Angiogenese en de regulatie van de afweer tegen tumoren

Zie ook het artikel op bl. 1549.

Zoals Verheul et al. reeds elders in dit tijdschriftnummer bespreken,1 is angiogenese het proces waarbij nieuwvorming van bloedvaten plaatsvindt, op basis van bestaande vaten. Angiogenese speelt een belangrijke rol bij de uitgroei van tumoren. Zonder angiogenese te induceren is een tumor niet in staat om een volume groter dan ongeveer 1 mm³ aan te nemen, noch zouden tumoren in staat zijn hematogeen dan wel lymfogeen te metastaseren.2 3 Inhibitie van angiogenese is daarom een aantrekkelijke optie voor kankertherapie. Zoals langzamerhand duidelijk wordt, zijn niet alleen solide tumoren, maar ook lymfoproliferatieve ziekten (leukemieën en lymfomen) afhankelijk van angiogenese. Hoge concentraties en een hoge productie van angiogene factoren, zoals fibroblastgroeifactor (FGF) en vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF), zijn aangetoond in geval van acute myeloïde leukemie, acute lymfoblastoïde leukemie en lymfomen.4-6

Hoewel lymfoïde cellen uitstekend in staat zijn VEGF tot expressie te brengen (met name de circulerende T-cellen en lymfocyten die in tumoren worden aangetroffen), zijn de maligne lymfoomcellen VEGF-negatief.7 In tegenstelling tot carcinomen en sarcomen, waarin de VEGF hoofdzakelijk door de tumorcellen zelf geproduceerd wordt, wordt bij lymfomen de VEGF-productie verzorgd door stromale (myo)fibroblasten. Dit suggereert een indirecte inductie van angiogenese als respons op cytokinen afkomstig van de lymfoomtumorcellen. De aangehaalde publicaties maken duidelijk dat immuuncellen direct of indirect angiogenese kunnen stimuleren.

In dit artikel gaan wij nader in op de regulatie van de angiogenese. Allereerst lichten wij het proces van leukocyt-vaatwandinteractie toe en daarna de invloed die tumoren hebben op de expressie van adhesiemoleculen. Vervolgens bespreken wij hoe kunstmatige regulatie van deze receptorexpressie, via regulatie van de angiogenese, een rol kan spelen bij de bestrijding van tumoren en in welke mate de ontstekingsreactie daarbij betrokken is.

remming van leukocytadhesie aan endotheel door stimulatie van angiogenese

Endotheelcellen hebben op het celoppervlak een unieke set van adhesiemoleculen die onderverdeeld kunnen worden in 4 families. Selectinen, zoals E- en P-selectine, zijn belangrijke adhesiemoleculen die betrokken zijn bij vroege leukocyt-vaatwandinteracties (zogenaamde leukocyt-‘rolling’). Ook spelen ze een rol bij door ontsteking gemedieerde interacties die leiden tot stabiele adhesie. Leden van de immuunglobulinesuperfamilie, zoals de intercellulaire adhesiemoleculen (ICAM's) en de vasculaireceladhesiemoleculen (VCAM's), komen ook tot expressie op endotheel en spelen een belangrijke rol bij leukocyt-endotheelcelinteracties, omdat de tegenstructuren op de leukocyten betrokken zijn bij de leukocytactivatie. De integrinefamilie, die een zeer uitgebreide weefseldistributie kent en betrokken is bij zeer veel cellulaire processen, is op vasculair endotheel vereist voor de interactie met extracellulaire matrixcomponenten, zoals collageen, fibronectine en vitronectine. In een vierde familie zijn andere adhesiemoleculen ondergebracht, zoals de antigenen CD34 en CD44.

Behalve in een classificatie in deze families van adhesiereceptoren, valt voor endotheelcellen ook een onderscheid te maken in (a) adhesiemoleculen die de interactie met de extracellulaire matrix verzorgen (in deze groep vallen de integrinen en CD44); en (b) adhesiemoleculen die betrokken zijn bij leukocyt-endotheelinteracties (zoals ICAM's, VCAM's, selectinen en CD34). Bij een uitgebreid onderzoek naar het fenotype van endotheelcellen in tumorbloedvaten konden deze twee groepen van adhesiemoleculen duidelijk onderscheiden worden.8

Endotheelcelanergie

Van de eerstgenoemde groep adhesiereceptoren werd een verhoogde expressie op tumorendotheelcellen waargenomen, terwijl de receptoren voor leukocytinteracties verlaagd tot expressie bleken te komen in tumorvaten. Tevens bleek de respons van tumorendotheelcellen op inflammatoire cytokinen, zoals interleukine-1 en tumornecrosisfactor-?, ernstig verstoord te zijn. Dit gold voor de toename van de expressie van zowel ICAM-1 en E-selectine als VCAM-1. Bij het onderzoek naar de oorzaak van deze zogenaamde endotheelcelanergie bleek de expositie aan hoge concentraties door de tumor geproduceerde angiogene factoren, zoals FGF en VEGF, de veranderde expressie van adhesiemoleculen te veroorzaken.9-13 Hoewel een eerdere publicatie melding maakt van een tegengesteld effect van VEGF en FGF, waarbij VEGF in vitro juist de expressie van adhesiemoleculen zou stimuleren,13 blijkt ook uit dit onderzoek dat het netto-effect van tumorangiogenese in vivo een verlaging van leukocyt-endotheelinteracties inhoudt.

Angiogene stimulatie van endotheelcellen, zoals die plaatsvindt in tumoren, leidt dus enerzijds tot verhoogde adhesie aan matrixcomponenten,14 nodig voor de migratie van endotheelcellen en het uitspruiten van nieuwe vaten,1516 anderzijds tot suppressie van receptoren voor leukocytinteracties. De biologische betekenis hiervan is dat de opbouw van een ontstekingsinfiltraat wordt verhinderd en dat daarmee de tumor aan de ontstekingsreactie kan ontsnappen (figuur 1). Naast complexe regulatiemechanismen als het complement- en het stollingssysteem blijkt ook het proces van angiogenese dus een grote invloed te hebben op de ontwikkeling van een normale afweer.17 Niet alleen in tumoren lijkt dit proces van belang te zijn. De positieve bijdrage van behandeling met VEGF bij ischemische schade zou verklaard kunnen worden door de remming van leukocytextravasatie in het weefsel en ook door weefseloxygenatie als gevolg van de vorming van nieuwe bloedvaten.

inhibitie van angiogenese beëindigt en voorkomt endotheelcelanergie

Toen eenmaal was vastgesteld dat angiogenese de ontstekingsreactie antagoneert, werd als hypothese naar voren gebracht dat het remmen van angiogenese kan leiden tot inductie van adhesiemoleculen en dat dit endotheelcelanergie kan opheffen. Nader onderzoek wees uit dat inhibitie van de angiogenese met specifieke remmers van endotheelcelgroei deze gestoorde endotheelcelfunctie inderdaad kan normaliseren (zie figuur 1; figuur 2). Zowel de verlaagde ICAM-1-expressie als de inhibitie van een door cytokinen geïnduceerde ontstekingsreactie kan door angiogeneseremmers worden hersteld. Dit werd aangetoond voor plaatjesfactor-4 (PF4), trombospondine-1 en interferon-?-induceerbaar proteïne 10, 3 reeds eerder beschreven remmers van de angiogenese.18 Interessant hierbij is dat slechts die angiogeneseremmers dit effect sorteren die een direct remmende invloed op de endotheelcelproliferatie hebben.

Metalloproteïnaseremmers als batimastat en marimastat, die de angiogenese remmen door het voorkómen van matrixdegradatie,2 hebben geen effect op adhesiemolecuulexpressie en leukocytadhesie.19 Deze bevindingen kunnen zeer interessant zijn voor toepassingen van anti-angiogenesetherapie, waarbij inductie van een infiltraat juist een negatief effect heeft, zoals bij reumatische aandoeningen.

Behalve aan het remmen van de tumorgroei door het voorkómen van vaatingroei (de tumor wordt ‘uitgehongerd’ door het voorkómen van vascularisatie), kunnen remmers van angiogenese dus ook bijdragen aan een verhoogde bereikbaarheid van de tumor voor het immuunsysteem en voor de ontstekingsreactie. Dit zal een bijdrage leveren aan de remissie van de tumor. Therapie van kankerpatiënten met angiogeneseremmers staat vooralsnog in de kinderschoenen, terwijl regelmatig nieuwe reagentia worden beschreven met anti-angiogene werking.2 Omdat bekend is dat de werkingsmechanismen van deze stoffen onderling verschillen, is het noodzakelijk te weten welke remmers de beoogde immunologische effecten sorteren. Het is daarom belangrijk, voordat deze middelen in klinische fase-I- en -II-trials worden getest, het effect op leukocyt-endotheelinteracties te bestuderen en zicht te krijgen op de bijdrage van dit effect op de antitumorwerking.

ontwikkeling van nieuwe angiogeneseremmers

De ontwikkeling van nieuwe angiogeneseremmers en het testen ervan in proefdiermodellen is tot nu toe het succesvolst geweest met stoffen die een direct remmend effect hebben op de endotheelcelproliferatie. 2021 Een van de researchlijnen binnen ons laboratorium is de ontwikkeling van nieuwe angiogeneseremmers. Bij de ontwikkeling hiervan is uitgegaan van de-novo-ontwerp en -synthese van peptidemoleculen, die gebaseerd is op de ?-vouwbladstructuur van chemokinen, zoals de angiogeneseremmer PF4. In samenwerking met prof.K.H.Mayo van de vakgroep Biochemie van de Universiteit van Minnesota in Minneapolis is een bank ontwikkeld van stabiele, wateroplosbare peptiden die in oplossing een ?-vouwbladstructuur aannemen.22 Uit deze bank van zogenaamde ?pep-peptiden werden enkele peptiden gevonden met angiostatische activiteit. Sommige hiervan bleken in vitro veel betere angiogeneseremmers te zijn dan reeds bestaande remmers, zoals natief PF4, trombospondine 1 en angiostatine. Het mechanisme van de angiogenese-inhibitie door deze peptiden blijkt de specifieke inductie van apoptose in endotheelcellen te zijn. Tevens is de angiostatische activiteit beperkt tot het angiogeen gestimuleerde vaatbed. Deze ?pep-peptiden zijn de eerste ontworpen peptiden met een duidelijke biologische functie en met een voor de hand liggende toepassing. Het gebruik van angiogeneseremmers die de vasculatuur in tumoren niet alleen remmen, maar ook verwoesten, is een attractieve benadering van kankertherapie.

Omdat is aangetoond dat de mate waarin stoffen angiogenese remmen niet gerelateerd is aan de inductie van adhesiemolecuulexpressie, vindt naast deze screening op angiogeneseremming tevens screening plaats op het vermogen om endotheelcelanergie op te heffen. In ons onderzoek worden die angiogeneseremmers geselecteerd voor verder preklinisch onderzoek die beide eigenschappen bezitten. Het concept van de-novo-ontwerp en -synthese van peptidecytokinen die bruikbaar zijn voor anti-angiogenesetherapie omzeilt de problemen die kunnen optreden met het toedienen van hoge concentraties endogene stoffen, zoals angiostatine, endostatine, trombospondine 1 en PF4.