Transitie van epitheel naar mesenchym beïnvloedt metastasevorming

Op het ogenblik dat de diagnose van kanker wordt gesteld, vertoont 30% van de patiënten al duidelijke metastasen. Van de overige 70% vertoont de helft microscopische, klinisch nog niet aantoonbare metastasen, die zich pas later zullen manifesteren. Eén van de grote uitdagingen in de oncologie is dan ook de mechanismen ontrafelen die maken dat sommige tumorcellen de oorspronkelijke 'haard' verlaten en zich in andere weefsels en organen gaan nestelen om er een nieuwe kolonie te vormen.Maar dat is een parcours vol hindernissen zodat slechts 0,01% van de kankercellen die wegtrekken, hun tocht tot een 'goed' einde brengen. In het gastheerweefsel kan de kankercel zich meteen vermenigvuldigen en een metastase vormen ofwel rustig blijven zitten en pas maanden of jaren later weer tot leven komen.Onderzoekers van het laboratorium voor stamcellen en kanker van de ULB publiceerden onder leiding van professor Cédric Blanpain in 2018 in het tijdschrift Nature een artikel1 (eerste auteur Ievgenia Pastushenko). Daarin beschrijven ze de verschillende overgangstoestanden van kankercellen tijdens de evolutie naar kanker bij muizen en maken ze ook gewag van subpopulaties van tumorcellen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van metastasen bij huidkanker (meer bepaald spinocellulair carcinoom) en bij twee types borstkanker. Die kankers vertonen alle drie wat nu transitie van epitheel naar mesenchym (EMT) wordt genoemd. Tijdens dat fenomeen verliest de kankercel haar juncties met de omgevende epitheelcellen en verwerft ze de migratiekenmerken van mesenchymcellen, waardoor ze de primaire tumor kan verlaten en zich kan gaan vestigen in weefsels op afstand. Dat is althans wat de op dat ogenblik dominante theorie stelde. Recente onderzoeken spreken echter het belang van EMT bij metastasering tegen. Daarom heeft de groep van Cédric Blanpain een nieuwe studie uitgevoerd, die in november 2019 werd gepubliceerd in Cell Reports2. De conclusie van die studie is klaar en duidelijk: transitie van epitheel naar mesenchym speelt wel degelijk mee bij de vorming van metastasen.Maar laten we niet overhaast te werk gaan. Laten we eerst even kijken naar de publicatie in 2018 in Nature. Die studie werd uitgevoerd door het laboratorium voor stamcellen en kanker in samenwerking met de groep van Thierry Voet (KULeuven) en Isabelle Salmon (Erasmusziekenhuis/ULB). Daarin tackelden de onderzoekers de volgende vraag: is de transitie van epitheel naar mesenchym een binair fenomeen, waarbij epitheliale kankercellen veranderen in mesenchymcellen, een soort aan-uitfenomeen, of zijn er tussenstappen, wat dan zou kunnen wijzen op een continuüm? De tweede hypothese blijkt de juiste te zijn."We dachten wel dat er cellen bestaan met een verschillende mate van EMT en telkens ook een ander metastaseringspotentieel, maar die vraag was nog niet formeel gesteld of onderzocht", zegt Cédric Blanpain. De vorsers van de ULB en met name Ievgenia Pastushenko hebben honderden monoklonale antistoffen getest die oppervlaktemoleculen herkennen. Op grond daarvan hebben de biologen meerdere 'moleculaire signaturen' op het oppervlak van de kankercellen geïdentificeerd. Ze voerden dan sequencing uit op het niveau van één enkele cel om de genen te analyseren die door de verschillende kankercellen tot expressie worden gebracht, en om zo de moleculaire signatuur van alle populaties van kankercellen te identificeren.Cédric Blanpain en zijn team vonden zeven subpopulaties van cellen in een min of meer gevorderd stadium van EMT terug met aan het ene uiterste strikt epitheliale cellen en aan het andere strikt mesenchymale cellen. Daartussen bevonden zich de cellen van de geïdentificeerde vijf subpopulaties met een intermediair, hybride profiel, d.w.z. gelijktijdige expressie in wisselende mate van epitheliale en mesenchymale markers.De zeven subpopulaties van tumorcellen bevonden zich dus in verschillende stadia van transitie van epitheel naar mesenchym, waarbij alle tumorcellen specifieke genen tot expressie brengen en, zeer belangrijk, functioneel niet gelijkwaardig zijn. Elke subpopulatie heeft een welbepaalde functie. Sommige subpopulaties werken vooral in de primaire tumor en bevorderen de ontwikkeling van de tumor. Andere zullen uitzaaien en zo bijdragen tot het metastaseringsproces.Welke cellen gaan secundaire haarden koloniseren? Onderzoekers dachten hierbij vooral aan de cellen zijn die een volledige transitie hebben doorgemaakt. Maar dat blijkt niet zo te zijn. Het zijn de cellen met een intermediair epitheliaal-mesenchymaal fenotype. Maar niet onverschillig het welke. "De meest gemetastaseerde cellen waren de cellen in een vroeg stadium van EMT", legt Cédric Blanpain uit. "Misschien is dat de reden waarom het daarna gemakkelijk is weer naar een epitheliale toestand te evolueren." In een studie die in november 2019 in Cell Reports werd gepubliceerd, werd aangetoond dat de tumorcellen die in de secundaire haard aankomen, opnieuw een epitheliale toestand aannemen en dus een omgekeerde transitie doormaken, een transitie van mesenchym naar epitheel (MET), om een metastase te kunnen vormen.Ievgenia Pastushenko, de eerste auteur van het artikel dat in 2018 in Nature werd gepubliceerd, herinnerde eraan dat lange tijd werd gedacht dat tumoren slechts uit één type cellen bestonden. Geleidelijk aan werd het duidelijk dat de werkelijkheid complexer is dan dat en dat subpopulaties van kankercellen specifieke functies moesten vervullen. De vorsers van het laboratorium voor stamcellen en kanker ontrafelden mechanismen die leiden tot die specialisatie, en toonden aan dat die specialisatie invloed heeft op de manier waarop de verschillende, in 'niches' gegroepeerde cellen werken.Dat alles heeft ons een veel beter inzicht gegeven in hoe een tumor verergert en eventueel metastasen vormt. Het onderzoek heeft ook uitgewezen dat een aantal van de geïdentificeerde zeven subpopulaties van cellen veel resistenter zijn tegen chemotherapie dan andere.De ontdekking dat de verschillende subpopulaties van cellen verschillende functies uitoefenen, kan ons op het spoor zetten van nieuwe diagnostische, prognostische en therapeutische middelen. "We ontdekten een molecule die tot expressie wordt gebracht door een subpopulatie die verantwoordelijk is voor de vorming van metastasen. En het toeval wil dat er al een geneesmiddel bestaat dat deze molecule blokkeert. We hebben het in ons laboratorium getest en het blijkt inderdaad de vorming van nieuwe metastasen tegen te gaan", rapporteerde Cédric Blanpain in 2018.In 2017 publiceerde het laboratorium voor stamcellen en kanker een artikel in Cell Stem Cell3 met als eerste auteur Mathilde Latil. Daarin beschrijft de groep dat bepaalde huidkankers bij muizen een transitie van epitheel naar mesenchym vertoonden en andere niet. Twee jaar later hebben de vorsers een omstreden punt onderzocht: vormen muizen bij wie een EMT wordt vastgesteld, al dan niet meer metastasen dan andere? Het antwoord dat ze in Cell Reports hebben gepubliceerd, is ontegensprekelijk ja. "We gebruikten twee verschillende modellen van spinocellulair carcinoom van de huid, een met een spontane EMT tijdens de vorming van de tumor en een ander zonder", legt Cédric Blanpain uit. "In het eerste model heeft 50% van de muizen metastasen ontwikkeld en in het tweede 10% en bij die 10% werd dan nog een lichte mate van EMT vastgesteld."Maar dat is nog niet alles. De groep van de ULB kon ook aantonen dat de meeste metastasen weinig tekenen van EMT vertoonden. Met andere woorden, als cellen die een EMT hebben ondergaan, op de plaats van metastasering aankomen, leggen ze de omgekeerde weg af, een transitie van mesenchym naar epitheel (MET). Daaruit blijkt dus het belang van de tijdelijke toestanden van de tumorcellen en hun plasticiteit tijdens het metastaseringsproces. Tumorcellen veranderen dus tweemaal van 'kostuum'. Voorzichtigheid is echter geboden. Het zou immers kunnen dat een behandeling die EMT tegengaat, het aantal maligne cellen dat uit de primaire tumor kan ontsnappen, drastisch verlaagt. Toch kan zo'n behandeling ook de groei in de hand werken van metastasen ontstaan uit cellen die al zijn uitgezaaid voor de behandeling wordt gestart of die 'tussen de mazen van het medicamenteuze net' zijn geglipt.Activering van bepaalde genen (ZEB1, SNAIL, TWIST1,...) werkt EMT in de hand, maar wat de omgekeerde transitie bewerkstelligt, weten we nog niet. Er wordt actief gezocht naar factoren die EMT in de primaire tumor en MET in de gemetastaseerde haarden stimuleren. "We weten onder meer dat een gedeelte van de genen die bijdragen tot EMT, geactiveerd wordt door de micro-omgeving van de tumor en meer bepaald de ontsteking", commentarieert professor Blanpain. "Sommige eiwitten zoals TGF-bèta bevorderen die overgang. Ook hypoxie en een tekort aan voedingsstoffen zouden zo'n transitie in de hand kunnen werken."Bij transitie van epitheel naar mesenchym verdwijnt de EpCAM-marker op het oppervlak van de kankercellen. Detectie van circulerende tumorcellen voor diagnostische doeleinden of voor het ramen van de prognose is momenteel hoofdzakelijk gebaseerd op de expressie van dat eiwit. Circulerende tumorcellen, kankercellen die 'in transit' zijn in de bloed- of lymfevaten, worden beschouwd als precursoren van metastasen. Het aantal circulerende tumorcellen zou klinisch correleren met het risico op vorming van metastasen en de respons op de kankertherapie. Maar is EpCAM, een marker van epitheel, wel een optimale marker? In de studie van de groep van Cédric Blanpain werden circulerende tumorcellen opgespoord door bepaling van de expressie van een fluorescerend eiwit en niet door bepaling van de expressie van bekende markers en met name EpCAM. Die 'klopjacht' heeft geleerd dat circulerende tumorcellen altijd gepaard gingen met de metastasen (long- en lymfekliermetastasen), die door de vorsers werden waargenomen, terwijl 80% van die cellen EpCAM-negatief was als gevolg van EMT."EpCAM is dus duidelijk geen goede marker van circulerende tumorcellen", benadrukt Cédric Blanpain. En Tatiana Revenco, eerste auteur van het artikel dat in november 2019 werd gepubliceerd in Cell Reports, voegt er nog aan toe: "We hebben nieuwe methoden nodig die gebruik maken van markers die circulerende tumorcellen in EMT herkennen, om de aanwezigheid van dergelijke cellen bij kankerpatiënten te volgen." Het laboratorium voor stamcellen en kanker heeft overigens een universele marker van circulerende tumorcellen ontdekt, maar wil daar nog niet veel over zeggen in afwachting van de publicatie van de resultaten.Als transitie van epitheel naar mesenchym noodzakelijk is om metastasering van een spinocellulair huidcarcinoom in gang te zetten, is dat dan zo bij alle kankers? "Op dit ogenblik kunnen we alleen zeggen dat we denken dat bepaalde borstkankers (basal-like en drievoudig negatieve borstkanker) EMT nodig hebben om te metastaseren", zegt professor Blanpain. "Bij pancreaskanker is aangetoond dat blokkering van de EMT het aantal metastasen gevoelig doet dalen. Er zijn dus zeer invasieve kankers die een transitie van epitheel naar mesenchym vertonen, die correleert met het optreden van metastasen. Maar misschien hebben andere kankers zoals colorectale kanker en luminale borstkanker geen EMT nodig om te metastaseren? Waarom? Dat blijft een open vraag."1. Pastushenkpo I. et al. Identification of the tumour transition states occurring during EMT. Nature 2018, Apr;556(7702):463-468. doi: 10.1038/s41586-018-0040-3. Epub 2018 Apr 18.2. Revenco T. et al. Context dependency of epithelial to mesenchymal transition for metastasis. Cell Reports 2019, Nov 5;29(6):1458-1468e3. doi: 10.1016/j.celrep.2019.09.0813. Latil M. et al. Cell-Type-Specific Chromatin States Differentially Prime Squamous Cell Carcinoma Tumor-Initiating Cells for Epithelial to Mesenchymal Transition. Cell Stem Cell 2017, Feb 2;20(2):191-204.e5. doi: 10.1016/j.stem.2016.10.018. Epub 2016 Nov 23.