Marlous Hoogstraat

Nederlandse samenvatting

Over de heterogeniteit van tumor sequencing

DNA, het script van je lichaam
Alle levende wezens op aarde, van bacteriën, schimmels en het onkruid tussen de stoeptegels tot walvissen, aardappelen en mensen, worden gemaakt tot wat ze zijn door DNA. DNA is een molecuul dat is opgebouwd uit vier verschillende bouwstenen, ook wel basen of nucleotiden genoemd: Adenosine (A), Thymine (T), Cytosine (C) en Guanine (G). Deze bouwstenen worden aan elkaar geregen tot lange strengen DNA. Bij bacteriën is dit één lange, circulaire streng, bij mensen zijn dit 46 losse strengen: de chromosomen. Hiervan krijgen mensen er 23 van hun moeder (1 tot en met 22, en X), en 23 van de vader (ook 1 tot en met 22, en X of Y). De volgorde van deze bouwstenen is niet willekeurig, sterker nog: het bepaalt alles wat er met de cellen in je lichaam gebeurt. Dit werkt door middel van genen: stukken van het DNA die vertaald kunnen worden naar bepaalde eiwitten, die op hun beurt weer zorgen voor specifieke eigenschappen. Hier heb je er als mens ongeveer 20.000 van. Het DNA van mensen die geen familie van elkaar zijn, komt voor ongeveer 99,9% overeen. Het verschil van 0,1% heeft in sommige gevallen invloed op wie je bent, bijvoorbeeld of je blond met blauwe ogen bent, goed tegen alcohol kan, makkelijk bruin wordt en aanleg hebt om dik te worden, of dat je rood haar hebt en sproeten, zowel van alcohol als van de zon heel snel knalrood wordt en kan eten wat je wil zonder aan te komen. De verschillen kunnen echter ook van invloed zijn op gezondheid, bijvoorbeeld op aanleg voor hart- en vaatziekten, diabetes, alzheimer en kanker. Meestal bestaan deze verschillen uit de verandering van een enkele nucleotide, maar de verschillen kunnen ook groter zijn. Het syndroom van Down wordt bijvoorbeeld veroorzaakt doordat er een compleet chromosoom te veel is.

DNA en kanker
In de 20e eeuw heeft men ontdekt wat DNA is, hoe het werkt en hoe we het kunnen aflezen (oftewel sequencen). Dit heeft ervoor gezorgd dat de genetische achtergrond van veel aandoeningen nu bekend is. Ook is hierdoor bekend geworden dat kanker wordt veroorzaakt door veranderingen in het DNA, die voornamelijk tijdens je leven ontstaan. Dit zijn zogenaamde somatische varianten. Deze veranderingen kunnen ontstaan doordat je DNA van buitenaf beschadigd raakt zoals door zonlicht, asbest of virussen, maar ook door ongelukkig toeval. Gedurende je leven blijven de meeste cellen zich namelijk delen. Darm- en huidcellen delen zich bijvoorbeeld heel vaak: de cellen aan de binnenkant van je darm leven maar een paar dagen, de cellen in je opperhuid een paar weken. De afgestorven cellen worden vervolgens vervangen door ‘verse’ cellen. Tijdens een celdeling wordt het DNA in de cel verdubbeld, en vervolgens verdeeld over de twee dochtercellen. Tijdens de verdubbeling van het DNA en het delen van de cel wil er wel eens iets mis gaan. De cel heeft diverse checkpoints en reparatie-mechanismen ingebouwd, die er voor zorgen dat de cel niet deelt zolang het DNA niet in orde is. Over het algemeen werken deze mechanismen heel goed, maar soms deelt een cel toch door, vooral als er een gen beschadigd is wat juist voor deze checks moet zorgen. Veranderingen aan het DNA van dit soort genen zien we dus ook heel vaak terug in diverse soorten kanker. Andere veranderingen die we vaak terug zien zorgen er juist voor dat een gen veel harder werkt dan zou moeten. Dit zijn bijvoorbeeld genen die doorgeven aan een cel dat hij moet gaan delen of groeien. Als er maar genoeg van dit soort veranderingen in het DNA optreden krijg je uiteindelijk een cel die veel harder groeit dan zou moeten, en die steeds meer beschadigingen in zijn DNA oploopt: een tumorcel.

Verschil in variatie
Zoals in de eerste alinea al genoemd is, zijn er verschillende soorten variatie die op kunnen treden. Er kunnen verschillen van enkele nucleotiden zijn en verdubbeling of verlies van volledige chromosomen, maar in tumoren gebeurt het ook heel vaak dat chromosomen breken en vervolgens weer verkeerd aan elkaar geplakt worden en/of ongelijk verdeeld worden over de twee dochtercellen tijdens de celdeling. Hierdoor kunnen er hele complexe structurele variaties ontstaan, waarbij er meerdere chromosomen als het ware door elkaar gehusseld zijn. Als de breuken in het DNA in, of in de buurt van, een gen liggen, kan het gebeuren dat een gen daardoor niet meer werkt of juist veel harder gaat werken. Iets anders wat vaak gezien wordt en in eerste instantie ook veroorzaakt wordt door een breuk in het DNA is gen amplificatie: een kleine regio van het DNA waar maar één of een klein aantal genen op ligt, wordt steeds verdubbeld waardoor er uiteindelijk veel meer dan 2 kopieën van het gen aanwezig zijn. Dit leidt over het algemeen ook tot over-activering.

Doelgerichte behandeling
Tegenwoordig kunnen we al deze typen variatie oppikken met behulp van DNA sequencing, waardoor we per patiënt het ‘tumor genoom’ in kaart kunnen brengen. Dit is zeer waardevol, omdat er voor steeds meer somatische varianten een gerichte behandeling ontwikkeld wordt. De traditionele behandeling van kanker is chemotherapie, waarbij er stoffen die giftig zijn voor cellen aan de patiënt worden toegediend. Deze stoffen zijn niet alleen giftig voor kankercellen, maar voor alle cellen in het lichaam waardoor de patiënt vaak veel nare bijwerkingen ervaart. Het kan zelfs leiden tot gevaarlijke infecties en hartschade. Daarom wordt er hard gewerkt om behandelingen te ontwikkelen, die specifiek de kankercellen aanvallen maar de gezonde cellen sparen. Dit kan gedaan worden door processen te remmen die voornamelijk belangrijk zijn voor de tumor, zoals celdeling en -groei, of aanmaak van nieuwe bloedvaten die the tumor nodig heeft om voedingsstoffen en zuurstof te krijgen. Hoewel alle tumoren in de basis gedreven worden door dezelfde processen, kan de manier waarop deze processen geactiveerd worden per patiënt verschillen en dus de aanpak om the processen te remmen ook. Om te bepalen wat de beste aanpak is, kan in het DNA worden gezocht naar aanwijzingen.

Omdat reparatie van DNA in tumorcellen vaak defect is, kan de hoeveelheid breuken en nucleotide veranderingen blijven oplopen. Niet al deze veranderingen zullen bijdragen aan groei of overleving van de tumor, daarom wordt er onderscheid gemaakt tussen tumor aandrijvende mutaties en zogenaamde passagiers. Er zijn ondertussen meerdere genen bekend die gezien worden als aandrijvers, omdat er vaak somatische mutaties in gevonden worden in meerdere tumor typen. Dit zijn aantrekkelijke opties om een behandeling tegen te ontwikkelen, wat in sommige gevallen ook al gelukt is. Deze behandelingen kunnen de levensduur en -kwaliteit van de patiënt sterk verbeteren, al zijn de meeste behandelingen nog steeds niet vrij van bijwerkingen. Ook zijn er terugkerende DNA veranderingen bekend, die er voor zorgen dat een tumor juist niet op een bepaalde gerichte behandeling reageert. Door deze informatie mee te nemen, kan er voor elke patiënt een persoonlijk behandelingsplan opgesteld worden. Hierop is de bepaling gebaseerd die in hoofdstuk 2 gepresenteerd wordt. Deze bepaling kijkt tegelijkertijd naar gen-amplificaties en nucleotide veranderingen in een veertigtal bekende kanker genen, waaraan een respons op een specifieke behandeling geassocieerd is. Hiermee vervangen we meerdere bestaande testen, zodat er goedkoper en efficiënter een profiel opgesteld kan worden.

Tumor heterogeniteit
Doordat de schade aan het DNA van tumorcellen blijft oplopen, is niet elke cel binnen een tumor genetisch hetzelfde. In tegendeel, we zien regelmatig grote verschillen. In hoofdstuk 3 onderzoeken we deze heterogeniteit in vier patiënten, door nucleotide veranderingen en DNA breuken te vergelijken tussen de oorspronkelijke tumor in de dikke darm en een uitzaaiing in de lever. We zien zelfs in één patiënt dat er verschillende tumor aandrijvende veranderingen aanwezig zijn in de twee tumoren. Ook beschrijven we in dit hoofdstuk dat zeer complexe structurele variatie niet zo zeldzaam is als men eerst verwachtte, omdat we dit in alle vier de patiënten terugzien. In hoofdstuk 4 breiden we dit onderzoek verder uit, door tot twaalf aparte samples te onderzoeken van drie patiënten met eierstokkanker. Hierin bekijken we de verschillen in het DNA tussen twee of drie samples van dezelfde tumor, en tussen de oorspronkelijke tumor en meerdere uitzaaiingen. Bovendien kijken we hier niet alleen naar DNA, maar ook naar RNA, het molecuul dat gebruikt wordt om DNA te vertalen naar eiwit. Hiermee kunnen we vaststellen wat het effect van genetische veranderingen is op het uiteindelijke eiwit. Ook in deze studie zagen we grote verschillen tussen de samples: in één patiënt zagen we twee ‘subpopulaties’ bestaande uit een deel van de oorspronkelijke tumor in de eierstok en een aantal uitzaaiingen, elk met zijn eigen tumor aandrijvende mutaties.

De genetische verschillen tussen tumoren van dezelfde patiënt zijn zeer belangrijk voor de kliniek. Ze kunnen er namelijk voor zorgen dat de tumor niet reageert op één behandeling, maar dat er combinaties van behandelingen nodig zijn om alle subpopulaties effectief te bestrijden. De huidige theorie is dat er in de tumor heel veel kleine subpopulaties zijn, of zelfs maar enkele cellen, die niet gevoelig zijn voor een specifieke doelgerichte behandeling. Als de patiënt vervolgens deze behandeling krijgt, zullen de meeste tumorcellen afsterven, maar de ongevoelige cellen doorgroeien. Uiteindelijk ontstaat er dan een nieuwe tumor die geheel ongevoelig (resistent) is. In hoofdstuk 5 onderzoeken we deze theorie, door DNA van huidtumoren voor behandeling te vergelijken met DNA van dezelfde tumoren nadat ze ongevoelig zijn geworden. Hier vinden we inderdaad genetische veranderingen die de resistentie kunnen verklaren, en stellen we combinaties van behandelingen voor die, in deze patiënten, resistentie zou kunnen voorkomen. Ook ontdekten we in deze studie een somatische variant die nog nooit eerder in een huidkanker patiënt gezien was, maar waarvan we aan konden tonen dat het de resistentie veroorzaakte. Dit toont aan dat we nog lang niet alle variaties gezien hebben die binnen een tumor op kan treden.

In het laatste hoofdstuk worden de bovengenoemde resultaten bediscussieerd; wat is de relevantie van onze bevindingen voor de kliniek, en wat er volgens mij nog moet gebeuren om onze kennis van kanker te vergroten zodat de ziekte beter bestreden kan worden.