Kankermedicijnen in actie filmen

Radioactieve straling en chemicaliën zijn twee manieren om kanker te bestrijden. Met name de ouderwetse therapievarianten zijn weinig selectief, omdat niet alleen de kankercellen worden aangepakt. Zo remt chemotherapie de celdeling, en dus ook de vernieuwing van het lichaam, die continu plaatsvindt. Haaruitval en de aantasting van huid en bloedvaten van de patiënten zijn bekende bijwerkingen.

De zoektocht binnen de medische wereld focust zich daarom op medicijnen die alleen het kwaadaardige kankergezwel (carcinoom) onschadelijk maken en de rest van het lichaam intact laten. Voordat dit mogelijk wordt is veel meer moleculaire kennis nodig van celdeling en de werking van eiwitten. Onderzoek op dit niveau moet leiden tot zogeheten ‘doelzoekende’ medicijnen die alleen de kankercel vernietigen.

Medisch-biologische onderzoeksgroepen van het Erasmus Universitair Medisch Centrum in Rotterdam werken samen met de TU Delft aan dit doel. Zij onderzoeken de mogelijkheid om radioactieve metalen aan eiwitten vast te maken. Die moleculaire stralingsbronnetjes koppelen zich aan de eiwitten die specifiek zijn voor een bepaald carcinoom, en stralen zo de kankercel van binnen stuk.

Een veelgebruikte manier om met chemotherapie de celdeling te remmen, is door het medicijn te laten ingrijpen op de eiwitten die bij celdeling een rol spelen. Een voorbeeld van zo’n eiwit is topoisomerase. Dit enzym haalt het op een verward bolletje wol lijkende dna tijdens celdeling uit de knoop, zodat het kopiëren van dna makkelijker gaat. Het kankermedicijn blokkeert de werking van het enzym en legt zo de celdeling stil.

Maar wat er precies op moleculair gebied plaatsvindt, is minder duidelijk. Nieuw onderzoek van moleculair biofysici dr. Nynke Dekker en promovendus ir. Daniel Koster van de sectie moleculaire biofysica moet hier meer inzicht in geven. Afgelopen week in Nature beschreven zij de mechanische werking van het enzym topoisomerase dat dna ontknoopt. Met name de resolutie waarmee het duo metingen deed, was nog niet eerder vertoond. Ze deden metingen aan een enkel dna-molecuul met enzym, in plaats van dat ze miljarden tegelijk analyseerden zoals biologen dit tot nu toe doen.

Het enzym dat zij gebruikten, bleek zich als een moleculaire klem te gedragen dat rondtollend dna vastzet. Topoisomerase blijkt vervolgens dna stapsgewijs uit de knoop te halen waarna het bij iedere stap even kort de klem losdraait. Het geheim van de Delftenaren zat in de manier waarop ze de krachten op dna in beeld brachten. De techniek hiervoor is in Parijs ontwikkeld.

“Ik werkte twee jaar geleden in de Franse onderzoeksgroep aan de Ecole Normale Superieure”, zegt Dekker. “Hier deden we experimenten waarbij we draaiden aan één enkel dna-molecuul door dit met één uiteinde vast te maken aan een magnetisch bolletje. Het andere uiteinde bevestigden we aan een glasplaat. Vervolgens kan je aan de positie van het bolletje meten hoever het dna was opgerold, omdat het dna-molecuul tijdens oprollen inkort en dus het bolletje omlaag trekt.”

In Delft werd de topoisomerase aan het dna toegevoegd. Met de Parijse techniek kon de mechanische werking van het eiwit nauwkeurig gemeten worden nadat het dna als een klos garen was opgewonden. Tijdens het ontknopen tolt dit dna rond in het enzym. Bij dit proces blijkt wrijvingskracht een rol te spelen.

“We begonnen te meten met het dna in opgewonden toestand”, zegt Daniel Koster. “Vervolgens voegden we de topoisomerase toe en maten we de lengteverandering van het dna in de tijd. Zo bleek dat het topoisomerase het dna schoksgewijs, in stappen van wisselende grootte ontknoopte.”

De ontknopingssnelheid hangt af van het type topoisomerase dat wordt gebruikt. De klemwerking is bij het ene topoisomerase sterker dan bij het andere. Hiermee toonden de Delftenaren aan dat er wrijving bestaat tussen het dna en het topoisomerase en dat die wrijving afhankelijk is van het type molecuul. Omdat zij de eerste groep waren die hiertoe in staat waren, gunde de Nature-redactie hen daarom een plek op de cover van het nummer van afgelopen week.

In een vervolgonderzoek willen Koster en Dekker ook echt in beeld brengen hoe het enzym van vorm verandert, op het moment dat het dna ontknoopt. “Dat willen we met fluorescentietechnieken filmen”, zegt Koster. “Wat het eiwit doet zien we nu alleen indirect via trekkracht en de positie van dat magneetbolletje. Door het ‘filmen’ krijg je ook daadwerkelijk te zien wat er gebeurt.”

Al het getrek aan dna is een voorbereiding op het ‘echte werk’. Over enkele jaren willen de biofysici in staat zijn kankermedicijnen in actie te filmen. “We willen live in beeld kunnen brengen hoe een medicijn op de werking van topoisomerase ingrijpt”, zegt Dekker. “Dit moet kennis opleveren over hoe je medicijnen kunt maken die effectiever werken. We krijgen dus niet alleen meer fundamentele kennis over celdeling, het onderzoek kan ook medische consequenties hebben. Zelf vind ik dat een motiverend doel.”

Radioactieve straling en chemicaliën zijn twee manieren om kanker te bestrijden. Met name de ouderwetse therapievarianten zijn weinig selectief, omdat niet alleen de kankercellen worden aangepakt. Zo remt chemotherapie de celdeling, en dus ook de vernieuwing van het lichaam, die continu plaatsvindt. Haaruitval en de aantasting van huid en bloedvaten van de patiënten zijn bekende bijwerkingen.

De zoektocht binnen de medische wereld focust zich daarom op medicijnen die alleen het kwaadaardige kankergezwel (carcinoom) onschadelijk maken en de rest van het lichaam intact laten. Voordat dit mogelijk wordt is veel meer moleculaire kennis nodig van celdeling en de werking van eiwitten. Onderzoek op dit niveau moet leiden tot zogeheten ‘doelzoekende’ medicijnen die alleen de kankercel vernietigen.

Medisch-biologische onderzoeksgroepen van het Erasmus Universitair Medisch Centrum in Rotterdam werken samen met de TU Delft aan dit doel. Zij onderzoeken de mogelijkheid om radioactieve metalen aan eiwitten vast te maken. Die moleculaire stralingsbronnetjes koppelen zich aan de eiwitten die specifiek zijn voor een bepaald carcinoom, en stralen zo de kankercel van binnen stuk.

Een veelgebruikte manier om met chemotherapie de celdeling te remmen, is door het medicijn te laten ingrijpen op de eiwitten die bij celdeling een rol spelen. Een voorbeeld van zo’n eiwit is topoisomerase. Dit enzym haalt het op een verward bolletje wol lijkende dna tijdens celdeling uit de knoop, zodat het kopiëren van dna makkelijker gaat. Het kankermedicijn blokkeert de werking van het enzym en legt zo de celdeling stil.

Maar wat er precies op moleculair gebied plaatsvindt, is minder duidelijk. Nieuw onderzoek van moleculair biofysici dr. Nynke Dekker en promovendus ir. Daniel Koster van de sectie moleculaire biofysica moet hier meer inzicht in geven. Afgelopen week in Nature beschreven zij de mechanische werking van het enzym topoisomerase dat dna ontknoopt. Met name de resolutie waarmee het duo metingen deed, was nog niet eerder vertoond. Ze deden metingen aan een enkel dna-molecuul met enzym, in plaats van dat ze miljarden tegelijk analyseerden zoals biologen dit tot nu toe doen.

Het enzym dat zij gebruikten, bleek zich als een moleculaire klem te gedragen dat rondtollend dna vastzet. Topoisomerase blijkt vervolgens dna stapsgewijs uit de knoop te halen waarna het bij iedere stap even kort de klem losdraait. Het geheim van de Delftenaren zat in de manier waarop ze de krachten op dna in beeld brachten. De techniek hiervoor is in Parijs ontwikkeld.

“Ik werkte twee jaar geleden in de Franse onderzoeksgroep aan de Ecole Normale Superieure”, zegt Dekker. “Hier deden we experimenten waarbij we draaiden aan één enkel dna-molecuul door dit met één uiteinde vast te maken aan een magnetisch bolletje. Het andere uiteinde bevestigden we aan een glasplaat. Vervolgens kan je aan de positie van het bolletje meten hoever het dna was opgerold, omdat het dna-molecuul tijdens oprollen inkort en dus het bolletje omlaag trekt.”

In Delft werd de topoisomerase aan het dna toegevoegd. Met de Parijse techniek kon de mechanische werking van het eiwit nauwkeurig gemeten worden nadat het dna als een klos garen was opgewonden. Tijdens het ontknopen tolt dit dna rond in het enzym. Bij dit proces blijkt wrijvingskracht een rol te spelen.

“We begonnen te meten met het dna in opgewonden toestand”, zegt Daniel Koster. “Vervolgens voegden we de topoisomerase toe en maten we de lengteverandering van het dna in de tijd. Zo bleek dat het topoisomerase het dna schoksgewijs, in stappen van wisselende grootte ontknoopte.”

De ontknopingssnelheid hangt af van het type topoisomerase dat wordt gebruikt. De klemwerking is bij het ene topoisomerase sterker dan bij het andere. Hiermee toonden de Delftenaren aan dat er wrijving bestaat tussen het dna en het topoisomerase en dat die wrijving afhankelijk is van het type molecuul. Omdat zij de eerste groep waren die hiertoe in staat waren, gunde de Nature-redactie hen daarom een plek op de cover van het nummer van afgelopen week.

In een vervolgonderzoek willen Koster en Dekker ook echt in beeld brengen hoe het enzym van vorm verandert, op het moment dat het dna ontknoopt. “Dat willen we met fluorescentietechnieken filmen”, zegt Koster. “Wat het eiwit doet zien we nu alleen indirect via trekkracht en de positie van dat magneetbolletje. Door het ‘filmen’ krijg je ook daadwerkelijk te zien wat er gebeurt.”

Al het getrek aan dna is een voorbereiding op het ‘echte werk’. Over enkele jaren willen de biofysici in staat zijn kankermedicijnen in actie te filmen. “We willen live in beeld kunnen brengen hoe een medicijn op de werking van topoisomerase ingrijpt”, zegt Dekker. “Dit moet kennis opleveren over hoe je medicijnen kunt maken die effectiever werken. We krijgen dus niet alleen meer fundamentele kennis over celdeling, het onderzoek kan ook medische consequenties hebben. Zelf vind ik dat een motiverend doel.”