Het woekeren te lijf

Acute beenmergkanker is niet één ziekte, maar een verzameling van minstens 16 verschillende ziekten. De behandeling en diagnose zal door genetische diagnostiek ingrijpend veranderen.

`De behandeling van leukemie verandert binnen een paar jaar ingrijpend door genetische screening van de tumorcellen.'' Hematoloog prof.dr. Bob Löwenberg is zeer beslist over de gevolgen van een deze week gepubliceerd Rotterdamse onderzoek naar genexpressieprofielen van patiënten met acute myeloïde leukemie (AML, leukemie in het beenmerg). Zodra deze gendiagnostiek geschikt is voor toepassing bij alle patiënten leidt het tot gerichtere behandelingsadviezen, gekoppeld aan een prognose van de overlevingskansen.

Een groep onderzoekers onder leiding van Löwenberg, bio-informaticus prof.dr. Peter van der Spek en de moleculair-biologen dr. Ruud Delwel en dr. Peter Valk analyseerde de activiteit van bijna 13.000 genen in de tumorcellen van 285 AML-patiënten. Haarscherp rolt daaruit dat AML niet één ziekte is, maar uit een verzameling van 16 verschillende ziekten bestaat. ``Mínstens zestien,'' benadrukt Löwenberg. ``Wellicht vallen groepen nog uit elkaar als er meer patiënten worden getest.'' (The New England Journal of Medicine, 15 april).

Leukemie is een tumorgroei van witte bloedcellen. Die cellen groeien uit de bloedstamcellen in het beenmerg. In een opeenvolgende rijpingsstappen ontstaan de tientallen verschillende celtypen die samen de cellulaire afweer vormen: witte bloedcellen herkennen ziekmakende indringers, markeren ze met labels (vlaggetjes) en verzwelgen ze. Gezonde mensen hebben 5 tot 9 miljoen witte bloedcellen in iedere milliliter bloed en maken dagelijks honderd miljard nieuwe witte bloedcellen. Hetzelfde aantal sterft dagelijks, zodat de totale hoeveelheid constant is. Het gaat om ongeveer één promille van de honderdduizend miljard lichaamscellen waar een mens uit bestaat.

Gaat één van die cellen over in een tumorcel, dan ontstaan cellen die te snel delen, te lang leven en niet meer uitrijpen. Die cellen nemen op den duur een steeds groter deel van de celfractie in het bloed in. Ze verdringen andere bloedcellen. Daardoor ontstaan tekorten aan afweercellen, rode bloedcellen (bloedarmoede) en bloedplaatjes (waardoor het bloed niet goed meer stolt).

De leukemieën worden historisch onderscheiden naar de plaats waar de aangedane celtypen worden gevonden. Bij myeloïde leukemie raakt een bloedstamcel in het beenmerg ontregeld, in lymfatische leukemie ontaardt een stamcel die lymfekliercellen produceert. Verder is er onderscheid naar acute of chronische ziekteverschijnselen. Moderne diagnostiekmethoden hebben de laatste jaren geleid tot een verdere onderverdeling. De behandelaren delen patiënten met acute myeloïde leukemie tegenwoordig in een zevental groepen in. Zodra de genactiviteitsanalyse, die nog in het onderzoeksstadium is, voldoende gestandaardiseerd is om in de kliniek te worden toegepast, wordt de diagnostiek dus een stuk verfijnd.

brokstuk Ruud Delwel, onderzoeker van leukemiediagnostiek: ``Om de zeven groepen die we nu onderscheiden aan te kunnen wijzen beschikken we over een verscheidenheid aan diagnostische tests. Onder de microscoop bekijken laboranten bijvoorbeeld de chromosomen en zoeken naar ontbrekende stukken en translocaties, waarbij een brokstuk van een chromosoom aan een ander chromosoom terecht is gekomen. Ook de vorm van de aangedane witte bloedcellen is van belang voor de diagnostiek. Verder halen we gegevens uit de immunologische kenmerken van de tumorcellen. En de moleculair bioloog zoekt in een paar genen naar genmutaties.''

Löwenberg, de behandelaar: ``Op grond van die diagnostiek onderscheiden we bijvoorbeeld drie typen AML met een gunstige prognose – totaal ongeveer 20 procent van de patiënten. En we kunnen een bijna even grote groep met een slechte prognose onderscheiden.'' Delwel: ``In de tumorcellen van die patiënten met slechte prognose zien we soms een opeenhoping van vele chromosoomafwijkingen of genmutaties. Soms ontbreekt in de tumorcellen chromosoom 5 of 7 helemaal.''

De indeling in AML-typen leidt al enige jaren tot een voorspelling over hoe de ziekte zich zal ontwikkelen, en tot aangepaste behandelingen. Löwenberg: ``Een patiënt met een gunstige prognose geef je een minder zware behandeling. Een beenmergtransplantatie, gecombineerd met zware chemotherapie geef je alleen de patiënten met een agressieve vorm van leukemie. Voor de patiënten met betere vooruitzichten begin je met lichtere chemotherapie. Daarnaast kun je tegenwoordig tumorcellen met bepaalde genetische afwijkingen specifiek attaqueren. Dat is de tweede methode van gerichte aanpak. Het medicijn Glivec is daarbij een succesverhaal. Dat werkt tegen leukemiecellen die een overmaat maken van een abnormaal signaaleiwit – een kinase – dat de celdeling van de aangedane witte bloedcellen bevordert. Een ander voorbeeld van zo'n gerichte aanpak is die bij de translocatie van chromosoom 17 op 15. Daarbij is een vitamine-A-receptor betrokken. Chemotherapie in combinatie met vitamine A is dan heel doeltreffend. Die therapie is minstens zo succesvol als Glivec. Vroeger had de leukemie met die translocatie een ongunstige prognose. Tegenwoordig geneest meer dan 85 procent van die patiënten. Punt was dat we met de al uitgebreide diagnostiek toch nog een middengroep van 60 procent overhielden. Die groep had een mix van goede en slechte prognoses, maar we hadden geen instrumenten om ze te onderscheiden. Daar was grote behoefte aan en we zagen de oplossing in diagnostiek met genexpressieprofielen.''

Ruud Delwel en Bob Löwenberg vonden twee jaar geleden de tijd gekomen om genexpressiediagnostiek te ontwikkelen. Ze trokken naar academische ziekenhuizen in de Verenigde Staten om een samenwerkingsverband aan te gaan. Löwenberg: ``De bio-informatica in Nederland was onvoldoende ontwikkeld.'' Maar een jaar later veranderde de situatie. Peter van der Spek begon als bio-informaticus aan het Erasmus MC.

Van der Spek komt uit de farmaceutische industrie. Hij werkte bij Organon en Johnson & Johnson. Hij maakte een vliegende start. Van der Spek: ``Mijn contacten bij industrieën, Affymetrix, diagnosticafirma's en de software-ontwikkelaars nam ik mee. Voor een bedrijf als Affymetrix, waarvan we in dit onderzoek een genchip hebben gebruikt, is het erg interessant om hun chiptechnologie te testen op onderzoeksvragen die in het ziekenhuis leven. En binnen het Erasmus MC hebben veel onderzoekers belangstelling voor de techniek.'' Inmiddels herbergt Erasmus MC tientallen `genchippende' onderzoeksgroepen.

eiwittenGenexpressieprofielen tonen aan welke van de ruim 30.000 genen in de kern van een menselijke cel op een bepaald moment actief zijn, dat wil zeggen welke genen worden omgezet in eiwitten. De genactiviteit in een tumorcel verschilt vaak sterk van die in een gezonde cel.

Löwenberg: ``In één witte bloedcel vinden – net als in andere cellen die in een tumorcel veranderen – twee tot drie genetische veranderingen plaats voordat hij een leukemiecel wordt. De genen die daardoor actief worden, of uitvallen, hebben vaak gevolgen voor de mate waarin een hele groep andere genen actief is. Die activiteitsverschillen worden zichtbaar in een genexpressieprofiel.''

Althans een deel van die verschillen, want de genchip van het Amerikaanse bedrijf Affymetrix dat de leukemie-onderzoekers van het Erasmus MC gebruikten, meet de activiteit van bijna 13.000 genen, bijna de helft van alle bekende menselijke genen. De genen zijn niet geselecteerd op hun betrokkenheid bij leukemie, maar op grond van de kennis die er een aantal jaren geleden over bestond. De genchip van Affymetrix is daardoor voor veel verschillende onderzoeksdoelen bruikbaar. Op de genchip zijn van ieder van de 13.000 genen enkele fragmenten vastgezet op een plaatje ter grootte van enkele vierkante centimeters (de genchip). De positie van die spots met genfragmenten op de chip is bekend. Om een genexpressieprofiel van een tumor te maken isoleren laboranten uit de tumorcellen van een patiënt het messenger-RNA (mRNA). De cel gebruikt dit boodschappermolecuul om genetische informatie om te zetten in eiwitten. Hoe meer mRNA van één gen op de chip wordt teruggevonden, hoe actiever het gen in het voorgaande uurtje was. Om de chip te kunnen aflezen wordt het mRNA enzymatisch omgezet in een kopie met speciale fluorescerende eigenschappen. In een uitleesapparaat tast een laserstraal de chip daarna spotje voor spotje af. De sterkte van het fluoriscerende signaal op één bepaalde spot is een maat voor de activiteit van een van de 13.000 genen.

Delwel: ``Voor ieder van de 285 patiënten kregen we dus een barcode van 13.000 streepjes, in genuanceerde grijstinten. Daarna wil je weten wat er gemeenschappelijk is aan de barcodes. Maar je wordt gek als je er naar kijkt.''

Daarom liet rekenmeester Van der Spek er zijn programma's op los. De eerste stap was een reductie van het aantal genen dat er toe doet om verschillen en overeenkomsten tussen de 285 patiënten te vinden. Van der Spek liet een rekenprogramma het genactiviteitsprofiel van iedere AML-patiënt vergelijken met het pakket van iedere andere patiënt. Als de genen van de ene patiënt even actief waren als die van een andere patiënt leverde dat een donkerrode stip op in de kruistabel. Ontbrak iedere correlatie dan verscheen een donkerblauwe punt. Roze, wit en lichtblauw zijn intermediaire waarden. Van der Spek: ``Als de patiënten in willekeurige volgorde werden geplaatst was er natuurlijk nog niets te zien.''

overeenkomstenEen volgende rekenslag groepeerde de 285 patiënten uiteindelijk in 16 duidelijk onderscheidbare groepen. De donkerrode driehoeken langs de diagonaal van de als illustratie afgedrukte correlatietabel laten de sterke overeenkomst binnen groepen patiënten zien.

Binnen een paar jaar diagnosticeert de genchip in één klap aan welke vorm van AML een patiënt lijdt. Daar zijn Delwel, Löwenberg en Van der Spek inmiddels van overtuigd. De nu nog prijzige chip vervangt én verbetert dan de nu gangbare arbeidsintensieve, tijdrovender en eveneens dure diagnostiek. De conventionele methode kon 60 procent van de patiënten niet indelen. De genchip deelt alle patiënten in.

Van de 285 patiënten die zijn getest voor het onderzoek dat deze week werd gepubliceerd waren de tumorcellen enkele jaren geleden al afgenomen. Daardoor is bekend of zij zijn genezen, of dat hun ziekte weer is teruggekeerd. Löwenberg: ``Vijf van de zestien met de genchip onderscheiden groepen waren groot genoeg om met voldoende zekerheid iets te zeggen over hun prognose. De drie groepen met een gunstige prognose die we met de nu gangbare diagnostiek konden identificeren rolden er op grond van het genchiponderzoek ook weer uit. Dat verbaast enerzijds niet, want er is geen tumor zo goed gekarakteriseerd als leukemie. Anderzijds geeft het aan dat de genchip-methode kennelijk zeer robuust is.'' Commentatoren van het New England Journal of Medicine – waarin de Erasmus-MC-onderzoekers deze week publiceerden – onderschrijven die conclusie en schrijven dat genexpressieprofielen in de toekomst de hele klinische diagnostiek zullen bepalen. In dezelfde New England staat een tweede genexpressieprofileringsartikel van Duitse en Amerikaanse onderzoekers die soortgelijke resultaten bereiken.

``Ronduit verrassend vind ik,'' zegt Löwenberg, ``dat een deel van de groep die met de conventionele diagnostiek een slechte prognose had er als één groep – onze `groep 10' – uit komt. Voor ons was die groep met slechte prognose tot nu toe een gemixt gezelschap, omdat we veel chromosoom- en genafwijkingen vonden. Maar we vermoeden nu toch een gemeenschappelijke factor.'' Dat maakt een speurtocht naar een specifieke therapie mogelijk.

Delwel: ``Bij die groep 10 heeft de tumorcel de karakteristiek van een hele onrijpe witte bloedcel. Die tumorcellen staan nog heel dicht bij de bloedstamcel. En die stamcel is tamelijk ongevoelig voor chemotherapie. Dat maakt de prognose van die groep ook zo slecht. Toch hebben we bij die patiënten waarschijnlijk al een eiwit ontdekt waarop we ons bij de therapie-ontwikkeling kunnen richten.''

Löwenberg: ``Met zulke kennis hopen we uiteindelijk voor ieder van die 16 groepen een gerichte behandeling te ontwikkelen.'' Delwel: ``De vondst van nieuwe medicijnen wordt makkelijker doordat we in de database van de genchip kunnen nagaan wélke genen karakteristiek zijn voor een groep patiënten. We zitten dan meteen al dicht bij het veroorzakend mechanisme en kunnen uitzoeken in welke genen we naar mutaties moeten zoeken.''

Van der Spek, tenslotte: ``Het is natuurlijk mooi dat we 16 groepen onderscheiden. En dat er misschien nog meer komen als we meer patiënten in de analyse betrekken. Maar de farmaceutische industrie staat niet te juichen bij het idee dat er voor al die groepen aparte behandelingen moeten komen. En misschien doelgerichte middelen om één of twee genafwijkingen per groep te corrigeren. De marketing van de farmaceutische industrie wil één pil voor alle patiënten. De onderzoekers willen echter steeds verder differentiëren. Dat zie je steeds weer terug op het ogenblik.''