Nieuwe multimodale theranostische exosomen voor de diagnose en behandeling van kanker met een combinatie van immuno-en fotodynamische therapie.

Kanker is wereldwijd de tweede belangrijkste doodsoorzaak en in Nederland zelfs de belangrijkste. De huidige farmacologische behandelingen zijn effectief bij slechts een klein aantal typen kanker en dan nog alleen als de behandeling in een vroeg stadium van de tumorontwikkeling plaatsvindt. De veel toegepaste chemotherapieën hebben als nadeel dat ze slechts matig selectief zijn voor tumorcellen en dus bij de hogere doseringen ook gezond weefsel aantasten, resulterend in ernstige bijwerkingen. Wanneer kanker in een later stadium wordt ontdekt, dan is de kans groot dat er uitzaaiingen aanwezig zijn. Een kankerpatiënt met een uitgezaaide tumor heeft een aanzienlijk slechtere prognose dan een patiënt zonder uitzaaiingen.

In dit onderzoeksvoorstel maken we gebruik van een nieuw multimodaal biofunctioneel nanoplatform dat kankercellen op een efficiënte wijze kan detecteren en selectief kan doden zonder veel bijwerkingen. We hopen met deze behandelmethode de kwaliteit van leven en de overlevingskansen van kankerpatiënten te verbeteren. Onze nieuwe behandelmethode berust op het zogenaamde Paard van Troje principe. Hiertoe zullen van tumoren afkomstige exosomen gebruikt worden om op een efficiënte wijze de uitgezaaide tumorcellen op te sporen, vervolgens te infiltreren en lokaal een immuunreactie op te wekken.

De exosomen worden gecoat met tumorantigenen voor specifieke kankercel ”targeting” en worden gevuld worden met zowel fotosensibilisatoren (PS) als zogenaamde op-converterende nanodeeltjes (UCNPs). Deze UCNPs hebben de eigenschap dat ze licht met golflengten in het nabije-infrarood (NIR) gebied van het spectrum om kunnen zetten in korte golf hoog energetisch ultra violet (UV) licht of in zichtbaar licht. Bij biomedisch onderzoek is de toepassing van UCNPs veelbelovend gezien het feit dat ze licht uitzenden in zeer smalle (hoog specifieke) emissie banden, ‘photobleaching’ afwezig is en autofluorescentie nauwelijks een rol speelt. Verder hebben de UCNPs een  hoge weefselpenetratie wat het mogelijk maakt om ook dieper in het lichaam gelegen tumoren te bereiken. De UCNPs zetten het NIR-excitatielicht om in hoog energetisch licht wat de aanwezige PS activeert. Deze unieke combinatie van UCNPs en PS maakt het mogelijk om fotodynamische therapie (PDT) niet alleen toe te passen op oppervlakkig gelegen tumoren, maar ook op tumoren die zich veel dieper in het lichaam  bevinden.

De methode bestaat uit 3 fases: (I) Intraveneuze injectie van gemodificeerde exosomen, gevolgd door hun intratumor CT-detectie, door de aanwezigheid van UCNPs welke als contrastmiddel dienen. (II) aanstraling van de UCNPs met NIR-licht ter activatie van de PS gevolgd door het in gang zetten van de fotodynamische therapie tegen de tumorcellen. (III) De PDT geïnduceerde apoptose van de tumorcellen zal een immuunrespons opwekken als gevolg van het tot expressie- en vrijkomen van onder meer ‘danger-associated molecular patterns’ (DAMPs), tumor-geassocieerde antigenen (TAAs) en vrije zuurstof radicalen (ROS). DAMPs, TAAs en ROS zijn de belangrijkste cellulaire intermediairen waarop het lichaam reageert met een immuunrespons. Deze respons van het lichaam zal leiden tot de eliminatie van resterende kwaadaardige cellen [5-7].

De op het membraanoppervlak van de exosomen gepresenteerde tumorantigenen zullen naar verwachting de immuunrespons van het lichaam nog extra versterken. Het gebruik van tumorantigen-presenterende exosomen voor immunotherapie is een veelbelovende strategie die bovendien al klinisch is toegepast [8-12]. Er is bovendien aangetoond dat de gepresenteerde tumorantigenen op UCNPs systemisch mogelijk kunnen fungeren als tumorvaccin [11]. (Figuur 2). Verder zullen exosomen die het kankerweefsel niet bereiken via natuurlijke wijze het lichaam verlaten.

Een belangrijk onderdeel van deze aanvraag is de ontwikkeling van een methode om in gekweekte tumorcellen UCNPs te synthetiseren en deze in exosomen in het medium uit te laten scheiden. Onlangs is  aangetoond dat synthese van nanodeeltjes mogelijk is als de bouwstenen hiervan  worden toegevoegd aan het kweekmedium van tumorcellen [13]. In dit project willen we onderzoeken onder welke kweekomstandigheden tumorcellen UCNP kunnen synthetiseren en uitscheiden in exosomen. Mocht deze kweek- synthesemethode succesvol zijn, dan zal dit het syntheseproces van UCNPs sterk vereenvoudigen. Verder zal deze manier van synthetiseren er toe bijdragen dat er stabiele nanodeeltjes in de exosomen worden gevormd zonder concessies te doen aan de integriteit van de celmembraan of verandering van de tumor-tropismecomponenten.

Vervolgens worden de in situ gesynthetiseerde UCNPs (en toegevoegde PS) uitgebreid getest op functionaliteit, waaronder: opname door kankercellen, mogelijkheid tot detectie, afwezigheid van toxiciteit en op fotodynamisch effect op kankercellen.  Ten slotte wordt gekeken of de exosomen kunnen bijdragen aan het versterken van de anti-tumor immuunrespons. Nadat de exosomen zijn opgenomen door kankercellen zal gekeken worden of deze, na belichting met NIR licht, door het fotodynamisch effect in apoptose gaan. De vrijgekomen DAMPs en TAAs zullen worden herkend door dendritische cellen en macrofagen voor een late respons van het immuunsysteem.

Dit onderzoeksvoorstel draagt bij aan de doelen van de KWF-missie aangezien dit multimodaal biofunctioneel nanoplatform zowel de diagnostiek als de behandeling van kanker zal verbeteren (‘minder kanker, meer genezing’). Het zal waardevolle wetenschappelijke kennis en nieuwe inzichten verschaffen over de inzet van nanotechnologie bij de bestrijding van kanker. Er zullen weinig bijwerkingen optreden (‘Betere kwaliteit van leven’) doordat het fotodynamisch therapeutisch effect alleen lokaal in de tumor plaatsvindt. Bovendien zal dit nanoplatform gelijktijdig een immunotherapeutisch effect hebben en dienen als vaccin tegen kanker. Onze methodologie en resultaten zullen we publiceren in wetenschappelijke tijdschriften en presenteren bij nationale en internationale bijeenkomsten en conferenties over kankertherapie, nanotechnologie, chemie en exosomen.

In vervolgonderzoek zullen we exosomen isoleren uit dendritische cellen en uit mesenchymale stamcellen welke gebruikt worden in klinische trials. In immunocompetente diermodellen zullen we de synergie tussen PDT en immunotherapie  bestuderen met behulp van fotosensibilisatoren  die reeds goedgekeurd zijn door de FDA. Om uitgezaaide tumoren die diep in het weefsel liggen nog beter te kunnen detecteren zullen we naast CT-scanning ook  beeldverwerkingstechnieken als MRI en fotoakoestiek toepassen.