Ontleden van de mechanismen ten grondslag van de effectiviteit van behandeling met meervoudige medicijnen in een lage dosis

A.     Achtergrond en probleemstelling

Tumoren zijn afhankelijk van verkeerd geactiveerde signaal-transductie netwerken in cellen, die ervoor zorgen dat de cellen ongecontroleerd groeien en delen. Medicijnen die deze signalen gericht blokkeren zorgen initieel vaak voor een vertraging of stop van de tumor groei, of zelfs een reductie in de tumorgrootte, maar de tumoren ontwikkelen vrijwel altijd resistentie tegen deze medicijnen. Het combineren van meerdere medicijnen die hetzelfde signaal blokkeren kan het ontstaan van resistentie vertragen, maar bijwerkingen vormen vaak een groot probleem wanneer deze in de gebruikelijke dosis gecombineerd worden. Dit bemoeilijkt het ontwikkelen van combinatietherapie. Daarom hebben wij onlangs onderzocht wat het effect is van het combineren van Meervoudige medicijnen in een Lage Dosis (MLD). Ondanks dat bij deze dosering ieder medicijn afzonderlijk weinig effect heeft, is deze combinatietherapie verrassend effectief en voorkomt het het ontstaan van resistentie in kanker-cellen, terwijl het effect op gewone cellen veel minder sterk is. Ook in muizen werkte de combinatietherapie goed en had ze weinig bijwerkingen.

We begrijpen momenteel echter niet waarom deze lage dosis combinatietherapie werkt. Hierdoor kunnen we de MLD strategie nog niet rationeel optimaliseren. Belangrijke open vragen zijn welke medicijnen het belangrijkste zijn in deze combinatie, wat de optimale dosering van elk medicijn is, en in wat voor tumoren de MLD strategie zou kunnen werken.
 

B.     Onderzoeksrichting, voorgestelde oplossing en Onderzoeksvragen

Wij hebben twee hypotheses die kunnen verklaren waarom kankercellen gevoelig zijn voor MLD-therapie, terwijl gewone cellen er ongevoelig voor zijn. Ten eerste verwachten wij dat de “architectuur” van het signaal-transductie netwerk een rol speelt. Er zitten in dit soort netwerken vaak veel terugkoppeling, die de manier waarop cellen op medicijnen reageren sterk beïnvloeden. Het is mogelijk dat het combineren van meerdere medicijnen die verschillende onderdelen van hetzelfde netwerk blokkeren deze terugkoppelingen beïnvloeden, en dat dat de werking van de MLD therapie verklaart. Een andere mogelijkheid is dat toevallige verschillen tussen cellen een rol spelen. Cellen die toevallig een hogere concentratie van een eiwit in een signaal-transductie netwerk hebben, zullen waarschijnlijk anders reageren op een medicijn die dat eiwit blokkeren dan cellen die maar weinig van dat eiwit hebben. Zo zijn er vaak subpopulaties van cellen die ongevoelig zijn voor medicijnen waar de meeste (genetisch identieke) cellen in dezelfde populatie wel op reageren, omdat ze in een andere “cell-state” zijn. Wij verwachten dat verschillende subpopulaties van cellen ongevoelig zijn voor verschillende medicijnen, maar dat geen enkele cell ongevoelig is voor alle medicijnen.

C.     Relevantie

Als we bovenstaande onderzoeksvragen hebben beantwoord, zijn we in staat om snel effectieve MLD behandelstrategieën te ontwikkelen, waardoor het testen van MLD in klinische trials aanzienlijk versneld wordt. 

D.      Onderzoeksopzet

Om deze vragen te beantwoorden gaan we cellen behandelen met verschillende combinaties van medicijnen, in zowel lage als hoge dosis. Om dynamische, in vivo geneesmiddelconcentratie profielen na te bootsen, zullen we ook het effect van "intermitterend" MLD-therapie karakteriseren. Bij "intermittend" MLD worden een tweetal middelen tijdens de behandelperiode tijdelijk uit het medium waarin de cellen groeien, verwijderd. Met twee verschillende nieuwe technologieën, FRET en single cell IDseq, kunnen we vervolgens in individuele cellen meten hoe actief verschillende onderdelen van het signaal-transductie netwerk zijn. Met FRET kunnen we in levende cellen volgen hoe de activiteit van het eiwit ERK veranderd, terwijl we met single cell IDseq van veel verschillende eiwitten tegelijkertijd de activiteit kunnen meten. Hiermee kunnen we onderzoeken hoe deze activiteiten veranderen onder invloed van de medicijnen, en hoe dat zich vertaald in het groeien, delen, of dood gaan van cellen. Met deze gegevens gaan we computermodellen van de netwerken maken en die gebruiken om te onderzoeken i) hoe de reactie op behandeling met medicijnen in hoge dosering verschilt van die van combinatietherapie in lage dosering, ii) wat de verschillen in reactie tussen normale en kankercellen zijn, en iii) wat de verschillen tussen individuelen cellen zijn.

E.      Verwachte uitkomsten

Deze modellen zullen ons in staat stellen onze hypotheses over de effectiviteit van de MLD strategie te testen, te verfijnen en concreter te maken. Door een beter begrip zullen we beter kunnen voorspellen in welke soorten kankercellen, en voor welke netwerken, we verwachten dat de MLD strategie werkt.

Ook kunnen we met deze modellen voorspellen welke combinaties van doseringen maximaal de kankercellen remt met minimaal effect op normale cellen. Dit is belangrijk om de MLD strategie te optimaliseren. Zulke optimale protocollen zullen we vervolgens testen in verschillende cellijnen en in muizen.

F.     Omschrijving stappen nodig om resultaat te implementeren

In samenwerking met Dr. Neeltje Steeghs van de Clinical Research Unit bij het NKI-AVL zijn we van plan een fase 1 klinische studie naar MLD in longkanker patiënten op te zetten. Op basis van de resultaten van dit project zou deze studie geoptimaliseerd kunnen worden. Met onze modellen kunnen wij suggesties doen over welke doseringen van de medicijnen waarschijnlijk de beste resultaten geven. Wij zullen eerst in cellijnen in het laboratorium en in muizen testen of dit inderdaad zo is, waarna deze dosering ook aan patiënten in de klinische studie gegeven kan worden.