3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo

Binnenin de meest hardnekkige tumoren van het lichaam vormt zich vaak een vreemd en gevaarlijk landschap. Terwijl kankercellen met roekeloze snelheid vermenigvuldigen, groeien ze sneller dan hun eigen bloedtoevoer, waardoor er zakken van diepe uithongering ontstaan waar zuurstof niet bij kan komen. Deze gebieden sterven af en veranderen in necrotisch weefsel, een kenmerk van agressieve ziekte dat meestal wijst op een slechte prognose voor de patiënt. Toch herbergt deze dode zone een uniek geheim: het is de enige plek waar bepaalde soorten bacteriën, die niet kunnen overleven in zuurstof, kunnen gedijen. Wetenschappers weten al lang dat deze anaerobe bacteriën van nature op zoek gaan naar deze stervende tumorkernen en zich daar nestelen. Deze ontdekking heeft geleid tot een decennialange inspanning om deze microscopische indringers in bondgenoten te veranderen, door ze genetisch te modificeren om medicijnen toe te dienen of het immuunsysteem te activeren om de kanker van binnenuit aan te vallen.

Voordat deze levende medicijnen echter op mensen getest kunnen worden, moeten onderzoekers bewijzen dat ze veilig en effectief werken. Traditionele laboratoriumtests met platte lagen cellen in een schaaltje slagen er niet in om het dode, zuurstofarme centrum van een tumor na te bootsen, waardoor het onmogelijk is om te zien of de bacteriën hun doelwit daadwerkelijk zullen vinden. Omgekeerd roept testen direct in dieren ernstige ethische zorgen op en is het vaak te complex om snel veel verschillende bacteriestammen te screenen. Om deze kloof te overbruggen, heeft een team onderzoekers aan de Maastrichtse Universiteit een nieuw, driedimensionaal model ontwikkeld dat de werkelijke omstandigheden binnen een tumor nabootst, waardoor ze kunnen observeren hoe deze bacteriën zich gedragen in een omgeving die nauw overeenkomt met het menselijk lichaam.

De onderzoekers begonnen met het kweken van piepkleine, bolvormige clusters van kankercellen uit drie verschillende bronnen: twee soorten muiskanker en één type menselijke darmkanker. Ze lieten deze clusters groeien totdat ze hun eigen interne dode zones ontwikkelden, precies zoals echte tumoren dat doen. Zodra deze necrotische kernen waren gevormd, introduceerde het team sporen van Clostridium sporogenes, een niet-schadelijke bacterie die veilig is voor mensen maar ervan houdt om in zuurstofvrije omgevingen te leven. Ze observeerden dat de bacteriën succesvol uit hun sporen ontkiemden en diep in de dode centra van de celbollen bewogen. In de muiskankermodellen groeiden de bacteriën zo krachtig dat ze uiteindelijk de gehele tumorbol lieten uiteenvallen, terwijl in de menselijke kankermodellen de bacteriën zich vestigden en stabiel bleven, wat weerspiegelt wat er in levende dieren gebeurt.

Met de bacteriën die succesvol in deze modellen koloniseerden, richtte het team zich op veiligheid. Een groot punt van zorg bij het gebruik van bacteriën als medicijn is de mogelijkheid om ze te stoppen als ze problemen veroorzaken of als de behandeling moet worden beëindigd. De onderzoekers testten verschillende veelvoorkomende antibiotica om te zien welke de bacteriën uit de tumorbollen konden verwijderen. Ze ontdekten dat sommige medicijnen, zoals tigecycline, de groei van de bacteriën slechts pauzeerden; zodra het medicijn uitwerkte, begonnen de bacteriën weer te vermenigvuldigen. Andere antibiotica, specifiek augmentin en vancomycine, werkten echter als echte doders, waarbij ze de bacteriële populatie volledig wegvaagden en de tumorbollen intact en vrij van infectie lieten. Dit onderscheid is essentieel, aangezien het bewijst dat het model het verschil kan zien tussen medicijnen die de bacteriën slechts vertragen en medicijnen die ze volledig kunnen elimineren.

Ten slotte testte het team een specifieke kankertherapie genaamd Clostridium-Directed Enzymatic Prodrug Therapy. Bij deze aanpak worden de bacteriën genetisch gemodificeerd om een speciaal hulpmiddel te dragen dat een onschadelijk medicijn omzet in een gif, maar alleen binnen de tumor waar de bacteriën leven. De onderzoekers voegden deze gemodificeerde bacteriën en het onschadelijke medicijn toe aan hun tumormodellen. In de muiskankermodellen veroorzaakte de combinatie dat de tumorbollen aanzienlijk meer krompen dan wanneer de bacteriën of het medicijn alleen werden gebruikt. De menselijke kankermodellen vertoonden een vergelijkbare trend van groeiremming, hoewel het effect minder uitgesproken was. Deze resultaten kwamen overeen met wat wetenschappers eerder in levende dieren hadden gezien, wat bevestigt dat deze eenvoudige, driedimensionale celbol accuraat kan voorspellen hoe een complexe bacteriële therapie zal presteren in een levend lichaam.

Door een systeem te creëren dat het dode, zuurstofarme hart van een tumor vangt, hebben de onderzoekers een krachtig nieuw instrument geboden voor de toekomst van kankerbehandeling. Dit model stelt wetenschappers in staat om tientallen bacteriestammen en medicijncombinaties snel en ethisch te screenen, waarbij degenen die niet zullen werken worden gefilterd voordat ze ooit op een dier of een mens worden getest. Het biedt een helder pad voor het verfijnen van deze levende medicijnen, om ervoor te zorgen dat ze wanneer ze uiteindelijk de kliniek bereiken, veilig, effectief en klaar zijn om de meest gevaarlijke delen van kanker aan te pakken.