Grootschalig eiwitonderzoek om de cellulaire communicatie in mini-organen van prostaat(kanker)weefsel te ontcijferen

A.     Achtergrond en probleemstelling
Castratie-resistente prostaatkanker (CRPC) is een vergevorderd stadium van prostaatkanker waarbij de tumor resistent geworden is voor anti-hormonale therapie. Patiënten met CRPC hebben een verwachte levensduur van 2 tot 3 jaar1 en jaarlijks overlijden er wereldwijd meer dan 375,000 mannen aan de gevolgen van prostaatkanker30. Om nieuwe behandelingen te ontwikkelen voor deze agressieve vorm van prostaatkanker is het cruciaal om eerst de biologie van de tumor beter te begrijpen. Tijdens het afgelopen decennium hebben nieuwe technieken het mogelijk gemaakt om de moleculaire pathogenese en progressie van prostaattumoren in kaart te brengen5–8,37,97. Echter de verkregen informatie op het gebied van DNA en genexpressie kan alleen indirect de status voorspellen van eiwitten, de uiteindelijk “effectoren” van bijna alle biologische processen en aangrijppunten voor geneesmiddelen. Dus, ondanks de noemenswaardige vooruitgang in karakterisatie van de tumoren is er nog veel onderzoek nodig om mogelijke doelwitten voor geneesmiddelen te identificeren.

B.     Onderzoeksrichting/voorgestelde oplossing
Eiwitten zijn de bouwstenen van alle cellen, inclusief de tumorcellen, en daarom veelbelovende doeleinde voor geneesmiddelen. Met een bepaalde techniek, massaspectrometrie, kunnen we alle eiwitten die tot expressie worden gebracht in cellen detecteren. Echter deze techniek vereist heel veel (tumor)cellen, wat vaak niet beschikbaar is. De ontwikkeling van mini-organen, zogenaamde organoïden, van tumorweefsel van patiënten biedt een oplossing voor de beperkte hoeveelheid beschikbaar patiëntenmateriaal. Organoïden zijn 3 dimensionale (3D) in vitro celkweek modellen, die de complexiteit van een in vivo orgaan nabootsen16. Organoïden kunnen gemaakt worden van zowel gezond als tumorweefsel, en door de vermeerderingspotentiaal bieden deze modellen allerlei mogelijkheden voor fundamenteel en klinisch onderzoek17. Daarom stel ik in dit onderzoeksproject voor om deze nieuwe kweekmodellen en massaspectrometrie-gebaseerde technologieën te gebruiken om nieuw inzicht in de biologie van prostaatkanker te verkrijgen. Dit brengt ons een stap dichterbij mogelijke therapeutische routes voor de behandeling van CRPC.

C.     Onderzoeksvragen
De nieuwe kweekmethodes voor prostaat organoïden bieden ongekende mogelijkheden voor het bestuderen van essentiele eiwitten die betrokken zijn bij intra-  en intercellulaire cel communicaties tijdens de progressie van prostaatkanker. Dit onderzoek is gespecificeerd in drie onafhankelijke, complementaire onderzoeksvragen:

1. Wat zijn de veranderingen van de intracellulaire eiwitten gedurende de ontwikkeling van resistentie tegen prostaatkankermedicijnen?
2. Wat is de invloed van de interactie tussen prostaat epitheelcellen en de omringende cellen op de functie en differentie van prostaatcellen?
3. Wat is het effect van de interactie tussen prostaatkankercellen en de omringende cellen op tumorprogressie?

D.      Onderzoeksopzet
In het afgelopen jaar heb ik twee organoïde kweekmethodes opgezet. De eerste kweekmethode is gebaseerd op 3D kweek van zogenaamde patient derived xenograft (PDX) modellen. Men spreekt van PDX modellen als er een stukje tumorweefsel in een proefdier wordt geïmplanteerd. Zodra de tumor is gegroeid in proefdieren, kunnen de tumoren verder gekweekt worden op kweekschalen in 3D. Hierdoor kunnen we grote hoeveelheden materiaal kweken, wat het mogelijk maakt om naar specifieke eiwitmodificatie te kijken. Tijdens de progressie naar CRPC kunnen er verandering in eiwitmodificaties plaatsvinden18–20. We hebben tumormateriaal van vroeg stadium prostaatkanker tot onze beschikking, welke behandeld kan worden met anti-hormonale therapie net zoals in de klinische setting. De waargenomen veranderingen in eiwitmodificaties kan uiteindelijk leiden tot de identificatie van nieuwe doeleiwitten voor geneesmiddelen en voorspellende biomarkers voor therapeutisch falen.

Het tweede model is gebaseerd op het kweken van twee verschillende celtypes die voorkomen in de prostaat (kanker) epitheelcellen en mesenchymale cellen. In eerder onderzoek is aangetoond, dat de aanwezigheid van mesenchymale cellen essentieel is voor de groei van epitheelcellen en vice versa. Ik wil met behulp van deze kweekmethode eiwitten identificeren die betrokken zijn bij de communicatie tussen deze celtypes. In plaats van epitheelcellen is het ook mogelijk om tumorcellen in dit model te gebruiken. Dit levert informatie op over welke eiwitten er betrokken zijn bij de communicatie tussen cellen en hoe dit verandert ten opzichte van gezonde epitheelcellen.

E.      Verwachte uitkomsten/relevantie
CRPC is een letaal ziektestadium zonder curatief perspectief en daarom is onderzoek naar nieuwe behandelingen hard nodig. Dit project streeft naar het onderzoeken van de biologie van CRPC, zodat de tumoren beter begrepen worden en er nieuwe geneesmiddelen ontwikkeld kunnen worden. Door het gebruik van prostaat organoïden in combinatie met de allernieuwste eiwit technieken, wil ik volledige eiwitexpressie profielen genereren van intra- en intercellulaire signalering in prostaatcellen.

De door mij ontwikkelde en reproduceerbare methodes voor het genereren van prostaat organoïden vertonen fenotypische gelijkenis met in vivo prostaatweefsel en bestaan uit veel verschillende celtypes. Plus de mogelijkheid om nu van geringe hoeveelheid patiëntenmateriaal grote hoeveelheid organoïden te maken, maakt het mogelijk om voor het eerst een grootschalig eiwitonderzoek te doen. Het in kaart brengen van de eiwit signalen die gepaard gaan met celcommunicatie via intra- en intercellulaire signalering levert een bijdrage aan de kennis van CRPC en mogelijk nieuwe aanknopingspunten voor de ontwikkeling van medicijnen tegen CRPC.

F.     Omschrijving stappen nodig om resultaat te implementeren
De protocollen voor het maken van prostaat organoïden van zowel gezond als tumorweefsel zal gepubliceerd worden in open access tijdschriften (naar verwachting aan het einde van jaar 1), zodat de protocollen direct beschikbaar zijn voor andere onderzoekers. Deze protocollen zullen van groot belang zijn op het gebied van fundamenteel en translationeel prostaatkanker onderzoek. Informatie over de mesenchymale cel-cel communicatie kan nuttig zijn om de huidige kweekmodellen te verbeteren. Bovendien kunnen de gedetecteerde eiwitten die verband houden met progressie van prostaatkanker dienen (1) als nieuwe biomarkers om de response van patiënten op een behandeling te volgen, of (2) als nieuwe doelwitten voor geneesmiddelen. De connecties met bedrijven via Oncode Instituut zullen helpen bij het efficiënt vertalen van mijn onderzoekresultaten van 'bench-naar-bedside'. Om een maximale kennisbenutting te borgen, zal ik alle onderzoeksresultaten uit alle drie de werkpakketten volledig open access publiceren. Tevens, zal de verkregen onderzoeksdata worden gepresenteerd in jaarlijkse conferenties van de EAU Sectie Urologisch Onderzoek, de Nederlandse Vereniging voor Endocrinologie en Oncode Instituut. Deze conferenties worden bijgewoond door onderzoekers en artsen gespecialiseerd in urologie en/of kankeronderzoek. Daarnaast zal alle onderzoeksdata in gecentraliseerde openbare repositories worden ondergebracht (zoals PRIDE voor massaspectrometrie data). Tot slot, alle organoïden en cellijnen die in dit project worden gegenereerd, zullen op verzoek worden gedeeld.