PCA3 Responsive Molecular Imaging Enables Spatial Visualization of Prostate Cancer

Stel je een chirurg voor die boven een patiënt staat en probeert een kwaadaardige tumor uit de prostaat te verwijderen. Het doel is om elke kankercel weg te snijden terwijl het gezonde weefsel onaangetast blijft, maar het menselijk oog kan de onzichtbare grens tussen de twee niet zien. In veel gevallen zien de kankercellen er onder een microscoop identiek uit aan de gezonde cellen, en ze verschuilen zich vaak in de marges van het weefsel. Om dit op te lossen, vertrouwen artsen al lang op beeldtechnologieën die fungeren als een zaklamp, die de tumor oplichten zodat de chirurg precies kan zien waar hij moet snijden. Echter, de huidige zaklampen hebben beperkingen: ze lichten vaak per ongeluk ook gezond weefsel op, of ze vertrouwen op oppervlaktemarkers die sommige tumoren simpelweg niet dragen. Wat als de chirurg, in plaats van te zoeken naar een oppervlakteken, een sonde zou kunnen gebruiken die alleen oplicht wanneer hij een specifieke genetische boodschap vindt die diep binnenin de kankercel zelf verborgen zit?

Dit is de uitdaging die onderzoekers van het Universitair Ziekenhuis RWTH Aachen en het Forschungszentrum Jülich wilden aanpakken. Ze ontwikkelden een nieuw type moleculaire beeldvormingsinstrument dat ontworpen is om prostaatkanker te vinden door te luisteren naar een specifieke genetische fluistering binnenin de cellen. Het instrument wordt CaS-DNA genoemd, een piepkleine, kunstmatig vervaardigde DNA-streng die fungeert als een moleculaire schakelaar. Het is gebouwd om PCA3 te herkennen, een lang stuk genetisch materiaal dat in grote hoeveelheden wordt geproduceerd door prostaatkankercellen, maar nauwelijks aanwezig is in gezonde cellen. De onderzoekers wilden weten of ze dit interne genetische signaal konden omzetten in een zichtbaar licht dat een chirurg tijdens een operatie kan zien, wat een manier biedt om kanker van gezond weefsel met hoge precisie te onderscheiden.

Het team begon met het ontwerpen van de CaS-DNA-sonde zodat deze stil bleef totdat hij zijn doelwit vond. In haar rusttoestand is de sonde gevouwen in een strakke lus, met een lichtemitterende chemische stof aan de ene kant en een lichtonderdrukkende (quenching) chemische stof aan de andere kant. Deze twee chemicaliën zitten zo dicht bij elkaar dat het licht volledig wordt onderdrukt, waardoor de sonde onzichtbaar is. De lus van het DNA is zo gevormd dat deze perfect past bij de specifieke PCA3-genetische boodschap, vergelijkbaar met hoe een sleutel precies in een specifiek slot past. Wanneer de sonde een cel binnendringt en de PCA3-boodschap tegenkomt, bindt zij zich eraan. Deze binding dwingt het DNA om uit te vouwen, waardoor de lichtemitterende chemische stof wordt weggetrokken van de onderdrukkende chemische stof. Eenmaal gescheiden, begint de lichtemitterende chemische stof, bekend als indocyaninegroen, te gloeien met een nabij-infrarood signaal dat door speciale camera's kan worden gedetecteerd.

Om te testen of dit mechanisme werkte, keken de onderzoekers eerst in een eenvoudige laboratoriumsetting. Ze mengden de CaS-DNA-sonde met het specifieke genetische doelwit en observeerden wat er gebeurde. De sonde bond snel aan het doelwit en het licht ging binnen enkele minuten aan. Cruciaal was dat wanneer ze de sonde mengden met een vertekende, niet-passende genetische sequentie, er niets gebeurde; het licht bleef uit. Dit bewees dat de sonde niet zomaar op elk genetisch materiaal reageerde, maar specifiek was afgestemd op het vinden van de PCA3-boodschap. Ze controleerden ook hoe stabiel de sonde was onder verschillende temperaturen en vonden dat deze functioneel bleef over een breed scala aan omstandigheden, wat suggereert dat het de omgeving binnen een menselijk lichaam zou kunnen overleven.

Vervolgens gingen de onderzoekers over naar levende cellen om te zien of de sonde kankercellen tussen gezonde cellen kon vinden. Ze kweekten prostaatkankercellen in een schaal en vergeleken deze met gezonde prostaatcellen en botcellen. De kankercellen, die van nature hoge niveaus van de PCA3-boodschap produceren, lichtten helder op na behandeling met de sonde. De gezonde cellen, die zeer weinig of geen PCA3 produceren, bleven donker. De helderheid van het licht kwam direct overeen met de hoeveelheid PCA3 die de cellen produceerden. In experimenten waarbij kankercellen en gezonde cellen naast elkaar werden gekweekt, markeerde de sonde succesvol alleen de kankercellen, terwijl de gezonde buren in het donker bleven. Dit toonde aan dat de sonde tussen de twee soorten weefsel kon onderscheiden op basis van hun interne genetische activiteit, in plaats van te vertrouwen op oppervlaktiekenmerken die mogelijk ontbreken of inconsistent zijn.

Om te zien of dit werkte in een levend organisme, gebruikten het team zebramierlarven, een veelgebruikt model voor het bestuderen van biologische processen. Ze injecteerden kankercellen in de larven en introduceerden daarna de CaS-DNA-sonde. Gedurende een uur reisde de sonde door de vis en lichtte specifiek op in de gebieden waar de kankercellen zich hadden gevestigd. De gezonde delen van de vis bleven donker. Dit bevestigde dat de sonde zijn doelwit kon vinden en zijn lichtsignaal kon activeren, zelfs binnen een complex, levend systeem, zonder dat dit werd getriggerd door het omliggende gezonde weefsel.

De meest significante test vond echter plaats met echt menselijk weefsel. De onderzoekers verkregen prostaatweefselmonsters die chirurgisch waren verwijderd van patiënten. Ze sneden deze weefsels in dunne plakjes en behandelde ze met de CaS-DNA-sonde. Nadat de sonde de tijd had gekregen om te werken, vergeleken ze de oplichtende gebieden met de standaard medische kaarten van de locatie van de kanker, die door pathologen waren getekend na het kleuren van het weefsel met traditionele kleurstoffen. Het oplichtende licht van de sonde kwam met een hoge mate van nauwkeurigheid overeen met de kankerdectiegebieden. Sterker nog, de sonde besloeg een vergelijkbaar gebied van de tumor als een breed gebruikte klinische standaard die zich richt op een ander eiwit genaamd PSMA. Dit was een belangrijke bevinding, omdat het aantoonde dat kijken naar de binnenkant van de cel voor een genetische boodschap net zo effectief kan zijn als het kijken naar oppervlakte-eiwitten, zelfs in de complexe omgeving van een echte menselijke tumor.

Om de details van deze overeenkomst te begrijpen, gebruikten de onderzoekers een krachtige techniek genaamd ruimtelijke transcriptomics, die exact in kaart brengt welke genen actief zijn in elk minuscuul puntje van het weefsel. Ze ontdekten dat de gebieden waar de CaS-DNA-sonde oplichtte, overeenkwamen met de gebieden waar de kanker-geassocieerde genen het meest actief waren. In regio's waar de kankercellen gemengd waren met gezonde cellen, varieerde de helderheid van het licht. De sonde lichtte minder fel op in gebieden waar minder kankercellen aanwezig waren, wat suggereert dat de intensiteit van het licht de chirurg niet alleen kan vertellen waar de kanker is, maar ook hoeveel er van is. Dit niveau van detail is iets waar veel huidige beeldvormingsinstrumenten moeite mee hebben.

De studie bekeek ook de beperkingen van deze nieuwe aanpak. Hoewel de sonde goed werkte in het centrum van het weefsel, waren er enkele gevallen waarin deze licht oplichtte aan de uiterste randen van de weefselplakjes. De onderzoekers merkten op dat dit zou kunnen gebeuren omdat de randen van het weefsel kwetsbaarder zijn en de sonde daar op de omgeving zou kunnen reageren in plaats van op de kanker zelf. Ze observeerden ook dat de sonde niet elke enkele kankercel in elk monster deed oplichten, wat suggereert dat het krijgen van de sonde in elke cel een uitdaging is die nog opgelost moet worden. Ondanks deze hindernissen toonden de resultaten aan dat de sonde in de overgrote meerderheid van de gevallen betrouwbaar de kanker kon vinden.

De onderzoekers concludeerden dat deze methode een nieuwe manier biedt om prostaatkanker te visualiseren. Door een specifieke genetische boodschap om te zetten in een zichtbaar licht, creëerden ze een instrument dat zeer specifiek is voor de kankercellen zelf. Deze aanpak vertrouwt niet op het hebben van een specifiek oppervlakte-eiwit van de kankercellen, wat een beperking is voor sommige huidige behandelingen. In plaats daarvan gebruikt het de eigen interne machinerie van de cel om zijn aanwezigheid te signaleren. Het licht dat in de sonde wordt gebruikt, is een chemische stof die al is goedgekeurd voor gebruik bij mensen, wat betekent dat deze potentieel relatief snel kan worden aangepast voor gebruik in operatiekamers. Als deze technologie kan worden verfijnd om ervoor te zorgen dat de sonde elke cel bereikt en stabiel blijft tijdens de operatie, kan het chirurgen een veel duidelijker zicht geven op de tumor, wat hen helpt om alle kanker te verwijderen terwijl ze zoveel mogelijk gezond weefsel sparen. Het werk vertegenwoordigt een verschuiving van het kijken naar wat er aan de buitenkant van een cel zit naar het luisteren naar wat er aan de binnenkant gebeurt, wat een nieuwe vorm van helderheid biedt voor een van de meest voorkomende vormen van kanker bij mannen.