Nieuwe inzichten leverkanker dankzij organoïden

Onderzoekers van de Organoid groep (Hubrecht Instituut) en het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie verkrijgen nieuwe inzichten in fibrolamellair carcinoom (FLC), een zeldzame vorm van leverkanker bij kinderen. De resultaten, vandaag gepubliceerd in Nature Communications, kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Door het gebruik van organoïden in combinatie met CRISPR-Cas9 begrijpen de onderzoekers de zogenaamde tumorbiologie en de gevolgen van verschillende DNA-veranderingen beter. Ze brachten ook de waarschijnlijke ‘cel van oorsprong’ van één van de FLC-tumortypes aan het licht.

Fibrolamellair carcinoom (FLC) is een type leverkanker die vooral voorkomt bij jongeren en jongvolwassenen. Jaarlijks treft de ziekte één op de 5 miljoen mensen, waardoor deze zeldzaam te noemen is. Het overlevingspercentage is laag, waardoor nieuwe vormen van behandeling hard nodig zijn.

Gekweekte mini-levers. Credit: Benedetta Artegiani and Delilah Hendriks. Copyright: Princess Máxima Center.

Nieuwe menselijke organoïde modellen

Dr. Delilah Hendriks, onderzoeker bij het Hubrecht Instituut, en Dr. Benedetta Artegiani, groepsleider bij het Prinses Máxima Centrum, leidden samen een nieuw onderzoek naar fibrolamellair carcinoom. Ze gebruikten diverse innovatieve technologieën. Hierdoor begrepen de onderzoekers de biologische gevolgen van verschillende in FLC gevonden mutaties beter en werd bestuderen van de biologie van de tumoren mogelijk. Deze nieuwe informatie is nodig om in te kunnen zien waarom de tumoren ontstaan en om mogelijke doelwitten voor betere behandelingen van deze ziekte te vinden.
Artegiani: ‘Voor ons onderzoek hebben we gezonde menselijke leverorganoïden gebruikt, minilevertjes die in het laboratorium worden gekweekt. We ontwikkelden een reeks organoïden, allemaal met verschillende DNA-veranderingen die eerder in verband waren gebracht met FLC. De genetische achtergrond van de organoïden veranderden we met behulp van de DNA-aanpassingstechniek CRISPR-Cas9, die werkt als een ‘moleculaire schaar’. Door de zeldzaamheid van dit type kanker is er niet veel tumorweefsel beschikbaar voor onderzoek. Met deze techniek konden we dit tumortype toch bestuderen.’

Verschillende DNA-veranderingen zorgen voor verschil in agressiviteit

Hendriks en Artegiani ontwikkelden voor het onderzoek leverorganoïden door het eiwit kinase A (PKA) complex aan te passen. Dit deden ze met behulp van CRISPR-Cas9. PKA is een zogenaamd complex signaaleiwit, dat andere eiwitten kan aan- of uitschakelen. Deze ‘eiwitschakelaar’ bestaat uit verschillende delen, ieder gekoppeld aan een ander gen. Verandering in de functie van deze delen door mutaties lijken cruciaal te zijn voor het ontstaan van FLC.
De organoïden bevatten het zogenaamde fusiegen DNAJB1-PRKACA. Deze DNA-verandering wordt heel vaak aangetroffen in FLC-tumoren. Hendriks: ‘Bij het inbouwen van deze verandering in de organoïden zagen we dat er inderdaad meerdere kenmerken overeenkwamen met de tumoren die we zien bij FLC. Toch was het effect van deze ene aanpassing op het algehele gedrag van de levercellen en de hierin aanwezige moleculen best mild.’
De situatie veranderde volledig toen de onderzoekers een andere reeks DNA-veranderingen, die ook bij FLC werden aangetroffen, aanbrachten. Artegiani: ‘Deze reeks bevat niet alleen een verandering in een van de PKA-genen, PRKAR2A, maar ook in een extra gen, BAP1 genaamd. In dit geval lieten de organoïden de typische kenmerken van een agressieve kanker zien. Dit wijst erop dat verschillende genetische FLC-achtergronden zorgen voor verschil in mate tumoragressiviteit. Daarnaast zorgen de BAP1 en PRKAR2A DNA-veranderingen ervoor dat de cellen beter kunnen veranderen waardoor ze zich aan kunnen passen aan verschillende omgevingen. Dit verklaart mogelijk de ongecontroleerde groei van de cellen tijdens de vorming van FLC-tumoren.’
De onderzoekers concludeerden dat DNA-veranderingen in de PKA-genen heel belangrijk zijn, maar mogelijk niet voldoende voor de ontwikkeling van FLC. Hendriks: ‘Deze uitkomsten openen de mogelijkheid om verder te zoeken naar andere factoren die samen met DNA-veranderingen in PKA voorkomen in FLC-tumoren. Dit zou mogelijk gebruikt kunnen worden voor toekomstige medicijnen voor deze vorm van kinderkanker.’

Menselijke mini-levers die tekenen vertonen van ductal cellen (rood) en kankerstamcellen (groen). Credit: Benedetta Artegiani and Delilah Hendriks. Copyright: Princess Máxima Center.

De cel van oorsprong

Om nieuwe medicijnen te kunnen ontwikkelen is het ook essentieel om de biologie van de kanker zelf te begrijpen. Eén van de eerste stappen is te vinden uit welk celtype de kanker voortkomt: de cel van oorsprong. Begrip over het belang van bepaalde specifieke fouten in het DNA zijn bij het ontstaan van FLC en over de eerste foute cel, de cel van oorsprong, kan heel belangrijk zijn om in te zien hoe de tumor zich later zou kunnen gedragen.
Tijdens het onderzoek bleek dit echter bijzonder moeilijk te zijn voor FLC. Artegiani: ‘De belangrijkste oorzaak is dat deze tumoren kenmerken vertonen van zowel hepatocyten als ductale cellen, de twee belangrijkste cellen in de lever. Onze organoïden lieten zien dat de samenwerking van PRKAR2A en BAP1 een oorspronkelijk gezonde hepatocyt veranderde in een ductale cel, met meer kenmerken van een kankerstamcel. Deze verandering van het ene celtype in een ander wordt transdifferentiatie genoemd. Dit is een bijzonder interessant verschijnsel dat in verschillende tumoren kan voorkomen, en het maakt het aanwijzen van de cel van oorsprong bijzonder moeilijk. Met behulp van onze modellen konden we echter de hepatocyten als waarschijnlijke cel van oorsprong aanwijzen.’

Volgende stappen

Dankzij deze studie verbetert de kennis over FLC aanzienlijk en wordt de weg voor verder onderzoek naar een betere behandeling van dit zeldzame type kanker gebaand. De inzichten in DNA beschadigingen leiden mogelijk tot nieuwe medicijnen voor kinderen met deze ziekte. En inzicht in het belang van specifieke fouten in het DNA bij het ontstaan van FLC kunnen in de toekomst ook helpen om de verschillen binnen de tumor en de reactie op medicijnen bij verschillende personen beter te begrijpen.

Deze studie werd gefinancierd door de Fibrolamellar Cancer Foundation (FCF).

Publicatie

Organoid models of fibrolamellar carcinoma mutations reveal hepatocyte transdifferentiation through cooperative BAP1 and PRKAR2A loss. Laura Rüland, Francesco Andreatta, Simone Massalini, Susana Chuva de Sousa Lopes, Hans Clevers, Delilah Hendriks^# & Benedetta Artegiani^#. Nature Communications, 2023.

# = These authors jointly supervised this work.

Delilah Hendriks (rechts) is onderzoeker bij de Organoid groep van het Hubrecht Instituut.

Benedetta Artegiani (links) is onderzoeksgroepsleider bij het Prinses Máxima Centrum.

Hans Clevers is adviseur/gastonderzoeker bij het Hubrecht Institute voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek en bij het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie. Tevens is hij hoogleraar bij de Universiteit Utrecht en Oncode Investigator. Sinds maart 2022 is Hans Clevers Head of pharma Research and Early Development (pRed) bij Roche in Basel, Zwitserland.