Quantitative dissection of the metastatic cascade at single colony resolution

Kanker is haar grootste moordenaar, niet door de primaire tumor die zich eerst in een orgaan nestelt, maar door de manier waarop deze zich verspreidt. Deze reis, bekend als metastase, is een complexe estafette waarbij cellen loskomen van een hoofdmassa, door de bloedbaan reizen en proberen nieuwe kolonies te stichten in verre delen van het lichaam. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de regels van deze race te begrijpen. Ze wisten dat sommige cellen slaagden terwijl anderen faalden, maar ze beschikten niet over de instrumenten om miljoenen individuele reizigers tegelijkertijd te observeren. Traditionele methoden waren als het proberen te begrijpen van een bos door naar een enkele boom te kijken; ze konden de grote, zichtbare tumoren zien, maar misten de kleine, vroege pogingen tot kolonisatie die vaak mislukken of latent blijven. Zonder een manier om deze microscopische gebeurtenissen te tellen en te meten, bleven de specifieke genetische instructies die een cel in staat stellen om de reis te overleven, verborgen.

Een team onderzoekers aan de Washington University in St. Louis heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om dit proces te observeren, waarbij zij onthulden dat het meest kritieke moment in de verspreiding van kanker niet de groei van de tumor is, maar de allereerste stap van het landen in een nieuw orgaan. Met behulp van een technologie die zij zelf hebben ontwikkeld, genaamd MOBA-seq, volgden de wetenschappers honderdduizenden individuele kankercellen van kleincellige longkanker, een bijzonder agressief type van de ziekte. Ze ontdekten dat het immuunsysteem fungeert als een felle poortwachter, die de meeste cellen tegenhoudt nog voordat ze zelfs maar wortel kunnen schieten. Bovendien ontdekten ze dat een specifiek gen, CREBBP, werkt als een krachtige rem op dit proces; wanneer dit gen defect is, worden kankercellen veel beter in het sluipen langs de lichaamsverdediging en het stichten van nieuwe kolonies. Dit werk biedt een gedetailleerde kaart van hoe kanker zich verspreidt, en laat zien dat de strijd wordt gewonnen of verloren in de vroegste momenten van aankomst, lang voordat een tumor zichtbaar wordt.

Om het mysterie van hoe kanker zich verspreidt op te lossen, hadden de onderzoekers een manier nodig om het onzichtbare te zien. In het verleden was het bestuderen van metastase als het proberen te tellen van zandkorrels op een strand door enkele handjes zand op te pakken; wetenschappers konden alleen de grote, gevestigde tumoren analyseren die detecteerbaar waren voor beeldvormingsapparatuur, waardoor ze de duizenden kleine, mislukte pogingen die daartussen plaatsvonden, misten. De nieuwe benadering, MOBA-seq, verandert dit door elke individuele kankercel een unieke genetische ID-tag, of barcode, te geven. De onderzoekers creëerden een bibliotheek van meer dan 400 verschillende genetische variaties in kankercellen, elk met een verschillende combinatie van deze tags. Vervolgens injecteerden ze deze cellen in muizen en wachtten ze drie weken. Wanneer ze de organen oogstten, zochten ze niet alleen naar tumoren; ze sequencen het DNA van elke gevonden cel. Omdat elke cel hun unieke barcode droeg, konden de wetenschappers exact tellen hoeveel cellen van elk type waren gearriveerd, hoeveel er hadden overleefd, en hoe groot de kolonies die ze vormden waren geworden. Dit stelde hen in staat om de succesratio van meer dan 75.000 individuele metastatische kolonies te meten met een precisie die voorheen onmogelijk was.

De resultaten van deze grootschalige survey onthulden een verrassende waarheid over het metastatische proces. Jarenlang namen wetenschappers aan dat het vermogen van een kankercel om snel te groeien zodra deze gearriveerd was, de belangrijkste factor was in de vraag of deze de patiënt zou doden. Echter, de data toonden aan dat het aantal cellen dat er daadwerkelijk in slaagde te landen in een nieuw orgaan, de primaire drijfveer van de ziekte was. Als een genetische verandering een cel hielp om vaker te landen, leidde dit tot een veel grotere totale kankerlast, ongeacht hoe snel die cellen daarna groeiden. Omgekeerd, als een cel er niet in slaagde te landen, maakte het niet uit hoe snel deze kon vermenigvuldigen; de cel vormde simpelweg nooit een bedreiging. De onderzoekers ontdekten dat het immuunsysteem een beslissende rol speelt in deze landingsfase. In muizen met een volledig functionerend immuunsysteem was het aantal succesvolle landingen drastisch lager dan in muizen zonder immuunverdediging. Specifiek het aangeboren immuunsysteem, dat onder andere natuurlijke killercellen bevat, fungeerde als een primaire barrière die de meeste kankercellen elimineerde op het moment dat zij probeerden zich in een nieuw orgaan te vestigen.

De studie onthulde ook hoe verschillende delen van het lichaam reageren op deze indringers. Terwijl de lever en de long grotendeels beschermd werden door het aangeboren immuunsysteem, vertoonde de hersenen een ander patroon. In de hersenen leek de aanwezigheid van een intact adaptief immuunsysteem, dat T-cellen omvat, de kanker juist te helpen groeien in plaats van deze te stoppen. Dit suggereert dat de regels van metastase niet overal hetzelfde zijn; de omgeving van de hersenen kan kankercellen mogelijk de ruimte bieden om immuunsignalen in hun voordeel te gebruiken. De onderzoekers merkten ook op dat geslacht ertoe doet, aangezien ze vonden dat vrouwelijke muizen over het algemeen beter waren in het onderdrukken van de initiële landing van kankercellen dan mannelijke muizen, wat benadrukt dat biologische variabelen zoals geslacht en weefseltype de manier waarop kanker zich verspreidt, diepgaand beïnvloeden.

Onder de honderden geteste genen viel er één op als een cruciale regulator van dit proces: CREBBP. In de muizen, toen de onderzoekers dit gen uitschakelden, werden de kankercellen aanzienlijk succesvoller in het verspreiden. Ze landden vaker, vormden grotere kolonies en waren eerder geneigd om los te breken en naar andere organen te reizen. De onderzoekers wilden begrijpen waarom dit gebeurde, dus keken ze in de cellen en het omliggende weefsel. Ze ontdekten dat het verlies van CREBBP het gedrag van de kankercellen veranderde, waardoor ze minder leken op hun oorspronkelijke longkankeridentiteit en meer op een ander, agressiever subtype. Maar de verandering ging verder dan alleen de kankercellen zelf. Het verlies van CREBBP veranderde ook de omgeving rondom de tumor in de lever. Het zorgde ervoor dat de bloedvaten in het gebied lekker en abnormaal werden, wat op zijn beurt een sterke immuunrespons triggerde. Paradoxaal genoeg remde deze immuunrespons de kanker niet; in plaats daarvan leidde het tot een toestand waarin de immuuncellen weliswa worden aanwezig, maar uitgeput en ineffectief zijn, waardoor de kanker kan gedijen.

Deze ontdekking heeft een directe connectie met menselijke patiënten. De onderzoekers analyseerden gegevens van duizenden kankerpatiënten die behandeld waren met immunotherapie, een behandeling die het immuunsysteem helpt om kanker te bestrijden. Ze vonden dat patiënten wier tumoren mutaties hadden in het CREBBP-gen, langer leefden bij behandeling met immunotherapie vergeleken met patiënten zonder deze mutaties. Dit suggereert dat het mechanisme waarmee de kanker in muizen helpt te verspreiden — het herstructureren van de immuunomgeving — ook de kanker in mensen zichtbaarder en kwetsbaarder kan maken voor immuungebaseerde behandelingen. De studie beweert geen geneesmiddel te hebben gevonden, maar biedt een heldere, kwantitatieve kaart van de metastatische cascade. Het laat zien dat de reis van kanker een reeks afzonderlijke stappen is, die elk door verschillende regels worden beheerst, en dat de meest effectieve manier om de verspreiding te stoppen, kan zijn door de allereerste stap aan te pakken waarbij een cel probeert wortel te schieten. Door deze specifieke stappen te begrijpen, kunnen wetenschappers nu zoeken naar nieuwe manieren om in te grijpen voordat de ziekte wijdverspreid en dodelijk wordt.