Het gebruik van genen bij de behandeling van kanker

Inleiding

De behandeling van patiënten met uitgezaaide vormen van kanker is in veel gevallen niet curatief. Dit ondanks de inzet van diverse chirurgische, radiotherapeutische en chemotherapeutische behandelingsvormen of combinaties daarvan. Op basis van laboratoriumonderzoek en de eerste klinische onderzoeken zouden genen in de toekomst kunnen worden ingezet bij de behandeling van kanker, in de vorm van gentherapie. Hierbij kunnen genen of, anders gezegd, specifieke stukjes DNA in bepaalde cellen van patiënten gebracht worden (zie verderop). Een ziekte als gevolg van een gendefect kan men behandelen door in de afwijkende cellen het goede gen in te brengen; een andere toepassing van gentherapie is dat men een nieuw gen aan een cel toevoegt, waardoor het gedrag van die cel veranderd kan worden.

Gentherapie als ‘magic bullit’ voor kanker lijkt in eerste instantie niet de meest aangewezen behandeling, zolang niet duidelijk is welk gen of welke genen de oorzaak vormen. De meeste kankercellen hebben wel een genetisch defect, maar dit defect is veelal niet de oorzaak van de kanker. Er zijn slechts een paar ‘oorzakelijke’ genen geïdentificeerd, het duidelijkste voorbeeld hiervan is het retinoblastoom (RB)-gen. Deze tumoren kunnen behandeld worden met het ‘goede gen’.

Bij gentherapie waarmee nieuwe genen aan cellen worden toegevoegd, beoogt men:

– de kankercel te veranderen in een normale cel;

– normaal weefsel te beschermen tegen chemotherapie;

– het immuunsysteem te activeren tegen kankercellen; of

– de kankercellen van binnen uit te doden.

Behalve het argument dat niet altijd een oorzakelijk gen gevonden kan worden, gold tot voor kort nog een ander argument tegen gentherapie: èlke kankercel zou genetisch veranderd moeten worden voor het elimineren van de tumor. Recentelijk is echter duidelijk geworden dat onder bepaalde omstandigheden één genetisch veranderde tumorcel maar liefst 9 à 10 onveranderde tumorcellen kan elimineren. Dit wordt het ‘bystander’-effect genoemd. Een sluitende verklaring voor dit effect heeft men nog niet gevonden.

Bij de toename van kennis over het inbrengen van genen in cellen worden ook de toepassingsmogelijkheden bij de behandeling van kanker beter afgrensbaar.

In dit artikel gaan wij in op de mogelijkheden om genen te gebruiken bij de behandeling van kanker en op de voorwaarden om deze therapie toe te passen in de kliniek.

Hoe kunnen genen worden gebruikt bij de behandeling van kanker?

Er zijn verschillende methoden ontwikkeld voor het inbrengen van een gen in een humane cel; deze worden ook wel transductiesystemen genoemd en kunnen worden onderverdeeld in chemische, fysische en virale systemen. Bij het chemische transductiesysteem maakt men gebruik van partikeltjes waarin het DNA verpakt. kan worden. Dit partikeltje fuseert met de celmembraan, zodat de inhoud van het partikeltje in de cel kan komen. Bij het fysische systeem gebruikt men apparatuur waarmee het DNA in de cel kan worden gebracht. Het virale systeem is het meest effectief gebleken in humane cellen. Er zijn verschillende virale systemen: retrovirale, adenovirale en met het adenovirus samenhangende systemen. In klinisch-oncologisch onderzoek wordt vooral het retrovirale systeem gebruikt; dit systeem is tot nu het beste onderzocht, met name op het punt van veiligheid. Bij dit systeem maakt men gebruik van een retrovirale vector. Dat is een stukje DNA dat informatie bevat waarmee het in retrovirale virusdeeltjes kan worden ingepakt, en het bevat de informatie van het therapeutische gen. Tevens wordt gebruik gemaakt van een cellijn die virale eiwitten kan maken nodig voor het maken van virusdeeltjes. Een dergelijke cellijn wordt een ‘packaging’ cellijn genoemd. Door nu de retrovirale vector met het betreffende gen in de packaging cel te brengen, kan deze packaging cel vervolgens retrovirale virusdeeltjes maken. Met de gevormde virusdeeltjes kan men de gewenste cellen infecteren, waarop het gen in het DNA kan worden ingebouwd. De geïnfecteerde cellen zijn echter niet in staat opnieuw infectieuze virusdeeltjes te maken, doordat het ingebrachte DNA de informatie mist voor het maken van de retrovirale kapseleiwitten.

In het retrovirale systeem wordt gebruik gemaakt van retrovirussen; deze virussen attaqueren alleen delende cellen. Dit is een voordeel, want men wil met de transductie selectief tumorcellen uitschakelen, maar het kan een nadeel zijn wanneer langzaam delende cellen met een vreemd stukje DNA veranderd moeten worden, hetgeen het geval is bij bijvoorbeeld beenmergcellen.

Een gen kan pas in de kliniek gebruikt worden, als het geplaatst is in een transductiesysteem en als de veiligheid van dit systeem is getest. Bij het virale transductiesysteem bestaat de mogelijkheid dat door recombinatie van DNA virusdeeltjes ontstaan die bij herhaling infectieus blijven; dit worden helpervirussen genoemd. Daarom moet men in verband met de veiligheid dit virale transductiesysteem voor gebruik in vivo niet alleen op toxiciteit en steriliteit testen, maar ook op de aanwezigheid van helpervirussen.

Wat wordt met gentherapie beoogd?

De toepassing van genen bij kankertherapie kan de volgende doelen dienen:

Het veranderen van de kankercel in een normale cel

Men onderscheidt 2 groepen genen die betrokken zijn bij het ontstaan en de progressie van kanker: de proto-oncogenen en de tumorsuppressorgenen. Het veranderen van de activiteit van deze genen kan resulteren in een wijziging van het groeigedrag van de kankercel, waarbij gestreefd wordt dit groeigedrag om te zetten in dat van normale cellen. Als eerste bespreken wij de proto-oncogenen.

Een proto-oncogen is een gen dat in normale cellen niet actief is. Een proto-oncogen dat op een of andere manier is geactiveerd, wordt een oncogen genoemd. Het eindprodukt waarvoor een oncogen de genetische informatie bevat, een eiwit, kan door deze activering een hogere concentratie krijgen dan wel een veranderde activiteit. In beide gevallen zal dit resulteren in stimulatie van de celgroei. Deze stimulatie kan geremd worden door in de geactiveerde cel een stukje ‘antisense-georiënteerd’ DNA of ribonucleïnezuur (RNA) in te brengen. Met ‘antisense-georiënteerd’ wordt bedoeld dat de oligonucleotidenvolgorde complementair is aan het oncogene stukje DNA dan wel ‘messenger’ (m)RNA. De antisense-georiënteerde oligonucleotiden binden zich in de cel aan de complementaire structuren van het oncogen. Deze binding heeft tot gevolg dat het oncogen-eiwit niet gevormd kan worden. Dit zal resulteren in een afname van de concentratie van het oncogen-eiwit.

Het K-ras-oncogen is één van de vele oncogenen. Activering van K-ras wordt in verschillende tumoren gevonden. Bij naakte muizen (dat zijn muizen waarin de thymus niet wordt aangelegd en die daarom T-cellen missen) die waren ingespoten met cellen van menselijke grootcellige longkanker, is aangetoond dat na een behandeling met een antisense-stukje K-ras-RNA bij 87 de tumor verdwenen was; dit was niet het geval bij de niet behandelde muizen.1 Klinische onderzoeken zijn gestart en worden telkens gepubliceerd in het tijdschrift Human gene therapy. Dit principe is ook toepasbaar voor andere oncogenen. Een van de moeilijkheden van dit onderzoek is dat het gen waarschijnlijk in alle tumorcellen ingebracht moet worden om de therapie effectief te laten zijn. Een eventueel bystander-effect is in dit model nog niet bestudeerd.

Een suppressorgen produceert een tumorsuppressoreiwit. Bij het wegvallen van een dergelijk eiwit neemt de kans op het ontstaan van tumoren toe. Door nu bij een kankercel met een gemuteerd (dus defect) suppressorgen het goede gen in te brengen, streeft men naar normalisering van het groeigedrag van de cel. Het probleem bij deze genen is dat het gemuteerde gen een gemuteerd eiwit vormt dat in de cel stabiel en actief is. Daardoor kan de besturing van bepaalde cellulaire functies verstoord raken. Als het ingebrachte gen effectief werkzaam wil zijn, dan zal het gemuteerde genprodukt overheerst moeten worden dan wel niet meer tot expressie mogen komen. Om het gemuteerde genprodukt te domineren moet men in staat zijn om het normale gen efficiënt in te brengen in de acceptorcel en zal dit in hoge mate tot expressie moeten komen. Er zijn twee manieren om ervoor te zorgen dat het gemuteerde genprodukt niet tot expressie komt:

– door gebruik te maken van een antisense-construct tegen het gemuteerde mRNA dan wel tegen het gemuteerde DNA; of

– door gebruik te maken van homologe recombinatie (bij deze methode wordt het gemuteerde gen vervangen door het goede gen).

In tabel 1 is een overzicht gegeven van mogelijke toepassingen van dit onderzoek; een uitgebreider overzicht is te vinden in het artikel van Gutierrez et al.2 In de V.S. bestaat er een door de Food and Drug Administration (FDA) goedgekeurd protocol betreffende de insertie van het normale p53-gen in patiënten met niet-kleincellige longtumoren. Een probleem bij dit onderzoek is dat het gen waarschijnlijk in alle tumorcellen gebracht moet worden. Of hier een bystander-effect optreedt, is nog niet bestudeerd.

Bescherming van het normale weefsel tegen chemotherapie

Het is bekend dat tumoren ongevoelig zijn dan wel na verloop van tijd ongevoelig kunnen worden voor chemotherapie. Dit kan veroorzaakt worden door genen die eiwitten produceren die in staat zijn bepaalde chemotherapeutica uit de cel te pompen. Door nu een dergelijk gen in gezond weefsel in te brengen kan dit weefsel ongevoelig worden voor deze chemotherapeutica. Dit is bijvoorbeeld aangetoond in beenmergcellen van muizen.3 Bij deze muizen werd gebruik gemaakt van het ‘multiple drug resistance’ (MDR)-gen. Een actief MDR-gen is in staat een eiwit te produceren dat op zijn beurt in staat is bepaalde chemotherapeutica uit de cel te pompen. Dit gen werd in vitro ingebracht in muizebeenmergcellen, die daarna werden teruggespoten. Na deze behandeling was men in staat een hogere dosis chemotherapie te geven (die normaal toxisch voor het beenmerg zou zijn en waartegen het MDR-gen resistentie gaf), zonder dat dit resulteerde in beenmergtoxiciteit. Men is bezig om dit ook te realiseren in menselijke beenmergcellen. Er zijn naast het MDR-gen ook andere genen die verband houden met resistentie. Volgens het beschreven principe zouden deze resistentiegenen ook in aanmerking kunnen komen om normale cellen te beschermen tegen bepaalde chemotherapeutica. Voorbeelden van deze genen zijn: ‘multidrug related protein’ (MRP)-gen, dihydrofolaatreductase-gen, glutation-transferase-S-gen, aldehyde-dehydrogenase-gen, thymidilaatsynthase-gen, 6-0-methylguanine-DNA-methyltransferase-gen, metallothionine-producerende genen.

Het activeren van het immuunsysteem tegen kankercellen

De mogelijkheden voor het activeren van het immuunsysteem tegen kankercellen splitsten zich in twee richtingen. Ten eerste streeft men ernaar om het immuunsysteem agressiever te maken. Dit kan gerealiseerd worden door het inbrengen van een gen voor cytokinen, zoals het tumornecrosisfactor (TNF)-gen in tumorinfiltrerende lymfocyten. Deze lymfocyten zijn in staat kankercellen te doden, maar in aanwezigheid van bepaalde cytokinen gebeurt dit effectiever.

Ten tweede streeft men naar het meer immunogeen maken van de tumor. Dit kan men doen door het DNA dat de code draagt van bepaalde cytokinen (bijvoorbeeld TNF, granulocyt-macrofaag-kolonie-stimulerende factor (GM-CSF), interleukine-2) in vitro in kankercellen in te brengen, zodat bij het actief zijn van deze genen deze cytokinen worden gemaakt. Dit komt herkenning van deze cellen door het immuunsysteem ten goede. Deze gemodificeerde tumorcellen worden, na bestraald te zijn, gebruikt als vaccin. Men hoopt op deze manier dat de niet genetisch veranderde tumorcellen nu ook herkend zullen worden door het immuunsysteem of, anders gezegd, men hoopt op het ontstaan van kruisreactiviteit. Er zijn klinische trials gestart.

Het doden van de kankercel van binnenuit

Door in een tumorcel een ‘suïcide-gen’ te plaatsen zal in die cel een eiwit gemaakt worden dat de cel van binnenuit kan vergiftigen. Een voorbeeld van een dergelijk suïcide-gen is het thymidine-kinase-gen. Dit gen zorg ervoor dat in de kankercel thymidine-kinase wordt gemaakt. Door nu deze cel bloot te stellen aan ganciclovir ontstaat celdood, doordat thymidine-kinase ganciclovir omzet in een cytotoxische stof. Andere mogelijkheden van suïcide-genen zijn het cytosine-deaminase-gen (dit zet fluorocytosine om in het toxische fluorouracil), het ?-glucosidase-gen (dit zet amygdaline om in het toxische cyanide) en het nitroreductase-gen (dit zet het dinitrofenylaziridine CB 1954 om in een cytotoxisch produkt). Bij het gebruik van suïcide-genen in vitro en in proefdiermodellen is een bystander-effect aangetoond. Hierbij heeft men gevonden dat één genetisch veranderde tumorcel 9 à 10 onveranderde tumorcellen kan elimineren na blootstelling aan het antiherpesmiddel ganciclovir, zodat het inbrengen van het gen in alle tumorcellen niet nodig is voor het doden van alle tumorcellen. Klinische trials worden toegepast bij patiënten met hersen- en ovariumtumoren.

Een probleem bij dit onderzoek is dat alleen de tumorcellen gedood moeten worden en niet de normale cellen. Dit probleem kan men ondervangen door gebruik te maken van weefselspecifieke ‘promotoren’, stukjes DNA die ervoor zorgen dat bepaalde genen alleen tot expressie komen in bepaalde celtypen. Zo is in levercellen de albuminepromotor actief en mede daardoor is er albuminesynthese. De ?-foetoproteïnepromotor is echter niet actief en daardoor is er geen ?-foetoproteïnesynthese. Een gen gekoppeld aan een albuminepromotor kan in normale levercellen tot expressie komen, maar niet in leverkankercellen, want daarin is de albuminepromotor niet actief. In leverkankercellen is de ?-foetoproteïnepromotor en daarmee de ?-foetoproteïnesynthese actief, in normale levercellen echter niet. Door nu een gen (bijvoorbeeld een suïcide-gen) te koppelen aan de ?-foetoproteïnepromotor zal dit gen tot expressie komen in leverkankercellen en niet in de normale levercellen. Na toediening van ganciclovir zullen alleen de kankercellen in de lever doodgaan. Mogelijkheden voor weefselspecifieke promotoren zijn weergegeven in tabel 2, een uitgebreider overzicht is te vinden in het artikel van Gutierrez et al.2

Voorwaarden om gentherapie toe te passen in de kliniek

Om gentherapie te kunnen toepassen bij patiënten moet voldaan worden aan de volgende voorwaarden:

– het moet gaan om een levensbedreigende ziekte;

– de DNA-volgorde van het gen dat men wil gebruiken, moet bekend zijn; en

– cellen die buiten het lichaam met een gen veranderd zijn, moeten in het lichaam op de juiste plaats teruggeplaatst kunnen worden, of cellen moeten in het lichaam bereikbaar zijn om er genen in te brengen.

Conclusie

De toepassing van genen bij kanker lijkt veelbelovend. Gentherapie is een geheel nieuwe benadering om tumorcellen te attaqueren en creëert de mogelijkheid om tumorcellen te veranderen in normale cellen, of althans in cellen met een minder kwaadaardig gedrag. De eerste klinische trials zijn gestart. Het is nog te vroeg om iets te kunnen zeggen over het succes van gentherapie.