Het ontrafelen van de rol van exosomen in de progressie van colorectale kanker met live microscopie

Colorectale kanker (CRC) is een kanker van het colon en rectum die vaak dodelijk is. In 2018 is het aantal ziektegevallen wereldwijd geschat op meer dan 1.35 miljoen. Inmiddels staat CRC daarmee op de tweede plek van alle kankers in prevalentie en mortaliteit. De belangrijkste doodsoorzaak in CRC is uitzaaiing (metastase), die voornamelijk naar de lever plaatsvindt. Zelfs na behandeling krijgen de meeste patiënten na verloop van tijd te maken met een relapse (zo’n 70%), en vaak weer in de lever. Daarom is het van groot belang de manieren te begrijpen waarop deze metastases gevormd worden, om zo in de toekomst gerichte therapieën te ontwikkelen.

Exosomen zijn kleine blaasjes, zo’n 50-150 nanometer groot, die door de cel worden uitgescheiden. Doordat ze informatie bevatten (in de vorm van specifieke eiwitten of stukjes genetisch materiaal) kan de cel deze blaasjes gebruiken om te communiceren met zijn omgeving. Zodoende zijn exosomen in veel processen betrokken. Zo kunnen ze actief zijn tijdens de ontwikkeling, maar ook binnen het afweersysteem. Omdat tijdens ziekte deze 'goede' communicatie verstoord raakt, kunnen ze ook een rol spelen in processen als de aanleg van bloedvaten in de tumor, de verandering van cellen van een redelijk georganiseerd epitheel naar een makkelijker uitzaaiend mesenchymaal type (EMT). Daarnaast bepalen ze ook mede het orgaan waar de tumor naar uit kan zaaien. Hiermee spelen exosomen een centrale rol in tumor metastase. 

Het bepalen van de precieze rol van exosomen in kanker blijft echter moeilijk. Dit komt vooral doordat exosomen zo ontzettend klein zijn. Hierdoor ontbraken tot voor kort modellen die de bestudering van exosomen in een levend organisme op hoog microscopisch niveau én in een natuurgetrouwe context mogelijk maken.

Recentelijk heb ik modellen ontwikkeld die dit probleem verhelpen, en het in beeld brengen van exosomen met de benodigde hoge tijds- en spatiele (beeld) resolutie mogelijk maken in kankercellen maar ook in zebravis embryo’s. Dankzij hun kleine formaat (3mm) en transparantie zijn deze embryo’s uiterst geschikt om processen (zoals de aanleg van bloedvaten) live, op celbiologisch niveau te bestuderen. Recent heb ik laten zien dat we zebravis embryo’s met een bepaald fluorescent eiwit (CD63) ook kunnen gebruiken om exosomen van de ene plek in het embryo via de bloedsomloop naar een andere plek kunnen zien gaan. Waar voorheen de regulatie en het transport van exosomen dus voornamelijk een “black-box” was, kunnen we nu dus voor het eerst zien 1) wanneer een cel exosomen uitscheidt, 2) waar ze heen gaan, 3) via welke route, 4) waar ze aanhechten, en 5) wat er vervolgens gebeurt. Een tweede model dat ik wil gebruiken is ontwikkeld binnen het Hubrecht, in het lab van Prof. Dr. Hans Clevers. Dit zijn organoïden, ook wel “mini orgaantjes” genoemd, die een stukje darm in het klein met allerlei verschillende celtypes daar aanwezig kunnen nabootsen. Daarom zijn ze ook geschikt om aandoeningen zoals bijvoorbeeld darmkanker te bestuderen. Deze organoïden zijn veel natuurgetrouwer dan de celkweken die we tot voorkort veelvuldig voor dit soort onderzoek gebruikten, en die vaak maar uit één celtype bestonden. We weten inmiddels dat dit invloed heeft op welke eiwitten er precies in exosomen terecht komen, en daarom is het van groot belang dit op een juiste manier te doen. 

In deze KWF-aanvraag wil ik daarom exosomen isoleren van CRC organoïden die verschillende stadia van de ziekte weerspiegelen, om zo te achterhalen welke eiwitten ze precies bevatten en welke cellen ze bereiken (biodistributie). Dit kan ons vertellen wat de CRC cellen precies willen communiceren met hun omgeving. In vervolgonderzoek kan die informatie bovendien nog gebruikt worden om biomarkers te ontdekken, die de ziekte in een vroeg stadium kunnen ontdekken of bijvoorbeeld welke behandelwijze het meest geschikt is. In dit onderzoek zal ik mij echter voornamelijk richten op de basale mechanismen van metastase, omdat dat van groot belang is om te begrijpen wat er precies misgaat. Omdat organoïden heel goed zijn in een specifiek orgaan na te bootsen, maar niet verbonden zijn met andere organen (bijv. via bloedvaten) zijn ze minder geschikt om naar metastase te kijken (die namelijk vaak naar andere organen plaatsvindt), en hier is juist het zebravis model weer erg geschikt voor. Dat is wat ik in het 2e en 3e deel van mijn onderzoek wil doen. 

Er zijn dus al aanwijzingen dat deze exosomen een belangrijke rol kunnen spelen in de groei van de tumor. In deze aanvraag wil ik dit organoïde model samen met het zebravis model toepassen op CRC, en de rol van tumor exosomen (ook wel tEVs genoemd) te bestuderen in twee cruciale processen. Als eerste wil ik kijken hoe de door de tumor uitgescheiden exosomen de aanleg van bloedvaten naar de tumor stimuleren. Als tweede wil ik kijken of de tEVs, eenmaal in de bloedbaan, op een andere plek in het lichaam aan de bloedvatwand (endotheel) kunnen hechten, en zo circulerende tumorcellen (CTCs) kunnen helpen om ook op die plek aan te hechten, tussen de endotheelcellen door te kruipen, om vervolgens een nieuwe metastase te vormen. Voor beide processen zijn er aanwijzingen dat tEVs een rol spelen, maar het precieze mechanisme heeft nog nooit op dit niveau vastgelegd kunnen worden. Hierdoor missen we nog cruciale informatie die mogelijk er relevant is voor de ontwikkeling van therapieën. Om dit goed te kunnen aantonen, mist echter nog een tool die ik in het eerste deel van het project op zal zetten. Deze tool heet “EV-trap”, en stelt mij in staat om op een handige manier de spreiding van tumor exosomen te voorkomen, of bijvoorbeeld om ze te ‘vangen’ op een plek waar ze anders niet zouden blijven hangen omdat er een specifiek aanhechtingseiwit mist. Door op deze manier de spreiding van exosomen te “tunen” en gebruik te maken van het nieuwe CRC-zebravismodel kan ik daarmee heel nauwkeurig de rol van deze tEVs bestuderen. 

Uiteindelijk kan de vergaarde kennis in de toekomst gebruikt worden om bestaande therapieën te optimaliseren of om nieuwe aangrijpingspunten te bepalen, om zo - gecombineerd met andere therapieën - het ontstaan van uitzaaiingen stap voor stap verder te kunnen terugdringen.