De eigenschappen en het gedrag van levende tumoren in situ onderzoeken. Dat is het voornaamste doel van het project ‘Deep insight’ waarvoor prof. dr. Peter Friedl (Radboud Institute for Molecular Life Sciences, Nijmegen) recentelijk een Consolidator Grant van de European Research Council ontving. In samenwerking met de Duitse bedrijven LaVision (Bielefeld) en Grintec (Jena) zal Friedl deze subsidie van twee miljoen euro inzetten om de geavanceerde multifotonmicroscopie tot een dusdanig niveau te tillen, dat men hiermee in staat is tumoren in hun eigen micromilieu en real-time te bestuderen. Een primeur in de wereld.
Tumorprogressie, -metastasering en -respons op behandeling zijn in grote mate afhankelijk van de dynamische interactie tussen de tumorcellen en het omliggende weefsel. Zo biedt dit weefsel bijvoorbeeld steun, groeifactoren en de mogelijkheid tot extravasatie via de circulatie. Met behulp van moleculaire en immuunhistochemische technieken kan al veel informatie worden verkregen over de relatie tussen de tumorcellen en het omliggende weefsel. Meestal betreft deze informatie het expressieniveau van specifieke eiwitten of de histologie van de tumor. Een belangrijke beperking van deze benaderingen is echter dat de verkregen informatie in principe momentopnames betreft. Met behulp van zogenoemde intra-vitale microscopische technieken, zoals de multifotonmicroscopie, heffen onderzoekers deze beperking voor een groot deel op.
Multifotonmicroscopie
Met een multifotonmicroscoop kan men cellen of andere structuren die met fluoroforen zijn gelabeld in beeld brengen. Vaak worden deze fluorescerende moleculen door middel van genetische manipulatie aan een eiwit gekoppeld en in een cel of organisme tot expressie gebracht. Denk bijvoorbeeld aan green fluorescent protein. In veel andere gevallen zijn de fluoroforen aan antilichamen gekoppeld die bijvoorbeeld aan antigenen op tumorcellen of leukocyten binden. De fluoroforen geven uit zichzelf geen licht af, maar doen dit pas na excitatie door twee fotonen afkomstig uit een infrarode laser. Cellen of structuren die met deze fluoroforen zijn gelabeld kunnen met de multifotonmicroscoop zeer specifiek zichtbaar worden gemaakt en in de tijd worden gevolgd. Op deze manier kan men bijvoorbeeld in kaart brengen waar in een tumorcel bepaalde eiwitten tot expressie komen of hoe de histologie van een tumor verandert na behandeling.1
Door gebruik te maken van verschillende fluoroforen kunnen zelfs meerdere eiwitten of structuren tegelijk geanalyseerd worden. Denk bijvoorbeeld aan de herkenning van groene tumorcellen door rode T-cellen in een blauwe extracellulaire matrix. Friedl’s onderzoeksgroep heeft op dit gebied wereldwijd een leidende positie en gebruikt momenteel zes verschillende kleuren tegelijk en verwacht hier binnenkort een zevende aan toe te voegen.
Centrum
Hoewel de fysische eigenschappen van de multifotonmicroscopie onderzoekers in staat stellen om fluoroforen tot op een diepte van ongeveer één millimeter in de weefsels te exciteren, is dit nog niet diep genoeg om het gedrag van tumoren adequaat in beeld te brengen. De eerste stap in het door Friedl en partners verkregen project is dan ook om de multifotonmicroscoop dusdanig aan te passen dat men veel dieper in een tumor kan ‘kijken’.
Friedl’s truc is om de huidige multifotonmicroscoop in het Preclinical Imaging Centre van het Radboudumc te combineren met een optische naald, een soort micro-endoscoop, die weinig trauma veroorzaakt. “Deze optische naald kan dan in het centrum van de tumor worden gedreven en via een venstertje bijvoorbeeld de groei en dood van fluorescerende tumorcellen live in beeld brengen. Momenteel hebben we al een prototype dat werkt en blijkbaar de beoordelingscommissie van ons project overtuigde”, legt Friedl uit.
Het kunnen bestuderen van het centrum van een levende tumor zou een grote stap voorwaarts zijn. Tot op heden kon men meestal, wegens onvoldoende bereik van de microscopen, slechts de periferie van een tumor onderzoeken. Terwijl centrum en periferie meestal zeer van elkaar verschillen. Friedl: “Uit histologische studies blijkt bijvoorbeeld dat het centrum veel meer necrotisch weefsel bevat dan de periferie. Daarentegen zijn in de periferie juist weer meer infiltrerende leukocyten aanwezig dan in het centrum. Ook verschillen de bloedvaten in het centrum aanzienlijk van die in de buitenste regionen van de tumor. De vaten in het centrum hebben bijvoorbeeld vaak een afwijkende morfologie, lekken meer en functioneren slecht. Wij verwachten dan ook dat tumorcellen in het centrum anders functioneren dan cellen in de periferie.”
Modellen
Met deze geavanceerde multifotonmicroscoop eenmaal in handen zullen Friedl en zijn medeonderzoekers zich onder andere focussen op de reactie van tumoren op radio-, chemo- en immunotherapie. “Sinds vele jaren houd ik me bezig met de identificatie van biologische mechanismen die ten grondslag liggen aan tumorresistentie en -metastasering. Gaandeweg realiseerden we ons dat biologische processen in de periferie van een tumor anders verlopen dan in het centrum. Om het centrum te kunnen bestuderen moesten we eerst de juiste technologie ontwikkelen en deze vervolgens te gebruiken in de context van relevante preklinische tumormodellen. Als we die combinatie weten te bereiken is dat een unicum.”
In het project zullen in eerste instantie in-vitro- en preklinische diermodellen voor huid- en borsttumoren worden toegepast, waarna klinisch relevante bevindingen met behulp van humaan tumorweefsel zullen worden geverifieerd. Wat de diermodellen betreft, geeft Friedl de voorkeur aan een combinatie van muizen met endogene tumoren en immuundeficiëntie muizen met humane tumoren. De eerstgenoemde modellen geven meer toepassingsmogelijkheden op het gebied van immunotherapie met bijvoorbeeld T- of dendritische cellen, terwijl de humane tumormodellen in immuundeficiëntie muizen een betere translatie naar de kliniek mogelijk maken.
“Tumoren van muizen gedragen zich biologisch en klinisch nou eenmaal anders dan humane tumoren. Tot nu toe hadden muizen met endogene tumoren dan ook weinig voorspellende waarde voor de kliniek”, vult Friedl aan. “Voor de modellen met humane tumoren zullen we gebruikmaken van genetisch gemanipuleerde cellijnen, maar ook van zogenoemde organoids, kleine tumoren die in vitro onder invloed van specifieke cytokinecocktails uit primaire tumorcellen worden gekweekt.”
Toekomst
“Als het ons eenmaal is gelukt om met onze optische naald levende tumoren in diermodellen te bestuderen, kan ik me zelfs in de toekomst toepassingen bij de mens voorstellen. Niet alleen voor kanker, maar ook voor andere ziekten zoals degenerative hersenziekten. Je moet de patiënten dan wel een tracer geven om met de multifotonmicroscoop structuren of cellen waar te kunnen nemen. Vervolgens zou je dan bijvoorbeeld kunnen onderzoeken of en hoe een ziek orgaan of weefsel reageert op therapie en daar het vervolg van de behandeling op aanpassen. We moeten dan uiteraard wel eerst aantonen dat de techniek tolereerbare schade en veranderingen aan het weefsel teweeg brengt en veilig is. Dit is dan ook een belangrijk onderdeel van het project”, besluit Friedl.
Referentie
1. Alexander S, et al. Curr Opin Cell Biol 2013;25:659-71.
Dr. R. van der Voort, wetenschapscorrespondent
Oncologie Up-to-date 2013 vol 5 nummer 2
Film 1. Klik hier voor een opname van delende melanoomcellen (groen) in een netwerk van collageenbundels (blauw). Mitose is in een aantal cellen duidelijk zichtbaar.
Film 2. Klik hier voor een opname van sheets van tumorcellen (lichtblauw) te midden van bloedvaten (groen) en collageen (rood). De beweging van de tumorcellen is goed te zien.