgery-groep.
“Deze techniek maakt het mogelijk bepaalde typen tumoren tijdens de operatie te laten oplichten. Vóór de operatie wordt bij de patiënt een verbinding toegediend die bestaat uit een stof die bij voorkeur ophoopt rond of vasthecht aan de kankercellen, en waaraan een molecuul is gekoppeld dat na aanstralen met licht met een golflengte in het nabij-infrarode (NIR)-gebied zelf NIR-licht fluoresceert van een iets andere golflengte. NIR-licht heeft een aanzienlijk groter weefselpenetrerend vermogen dan zichtbaar licht, en het fluorescentielicht wordt met een speciale NIR-camera en bijbehorende beeldapparatuur geregistreerd. Het als groen licht weergegeven NIR-signaal wordt dan op een beeldscherm gecombineerd met beelden van het operatiegebied. Dit doen we bij zowel open als laparoscopische en endoscopische ingrepen”, aldus Vahrmeijer.
Bijstelling operatieplan
Vorig jaar ontving Vahrmeijer samen met Koos Burggraaf en met het Amerikaanse bedrijf Curadel (een spin-off van de Harvard University) twee grote subsidies van het Amerikaanse National Institute of Health om klinische toepassingen te evalueren van twee nieuwe fluorescerende verbindingen. Daarnaast ontvingen de Leidse onderzoekers onlangs van KWF Kankerbestrijding een Consortium Grant voor een klinische studie naar toepassing van SGM-101, een in het Franse Montpellier ontwikkeld NIR-fluorescerend antilichaam gericht tegen carcinoembryonic antigen (CEA).2 Vahrmeijer: “Onze promovendus Noor Boogerd heeft eerder met dit SGM-101 een pilotstudie verricht. CEA komt onder andere tot expressie op colorectale kankercellen en zij heeft laten zien dat bij zes van zeventien darmkankeroperaties het operatieplan op basis van FGOC met deze stof moest worden bijgesteld, het resectiegebied werd verruimd.3 In het KWF-project zal dit onderzoek worden uitgebreid met nog eens 203 patiënten om na te gaan of dit ook daadwerkelijk leidt tot histopathologische bevestigde toename van tumorcelvrije resectievlakken.”
Twee nieuwe tracers
In het Harvard-project gaat het om testen van twee nieuwe, door Curadel ontwikkelde tracers. De eerste is het zwitter-ion ZW800-1. “Dit heeft een extreem lage niet-specifieke binding en vrijwel geen opname in normale weefsels en organen na een eenmalige intraveneuze injectie,” legt Vahrmeijer uit. “Dergelijke stoffen geven de hoogst mogelijke signaal-achtergrondverhouding. Ze worden volledig geklaard door de nieren en verlaten het lichaam via de urine. Gevolg hiervan is dat de urineleider gedurende enkele uren na de injectie gaat fluoresceren. Tijdens buik- of bekkenoperaties zal het niet vaak voorkomen dat de urineleider per ongeluk wordt beschadigd, maar áls het gebeurt, zijn de morbiditeit en kosten hoog. We gaan nu in een fase 1A/B-studie onderzoeken of ZW800-1 de potentie heeft om dit probleem voorgoed op te lossen.”
Daarnaast zal ZW800-1 worden gekoppeld aan het peptide cRGD. Dit hecht zeer specifiek aan het integrine αvβ3, dat veel voorkomt in sommige tumorweefsels. In eerste instantie zal dit worden getest bij colorectale tumoren, daarna ook bij pancreastumoren.
De andere verbinding van Curadel is CUR-PS327. Deze zal worden toegepast bij video-assisted thoracoscopic surgery (VATS). Het stadiëren van niet-kleincellig longcarcinoom vereist uitgebreide evaluatie van de longlymfeklieren. Dat kan via complete lymfadenectomie tijdens de pulmonaire resectie, of door lymfeklieren pre- of intraoperatief te verzamelen middels mediastinocopie. Eerder onderzoek heeft uitgewezen dat het dan gaat om minimaal achttien lymfeklieren, maar zelfs dat is enorm tijdrovend en technisch uitdagend, met risico op complicaties en op het missen van klieren. Curadels Fluoresence-Assisted Resection and Exploration (FLARE ®) imaging platform kan in combinatie met VATS elke mediastinale lymfeklier opsporen na één lage dosis CUR-PS327.
Gezonde vrijwilligers
Binnen het samenwerkingsverband tussen LUMC en CHDR worden de nieuwe fluorescerende stoffen onder zogeheten good manufacuring practice (GMP)-condities geproduceerd door de chemici dr. Rob Valentijn en dr. Taryn March en ziekenhuisapotheker dr. Anton Terwisscha van Scheltinga van de afdeling Klinische Farmacie en Toxicologie. Het LUMC heeft voor deze productie een speciale Europese farmacielicentie. Vervolgens worden de stoffen dan binnen het nabije CHDR op farmacologie getest bij gezonde vrijwilligers om de juiste dosering en timing van toediening vast te stellen. De patiëntstudies vinden dan vervolgens plaats in het LUMC.
“Deze unieke manier van werken wordt nog nergens anders toegepast“, weet Burggraaf. “Dat geneesmiddelenontwikkeling zo gecompliceerd en kostbaar is, komt ook omdat vaak wordt vergeten dat innovatie en op de kernvraag gerichte onderzoeken een grote bijdrage kunnen leveren aan een efficiëntere ontwikkeling. Traditioneel wordt in de ontwikkeling van tracers de optimale dosis vastgesteld door onderzoek uit te voeren bij de patiënten bij wie zo’n tracer uiteindelijk toegepast zal worden. Dat is echter helemaal niet nodig: bij een creatieve onderzoeksopzet kan informatie over de optimale dosis ook bij gezonde vrijwilligers worden vastgesteld en worden de gegevens over de veiligheid van de stof niet beïnvloed door de ziekte en de behandeling. Bovendien is het efficiënter: men evalueert nu eenmaal sneller een stof bij zestien gezonde vrijwilligers dan bij zestien patiënten, en de dosering die bij gezonde personen wordt vastgesteld zal bij de betreffende patiëntengroep vermoedelijk prima werken. Bovendien worden alle stappen op loopafstand van elkaar en door zeer gemotiveerd personeel uitgevoerd. Door deze geïntegreerde aanpak loopt het hele proces vrijwel geen vertraging op. Het is allemaal veel efficiënter en kosteneffectiever. Ook blijkt het gemakkelijk om andere faculteiten bij het proces te betrekken – zo werken we nauw samen met Wiskunde- en Natuurwetenschappen. Je ziet dat translationeel onderzoek heel vaak op een bepaald niveau blijft steken omdat adequate faciliteiten en essentiële infrastructuur ontbreken, maar dat hebben we hier nu goed op orde. Het concept slaat ook aan bij het bedrijfsleven. We verwachten door deze aanpak uiteindelijk ook minder afhankelijk te worden van subsidies.”
Referenties
1. Vahrmeijer AL, et al. Nat Rev Clin Oncol 2013;10:507-18.
2. Gutowski M, et al. Surg Oncol 2017;6:153-62.
3. Boogerd LS, et al. Lancet Gastroenterol Hepatol 2018; Epub ahead of print.
Dr. Jan Hein van Dierendonck, wetenschapsjournalist
Commentaar prof. dr. Theo Ruers, divisiehoofd Chirurgische disciplines, Antoni van Leeuwenhoek, Amsterdam
De FGOC-technologie werkt al zo’n vijftien jaar uitstekend in preklinische modellen. Tot nu toe stuitte klinische translatie op zowel wet- en regelgeving als op de vraag of de voordelen voor patiënten groot genoeg zijn om het commercieel te laten renderen. In dat kader maakt het uit of de tracers breed inzetbaar zijn dan wel specifiek voor bepaalde tumortypen. De groep in Leiden, en ook de Groningse groep van prof. dr. Gooitzen van Dam die in 2011 publiceerde over de klinische toepassing van een fluorescerende marker tegen ovariumcarcinoom1, is zeer te waarderen voor het werk dat ze in dit veld verrichten. Wat betreft klinische translatie van FGOC is Nederland echt toonaangevend. Deze methode werkt buitengewoon intuïtief, maar staat of valt met de tracerspecificiteit. Hechting aan bindweefsel of inflammatoire componenten rond de tumor maakt interpretatie lastig en vergroot het gevaar dat men te veel gezond weefsel verwijdert. Dat moet dus goed worden uitgezocht.
Een andere vraag is of de penetratiediepte van het fluorescentiesignaal in alle gevallen voldoende is. Als men een lichtsignaal waarneemt: hoe diep zit de lichtbron dan in het weefsel? In theorie is deze problematiek duidelijk, maar het is natuurlijk geweldig dat deze projecten de mogelijkheid bieden na te gaan in hoeverre dit in de praktijk belemmerend zou kunnen werken.
Wat betreft het identificeren van de ureter heb ik mijn bedenkingen. Dat zou voor zo’n tracer alleen bij heel lastige operaties een geschikte indicatie zijn, bijvoorbeeld als de patiënt in dat gebied eerder is geopereerd en/of bestraald en er sprake is van veel fibrose. Het zichtbaar maken van lymfeklieren zou in mijn optiek echt zinvol kunnen zijn. Immers, kleine klieren zie je gemakkelijk over het hoofd. Het meest tot mijn verbeelding spreekt het specifiek merken van kankercellen. Met name voor het rectumcarcinoom lijkt dit een relevante techniek. Bij een T4-rectumcarcinoom of een recidief komt FGOC zonder meer in beeld. Overigens gebruikt de Van Dam-groep het overwegend voor oppervlakkige tumoren. Daar is toepassing mogelijk het eenvoudigst.
Daarnaast zijn er natuurlijk ook alternatieven voor FGOC. Zelf werken wij met een navigatiemethode waarvoor we een soort tomtom op de operatiekamer hebben ontwikkeld. In plaats van een satelliet gebruiken wij een elektromagnetische plaat onder de patiënt, en de wegenkaart is een CT-scan waarmee we een 3D-model maken. Een sensor in het operatiemes geeft tot op 2 mm nauwkeurig aan waar men zich in het CT-beeld bevindt. Bij een serie patiënten hebben we op deze manier van 36 onmogelijk met het oog vindbare lymfeklieren 33 klieren gelokaliseerd. Ook werken we aan de mogelijkheid om tijdens de ingreep bewegingen van lichaamsgebieden te volgen. Daartoe brengen we bij een levermetastase of een rectumcarcinoom minuscule sensoren in. Of dit in de praktijk voldoende intuïtief werkt, weten we nog niet.
Een andere techniek betreft een optische pen die breedspectrumlicht uitstraalt en het gereflecteerde licht real-time analyseert. De pen wordt gebruikt in het operatiegebied en omdat het weerkaatste licht afhankelijk is van de weefselsamenstelling, genereert dit een soort optische vingerafdruk. Tumorweefsel heeft een andere samenstelling dan gezond weefsel, en we onderzoeken nu of dat gegeven kan worden toegepast in een slim chirurgisch instrument. We proberen dat principe nu ook te ontwikkelen voor hyperspectrale camera’s. Elke pixel van zo’n camera produceert 1.200 verschillende spectra. Die gigantische hoeveelheid data kan worden geanalyseerd met zelflerende computerprogramma’s en het algoritme dat daar uit voortkomt kan dan worden gebruikt om real-time vast te stellen of er sprake is van kanker.
De tomtommethode zou eventueel kunnen worden gecombineerd met FGOC: je navigeert dan snijdend naar dieper gelegen gebieden en ziet op een gegeven moment het tumorweefsel gewoon oplichten. Maar hyperspectral imaging is echt een competitieve techniek. Mogelijk werkt de ene techniek beter bij de ene patiënt en de andere techniek beter bij de andere. Misschien zal het businessmodel bepalend zijn, het is niet te voorspellen. Daarom denk ik dat het goed is dat alle methoden worden ontwikkeld en men in Leiden andere dingen doet dan in Amsterdam.
Referentie
1. Van Dam GM, et al. Nature Med 2011;17:1315-9.
Oncologie Up-to-date 2018 vol 9 nummer 2