Onderzoekerspaar identificeert gevaarlijkste kankercellen

Chien en Brinks staan model voor de Convergence–samenwerking tussen de TU Delft en het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam. Daarin werken onderzoekers aan de hand-in-hand ontwikkeling van technologie en gezondheidszorg. Zij (dr. Miao-Ping Chien) heeft een brede achtergrond in de biologie van kankercellen, biochemie, en biofysica. Hij (dr.ir. Daan Brinks) voegt daar een combinatie van neurowetenschappen en natuurkunde aan toe. Beiden volgden ze een intensieve training in multidisciplinair werken aan de universiteit van Harvard waar ze elkaar leerden kennen, en waar ze tot 2017 verbleven. Daarna verhuisden ze als paar samen naar Nederland, en zetten ieder hun eigen lab op: Miao-Ping Chien aan het Erasmus MC en Daan Brinks aan de TU Delft.

Hun multidisciplinaire aanpak, en het werk van inmiddels meer dan dertig medewerkers en studenten, heeft sindsdien geleid tot een wonderlijk geavanceerde microscoop die uit een sample van 20- tot 30 duizend cellen er enkele uit kan pikken die het meest actief zijn. Ze publiceerden er onlangs over in Nature Biomedical Engineering (17 maart 2022), bieden de technologie aan binnen het Erasmus MC en werken aan een spin-off onder de naam UFO Biosciences.

^{Tekening van de UFO-microscoop. (Illustratie: Still uit video)}

De UFO (Ultra-wide Field of view Optical) microscoop is ongeveer zo groot als een ouderwetse desktopcomputer en bestaat volgens Chien in beginsel uit “een combinatie van veel lenzen, spiegels, lasers en filters”. De microscoop is uniek in de zin dat hij je in staat stelt om een groot aantal cellen tegelijk te bestuderen, vertelt Brinks. “Dat gebeurt met voldoende scheidend vermogen in ruimte en tijd zodat je individuele cellen ermee kunt volgen, en dat voor een grote hoeveelheid cellen tegelijkertijd.”

Cellen in beweging
Niet alle kankercellen zijn gelijk, vertelt Chien. “De afgelopen tien jaar zijn mensen zich gaan realiseren dat een klein gedeelte van kankercellen verantwoordelijk is voor uitzaaiingen en resistentie tegen therapieën.” Toen ze in 2017 haar lab inrichtte aan het Erasmus MC was dat met de bedoeling om een techniek te ontwikkelen waarmee juist die gevaarlijkste cellen zijn af te beelden. Nu, krap vijf jaar later, is het zover.

Chien: “Onder de microscoop kijken we hoe kankercellen bewegen. De meeste cellen komen nauwelijks van hun plek, maar er zijn altijd een paar die een meer gerichte beweging laten zien. Uit in-vivo studies is bekend dat die bewegende cellen uitzaaiingen veroorzaken.”

^{De UFO-microscoop toont actieve kankercellen in een andere kleur. (Foto: UFO Biosciences)}

Het is al een hele stap om binnen een omgeving van tienduizenden cellen de meest agressieve kankercellen aan te kunnen wijzen, maar hoe isoleer je ze? Daarvoor heeft Chien een meesterzet bedacht. Ze zorgt ervoor dat alle cellen een activeerbare kleurstof bevatten. Maar alleen de cellen die opvallend bewegen worden met een lichtstraal geactiveerd zodat alleen die een afwijkende kleur hebben. Daarmee zijn de meest gevaarlijkste cellen te isoleren van de rest.

^{De animatie toont de identificatie van agressieve tumorcellen.}

Onder de motorkap
Sinds een jaar of tien is het mogelijk om het erfelijk materiaal van een enkele cel te lezen. Veel onderzoekers geven daarbij de voorkeur aan de werkkopie RNA boven de volledige bibliotheek van het DNA. Een cel maakt functionele delen van het van het DNA (genen) een kopie die RNA heet. Dat dient als recept bij de samenstelling van eiwitten uit animozuren. “Aan het RNA kunnen we zien welke genen actief zijn in agressieve tumorcellen en van welke biochemische signalen en reacties de cel gebruikmaakt”, legt Chien uit.

Vanuit de single cell sequencing zijn er twee mogelijke vervolgtrajecten. De eerste is die van de biomarkers – specifieke RNA-volgorden waaraan je een actieve tumorcel kunt herkennen. Artsen kunnen daaraan zien of een tumor uitzaaiingen veroorzaakt.  Het tweede traject is dat van de farmaceutica. Wanneer onderzoekers precies op de hoogte zijn van de biochemische signalen en reacties waarvan zo’n cel gebruikmaakt, dan kunnen ze ook op zoek naar (genees)middelen om die te blokkeren.

Klinische relevantie
De afgelopen twee jaar hebben de onderzoekers in het Chien Lab aan twee soorten tumoren gewerkt waaruit ze een set van biomarkers of genetische handtekeningen hebben afgeleid. Binnenkort onderzoeken ze bij een grotere groep van 50 tot 100 patiënten of de biomarkers ook bij hen metastases voorspellen.

“We zouden graag zien dat deze techniek een geaccepteerd diagnostisch gereedschap wordt dat in ziekenhuizen staat”, zegt Brinks. “Cellen uit een biopsie gaan erin, en er komt een advies uit welke behandeling voor deze patiënt het meest geschikt is. Maar daarvoor moeten we nog veel stappen zetten. Wetenschappelijk, maar ook in de ontwikkeling van de microscoop waarvan er nu twee bestaan. Daarvoor moeten we samenwerken met onderzoekers en behandelaars die geïnteresseerd zijn in onze gegevens, en met farmaceuten die interesse hebben in de biomarkers en in nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van geneesmiddelen. Die gesprekken zijn we al begonnen, en de respons is hoopgevend.”

“In het begin was de UFO-microscoop vooral een onderzoeksinstrument”, kijkt Chien terug. “Maar de andere kant van mijn hart schreeuwt om meer, en verlangt ernaar om iets ontwikkelen dat echt de klinische behandeling van kankerpatiënten kan verbeteren. Dat is onze gezamenlijke droom geworden.”

• Meer over het Convergence programma
• Lees ook Agressieve kankercel in de spotlight (Erasmus MC)