Het is een frustrerend fenomeen: preklinische studies naar nieuwe medicijnen laten hoopvolle resultaten zien, maar in klinische studies valt de effectiviteit tegen. Met tumor-organoïden en patient-derived xenografts hopen onderzoekers subgroepen patiënten te identificeren bij wie een nieuwe therapie wél kan slagen, en tegelijkertijd niet-werkzame therapieën in een vroeger stadium te kunnen afschrijven.
tekst: Diana de Veld
Internist-oncoloog dr. Marije Slingerland (LUMC) houdt zich in het dagelijks leven vooral bezig met de behandeling van patiënten met slokdarm- en maagtumoren. Zo raakte ze betrokken bij het labonderzoek van biofarmaceutisch wetenschapper dr. Luuk Hawinkels (LUMC). ‘We werken al vier jaar samen’, vertelt Slingerland. ‘Mijn bijdrage zit meer aan de klinische kant, maar ik weet inmiddels ook het een en ander over muismodellen en organoïden.’ Hawinkels: ‘Andersom leer ik veel over patiënten, ik heb bijvoorbeeld poli’s meegelopen met Marije.’ De onderzoekers brengen twee werelden samen, zeggen ze zelf. ‘We hebben ook twee gezamenlijke promovendi’, merkt Slingerland op. ‘We moeten daarom van elkaar begrijpen wat we doen.’
Biobank
Hawinkels onderzoek heeft als rode draad de interactie tussen verschillende celtypen in tumoren. ‘Hoe beïnvloeden de gastheercellen het gedrag van tumorcellen en andersom? Om dat te kunnen bestuderen heb je goede in vitro en in vivo modellen nodig, die zoveel mogelijk lijken op de situatie in een patiënt.’ Hawinkels en Slingerlands oorspronkelijke doel was het aanleggen van een biobank van “basale” driedimensionale organoïden van slokdarm-, maag- en alvleeskliertumoren. Gaandeweg zijn de onderzoekers die modellen gaan verfijnen.
De meeste gangbare tumor-organoïden bestaan alleen uit tumorcellen. ‘Bij tumoren uitgaande van het epitheel zitten in zo’n organoid-model alleen verschillende soorten epitheelcellen, waaronder slijmproducerende cellen of stamcellen. Dat is al meer dan in een conventionele celkweek, maar je mist nog steeds de gastheercellen van de patiënt, zoals fibroblasten – bindweefselcellen – en immuuncellen.’ Maakt dat dan zoveel uit voor het gedrag? ‘Jazeker’, antwoordt Hawinkels. ‘Fibroblasten bijvoorbeeld beïnvloeden onder meer het invasief worden en metastaseren van een tumor.’ ‘Je moet ook bedenken dat tumorweefsel voor een groot deel uit fibroblasten bestaat, bij alvleeskliertumoren soms wel voor 80%’, voegt Slingerland toe.
Fibroblasten toevoegen
Fibroblasten in een tumor hebben zelf geen mutaties zoals die in de tumorcellen gezien worden. ‘Genetisch gezien zijn ze weliswaar stabiel, maar het zijn geen normale fibroblasten’, benadrukt Hawinkels. ‘Ze hebben een geactiveerd fenotype, je zou het ADHD-achtige cellen kunnen noemen. Dat komt door de grote hoeveelheden groeifactoren in de omgeving, geproduceerd door onder andere de tumorcellen.’ Vanwege de belangrijke rol van fibroblasten is dit celtype als eerste toegevoegd aan de tumor-organoïden. ‘In de juiste omgeving en gestuurd door bepaalde groeifactoren organiseren de tumorcellen en de fibroblasten zichzelf tot een multicellulaire organoïden, die histologisch gezien dezelfde structuur hebben als de tumor’, licht Hawinkels toe. ‘Dit model gedraagt zich ook echt anders dan de simpeler modellen. En daarbij blijkt het óók nog relevant of de fibroblasten afkomstig zijn uit tumorweefsel of uit gezond weefsel van dezelfde patiënt. We hebben dit zojuist aangetoond voor tumor-organoïden van vroeg-stadium darmkanker: tumor-organoïden met tumor-fibroblasten gedragen zich anders dan tumor-organoïden met normale fibroblasten.’
Heeft dat dan te maken met epigenetische veranderingen in de fibroblasten? ‘Dat zou kunnen, maar ik denk dat de verdeling van subtypes fibroblasten een grotere rol speelt’, antwoordt Hawinkels. ‘In tumorweefsel is die verdeling anders dan in gezond weefsel, weten we uit zeer recent onderzoek. En de relatieve aanwezigheid van bepaalde subtypes fibroblasten bepaalt bijvoorbeeld of immuuncellen de tumoren binnenkomen of niet. Sommige fibroblasten trekken immuuncellen aan, andere houden ze juist buiten de deur’, legt hij uit.
In kweek zetten
Om de tumor zo goed mogelijk na te bootsen, gebruiken de onderzoekers fibroblasten uit tumorweefsel van de patiënt. ‘Maar hoe goed we daarmee de verdeling van subtypes nu echt kunnen nabootsen, weten we nog niet’, nuanceert Hawinkels. ‘Je moet de fibroblasten namelijk eerst in het laboratorium vermenigvuldigen. Dat zou voor bepaalde subtypes beter kunnen lukken dan voor andere. Misschien selecteer je dus ook deels subtypes die goed groeien in kweek. Wat we wél weten is dat multicellulaire modellen van pancreastumoren na verloop van tijd inderdaad meer differentiëren naar de situatie zoals beschreven in tumoren.’ Zou je dan met normale fibroblasten hetzelfde kunnen bereiken? ‘Ik heb er geen bewijs voor, maar we weten wel dat normale fibroblasten onder invloed van tumorcellen inderdaad meer gaan lijken op tumorfibroblasten, maar of ze ook echt hetzelfde worden…?’, antwoordt Hawinkels.
Organoïdenplatform
Zijn tumor-organoïden ook geschikt voor behandeling op maat voor individuele patiënten? ‘In de ideale wereld zou je zo snel mogelijk na het vaststellen van de ziekte tumor-organoïden kweken en daar medicijnen op testen’, zegt Hawinkels. ‘Maar in praktijk is dat lastig.’ Slingerland: Het kweken van een goed groeiend organoïd duurt te lang. Je kan een patiënt meestal niet weken of maanden laten wachten voor je de behandeling start.’
Meer voor de hand liggend is daarom een algemenere karakterisering. ‘Wij werken aan een organoïdenplatform’, vertelt Hawinkels. ‘Daarin komen dan tumor-organoïden van patiëntengroepen gevormd op basis van eiwitexpressie, mutatieprofiel, receptoren en andere kenmerken die invloed hebben op de tumorbiologie.’ Het idee is dat de tumor-organoïden representatief zijn voor andere patiënten met dezelfde karakteristieken, en dat hun tumor dus op dezelfde manier zal reageren op een behandeling. ‘Je kunt dat gegeven bijvoorbeeld gebruiken wanneer je een klinische trial naar een nieuw middel wilt opzetten’, licht Slingerland toe. ‘Stel, het middel werkt het best op organoïden van patiënten met profiel 1 en 3. Dan kun je specifiek die twee patiëntengroepen includeren in je studie. Zo voorkom je dat je ten onrechte een behandeling afschrijft omdat het niet lijkt te werken, terwijl het bij een specifieke groep patiënten misschien wél werkt.’
Immunotherapie
De onderzoekers willen het platform in de toekomst gebruiken om zich te richten op het uittesten van bekende en nieuwe systemische behandelingen. ‘Immunotherapie is lastiger, daar heb je namelijk immuuncellen voor nodig’, vertelt Slingerland. ‘Maar we willen hier zeker naartoe.’ Hawinkels: ‘Wij en anderen hebben al wat eerste experimenten gedaan. Je hebt dan T-cellen nodig, bij voorkeur van dezelfde patiënt, die tevens tumorspecifieke kenmerken herkennen, het moet ‘klikken’ zogezegd. Dat is tweedimensionaal nog wel te doen, maar driedimensionaal in een organoïd is het nog lastiger.’ Een extra probleem is het succespercentage van de kweek. ‘Het lukt maar in 30-80% van de gevallen om een organoïd te laten groeien, afhankelijk van het tumortype en de “versheid” van het materiaal. Ook voor het kweken van T-cellen ligt het succespercentage in die orde van grootte; voor fibroblasten ligt het rond de 90%. Dat maakt het uitdagend om deze drie celtypes van één patiënt bij elkaar te brengen.’
Commerciële organoïden
Er zijn al commerciële bedrijven die tumor-organoïden aanbieden voor de individuele patiënt. Hoe kijken de onderzoekers daar tegenaan? Hawinkels: ‘Technisch gezien kun je organoïden blootstellen aan verschillende chemotherapeutische middelen en kijken door welke zoveel mogelijk tumorcellen sterven. Maar de vraag is: werkt dat in de patiënt hetzelfde? Je mist toch een aantal cruciale componenten. Zo kan toediening via de circulatie een ander effect hebben dan rechtstreeks toedienen aan cellen. Je mist daarnaast de gastheercellen zoals de fibroblasten, die de efficiëntie van de therapie kunnen beïnvloeden. En je hebt altijd een steekproef van tumorcellen, die niet altijd representatief is voor de heterogeniteit die gezien wordt in het tumorweefsel.’ Met diezelfde bezwaren hebben de onderzoekers zelf ook te kampen. ‘Het is niet de holy grail’, stelt Hawinkels. ‘Die heterogeniteit van tumorweefsel stelt ons bijvoorbeeld voor onoplosbare problemen: je kunt dit immers nooit geheel checken met de patiënt. Dan zou je al het tumorweefsel moeten analyseren.’
Muismodellen
Behalve de tumor-organoïden werken de LUMC’ers ook met tumoren in muismodellen, zogenoemde patient-derived xenografts (PDX). ‘De techniek is op zich eenvoudig: je plaatst een stukje menselijke tumor onder de huid van een muis zonder afweersysteem’, vertelt Slingerland. ‘Zo’n 10% tot 70% van de tumoren gaat dan groeien, afhankelijk van het tumortype.’ Een voordeel van PDX is dat het hele spectrum aan cellen in de tumor in het model zit, inclusief bloedvaten en fibroblasten, al worden beiden na een tijdje vervangen door die van muizen. Een ander voordeel is dat je therapie kunt toedienen via de bloedbaan, net als in de klinische praktijk. ‘Maar het is natuurlijk wel een muis’, zegt Hawinkels. ‘Immuuncellen heb je in principe niet, hoewel er ontwikkelingen zijn om muizen te voorzien van menselijke immuuncellen. Voorlopig zijn dat echter nog heel kostbare en complexe modellen.’
Tumor-organoïden en PDXen hebben voor- en nadelen – bij PDXen tellen bijvoorbeeld ook de ethische bezwaren. Ze zijn complementair in gebruik, vinden de onderzoekers. ‘Bij organoïden mis je de circulatie en de tumoromgeving, zoals fibroblasten en immuuncellen’, licht Hawinkels toe. ‘Je kunt dan niet bepalen hoeveel medicatie in de tumor accumuleert.’ Naast PDXen en organoïden bestaan er nog andere modellen, onder andere de organ-on-chip. Daarin worden organoïden en fibroblasten gecombineerd en ook geperfundeerd, om de bloedsomloop te simuleren. De Leidse onderzoekers werken hier op dit moment wel mee, maar nog niet voor oncologische toepassingen.
Welke toekomst zien de onderzoekers voor tumormodellen? ‘Ik zie veel mogelijkheden, maar de toekomst moet leren hoeveel het daadwerkelijk gaat opleveren’, antwoordt Slingerland. Hawinkels: ‘De trend is wel dat tumormodellen steeds verfijnder worden. We hebben lang gewerkt met een tweedimensionale laag cellen, lang geleden geïsoleerd uit de tumor van een patiënt en vele jaren doorgekweekt. Hoewel oudere modellen nog steeds hun waarde hebben, gaan we nu steeds meer naar multicellulaire 3D-modellen.’
Dr. M. Slingerland is in 2011 geregistreerd als internist-oncoloog en werkt in het LUMC. Ze promoveerde in 2014 op het proefschrift Exploring novel formulations and new classes of anticancer drugs in solid tumors. Haar aandachtsgebieden zijn hoofd-halstumoren en tumoren van de bovenste tractus digestivus. Zij is daarnaast onder andere penningmeester van de NVMO en bestuurslid van de DUCG.
Dr. L.J.A.C. Hawinkels studeerde biofarmaceutische wetenschappen in Leiden en promoveerde in het LUMC op onderzoek naar de interactie tussen tumorcellen en het tumorstroma in gastrointestinale tumoren. In 2011 kreeg Hawinkels de Alpe d’HuZes Bas Mulder award en startte zijn eigen onderzoekslijn. Sinds 2015 huist zijn onderzoeksgroep bij de afdeling Maag-, Darm- en Leverziekten van het LUMC, waar hij in 2018 hoofd werd van het onderzoekslaboratorium.
Dit artikel verscheen in Medische Oncologie, juni 2022