Resistentie tegen gerichte geneesmiddelen: het gewicht van NCSC

De ontwikkeling van gerichte kankermedicijnen de laatste tien jaar heeft veel enthousiasme opgewekt. De respons van de tumor op die geneesmiddelen is ronduit spectaculair. Maar mooie liedjes duren niet lang. Na enkele maanden behandeling slaat de balans weer om en zal de tumor nagenoeg altijd weer gaan groeien. De tumorcellen worden resistent tegen de behandeling die de patiënten krijgen. Het melanoom is een referentiemodel voor onderzoek van gerichte geneesmiddelen. De helft van de patiënten met een melanoom vertoont de V600E- mutatie van het BRAF-gen. Vandaar het idee om specifiek het oncogen dat bij die mutatie ontstaat, te blokkeren. En de tumor blijkt inderdaad zeer gevoelig te zijn voor de BRAF-remmers (BRAF V600E-remmers), die de laatste tien jaar zijn ontwikkeld, maar wordt daarna resistent. Volgens Pierre Close, hoofd van het laboratorium voor signalisatie bij kanker in het GIGA van de Universiteit van Luik, is het optreden van resistentie vooral toe te schrijven aan een nieuwe mutatie, een mutatie van het MEK-gen. Daarom is beslist de patiënten te behandelen met een combinatie van een BRAF-remmer en een MEK-remmer. Met die behandeling duurt het tweemaal langer voor er resistentie optreedt, maar kan het optreden van resistentie toch niet worden vermeden. Uitgaande van het principe dat het optreden van resistentie er hoofdzakelijk mee te maken heeft dat de behandeling niet alle kankercellen doodt, voert het laboratorium dat wordt geleid door Chris Marine, hoogleraar aan de KULeuven en codirecteur van het VIB Center for Cancer Biology, onderzoek uit om de residuele cellen te identificeren en te karakteriseren. Die cellen leggen eerst tolerantie voor de kankermedicijnen aan de dag, worden er vervolgens resistent tegen en beginnen zich dan weer te vermenigvuldigen. "Het onderzoek ad hoc stoot echter op een groot probleem: het is ethisch misschien niet aanvaardbaar om biopsies uit te voeren bij patiënten die op een behandeling reageren, in casu een behandeling met een BRAF- en een MEK-remmer" , legt Chris Marine uit. "Om dat te omzeilen, hebben we PDX-modellen ( Patient Derived Xenografts) ontwikkeld. Als een biopsie wordt uitgevoerd bij een patiënt bij wie een diagnose van melanoom met BRAF-mutatie wordt gesteld, planten we het biopt in bij immunogedeprimeerde muizen om een avator van de humane tumor te genereren." We hebben de muizen dan behandeld met BRAF- en MEK-remmers. Net zoals bij de mens regresseerden de tumoren eerst, maar staken ze daarna weer de kop op. Door middel van single cell sequencing, een techniek waarbij de genetische informatie (DNA, RNA, ...) van één enkele cel kan worden geanalyseerd, heeft de groep van Chris Marine in 2018 (1) kunnen aantonen dat vier subpopulaties van residuele cellen kunnen ontsnappen aan de behandeling via activering van zeer uiteenlopende, specifieke programma's: stamcellen van de neurale kam ( neural crest stem cells of NCSC), mesenchymal-like cellen (die het profiel aannemen van mesenchymale stamcellen), cellen met een zeer gedifferentieerd karakter en transitoire cellen, pseudostarved-like cellen genoemd, die snel na het starten van een behandeling met een BRAF-/MEK-remmer verschijnen. Uit die laatste cellen ontstaan de bovenvermelde andere drie soorten cellen naargelang wordt geopteerd voor een programma van differentiatie of een programma van dedifferentiatie. Om aan de behandeling te ontsnappen, mogen de tumorcellen zich niet meer vermenigvuldigen. De NCSC en de mesenchymal-like cellen evolueren naar dedifferentiatie in tegenstelling tot de subpopulatie van cellen die de weg van differentiatie volgen (en pigment vormen net zoals melanocyten). Differentiatie, dedifferentiatie, twee strategieën van cellulaire plasticiteit, die een soortgelijk resultaat opleveren: de cellen gaan in rust en worden tolerant voor de behandeling. "Op een gegeven ogenblik gaat er iets gebeuren waardoor ze hun rusttoestand verlaten en resistent worden", zegt prof. Marine. Dat zou een genetisch gebeuren kunnen zijn. Bijvoorbeeld een mutatie van het MEK-gen zou de cellen ongevoelig kunnen maken voor MEK-remmers, of een amplificatie van het BRAF-gen (waardoor de cellen dus een groter aantal allelen van het BRAF-gen bevatten en ongevoelig worden voor BRAF-remmers). De groep van Chris Marine heeft recentelijk aangetoond dat de cellen ook via niet-genetische en meer bepaald epigenetische mechanismen ongevoelig kunnen worden voor de behandeling, dus los van enige genmutatie (publicatie in Cancer Cell op 9 augustus 2021) (2). De vorsers van het VIB hebben vastgesteld dat de samenstelling van de populatie van cellen die tolerant zijn voor een behandeling met BRAF-/MEK-remmers, verschilt naargelang van het PDX-model. "Elke tumor bevat een specifieke combinatie van de vier tolerantietoestanden. De resistentiemechanismen kunnen dus verschillen van tumor tot tumor", preciseert Chris Marine. Zijn groep heeft verder aangetoond dat NCSC een sleutelrol spelen bij het optreden van resistentie via epigenetische mechanismen en dat zij de enige zijn, ook al kon worden vermoed dat de mesenchymal-like cellen dat ook zouden kunnen. "Neemt niet weg dat we zoeken naar methoden om beide celpopulaties tegelijkertijd uit te roeien aangezien beide cellen gekarakteriseerd worden door dedifferentiatie", aldus nog Chris Marine. In 20-25% van de PDX-modellen vinden we NCSC. Dat betekent dus dat een behandeling van kankerpatiënten met epigenetische geneesmiddelen (die bijvoorbeeld de methylering van het DNA remmen) in combinatie met BRAF-/MEK-remmers in 75-80% van de gevallen gedoemd zal zijn om te mislukken bij gebrek aan rationele stratificatie van de patiënten. Het is nu de bedoeling dat te omzeilen door analyse van de cellen bij een minimale residuele ziekte (MRD) en om de epigenetische geneesmiddelen dan opnieuw te testen. Zoals in het bovenvermelde artikel in Cancer Cell wordt beschreven, probeert het VIB de biologie van de NCSC te ontrafelen via 40 PDX-modellen. Zo hebben ze een methode ontdekt om die stamcellen uit te roeien. Een andere reden waarom de vorsers belangstelling hebben voor die cellen, is dat de epigenetische mechanismen die leiden tot resistentie tegen de behandeling, veel sneller geactiveerd worden dan de genetische mechanismen. Een mutatie van het MEK-gen of amplificatie van het BRAF-gen in een weinig celrijke populatie komt statistisch zelden voor, aldus Chris Marine, en treedt dus over het algemeen later op dan epigenetische mechanismen. Gezien de heterogeniteit van populaties van cellen die tolerant zijn voor de geneesmiddelen, zal een uitroeiing van de NCSC niet volstaan om alle resistentiemechanismen op te heffen.Aangezien de drie populaties van residuele cellen ontstaan uit de transitoire pseudostarved-like cellen, hadden de biologen van het VIB en de KULeuven nochtans de hypothese geopperd dat ze eventueel via onderling samenhangende mechanismen aan elkaar gekoppeld zouden kunnen zijn zodat de eliminatie van NCSC zou uitmonden in een eliminatie van mesenchymal-like en gedifferentieerde cellen. Uit hun onderzoek is evenwel gebleken dat dit niet zo is. Hoe kunnen de NCSC worden onderdrukt? Uit de studies van het VIB blijkt dat die cellen voor hun groei en ontwikkeling afhangen van de FAK-signalisatieweg (FAK staat voor Focal adhesion kinase). Bij behandeling met een BRAF-/MEK-remmer neemt de FAK-signalisatie trouwens toe. De vorsers hebben kunnen aantonen dat toediening van een FAK-remmer (die al beschikbaar is voor klinische doeleinden) de NCSC-populatie in een minimale residuele ziekte drastisch verlaagt in preklinische PDX-modellen en het verschijnen van NCSC en het optreden van resistentie tegen BRAF- en MEK-remmers afremt. De NCSC worden echter niet volledig uitgeschakeld. "We hebben onze proeven uitgevoerd op immunogedeprimeerde muizen", commentarieert Chris Marine. "We kunnen dan ook niet uitsluiten dat de NCSC die niet door de FAK-remmer zouden worden geëlimineerd, daarna misschien wel door het immuunsysteem van de patiënt worden uitgeschakeld." Bij een melanoom is gezien de variabiliteit van de cellulaire samenstelling bij een minimale residuele ziekte een behandeling op maat vereist. Er is dus nood aan markers van genetische en epigenetische resistentiemechanismen. Die informatie zou onder meer kunnen leren of een combinatie van epigenetische geneesmiddelen en BRAF- en MEK-remmers doeltreffend zou kunnen zijn bij een gegeven patiënt. Aangezien het uitvoeren van tussentijdse biopsies tijdens behandeling met een BRAF-/MEK-remmer ethisch aanvechtbaar is, denken de auteurs van het artikel dat in augustus in Cancer Cell is gepubliceerd, dat "we in de plaats daarvan zouden kunnen zoeken naar niet-invasieve, zeer gevoelige methoden om de cellulaire samenstelling van de minimale residuele ziekte te bepalen uitgaande van vloeibare biopsies." De groep van Chris Marine onderzoekt de residuele ziekte bij meerdere soorten tumoren waaronder longkanker met KRAS-mutatie. Bij die laatste tumor resulteren KRAS-remmers ook eerst in een inkrimping van de tumor, gevolgd door optreden van resistentie. "De vraag is: hebben verschillende kankers bepaalde resistentiemechanismen gemeen en kunnen ze dan met dezelfde epigenetische geneesmiddelen worden behandeld?" , merkt Chris Marine op. De groep van prof. Marine voert ook onderzoek uit met immunotherapie. Immunotherapie is eveneens veelbelovend bij de behandeling van een melanoom. Er bestaat nog geen biomarker die voorspelt of de tumor op de behandeling, zijnde een PD-1-antagonist of een PD-1-antagonist plus een CTLA-4-antagonist , zal reageren. Een PD-1-antagonist alleen werkt niet bij 50-60% van de patiënten en de combinatie, die overigens toxischer is, werkt niet bij 40-50% van de patiënten. Door middel van biopsies afgenomen voor en tijdens de behandeling en single cell sequencing proberen de vorsers van het VIB/de KULeuven de tumorcellen en de immuuncellen in de tumor te omschrijven. Bij analyse van de biopsies van de eerste twintig patiënten hebben ze al markante verschillen tussen responders en non- responders vastgesteld. "Bij de non-responders verschijnen bepaalde celpopulaties, wat niet zo is bij de responders. Die zouden kunnen dienen om biomarkers te ontwikkelen en op grond daarvan zouden we nieuwe combinatietherapieën kunnen ontwikkelen om die mechanismen van intrinsieke resistentie te bestrijden", verklaart Chris Marine. Een van de populaties die tolerant zijn voor geneesmiddelen, doet denken aan NCSC. Er is dus een link tussen de onderzoeken met gerichte geneesmiddelen en die met immunotherapie. Er is echter geen enkele populatie van sterk gedifferentieerde cellen waargenomen. Nog een andere vaststelling: bij bepaalde tumoren blijven de T-lymfocyten in de periferie van de tumor zitten en dringen ze niet in de tumor. Waarom dat zo is, weten we nog niet. Die studies hebben een dubbele doelstelling. In de eerste plaats, de patiënten identificeren bij wie het zin heeft een immunotherapie met een PD-1-antagonist of een PD-1-antagonist plus een CTLA-4-antagonist voor te schrijven. Ten tweede, non-responders omzetten in responders. "Dat is een belangrijke doelstelling, wetende hoe goed de resultaten van immunotherapie kunnen zijn", concludeert Chris Marine.