Kankerstamcellen
Open

Stand van zaken
06-02-2009
Louis Vermeulen, Joost J.C. Verhoeff, Dick J. Richel en Jan Paul Medema

Recent oncologisch onderzoek laat zien dat verschillende hematologische en solide maligniteiten moeten worden beschouwd als complexe weefsels, die een hiërarchische organisatie hebben, zoals een orgaan.

Transplantatiestudies laten zien dat maar een zeer klein gedeelte van de cellen in een maligniteit in staat is een nieuwe maligniteit te initiëren. Deze cellen worden ‘kankerstamcellen’ genoemd en men houdt ze verantwoordelijk voor tumorgroei, progressie van de ziekte en metastasering.

Men veronderstelt dat kankerstamcellen resistenter zijn tegen verschillende vormen van therapie dan de overige cellen in de tumor, terwijl elke succesvolle therapie juist deze kankerstamcellen zou moeten uitschakelen.

Nieuwe behandelopties zouden gericht kunnen zijn op het sensitiseren van de kankerstamcellen voor therapie. Daarbij kan men denken aan het induceren van differentiatie van de kankerstamcellen, het verstoren van de niche of het interfereren met signalen die de kankerstamcellen beschermen tegen therapie.

Maligniteiten dient men niet langer te zien als een massa ongebreideld groeiende cellen; recent fundamenteel oncologisch onderzoek wijst daarop.1 De kankerstamceltheorie is nieuw leven ingeblazen dankzij technische ontwikkelingen op het gebied van automatische celsortering. Die theorie beschouwt maligniteiten als complexe, heterogene weefsels; tumoren zijn net zo opgebouwd als organen en bestaan uit een stamcelcompartiment en een variëteit aan gedifferentieerde cellen. Men veronderstelt dat de kankerstamcellen zorgen voor de groei van de tumor door gedifferentieerde dochtercellen en meer stamcellen te genereren. Het genereren van meer stamcellen gebeurt door middel van zelfvernieuwing (‘self-renewal’). Mogelijk zijn het ook de kankerstamcellen die metastasen kunnen vormen en ze dienen daarom het doelwit te zijn van iedere succesvolle therapie.2 Een complicerende factor hierbij is dat de kankerstamcellen waarschijnlijk een verhoogde tolerantie hebben voor chemotherapeutica en radiotherapie.2

In dit artikel beschrijven wij de theoretische achtergrond van het kankerstamcelmodel, het beschikbare bewijs, de bestaande controversen en de consequenties voor de behandeling van kanker en voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën.

De kankerstamceltheorie

De meeste maligniteiten bestaan uit een heterogene populatie van cellen. De cellen verschillen bijvoorbeeld in morfologische eigenschappen, in eiwitexpressie en in proliferatiecapaciteit. Voor een deel kan deze diversiteit worden verklaard door de aanwezigheid van genetisch van elkaar verschillende klonen: het ontstaan van een maligniteit gaat gepaard met een voortdurende opeenstapeling van mutaties in oncogenen en tumorsuppressorgenen.3

De laatste jaren is steeds meer bewijs gevonden voor de theorie dat heterogeniteit van tumorcellen ook voor een deel samenhangt met een verschil in differentiatiegraad van de cellen.4 Aan de ene kant van het spectrum staan volledig gedifferentieerde cellen, die markers van weefselspecifieke differentiatie tot expressie brengen, aan de andere kant staan kankerstamcellen, met een ongedifferentieerd fenotype (figuur 1). Daarnaast blijkt dat de gedifferentieerde cellen in een maligniteit onderling kunnen verschillen en eigenschappen kunnen hebben van de verschillende celtypen van het orgaan waarin de kanker is ontstaan. Hieruit vormt zich het beeld dat een tumor opgebouwd is als een abnormaal orgaan, compleet met een klein stamcelcompartiment en een grote populatie van meer gedifferentieerde cellen.

Functionele definitie van een kankerstamcel

Een kankerstamcel wordt, in overeenkomst met een normale stamcel, gedefinieerd als een cel die zowel opnieuw kankerstamcellen kan voortbrengen (door zelfvernieuwing) alsmede verschillende typen gedifferentieerde cellen kan genereren (‘lineages’), zoals die in een maligniteit aanwezig zijn (zie figuur 1).4 De gouden standaard voor het aantonen van kankerstamcellen in de huidige experimentele praktijk is de mogelijkheid om er een humane maligniteit mee tot stand te brengen na transplantatie in een immuungecompromitteerde muis (figuur 2). Het is van belang dat na transplantatie een tumor met vergelijkbare morfologische kenmerken en markerexpressie ontstaat, waaruit tevens opnieuw kankerstamcellen kunnen worden geïsoleerd. Dat toont namelijk aan dat de geïnjecteerde cellen in staat waren tot zelfvernieuwing.

Deze functionele definitie van de kankerstamcelpopulatie geldt zowel voor hematopoëtische maligniteiten als voor solide tumoren. Het ontbreekt de meer gedifferentieerde celpopulatie in een maligniteit aan deze stamceleigenschappen. Hoewel gedifferentieerde cellen dezelfde verworven genetische afwijkingen hebben als de kankerstamcellen waaruit ze waarschijnlijk zijn ontstaan, verschillen ze dus duidelijk in hun maligne eigenschappen.

Kankerstamcellen worden geïsoleerd op basis van expressie van celmembraaneiwitten die ook op normale stamcellen of primitieve cellen voorkomen (tabel).

Hematopoëtische maligniteiten

Nauwkeurig is beschreven dat het hematopoëtische systeem hiërarchisch is opgebouwd: men onderscheidt pluripotente stamcellen, meer toegewijde oligopotente progenitorcellen en monopotente progenitorcellen. Deze laatste brengen de functioneel gedifferentieerde cellen voort, zoals B-cellen, T-cellen en erytrocyten.5

De technieken voor identificatie en karakterisering van normale hematopoëtische stamcellen zijn ook toegepast voor verschillende vormen van leukemie. Met fluorescentiecytometrie zijn celpopulaties gesorteerd die verschillende oppervlakte-eiwitten tot expressie brengen. In 1994 is gepubliceerd dat bij acute myeloïde leukemie alleen de cellen met CD34+CD38--expressie na transplantatie bij immuundeficiënte muizen een leukemie met gedifferentieerde celtypen kunnen veroorzaken. De ziekte was te transplanteren bij een volgende muis als hiervoor weer de CD34+CD38--cellen werden gebruikt.6 De meer gedifferentieerde CD34-- en CD38+-cellen daarentegen waren niet in staat leukemie bij de muis te initiëren.

Solide maligniteiten

Men heeft kankerstamcelpopulaties aangetoond in verschillende solide maligniteiten, inclusief mammacarcinomen,7 glioblastomen8 en coloncarcinomen.9,10 Net als in hematopoëtische maligniteiten wordt de kankerstamcelpopulatie in solide tumoren geïdentificeerd met behulp van oppervlakte-eiwitten, die tot expressie komen op normale, meer primitieve cellen of op stamcellen van het desbetreffende weefsel. Soms was nog niet eerder een relatie bekend tussen het eiwit en de stamcellen in het specifieke orgaan. Dit is bijvoorbeeld het geval bij het oppervlakteglycoproteïne CD133 voor colonkankerstamcellen. Er is tot op heden geen overtuigend bewijs dat CD133 ook een marker is voor normale colonstam- of -progenitorcellen.

Mammacarcinoom

In 2003 is het bestaan van een kankerstamcelpopulatie voor het eerst beschreven in een solide maligniteit: uit gemetastaseerde mammacarcinomen werd de CD24-/lowCD44+-celpopulatie geïsoleerd.7 Deze populatie is in staat na transplantatie bij muizen een morfologisch gedifferentieerd mammacarcinoom te genereren, terwijl andere tumorcelpopulaties (CD24high en CD44-) deze eigenschap niet hebben.

Er zijn ook aanwijzingen dat kankerstamcellen betrokken zijn bij het metastaseringsproces. In beenmerg van mammacarcinoompatiënten werd gekeken naar de aanwezigheid van gedissemineerde kankercellen.11 De onderzoekers vonden dat gemiddeld 72% van de mammacarcinoomcellen in het beenmerg de kankerstamcelmarkers tot expressie brengt, terwijl dat percentage in de primaire tumor veel lager ligt, namelijk 10-20.12 Dit wijst erop dat kankerstamcellen beter in staat zijn tot metastasering. In een microarraystudie werd het genexpressieprofiel van normaal mamma-epitheel vergeleken met dat van mammacarcinoomstamcellen: het kankerstamcelprofiel blijkt te correleren met een verhoogde kans op metastasen.13

Glioom

Veel van de huidige inzichten in kankerstamcellen zijn ontleend aan de groep van hooggradige hersentumoren, de gliomen of glioblastomen. In gliomen zijn het de CD133+-cellen die in transplantatie-experimenten kankerstamceleigenschappen hebben.8 Daarnaast blijken deze kankerstamcellen in vitro te kweken te zijn als sferoïden met behulp van speciaal medium dat de juiste groeifactoren bevat, namelijk epidermale groeifactor en basale fibroblastgroeifactor. Deze glioma-kankerstamcelkweken behouden de eigenschap om een fenokopie van de originele tumor te laten groeien bij een muis, maar kunnen ook in vitro differentiëren tot alle celsubtypen die aanwezig zijn in de tumor, zoals cellen die neuronale of gliale markers tot expressie brengen.14

Deze kankerstamcelkweken vergemakkelijken de studie van kankerstamcellen en zijn bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën mogelijk een belangrijke verbetering ten opzichte van de normale cellijnen.

Problemen in het kankerstamcelmodel

Vrijwel alle huidige aanwijzingen voor het bestaan van een hiërarchische organisatie van maligniteiten zijn verkregen met het transplanteren van celpopulaties van humane maligniteiten naar immuungecompromitteerde muizen.15 Het is echter de vraag of het wel terecht is deze data naar een bestaande tumor bij een patiënt te extrapoleren. Is ook bij de patiënt slechts een beperkte populatie van cellen in staat de tumorgroei in stand te houden?

Daarnaast kan zogenaamde xenotransplantatiebias een rol spelen: mogelijk zijn de cellen die in staat zijn bij een muis een tumor te initiëren slechts minder afhankelijk van de weefselomgeving en zegt deze tumorgroei daardoor niets over hun eventuele stamceleigenschappen.

Ook de identificatiemarkers voor kankerstamcellen zijn een mogelijke bron van verstoring: de oppervlakte-eiwitten die gebruikt worden voor kankerstamcelidentificatie zijn veelal celadhesiemoleculen, zoals CD44 en CD24, en ze kunnen hierdoor mogelijk betrokken zijn bij het faciliteren van de hechting van tumorcellen.

Om kritiek op het kankerstamcelmodel te weerleggen zijn technisch geavanceerde muismodellen nodig, die de onderzoeker in staat stellen om in een spontaan tumormodel specifiek kankerstamcellen uit te schakelen.15

Implicatie voor de behandeling van maligniteiten

Minimale residuale ziekte

Een belangrijke consequentie van het kankerstamcelmodel is dat een therapie pas succes heeft als effectief de kankerstamcellen worden uitgeschakeld.2 Men veronderstelt echter dat kankerstamcellen een aantal eigenschappen hebben waarmee ze zich beschermen tegen chemo- en radiotherapie. Dit biedt wellicht een verklaring voor de observatie dat kanker vaak op therapie reageert met een indrukwekkende daling van het aantal kankercellen en een verkleining van de tumormassa, maar dat na het staken van de therapie de tumor toch weer aangroeit.1,2

Deze minimale residuale ziekte bestaat mogelijk uit een kleine hoeveelheid therapieresistente kankerstamcellen, terwijl de meer gedifferentieerde niet-kankerstamcellen efficiënt worden gedood (figuur 3). Dit verklaart echter niet waarom het recidief van de maligniteit veelal ongevoeliger is voor de therapie die eerder succesvol bleek. Ook worden er in recidieven vaak additionele genetische veranderingen gevonden.16 Blijkbaar treedt tijdens behandeling selectie op van genetisch verschillende klonen op basis van therapieresistentie. Dit sluit echter niet uit dat de klonen hiërarchisch georganiseerd zijn en dat selectie optreedt op het niveau van de kankerstamcellen; hierover is een uitgebreider overzicht verschenen.15

Therapieresistentie van kankerstamcellen

Er zijn aanwijzingen dat kankerstamcellen minder gevoelig zijn voor therapieën dan de overige kankercellen. Voor hematopoëtische maligniteiten is bewijs gevonden dat de kankerstamcelpopulatie ‘slapend’ is of langzaam deelt.17 Dit verklaart waarom deze cellen minder efficiënt reageren op bestraling en DNA-beschadigende chemotherapeutica. Het is bekend dat normale stamcellen van verscheidene weefsels de zogenaamde ATP-bindingscassette(ABC)-transporters tot expressie kunnen brengen. Deze cellulaire pompen zijn in staat actief chemotherapeutica uit de cel te pompen.2 Deze transportereiwitten worden ook gevonden op subpopulaties van kankercellen en er zijn zelfs onderzoekers die de activiteit van deze eiwitten gebruiken om een kankerstamcelpopulatie te identificeren.18

Voor solide tumoren is er, in tegenstelling tot voor de hematopoëtische maligniteiten, vooralsnog weinig bekend over de resistentie van de kankerstamcellen ten opzichte van de gedifferentieerde tumorcellen. In een in-vivogliomamodel is aangetoond dat de relatieve hoeveelheid CD133+-cellen in een tumor stijgt na behandeling met radiotherapie.19 Dit impliceert dat de kankerstamcellen resistenter zijn. In deze studie wordt bovendien beschreven dat de kankerstamcellen stralingsresistenter zijn, doordat ze beter in staat zijn DNA-schade te repareren.

Een ander voorbeeld is dat humane colonkankerstamcellen minder gevoelig zijn voor fluorouracil dan de gedifferentieerde tumorcellen en voor deze geringere gevoeligheid afhankelijk zijn van het cytokine interleukine 4 (IL-4): behandeling van muizen met een anti-IL-4-therapie resulteerde in een hogere gevoeligheid van de kankerstamcellen.9 Dit illustreert goed een mogelijk nieuwe therapeutische optie, namelijk het sensitiseren van de kankerstamcellen voor conventionele therapieën (zie figuur 3c).

De niche van de kankerstamcel

Een ander interessant concept dat mogelijk de basis kan vormen voor nieuwe therapieën is de kankerstamcelniche.20 Onder ‘niche’ wordt hier verstaan het geheel van extracellulaire matrixcomponenten, cytokinen, hormonen en groeifactoren die de kankerstamcel omgeven en de stamcel in een ‘stamcelstaat’ houden. Zoals ook normale stamcellen zich in een stamcelniche bevinden, zo zou ook voor de kankerstamcel een niche kunnen bestaan. Mogelijk beschermt die ook tegen invloeden van buitenaf, zoals therapieën. Voor het glioblastoom zou de kankerstamcelniche bestaan uit vasculaire endotheelcellen.20 Behandeling van glioblastomen met angiogeneseremmers, die zijn gericht tegen endotheelproliferatie, resulteert in een verlenging van de progressievrije overleving van patiënten.21 Bij vergelijkbare behandeling in een muismodel werden verstoring van de niche en een afname van het aantal kankerstamcellen waargenomen.20

Toekomstige therapieën

De beschreven dierexperimentele studies geven aan op welke manier wij in de toekomst wellicht nieuwe therapieën tegen kanker kunnen ontwikkelen. Het sensitiseren van de kankerstamcel door middel van het induceren van differentiatie of het verstoren van de kankerstamcelniche biedt mogelijk nieuwe aangrijpingspunten voor de volgende generatie antikankermedicijnen (zie figuur 3). Ook de manier waarop wij therapeutische effecten beoordelen, verandert wellicht door de inzichten die het kankerstamcelonderzoek oplevert: als wij in fase-1- en -2-trials de afname van de tumorhoeveelheid op korte termijn beschouwen als een maat voor de effectiviteit van een therapie, lopen wij gevaar om middelen onder te waarderen die succesvol en selectief de kankerstamcellen uitschakelen. Aan de andere kant zegt het feit dat een therapie succesvol is in het terugbrengen van de tumormassa mogelijk niets over de effectiviteit ten opzichte van de klinisch relevante populatie kankerstamcellen. Hier moet in de toekomst rekening mee gehouden worden, zowel in het ontwerp van dierexperimenteel onderzoek als bij de opzet en de interpretatie van klinische trials.

Literatuur

  1. Jordan CT, Guzman ML, Noble M. Cancer stem cells. N Engl J Med. 2006;355:1253-61.

  2. Dean M, Fojo T, Bates S. Tumour stem cells and drug resistance. Nat Rev Cancer. 2005;5:275-84.

  3. Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100:57-70.

  4. Clarke MF, Dick JE, Dirks PB, Eaves CJ, Jamieson CH, Jones DL, et al. Cancer Stem Cells - perspectives on current status and future directions: AACR Workshop on cancer stem cells. Cancer Res. 2006;66:9339-44.

  5. Sawyers CL, Denny CT, Witte ON. Leukemia and the disruption of normal hematopoiesis. Cell. 1991;64:337-50.

  6. Lapidot T, Sirard C, Vormoor J, Murdoch B, Hoang T, Caceres-Cortes J, et al. A cell initiating human acute myeloid leukaemia after transplantation into SCID mice. Nature. 1994;367:645-8.

  7. Al Hajj M, Wicha MS, Benito-Hernandez A, Morrison SJ, Clarke MF. Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;100:3983-8.

  8. Singh SK, Hawkins C, Clarke ID, Squire JA, Bayani J, Hilde T, et al. Identification of human brain tumour initiating cells. Nature. 2004;432:396-401.

  9. Todaro M, Alea MP, Di Stefano AB, Cammareri P, Vermeulen L, Iovino F, et al. Colon cancer stem cells dictate tumor growth and resist cell death by production of interleukin-4. Cell Stem Cell. 2007;1:389-402.

  10. O’Brien CA, Pollett A, Gallinger S, Dick JE. A human colon cancer cell capable of initiating tumour growth in immunodeficient mice. Nature. 2007;445:106-10.

  11. Balic M, Lin H, Young L, Hawes D, Giuliano A, McNamara G, et al. Most early disseminated cancer cells detected in bone marrow of breast cancer patients have a putative breast cancer stem cell phenotype. Clin Cancer Res. 2006;12:5615-21.

  12. Abraham BK, Fritz P, McClellan M, Hauptvogel P, Athelogou M, Brauch H. Prevalence of CD44+/CD24-/low cells in breast cancer may not be associated with clinical outcome but may favor distant metastasis. Clin Cancer Res. 2005;11:1154-9.

  13. Liu R, Wang X, Chen GY, Dalerba P, Gurney A, Hoey T, et al. The prognostic role of a gene signature from tumorigenic breast-cancer cells. N Engl J Med. 2007;356:217-26.

  14. Lee J, Kotliarova S, Kotliarov Y, Li A, Su Q, Donin NM, et al. Tumor stem cells derived from glioblastomas cultured in bFGF and EGF more closely mirror the phenotype and genotype of primary tumors than do serum-cultured cell lines. Cancer Cell. 2006;9:391-403.

  15. Vermeulen L, Sprick MR, Kemper K, Stassi G, Medema JP. Cancer stem cells - old concepts, new insights. Cell Death Differ. 2008;15:947-58.

  16. Gorre ME, Mohammed M, Ellwood K, Hsu N, Paquette R, Rao PN, et al. Clinical resistance to STI-571 cancer therapy caused by BCR-ABL gene mutation or amplification. Science. 2001;293:876-80.

  17. Guan Y, Gerhard B, Hogge DE. Detection, isolation, and stimulation of quiescent primitive leukemic progenitor cells from patients with acute myeloid leukemia (AML). Blood. 2003;101:3142-9.

  18. Szotek PP, Pieretti-Vanmarcke R, Masiakos PT, Dinulescu DM, Connolly D, Foster R, et al. Ovarian cancer side population defines cells with stem cell-like characteristics and Mullerian Inhibiting Substance responsiveness. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103:11154-9.

  19. Bao S, Wu Q, McLendon RE, Hao Y, Shi Q, Hjelmeland AB, et al. Glioma stem cells promote radioresistance by preferential activation of the DNA damage response. Nature. 2006;444:756-60.

  20. Calabrese C, Poppleton H, Kocak M, Hogg TL, Fuller C, Hamner B, et al. A perivascular niche for brain tumor stem cells. Cancer Cell. 2007;11:69-82.

  21. Vredenburgh JJ, Desjardins A, Herndon JE 2nd, Marcello J, Reardon DA, Quinn JA, et al. Bevacizumab plus irinotecan in recurrent glioblastoma multiforme. J Clin Oncol. 2007;25:4722-9.