Voordat onderzoekers een nieuwe behandeling voor het eerst kunnen testen bij patiënten, is al een lange weg afgelegd: van een eerste wetenschappelijke ontdekking op simpele celkweken tot experimenten op complexe tumormodellen en proefdieren. Er is geen vaste route en onderweg kunnen steeds nieuwe wegen worden ingeslagen.
Al het wetenschappelijk onderzoek bij het Antoni van Leeuwenhoek heeft uiteindelijk hetzelfde doel: kankerpatiënten
beter kunnen behandelen. Bijvoorbeeld door nieuwe medicijnen te ontwikkelen. De weg daar naartoe is lang. Die begint bij een idee, gevolgd door experimenten in het lab. Van heel eenvoudig tot uiterst complex. Gaandeweg vallen vele ogenschijnlijk veelbelovende ideeën af. Bijvoorbeeld omdat de werking van een medicijn tegenvalt. Of omdat
het wel werkt in een schaaltje in het lab, maar niet in een complexere context. Of omdat de schade aan gezond weefsel te groot is. Alleen de meest kansrijke behandelingen die alle eerdere experimenten goed doorstaan, worden uiteindelijk bij mensen getest en kunnen zo misschien resulteren in nieuwe behandelingen.
DE ONDERZOEKSVRAAG
Eureka? Het beeld van de wetenschapper die in zijn badkuip op een briljant idee komt, is allang achterhaald. In werkelijkheid lijkt de onderzoekswereld meer op een soort mierenhoop waarin allerlei mensen elkaar continu
inspireren met ideeën, inzichten en verrassende onderzoeksvragen. Het is niet voor niets dat er bij wetenschappelijke artikelen soms wel dertig auteurs staan vermeld. Wetenschap is teamsport. Een nieuwe onderzoeksvraag kan voortkomen uit een discussie op een congres of tijdens een overleg, of bijvoorbeeld uit een nieuwe technologie. Ook behandeling van patiënten kan aanleiding geven tot fundamentele vragen. Is er eenmaal vanuit een opgekomen vraag een onderzoek gestart, dan zal dat vaak alsnog een heel andere kant opgaan. Omdat een andere richting veelbelovender blijkt, of omdat er eerst meer kennis over iets anders nodig is. Wetenschappers omschrijven hun vak dan ook wel als een spannende ontdekkingsreis waarbij je totaal ergens anders terecht kunt komen dan je had verwacht.
PIRAMIDE
Om onderzoeksvragen te beantwoorden, zijn allerlei methoden beschikbaar – en het aantal blijft groeien. Je kunt het labonderzoek zien als een piramide, met onderaan het meest eenvoudige onderzoek, daarboven complexere experimenteermodellen en helemaal aan de top dierproeven. Er is geen vaste route: alles hangt af van de onderzoeksvraag. Een onderzoek kan bijvoorbeeld beginnen met een cellijn. Daarmee wordt bedoeld: gestandaardiseerde kankercellen in een petrischaaltje, te koop bij een fabrikant. Met cellijnen kun je bijvoorbeeld checken of een bepaald geneesmiddel de groei van kankercellen remt. Ze zijn eenvoudig in gebruik en kosten relatief weinig tijd en geld. Een nadeel is dat het gedrag van een cellijn maar weinig lijkt op het gedrag van een kankercel in een echte patiënt. Als een medicijn werkt op een cellijn, biedt dat dus geen garanties. Een ander mogelijk startpunt is een computermodel. De computer bootst dan biologische of chemische reacties na, zonder dat er experimenten in het laboratorium aan te pas komen.
STEEDS COMPLEXERE MODELLEN
Na deze eerste experimenten volgen ingewikkeldere modellen, die de werkelijkheid van een tumor in een patiënt beter benaderen. Een voorbeeld van zo’n meer complex model zijn cellijnen afkomstig van een vers stukje tumor van een patiënt. Of een 2D-celkweek van een tumor van een patiënt, waarbij de cellen netjes in een petrischaaltje groeien. Als een medicijn dan nog steeds veelbelovend lijkt, volgen experimenten met bijvoorbeeld tumor-organoïden en tumor-avatars (zie interviews, red.) of een organ-on-a-chip. Dat is een klein stukje glas met daarop heel kleine kanaaltjes en ruimtes, waarin ook menselijke cellen leven. Als een nieuwe behandeling voor een flink aantal van deze toetsen is geslaagd, volgt proefdieronderzoek. Die stap is bij wet verplicht: een behandeling die niet op zoogdieren is getest, mag je niet onderzoeken bij mensen. Als de dierproeven gunstige resultaten laten zien en er dus sterke aanwijzingen zijn dat de nieuwe behandeling werkt, volgen nog verdere analyses door gecertificeerde bedrijven. Daarmee wordt ook de objectiviteit van het onderzoek gegarandeerd. Pas na goedkeuring van bevoegde instanties, zoals het EMEA, kunnen de eerste patiënten met een experimentele behandeling starten. Dan begint dus het klinisch onderzoek.
Dr. Els Hermans en dr. Marieke van de Ven over de rol van dierproeven
‘Geen enkel onderzoeksmodel komt nog in de buurt van een levend organisme’
Dierproeven zijn onderhevig aan strenge regels en voorschriften. Vooraf moet een medisch-ethische toetsingscommissie ze goedkeuren. Een dierexperiment uitvoeren mag bovendien alleen als de onderzoeksvraag niet op een andere manier te beantwoorden is. Is het niet mogelijk om dierproeven over te slaan, nu er steeds verfijndere
modellen als tumor-organoïden en tumor-avatars beschikbaar zijn? ‘Nee, helaas niet’, antwoordt dr. Els Hermans, hoofd van de afdeling Proefdieren. ‘Ik snap dat mensen dat soms denken, want in de media kom je veel hoopgevende quotes tegen. Wij vinden het ook goed en belangrijk dat er aan zulke complementaire modellen wordt gewerkt, maar we zijn er nog lang niet. Een tumor-organoïde of een tumor-avatar kan een proefdier niet vervangen. Een bloedvat in zo’n tumor-avatar kan bijvoorbeeld maar een aantal dagen overleven, en heeft daar ook een andere functie dan in een levend wezen. Hoe iets uitzaait, kun je ook niet zien in zo’n model. Kort gezegd: geen enkel model komt nog in de buurt van een levend organisme met bloedvaten, afweercellen, bindweefsel, zenuwcellen enzovoorts. Sterker nog:
voor bepaald onderzoek, bijvoorbeeld naar hoe een tumor uitzaait of naar de langetermijneffecten van een behandeling, zullen dierproeven waarschijnlijk altijd nodig blijven.’
Marieke van de Ven, hoofd Mouse Cancer Clinic, noemt immuuntherapie als voorbeeld van een behandeling die er zonder dierproeven nooit zou zijn gekomen. ‘Je moet daarvoor een immuunsysteem hebben dat in actie kan komen om de tumor te bestrijden. En daarvoor heb je een compleet organisme nodig, een klompje cellen is hiervoor niet voldoende. Immuuntherapiën kunnen weliswaar in tumor-avatars worden getest, maar in deze modellen
kan niet worden gekeken naar de lange-termijnrespons en de ontwikkeling van resistentie. Overigens zijn dierproeven
niet alleen nodig voor het ontwikkelen van nieuwe medicijnen en het bestuderen van bijwerkingen, maar ook om de biologie van kanker beter te begrijpen. Ook dit heeft uiteindelijk hetzelfde doel: de behandeling van kanker verbeteren door aangrijpingspunten te vinden voor nieuwe behandelmogelijkheden.’
Prof. Jos Jonkers over tumor-organoïden
‘Je kunt nieuwe medicijnen steeds beter toetsen’
Een tumor-organoïde bestaat uit driedimensionale gekweekte cellen die groeien uit tumorcellen van een patiënt. ‘We konden al sinds de jaren vijftig cellen laten groeien in het lab, maar tot voor kort alleen in een plat vlak’, vertelt onderzoeker prof. Jos Jonkers. ‘Een voordeel van driedimensionale kweken is dat je meer verschillende soorten cellen bij elkaar krijgt, net als bij een echte tumor in een patiënt.’ Een tumor-organoïde leent zich onder meer voor het testen van nieuwe therapieën. ‘Bij de voorheen gebruikte celkweken gebeurde het regelmatig dat een medicijn in het lab heel goed werkte, maar bij patiënten helemaal niet. We hopen dat organoïden de werkzaamheid beter kunnen voorspellen. Dat weten we nog niet zeker, want deze organoïden bestaan pas tien jaar.’
Onderzoekers willen graag biobanken van tumor-organoïden aanleggen. ‘Als het lukt om van de cellen van een groot aantal patiënten, bijvoorbeeld met darmkanker, tumor-organoïden te kweken, dan heb je een soort surrogaatgroep van vergelijkbare patiënten om nieuwe therapieën op te testen. Dat biedt voordelen. Stel, een medicijn slaat alleen aan bij tumor-organoïden van patiënten met bepaalde kenmerken. Dan kun je je in vervolgonderzoek juist op die patiëntengroep richten.’
Tumor-organoïden hebben ook hun beperkingen. ‘Er zitten bijvoorbeeld geen afweercellen in. Ook de omgeving
van gezonde cellen ontbreekt, net als bloedvaatjes.’ Er wordt wel gewerkt aan verfijndere modellen om deze elementen in te brengen. ‘Je kunt tumor-organoïden bijvoorbeeld in een proefdier laten groeien, in plaats van in een gel vol voedingsstoffen en groeifactoren. Dan heb je wél de omgeving van gezonde cellen en bloedvaatjes, je kunt dan bijvoorbeeld kijken of een medicijn goed wordt opgenomen en de tumor bereikt. Maar het menselijke afweersysteem ontbreekt nog, al zijn daar ook mogelijke oplossingen voor.’
Jonkers is enthousiast over het steeds bredere palet aan experimenteermodellen in het lab. ‘Je kunt nieuwe medicijnen steeds beter toetsen voordat je aan een onderzoek bij patiënten begint. En dat is hard nodig, want van alle nieuwe behandelingen die dat stadium bereiken, blijkt op dit moment slechts vijf procent succesvol. Door gebruik te maken van alle onderzoekmodellen, van cellijn tot tumor-organoïden en proefdieren, hopen we dat percentage te kunnen verdubbelen. Maar daarvoor zul je wel het hele palet aan experimenteermodellen nodig blijven hebben; met alleen tumor-organoïden red je het niet.’
Dr. Daniela Thommen over tumor-avatars
‘ Alles wat in de oorspronkelijke tumor zit, zit ook in de tumor-avatar’
Dr. Daniela Thommen ontwikkelt met haar onderzoeksgroep modellen die speciaal zijn bedoeld voor onderzoek naar immuuntherapie. ‘Immuuntherapie richt zich niet rechtstreeks op de kankercellen, zoals chemotherapie of bestraling, maar schakelt het immuunsysteem in om de kanker te bestrijden’, vertelt ze. ‘Het is een grote doorbraak: sommige immuuntherapieën werken geweldig. Maar vaak bij hoogstens tien tot vijftien procent van de patiënten. Onderzoekers willen daarom graag nieuwe immuuntherapieën ontwikkelen. Het probleem is dat er te weinig patiënten zijn om al die nieuwe therapieën op te testen. En we kunnen ook nog niet de juiste patiënten aanwijzen die er baat bij kunnen hebben.’
Thommen probeert daarom uit te zoeken hoe immuuntherapie precies ingrijpt op de biologie van de tumor. Die kennis moet helpen om de juiste patiëntengroepen te selecteren én om meer rationeel onderbouwde immuuntherapieën te ontwikkelen. ‘Met muismodellen kun je op zich heel goed onderzoek doen naar immuuntherapie’, zegt Thommen. ‘Bloedvaten, lymfeklieren: alles zit erin. Tegenwoordig kunnen de tumoren zelfs op “natuurlijke” wijze groeien dankzij genetische mutaties in de muizen. Maar om alle mogelijke genetische variaties die bij patiënten voorkomen te bestuderen, zou je honderden verschillende muizen moeten bestuderen. Tumor-organoïden groeien wel op een meer natuurlijke wijze, maar het is niet mogelijk om de architectuur en complexiteit van tumoren in patiënten te behouden.’
Thommen ontwikkelde een nieuw onderzoeksmodel dat een mooie aanvulling biedt op de andere modellen: tumor-avatars. ‘Wij krijgen met toestemming van de patiënt kleine stukjes tumorweefsel die overblijven na een operatie. Die snijden we in fragmenten van ongeveer 1 kubieke millimeter. Vervolgens kweken we ze op, waarna we ze kunnen behandelen met immuuntherapie. Het grote voordeel is dat alles wat in de oorspronkelijke tumor zat, ook in de tumor-avatar zit – dus ook immuuncellen. Een ander voordeel is dat je op de tumor-avatars verschillende immuuntherapieën kunt vergelijken, iets wat niet mogelijk is bij patiënten. We kunnen vaak heel veel stukjes uit één stukje weefsel halen. Die kunnen we invriezen en later ontdooien om een nieuwe combinatie te proberen.’
Thommen en collega’s toonden al aan dat de respons van de tumor-avatars op een veelgebruikte immuuntherapie goed overeenkomt met de respons van de patiënt van wie het tumorweefsel afkomstig was. ‘Dat geeft vertrouwen in de voorspellende waarde van dit nieuwe onderzoekmodel. Toch hebben ook tumor-avatars hun beperkingen. Er zitten bijvoorbeeld geen bloedvaten of lymfeknopen in die een rol spelen bij de immuunrespons van patiënten. Tumor-avatars kun je in tegenstelling tot organoïden niet laten uitbreiden, ze overleven maar een paar dagen in kweek. Ook kun je de effecten op andere organen en weefsels niet onderzoeken. Daarvoor blijven proefdieren nodig. Maar dankzij tumor-avatars en de andere nieuwe onderzoeksmethoden kunnen we proefdieren wel gerichter inzetten.’