Verbeterde zuurstofvoorziening door remming van het celmetabolisme als de sleutel tot verhoogde werkzaamheid van radiotherapie gecombineerd met immunotherapie

Achtergrond en probleem:
De combinatie van radiotherapie met immunotherapie middels de moderne ‘immune checkpoint remmers’ (bijvoorbeeld PD-(L)1 remmers), resulteert in een betere genezingskans voor patiënten met kanker dan radiotherapie alleen. Echter, meer dan 50% van de patiënten geneest niet met deze combinatiebehandeling. Zuurstoftekort (hypoxie) in tumoren heeft een negatieve invloed op het resultaat van radiotherapie omdat zuurstof een belangrijke intermediair is tussen toegediende straling en schade aan kankercellen. Studies hebben laten zien dat hypoxie ook het immuunsysteem in tumoren remt. In hypoxische tumorgebieden bevinden zich dus tumorcellen die resistent zijn tegen radiotherapie en ontsnappen aan het immuunsysteem, en daarmee zijn deze cellen verantwoordelijk voor terugkeer van de ziekte. Hypoxie komt veel voor bij solide tumoren en is al aanwezig in microscopisch kleine tumoren en dus ook in uitzaaiingen. De meeste behandelingen die hypoxie tegengaan, zoals bijvoorbeeld het ademen van extra zuurstof tijdens de bestraling, leiden slechts tot een kortdurende toename van de hoeveelheid zuurstof in weefsel. Dit is mogelijk onvoldoende om een blijvend effect op de lokale immuuncellen te hebben. Hoe tumorhypoxie effectief kan worden tegengegaan om zowel de lokale immuuncellen te stimuleren en tumorcellen meer gevoelig te maken voor radiotherapie, is een van de belangrijke vragen van dit project. Inmiddels weten we dat kankercellen niet alleen afhankelijk zijn van glucose gebruik zonder zuurstof (glycolyse genoemd, waarbij glucose inefficiënt gebruikt wordt) voor hun energievoorziening, maar ook vaak het veel efficiëntere gebruik van glucose met zuurstof (oxidatieve fosforylering (OXPHOS)) gebruiken voor hun energiebehoefte (ATP). Het zuurstofverbruik door OXPHOS draagt sterk bij aan het ontstaan van hypoxie.

Oplossing / onderzoeksrichting:
In de afgelopen jaren is aangetoond dat OXPHOS-remming de hoeveelheid zuurstof in tumoren kan verbeteren omdat het zuurstofverbruik hierdoor wordt verminderd. Het proces van OXPHOS vindt in cellen met name plaats in mitochondriën. Remming van de mitochondriële activiteit, door zogenaamde Mitochondrial Complex-Targeting Agents (MCTA), zorgt voor remming van OXPHOS en verminderd daardoor het zuurstofgebruik van cellen voor langere tijd. Door deze langdurige afname van hypoxie zal mogelijk de effectiviteit van immunotherapie, radiotherapie en met name de combinatie daarvan verbeteren omdat ook celdood door straling sterk bijdraagt aan het stimuleren van het immuunsysteem. Bekende MCTAs zijn onder andere biguaniden, een groep van medicamenten die ook voor de behandeling van diabetes mellitus type II (bijvoorbeeld metformine) wordt gebruikt, en het anti-malaria-middel atovaquone. Recent zijn ook meer specifieke stoffen, zoals IACS-010759, gericht tegen mitochondriaal complex I, beschikbaar gekomen. Omdat kankercellen dus niet alleen afhankelijk zijn van glycolyse maar ook van OXPHOS, veronderstellen we dat OXPHOS-remming gemedieerde hypoxie-reductie resulteert in verbeterde effectiviteit van radiotherapie en immunotherapie. We verwachten dan ook dat deze tri-modaliteit een verbeterde lokale en systemische tumorcontrole zal opleveren.

Doelstellingen van dit project:
Het optimaliseren van metabole herprogrammering door middel van MCTAs om de effectiviteit van radiotherapie (RT) in combinatie met immuunstimulatie door immuuncheckpointremming (ICI; PD(L)1) te verbeteren. Ten tweede, evalueren en valideren van functionele beeldvormingstechnieken om metabole herprogrammering van de micro-omgeving van de tumor op niet-invasieve wijze middels beeldvorming te volgen, hetgeen essentieel is voor snelle translatie van dit onderzoek naar de kliniek.

Specifieke doelen:
1.    Bepalen van de optimale dosering en timing van MCTA om zuurstofconsumptie in vitro te verlichten, en het in vivo in beeld brengen hiervan (WP1).
2.    Bepalen van veranderingen in het tumor micromilieu na bestraling, ICI- en MCTA-behandeling bij muizen en humane longtumoren zodat een optimale triple therapie ontstaat. (WP2)

Onderzoeksplan:
In dit project zullen we de optimale dosis-tijdrelatie onderzoeken voor de combinatie van OXPHOS-remming, radiotherapie en PD-(L)1-remming. We verwachten dat dit tumorafhankelijk is, en daarom zullen we op zoek gaan naar de optimale functionele (PET) beeldvormingsmethode om deze effecten op individuele tumorbasis te volgen, zodat nadien een snelle vertaling naar de kliniek mogelijk is.

Plan voor doel 1. We zullen het in vitro effect van MCTA's op het zuurstofverbruik beoordelen en vaststellen in welke mate OXPHOS-remming hypoxie in vitro verlicht met verschillende technieken zoals Live Cell Imaging en hypoxie-metingen, waardoor we rechtstreeks celgroei en zuurstof verbruik kunnen meten onder verschillende omstandigheden (WP1). Vervolgens zal het in vivo effect van MCTAs op het micromilieu van tumoren onderzocht worden door middel van Flow Cytometrie (FACS) en ImmunoHistoChemie (IHC) (WP1) waardoor we de hoeveelheid van verschillende immuuncellen kunnen bepalen en waar in de tumoren veranderingen in de samenstelling van tumorcellen, immuuncellen en hypoxie plaatsvinden. Tenslotte zal in WP1 het potentieel van klinisch beschikbare moleculaire beeldvormingstechnieken om MCTA-geïnduceerde effecten in de micro-omgeving van tumoren te volgen, worden onderzocht.

Plan voor doel 2. Het vinden van het optimale radiotherapie-immunotherapie-schema in tijd en dosis na eerdere MCTA-behandeling. Dit gebeurt in vivo met behulp van analyse van immuuncellen en functionele beeldvorming. Voor validatie van de geoptimaliseerde tri-modaliteit zullen we starten met transplanteerbare muistumormodellen, maar we zullen ook spontane muistumormodellen bestuderen, opnieuw inclusief functionele beeldvorming, om de resultaten naar de kliniek te kunnen vertalen. Als laatste onderdeel van het project zal de oxygenatiestatus en de distributie van immuuncellen in niet-kleincellige longtumoren (NSCLC) van een groep patiënten met en zonder neo-adjuvante behandeling met MCTA's (atovaquone) voorafgaand aan chirurgische resectie, worden bepaald.

Verwachte uitkomst:
In dit onderzoeksvoorstel verwachten we de optimale dosis-tijdrelatie te vinden voor de voorgestelde tri-modaliteit bestaande uit OXPHOS-remming, radiotherapie en immuuncheckpoint-remming. Door functionele beeldvorming in onze studies op te nemen, zullen we bovendien veranderingen in het micromilieu en metabolisme van de tumoren in het verloop van de behandeling op individuele tumor-basis kunnen volgen en kwantificeren. Functionele beeldvorming van deze tri-modaliteit zal een snelle vertaling naar de kliniek mogelijk maken.