Credit: Daria Kirpach
In 2016 kondigde de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) een nieuwe aanpak aan voor het classificeren van gliomen, de overheersende vorm van hersenkanker bij volwassenen. In plaats van een diagnose te stellen voornamelijk op basis van het uiterlijk van cellen in een tumor, zoals de vorige WHO-richtlijnen hadden gedaan, vertrouwt de bijgewerkte rubriek op analyse van het genoom van de tumor.
Het WHO-schema sorteert mensen met glioom in diagnostische groepen op basis van de aanwezigheid van twee genetische wijzigingen. De ene is een mutatie in genen die behoren tot een familie die codeert voor het enzym isocitraatdehydrogenase (IDH), dat cellen helpt energie te produceren. De andere is het verlies van twee specifieke stukken van het genoom, een fenomeen dat bekend staat als co-deletie. Samen bieden deze veranderingen krachtige informatie over de prognose van een patiënt (mensen met zowel een IDH-mutatie als een co-deletie hebben het beste resultaat, terwijl mensen met geen van beide het slechtst af zijn), maar ook aanwijzingen over welke behandelingen geschikt zouden kunnen zijn.
“Gliomen zijn een goed voorbeeld van waar moleculaire, genetische diagnose echt een verschil heeft gemaakt in de patiëntenzorg,” zegt Robert Jenkins, een kankergonoom aan de Mayo Clinic in Rochester, Minnesota. “De kennis van de verschillende subtypes ligt bij hersentumoren ver voor op die van andere kankers.”
Dankzij talrijke grootschalige genoom-sequencing studies gaat de kennis van de genetica van hersenkanker in feite veel verder dan de twee diagnostische veranderingen. Mutaties in honderden genen zijn geïdentificeerd in glioma’s. De uitdaging bestaat er nu in de biologische mechanismen te ontrafelen die deze veranderingen veroorzaken, te begrijpen welke veranderingen de prognose van een persoon en de reactie op therapie beïnvloeden, en hoe, en uit te werken waarom de veranderingen de neiging hebben in bepaalde patronen voor te komen. “Het is niet genoeg om alleen mutaties te catalogiseren,” zegt Benjamin Deneen, kankerbioloog aan het Baylor College of Medicine in Houston, Texas. “Het is belangrijk om te decoderen wat het allemaal betekent. En we bevinden ons nu in het tijdperk van decoderen.”
Culprits geïdentificeerd
Ook voordat moleculaire analyse van tumorsubtypen beschikbaar was, wisten neuro-oncologen dat mensen met een type glioom dat oligodendroglioom wordt genoemd, beter reageren op chemotherapie en een betere prognose hebben dan mensen met een ander type glioom, astrocytoom genaamd. Aanvankelijk werden deze twee gliomen van elkaar onderscheiden door hun uiterlijk en andere klinische kenmerken: oligodendrogliomen bevatten bijvoorbeeld cellen met een kenmerkende vorm die doet denken aan een gebakken ei, en astrocytomen komen meestal bij jongere patiënten voor.
Maar het maken van dit onderscheid is meer een kunst dan een wetenschap. Gliomen kunnen cellen bevatten die een aantal kenmerken van beide delen. Ze kunnen ook een mix van oligodendrocytoom- en astrocytoom-achtige cellen bevatten. Verschillende neuropathologen hadden verschillende diagnosegewoonten: sommigen wezen tumoren zelden aan als oligodendrocytoom, terwijl anderen dat juist graag deden.
Toen, aan het eind van de jaren 2000, ontdekten onderzoekers onder leiding van Bert Vogelstein van de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, mutaties in het gen IDH1 bij ongeveer 12% van de mensen met een type glioom dat bekend staat als glioblastoma multiforme (GBM)1 – gewoonlijk een van de meest agressieve vormen van hersenkanker. Degenen die dergelijke mutaties hadden, hadden meer kans om de trieste trend van de ziekte wat betreft overleving op lange termijn te doorbreken. Gestimuleerd door deze bevinding keek het team naar andere soorten glioom en was opnieuw in staat IDH1-mutaties te identificeren in een deel van de geteste patiënten.
“We ontdekten dat de patiënten die een betere overleving hebben allemaal de IDH1-mutaties hebben,” zegt Hai Yan, een neuro-oncoloog aan de Duke University School of Medicine in Durham, North Carolina. Al snel bleken mutaties in een nauw verwant gen, IDH2, ook een langere overlevingsduur te voorspellen.
Terwijl kwam een andere voorspellende marker voor glioom naar voren uit studies naar afwijkingen die grote stukken van het genoom aantasten. In het begin van de jaren negentig ontdekten onderzoekers onder leiding van Jenkins dat bij sommige gliomen een deel van chromosoom 192 ontbrak. Rond dezelfde tijd identificeerde een internationale groep onderzoekers een deel van chromosoom 1 dat soms ontbrak in dergelijke tumoren3. Beide veranderingen werden geassocieerd met een betere prognose.
Een paar jaar later stelden onderzoekers vast dat de twee bijna altijd samen voorkwamen4 – een patroon dat bekend werd als 1p en 19q co-deletie. Jenkins werkte ook samen met een team van onderzoekers uit de Verenigde Staten en Canada om aan te tonen dat mensen met glioom die reageerden op chemotherapie met procarbazine-lomustine-vincristine, meestal tumoren hadden die de 1p en 19q co-deletie droegen. Dit werd een van de eerste bewijzen dat moleculaire markers bij hersenkanker kunnen worden gebruikt om beslissingen over behandeling te sturen.
Classificatie raadsel
De ontdekking van deze moleculaire markers zorgde voor een revolutie in de glioomdiagnose en verscherpte de ooit vage categorieën die worden gebruikt om de prognose te helpen bepalen. “In plaats van de patiënt te classificeren op basis van hoe zijn objectglaasje eruitziet, kunnen we hem met veel meer zekerheid classificeren op basis van een moleculaire verandering”, zegt Cameron Brennan, neurochirurg aan het Memorial Sloan Kettering Cancer Center in New York City.
Het bijgewerkte WHO-schema houdt nog steeds rekening met het uiterlijk van de cellen, maar gebruikt genetische markers als een meer nauwkeurige manier om onderscheid te maken tussen tumortypen. In het algemeen moeten oligodendrogliomen zowel een IDH-mutatie als de 1p- en 19q-co-deletie hebben. Glioma’s met een IDH-mutatie maar intacte 1p- en 19q-genomicaregio’s worden geclassificeerd als astrocytoma’s, net als glioma’s zonder IDH-mutatie.
De moleculaire classificatie stelt oncologen in staat met meer vertrouwen chemotherapie, radiotherapie of een combinatie daarvan voor te schrijven – zelfs als de tumor van een persoon een intermediair uiterlijk heeft. En door aanwijzingen te geven over hoe agressief een tumor waarschijnlijk zal zijn, helpt het schema artsen bij het afwegen van de risico’s en voordelen van verschillende chirurgische strategieën.
Confusingly, IDH mutation seems to both set gliomas in motion and mitigate their severity. Omdat verschillende soorten hersenkanker IDH-mutaties gemeen hebben, zou deze verandering een vroege gebeurtenis in de ontwikkeling van de tumor kunnen zijn. “IDH is waarschijnlijk het poortwachter-gen van hersentumoren,” zegt Yan.
Hoewel onderzoekers niet zeker zijn hoe de IDH-mutatie bijdraagt aan het kwaadaardig maken van cellen. Ze weten dat gemuteerde IDH-enzymen de massale overproductie stimuleren van een metaboliet genaamd 2-hydroxyglutaraat. Deze stof verandert in grote lijnen de patronen op het DNA van epigenetische markers – moleculaire ‘schakelaars’ die genen kunnen in- of uitschakelen. Maar omdat er zoveel van dergelijke veranderingen in tumoren voorkomen, kan het moeilijk zijn om uit te zoeken welke het belangrijkst zijn voor de vorming van tumoren, laat staan te bepalen welke factoren sommige tumoren met een IDH-mutatie ertoe aanzetten oligodendroglioma’s te worden en andere astrocytoma’s.
Het belang van de IDH-mutatie bij gliomen en andere vormen van kanker heeft desondanks geleid tot pogingen om geneesmiddelen te ontwikkelen die de muterende IDH-enzymen blokkeren. De hoop is dat dergelijke geneesmiddelen de daaropvolgende epigenetische veranderingen kunnen helpen voorkomen, zodat cellen zich normaal kunnen differentiëren. Een geneesmiddel dat mutant IDH2 aanpakt, werd in 2017 goedgekeurd voor gebruik bij mensen met acute myeloïde leukemie. Tot nu toe zijn vaste tumoren moeilijker aan te pakken gebleken, maar fase I- en fase II-proeven van ten minste vijf geneesmiddelen gericht op IDH1 of IDH2 bij mensen met hersentumoren zijn aan de gang.
Verhaal van het telomeer
Genomics-studies op grote schaal hebben honderden genetische wijzigingen in hersenkanker geïdentificeerd. “Dus nu hebben we een grote verzameling kennis van wat je kunt vinden in de tumor van de patiënt,” zegt Sidi Chen, een geneticus aan de Yale School of Medicine in West Haven, Connecticut. Hij en zijn collega’s proberen nu het belang van deze mutaties te achterhalen, zodat ze kunnen worden gebruikt om persoonlijke behandelingsbeslissingen te nemen.
Chen past voor zijn onderzoek het gen-editing gereedschap CRISPR-Cas9 toe op een muismodel. De technologie, zegt Chen, stelt hem in staat om “in te zoomen op welke genen en genetische combinaties belangrijker zijn dan de andere”. In 2017 meldde Chen’s team dat mutaties in twee genen, Zc3h13 en Pten, kankercellen resistent kunnen maken tegen een veelgebruikt chemotherapiemedicijn5. Het identificeerde ook paren van mutaties die voldoende zijn om GBM te veroorzaken.
Kankercellen moeten een mechanisme hebben voor het behoud van structuren die bekend staan als telomeren, die zich aan de uiteinden van chromosomen bevinden en een rol spelen bij celveroudering. In normale cellen worden de telomeren met de tijd korter, totdat de cellen niet meer in staat zijn zich te delen. Maar in tumoren blijven de telomeren lang, waardoor de cellen onsterfelijk worden.
Sommige GBM-tumoren hebben mutaties in een deel van het DNA dat de TERT-promotor wordt genoemd. Deze mutaties leiden tot overexpressie van de katalytische subeenheid van telomerase, een enzym dat DNA-herhalingen toevoegt aan de uiteinden van telomeren om ze intact te houden. Anderen dragen een mutatie in het gen ATRX, dat leidt tot een verschijnsel dat bekend staat als alternatieve verlenging van telomeren (ALT).
Deze twee mechanismen dragen bij aan het behoud van telomeren bij veel vormen van kanker. Wetenschappers wisten echter niet hoe telomeren worden onderhouden in GBM-tumoren die geen mutaties in de TERT-promotor of ATRX dragen. Dit jaar ontdekte de groep van Yan dat dergelijke tumoren chromosomale herschikkingen kunnen hebben die het gen TERT6 verstoren, waardoor een andere route naar telomerase-overexpressie ontstaat. Zij ontdekten ook een ander gen, SMARCAL1 genaamd, dat het ALT-proces kan aansturen wanneer het gemuteerd is.
Totaal kunnen deze vier genetische veranderingen telomeerbehoud in bijna alle GBM-tumoren verklaren. En Yan denkt dat zijn resultaten de mogelijkheid zullen openen van gepersonaliseerde behandelingen die zich kunnen richten op de specifieke telomeer-gerelateerde genetische afwijking van elke tumor. “Elke patiënt: je hebt een antwoord voor hen,” zegt hij. “
Familiaire erfstukken
Een ander stukje van de genetica-puzzel over hersenkanker is het erfelijke risico. Genoomwijde associatiestudies hebben specifieke variaties geïdentificeerd die in verband worden gebracht met het ontwikkelen van de ziekte. Ongeveer 40% van de mensen met oligodendrogliomen of astrocytomen met een IDH-mutatie dragen een variatie die bekend staat als een enkel nucleotide polymorfisme (SNP) in de 8q24-regio van het genoom. Een andere SNP die het risico op IDH-mutante hersenkanker lijkt te verhogen, wordt gevonden in de 11q23-regio. Maar er is weinig bekend over de mechanismen achter deze associaties.
Over 5-8% van de gliomen zijn familiair, wat betekent dat ze voorkomen bij mensen met ten minste één andere naaste biologische verwant die een glioom heeft gehad, zegt Melissa Bondy, een epidemioloog aan het Baylor College of Medicine. In 2014 identificeerde Bondy’s team het eerste gen dat in verband werd gebracht met familiair glioom, POT17. Haar team heeft POT1-mutaties gevonden in 6 van de bijna 300 families met glioom die het heeft bestudeerd, een bevinding die Bondy omschrijft als een “gedeeltelijke home run”. Het team heeft ook bijna 20 andere genen geïdentificeerd die mogelijk bijdragen aan het erfelijke risico.
Familiaire en niet-familiaire gliomen lijken vergelijkbare ziektemechanismen te hebben. “Het komt op iets jongere leeftijd voor” bij mensen met een familiegeschiedenis van de kanker, zegt Bondy. Maar, “als we kijken naar het mechanisme dat betrokken is bij de tumorigenese van gliomen, lijkt het erop dat er geen verschil is.”
Bondy hoopt meer families te rekruteren die zijn getroffen door gliomen om uit te vinden hoe POT1 en de andere genen die ze heeft geïdentificeerd de prognose van een persoon en de reactie op de behandeling beïnvloeden. Om meer te weten te komen over hoe deze genen bijdragen aan de vorming van hersentumoren, werkt ze samen met Deneen, die een CRISPR-Cas9 muismodel heeft ontwikkeld om de effecten van verschillende mutaties in hetzelfde gen op de ontwikkeling van gliomen te evalueren.
Deneen zegt dat dit onderzoek het ‘hotspot’-model van kankergenomica uitdaagt, waarin genen die bij veel vormen van kanker zijn gemuteerd, worden verondersteld belangrijk te zijn voor alle vormen van kanker. In plaats daarvan: “Varianten die bij de ene vorm van kanker een rol spelen, spelen niet noodzakelijkerwijs een rol bij andere vormen van kanker.”
Daar komt nog bij dat twee varianten van hetzelfde gen zich heel verschillend kunnen gedragen – de ene kan belangrijk zijn voor het kwaadaardig worden van een cel, terwijl de andere er alleen maar voor zorgt dat de cel kwaadaardig wordt. Of twee varianten in hetzelfde gen kunnen kankers met verschillende kenmerken veroorzaken. “We kunnen kijken naar, in feite, één enkel aminozuurverschil en we kunnen drastische veranderingen zien,” zegt Deneen. Dat suggereert dat een tijdperk van nog diepere ontcijfering van glioom-geassocieerde mutaties in het verschiet ligt.