Als men wil weten of de tumor van een patiënt zal reageren op een specifiek therapeutisch regime, moet men de reactie van die menselijke tumor, en niet die van een muis tumor, op de therapie onderzoeken
Er zijn talrijke muismodellen ontwikkeld om menselijke kanker te bestuderen. Deze modellen worden gebruikt om de factoren te onderzoeken die een rol spelen bij kwaadaardige transformatie, invasie en metastasering, alsook om de reactie op therapie te onderzoeken. Een van de meest gebruikte modellen is de humane tumor xenograft. In dit model worden menselijke tumorcellen onder de huid of in het orgaantype waarin de tumor is ontstaan, getransplanteerd in immuno-incompromitteerde muizen die de menselijke cellen niet afstoten. De xenograft zal bijvoorbeeld gemakkelijk worden geaccepteerd door athymische naaktmuizen, ernstig gecompromitteerde immunodeficiënte (SCID) muizen of andere immunogecompromitteerde muizen (Morton en Houghton, 2007). Afhankelijk van het aantal geïnjecteerde cellen of de grootte van de getransplanteerde tumor zal de tumor zich in 1-8 weken (of in sommige gevallen 1-4 maanden, of langer) ontwikkelen, en kan de reactie op geschikte therapeutische regimes in vivo worden bestudeerd. Een ander soort diermodel voor het bestuderen van kanker bij de mens is het genetisch gemanipuleerde muismodel (GEM). Het genetisch profiel van deze muizen wordt zodanig gewijzigd dat één of meer genen waarvan wordt aangenomen dat zij betrokken zijn bij transformatie of kwaadaardigheid worden gemuteerd, verwijderd of overgeëxpresseerd; vervolgens wordt het effect van de wijziging van deze genen in de tijd bestudeerd en kan de therapeutische respons op deze tumoren in vivo worden gevolgd. Zowel athymische naaktmuizen als xenografts in muizen waarbij menselijke tumorcellijnen worden gebruikt, worden al tientallen jaren gebruikt om ons inzicht in factoren die de tumorgroei beïnvloeden te vergroten; recente informatie over de belangrijke invloed van de tumormicro-omgeving op tumorgroei en -progressie heeft er echter toe geleid dat meer wordt vertrouwd op GEM-tumormodellen waarbij immunocompetente muizen worden gebruikt, alsmede op het gebruik van primaire menselijke tumorxenografts in gehumaniseerde muismodellen. In feite worden de xenograft-modellen vaak als inferieur aan de GEM-modellen beschouwd. In dit artikel hoop ik aan te tonen dat elk model zijn nut heeft in de kankerdiagnostiek en in preklinische therapeutische modaliteiten.
Er zijn onlangs verschillende criteria voorgesteld voor GEM-modellen van menselijke kankers: (1) muizen moeten dezelfde mutatie dragen als menselijke tumoren; (2) de mutaties moeten binnen de endogene locus worden aangebracht en niet als transgen tot expressie komen; (3) de gemuteerde genen moeten tijdens de embryogenese en de vroege postnatale ontwikkeling geruisloos zijn, behalve bij modellen van geërfde pediatrische tumoren; (4) de mutaties moeten zich binnen de specifieke doelweefsels in geselecteerde celtypes voordoen; en (5) de mutaties moeten in een beperkt aantal cellen optreden. Bijkomende “gewenste kenmerken” zijn dat het tumortype en de anatomopathologie zo veel mogelijk moeten lijken op die welke bij menselijke tumoren worden waargenomen, en dat de ontwikkeling van de tumor dezelfde of vergelijkbare “preneoplastische” stadia moet doorlopen (M. Barbacid, Keystone Symposium on Inflamation, Microenvironment and Cancer, 2008, en persoonlijke communicatie). Een ander belangrijk criterium, dat moeilijk te bereiken is in GEM-modellen, is dat de gastheer/tumoromgeving reproduceerbaar moet zijn in het model. Bovendien, hoewel muis tumormodellen met behulp van GEM zeer nuttig zijn voor het evalueren van de effecten van specifieke mutatie, deletie of gen amplificatie van een of twee genen tijdens de muriene tumor progressie, kunnen zij meestal niet volledig de genetische complexiteit van menselijke tumoren reproduceren. Bijvoorbeeld, bij de mens, maligne melanomen en andere tumortypes met vergelijkbare mate van genetische heterogeniteit vertonen een uitgebreide mate van aneuploïdie, en de specifieke winst of verlies van genen varieert enorm van de ene cel naar de andere binnen dezelfde tumor. Hoewel dit model dus belangrijke sterke punten heeft, zijn er ook aangeboren zwakke punten die het gebruik van deze muizen voor het voorspellen van de reactie van een patiënt op een therapie sterk kunnen beïnvloeden.
Als men wil weten of de tumor van een patiënt zal reageren op een bepaald therapeutisch regime, moet men de reactie van die menselijke tumor, en niet die van een tumor in een muis, op de therapie onderzoeken. Dit is waar de menselijke tumor xenograft op athymische nude muizen, SCID muizen, of niet-obese diabetische (NOD)/SCID gehumaniseerde muizen nuttig kan zijn (Fig. 1). Hoewel sommige componenten van het immuunsysteem ontbreken wanneer men naakt- of SCID-muismodellen kiest, zijn in athymische naaktmuizen de B-cellen, dendritische cellen en granulocyten alle relatief intact, en is er een compenserende toename van zowel de natural killer (NK)-celactiviteit als de tumordodende macrofagen in deze muizen. Bovendien kan men stellen dat, tegen de tijd dat deze metastatische letsels chirurgisch verwijderd of gebiopteerd worden, de tumor reeds ontsnapt is aan de immuunbewaking en het doden van de cellen door de immuuncellen. In dit redactioneel zal ik de voor- en nadelen bespreken van humane tumorxenograften, in vergelijking met GEM-modellen, als methode om de potentiële reacties van tumoren van patiënten op therapie te analyseren (fig. 1).
Typen muismodellen voor het bestuderen van humane kankers.
Er zijn verschillende belangrijke voordelen van het gebruik van humane tumorxenograften om de therapeutische reacties op geneesmiddelen te onderzoeken: (1) men kan het werkelijke menselijke tumorweefsel gebruiken, met de complexiteit van genetische en epigenetische afwijkingen die in de menselijke tumorpopulatie bestaan; (2) menselijke tumorxenograften kunnen worden gebruikt om te helpen bij de ontwikkeling van geïndividualiseerde moleculaire therapeutische benaderingen; (3) binnen enkele weken kunnen resultaten worden verkregen van een menselijke tumorbiopsie betreffende de respons op therapie, terwijl de GEM-modellen vaak wel een jaar nodig hebben om zich te ontwikkelen voorafgaand aan de behandeling met geneesmiddelen; (5) gegevens van weefselmicroarrays en genetische microarrays kunnen gemakkelijk worden verkregen uit menselijk biopsie- en xenograftenweefsel, voor en na de behandeling met geneesmiddelen, voor een uitgebreide analyse voordat de patiënt wordt onderworpen aan een therapie die mogelijk niet werkt; (6) orthotopische xenograften kunnen op de juiste wijze worden geplaatst om het orgaanmilieu waarin de tumor groeit te reproduceren, zodat het effect van de tumor op zijn micro-omgeving kan worden gemoduleerd, zij het met uitzondering van bepaalde T-celpopulaties; (7. stroma van de menselijke tumormicro-omgeving kan in de xenograft worden opgenomen om de menselijke tumormicro-omgeving vollediger na te bootsen; en 8. xenograften waarbij gebruik wordt gemaakt van NOD/SCID-muizen die zijn “gehumaniseerd” door injectie van perifeer bloed of beenmergcellen, maken een vrijwel volledige reconstitutie van de immuunrespons op de tumor mogelijk. Xenograften waarbij menselijke cellijnen worden gebruikt om de respons van geneesmiddelen te testen, correleren vaak niet met klinische activiteit bij patiënten (Kerbel, 2003). Wanneer daarentegen primaire tumoren als orthotope xenograft worden gebruikt, is er een sterkere voorspellende responswaarde, vooral wanneer een klinisch relevante geneesmiddeldosering wordt gebruikt (Johnson et al., 2001; Kerbel, 2003; Scholz et al., 1990). Er zijn drie verschillende soorten respons op therapie die kunnen worden geëvalueerd: effect op de groeisnelheid van de tumor, effect op tumorkrimp/regressie, en overleving. Het effect van een geneesmiddel op de snelheid van tumorgroei of cytostase is vaak voorspellender gebleken voor een klinische respons dan tumorgrimp/regressie (Kelland, 2004). Bovendien zijn subcutane tumormodellen die niet orthotopisch zijn en geen geschikte plaatsen voor menselijke tumoren vertegenwoordigen, niet voorspellend wanneer zij worden gebruikt om reacties op anti-kankermedicijnen te testen (Killion et al., 1998). Een uitdaging bij orthotope modellen, in vergelijking met subcutane modellen, is de moeilijkheid om de tumorgroei te volgen. De recente ontwikkeling van nieuwe magnetische resonantie beeldvormende (MRI) en micro-beeldvormende technieken kunnen dit probleem echter minimaliseren.
Er zijn verschillende andere nadelen en uitdagingen van het gebruik van het xenograft muismodel voor het controleren en/of voorspellen van therapeutische reacties bij kanker. Orthotope tumormodellen zijn tijdrovend, duur en technisch uitdagend. Bovendien gaat bij gebruik van athymische naakt- of SCID-muizen de lymfocyten-gemedieerde respons op de tumor verloren, d.w.z. naaktmuizen verliezen bepaalde T-celresponsen en SCID-muizen verliezen zowel hun T- als hun B-celresponsen. Deze immunologische tekorten kunnen in principe echter grotendeels worden verholpen door menselijke tumoren te enten op “gehumaniseerde” NOD/SCID-muizen. Dit vermindert aanzienlijk veel van de nadelen van de orthotope humane tumor xenograft modellen voor het bestuderen van de therapeutische respons. Een volledig herstel van het immuunsysteem in de “gehumaniseerde muis” is echter niet mogelijk, aangezien het herstel van HLA klasse I- en klasse II-selecterende elementen in T-celpopulaties een uitdaging blijft (Bernard et al., 2008). Om deze experimenten uit te voeren moeten de pasgeboren muizen bovendien worden bestraald en vervolgens worden geënt met menselijke CD34+ hematopoietische stamcellen uit menselijk navelstrengbloed. De timing van het verkrijgen van navelstrengbloed, het bestralen van de pasgeboren muizen en het verifiëren van het gehumaniseerde fenotype van de NOD/SCID muizen na enting, maakt deze procedure vrij omslachtig, maar zeer waardevol.
Ondanks de nadelen van het xenograftenmodel voor het voorspellen van de klinische respons op therapie, zijn er een aantal belangrijke successen. Zo reageren xenograften van multipel myeloomcellijnen in syngene muizen op de proteasoomremmer bortezomib/VELCADE®, die veelbelovend is gebleken voor de behandeling van multipel myeloom (LeBlanc et al., 2002; Moreau et al., 2008; Oyajobi and Mundy, 2003). De combinatie van bortezomib en melphalen werd voor het eerst effectief bevonden voor de behandeling van multipel myeloom in preklinische xenograft trials, en dit leidde tot succes in klinische trials, gevolgd door een aanbevolen nieuwe standaard van klinische zorg voor multipel myeloompatiënten ouder dan 65 jaar (Mateos et al., 2006; Mitsiades et al., 2003). Herceptin bleek de antitumoractiviteit van paclitaxel en doxorubicine tegen HER2/neu-overexpressieve borstkankerxenotransplantaten te versterken, wat leidde tot succesvolle klinische trials (Baselga et al., 1998; Sporn and Bilgrami, 1999). Neutraliserende antilichamen gericht tegen vasculaire endotheliale groeifactor receptor 2 (VEGFR2) in combinatie met paclitaxel bleken effectief te zijn in het remmen van tumorgroei en het remmen van metastatische verspreiding in een orthotopisch xenograft model (Davis et al., 2004). Dit werk werd gevolgd door de ontwikkeling van bevacizumab, een gehumaniseerd monoklonaal antilichaam dat gericht is tegen vasculaire endotheliale groeifactor A (VEGF-A). Bevacizumab was effectief in klinische fase III-onderzoeken voor colorectaal en niercarcinoom en kreeg in 2004 goedkeuring van de FDA (Hurwitz et al., 2004; Yang et al., 2003). Bovendien zijn xenotransplantaatmodellen in muizen nuttig om te anticiperen op de toxiciteit van gerichte therapieën en, in andere gevallen, om mogelijke voorspellende biomarkers van doelwitmodulatie te identificeren. Hoewel dit slechts enkele voorbeelden zijn van het succesvolle gebruik van xenograftstudies, is het duidelijk dat voor vele soorten menselijke tumoren de informatie die is verkregen uit orthotope xenograftstudies in muizen met menselijke tumoren, heeft geleid tot informatie die is omgezet in succesvolle klinische trials.
De voordelen van de GEM zijn dat: (1) de muizen immunocompetent zijn, zodat de tumormicro-omgeving zoveel mogelijk kan worden gespiegeld in een muizen tumormodel; (2) specifieke genetische afwijkingen die aanwezig zijn in menselijke tumoren kunnen worden gereproduceerd, op een induceerbare manier, op specifieke leeftijden in het weefseltype van oorsprong; (3) de stadia van tumorprogressie kunnen in de tijd worden bestudeerd; en (4) verschillende therapeutische benaderingen kunnen worden onderzocht in verschillende stadia van tumorontwikkeling. Genetische modellen zijn ook nuttig in gehumaniseerde muizen, waar menselijke genen, zoals de cytochroom P450 genen of menselijke tumorantigenen, tot expressie worden gebracht in muizen om het metabolisme van geneesmiddelen of immunologische reacties op de tumor te volgen (Talmadge et al., 2007). De nadelen van de GEM zijn, ten eerste, dat de complexiteit van de menselijke tumor niet op betrouwbare wijze kan worden nagebootst en, ten tweede, dat tumoren in muizen geen menselijke tumoren zijn en vaak niet voorspellen wat er in de menselijke tumor zal gebeuren met betrekking tot de therapeutische respons. We kunnen veel tumoren in de muis genezen, maar er is geen directe correlatie tussen de respons in de muis en de respons in de kliniek.
Samenvattend zijn zowel de orthotope humane tumor xenograft en de GEM modellen nuttig voor het vergroten van ons begrip van de ontwikkeling en behandeling van kanker. Elk heeft zijn sterke punten en beperkingen, waarbij de orthotope menselijke tumor xenograft uitstekend is voor het voorspellen van de respons op geneesmiddelen in menselijke tumoren, en het GEM-model het beste is voor het onderzoeken van de rol van specifieke genen in de ontwikkeling en progressie van tumoren. Welk model ook wordt gebruikt om de klinische respons bij patiënten te voorspellen, het is belangrijk dat de tumorgroei voor ten minste 50% wordt geremd om een gekwalificeerde “respons” op de therapie te bereiken, en dat klinisch relevante doseringen van therapeutische middelen worden gebruikt en de overleving wordt gecontroleerd. Bovendien is het belangrijk vast te stellen of de tumorgroei terugkeert wanneer het geneesmiddel wordt gestaakt, en zo ja, of de hergroei sneller is wanneer de behandeling wordt gestaakt dan vóór het begin van de behandeling. Als dit het geval is, ondanks een eventuele respons op de behandeling met geneesmiddelen, raadt het rebound-effect het gebruik van dat behandelingsregime met geneesmiddelen af voor tumortypes die een rebound-effect vertonen. Kortom, wij beschikken niet over ideale muismodellen van menselijke tumoren, maar moeten leren onze gegevens te interpreteren binnen het kader van de beperkingen van de gebruikte assay.
