Borstkanker als een systemische ziekte: begrip en verstoring van neutrofiel-gemedieerde bevordering van het uitzaaien van borstkanker

Achtergrond en probleemstelling
Er is een dringende klinische noodzaak om nieuwe behandelingsstrategieën te ontwikkelen die uitzaaiingen effectief kunnen tegengaan. Kanker gaat gepaard met een toename en functionele verandering van bepaalde afweercellen, zogenaamde neutrofielen. Uit onderzoek is gebleken dat neutrofielen uitzaaiingen kunnen bevorderen. Zo hebben wij ontdekt dat tumoren signaalstoffen uitscheiden die neutrofielen zodanig beïnvloeden dat deze de werking van de ‘goede’ afweercellen, de T-cellen, tegengaan, waardoor kankercellen makkelijker uitzaaien. Het verwijderen van alle neutrofielen is echter geen levensvatbare behandelingsoptie, aangezien neutrofielen bescherming bieden tegen infecties. Een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan het ontstaan van pro-metastatische neutrofielen kan aanknopingspunten bieden voor nieuwe behandelingsstrategieën die ingrijpen op de metastase-bevorderende neutrofielen.
 
Onderzoeksrichting en Relevantie
Neutrofielen ontwikkelen in het beenmerg, om vervolgens via het bloed in organen hun functie uit te oefenen. Neutrofielen zijn veelzijdige afweercellen die hun functie aanpassen aan systemische en lokale signalen. Ons vooronderzoek bevestigt dat patiënten met uitgezaaide triple-negatieve borstkanker verhoogde neutrofiel waarden hebben, en dat deze neutrofielen een ander transcriptioneel profiel hebben dan neutrofielen van gezonde vrouwen. Maar hoe borsttumoren neutrofielen zodanig manipuleren dat deze het uitzaaiingsgedrag van kanker gaan bevorderen is grotendeels onbekend. Door gebruik te maken van muismodellen voor uitgezaaide borstkanker hebben we gevonden dat tumordragende muizen een ontregeling van de neutrofielenontwikkeling in het beenmerg (granulopoiese) vertonen. Bovendien hebben we gevonden dat neutrofielen in de longen van tumordragende muizen transcriptioneel verschillend zijn van zowel neutrofielen in het bloed, als van neutrofielen in longen van tumorvrije muizen. Deze bevindingen tonen aan dat tumoren op meerdere niveaus veranderingen teweegbrengen in neutrofielen: tijdens hun ontwikkeling in het beenmerg, tijdens hun aanwezigheid in weefsels, en tijdens (pre-)metastatische niche ontwikkeling.
Eveneens ontdekten we dat behandeling met een remmer van het pro-inflammatoire cytokine interleukine-1 (IL-1) de ontregeling van neutrofielontwikkeling in tumor-dragende muizen kon remmen. Deze bevindingen verschaffen nieuwe inzichten in het complexe en gelaagde proces van pro-metastatische neutrofiel evolutie in tumordragende muizen. Bovendien tonen deze uitkomsten aan dat anti-inflammatoire interventies het potentieel hebben om tumor-gedreven ontregeling van neutrofielen te remmen. In dit onderzoeksproject zullen we voortbouwen op deze bevindingen om de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de tumor-geïnduceerde stapsgewijze programmering van neutrofielen verder op te helderen en te remmen

Onderzoeksvragen
De overkoepelende doelstelling van dit project is om de moleculaire mechanismen te ontrafelen die aan de basis liggen van borstkanker-geïnduceerde stapsgewijze programmering van neutrofielen waardoor deze neutrofielen metastase-bevorderende eigenschappen krijgen. Eveneens zullen we onderzoeken of en hoe therapeutische herprogrammering van neutrofielen uitzaaiingen kan verminderen.

Onderzoeksopzet
Om ons doel te bereiken zullen we mechanistische studies in preklinische muismodellen voor uitgezaaide borstkanker combineren met diepgaande analyse van bloedstalen van borstkankerpatiënten, en de volgende onderzoeksvragen bestuderen:

WP1: Identificatie van de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan borsttumor-gedreven granulopoiese
Dit subdoel is gefocust op het mechanistisch begrijpen van hoe borsttumoren granulopoiese – neutrofielontwikkeling in het beenmerg – ontregelen en wat de gevolgen zijn van deze tumor-geïnduceerde veranderingen voor de functionaliteit van neutrofielen. Onze preliminaire resultaten tonen aan dat de transcriptiefactoren Cebpa en Cebpb differentieel gereguleerd worden in voorloper cellen van neutrofielen in mammatumor-dragende muizen. Daarom zullen we hun rol in tumor-gemedieerde manipulatie van neutrofielen in onze muismodellen onderzoeken en deze bevindingen valideren in borstkankerpatiënten. Deze subdoelstelling zal inzichten opleveren in de mechanismen die aan de basis liggen van ontregelde granulopoiese door borsttumoren en hoe dit de functie van neutrofielen beïnvloedt.

WP2: Onderzoek naar hoe neutrofielen bijdragen aan een metastase-permissieve omgeving
We streven ernaar om gedetailleerde inzichten te verkrijgen in hoe verschillende weefsels (longen, lever en lymfeklieren) bijdragen aan verdere programmering van neutrofielen tot een pro-metastatisch fenotype. Gebaseerd op ons voorwerk veronderstellen wij dat verschillende weefsels een andere tumor-gestuurde programmering van neutrofielen zullen geven, en dat dit effect heeft op de ontwikkeling van de (pre-)metastatische niche. We zullen kinetische, transcriptionele en functionele veranderingen in neutrofielen onderzoeken om te leren hoe neutrofiele weefselspecificatie wordt gestuurd door mammatumoren en hoe dit bijdraagt aan de (pre)-metastatische niche. We zullen deze  inzichten gebruiken om interventiestudies uit te voeren in onze muismodellen om te testen of het mogelijk is om ongewenste tumor-gedreven weefselspecifieke programmering van neutrofielen tegen te gaan.

WP3: Onderzoeken of de verkregen inzichten in ongewenste tumor-geïnduceerde programmering van neutrofielen therapeutisch benut kunnen worden om uitgezaaide borstkanker te behandelen.  In dit subdoel zullen we ons voorwerk en onze nieuwe bevindingen uit WP1 en WP2 gebruiken om proof-of-concept studies uit te voeren waarin gerichte interventies die de ongewenste tumor-geïnduceerde programmering van neutrofielen tegengaan gecombineerd zullen worden met anti-inflammatoire behandelingen of met checkpointremmers om behandeling van uitgezaaide borstkanker te verbeteren.

WP4: Onderzoeken wat de functionele gevolgen zijn van therapie-geïnduceerde mobilisatie van neutrofielen
Borstkankerpatiënten die behandeld worden met een hoge dosering chemotherapie worden vaak profylactisch behandeld met G-CSF om hun neutrofiel waarden niet te laten dalen. In dit subaim onderzoeken wij hoe deze behandeling met G-CSF de tumor-geïnduceerde programmering van neutrofielen beïnvloedt in borstkankerpatiënten. We willen gedetailleerde inzichten verschaffen in de gevolgen van G-CSF-behandeling op de functionaliteit van neutrofielen en metastasering. Daarvoor bestuderen we: 1) het effect van G-CSF-behandeling, zowel op zichzelf als in combinatie met chemotherapie, in onze muismodellen voor uitgezaaide borstkanker en 2) het fenotype en de functionaliteit van neutrofielen geïsoleerd uit patiënten behandeld met chemotherapie en G-CSF.

Verwachte uitkomsten
Succesvolle voltooiing van dit project zal leiden tot nieuwe inzichten in borstkanker-geïnduceerde stapsgewijze programmering van neutrofielen waardoor deze neutrofielen metastase-bevorderende eigenschappen krijgen. Deze verkregen inzichten zullen wij benutten door vervolgens te onderzoeken middels proof-of-principle studies of therapeutische herprogrammering van neutrofielen uitzaaiingen kan verminderen en de effectiviteit van immuuntherapie kan verbeteren. Eveneens zullen onze preklinische studies in combinatie met parallelle analyses van bloedmonsters van borstkankerpatiënten inzicht geven of profylactische behandeling met G-CSF  een averechts effect kan teweegbrengen door verkeerde programmering van de gemobiliseerde neutrofielen.

Vervolgstappen om resultaat te implementeren
Uiteindelijk verwachten we dat dit project een solide basis kan vormen voor de ontwikkeling van nieuwe behandelingsstrategieën gericht op het overwinnen van de pro-metastatische functionaliteit van neutrofielen. In samenwerking met Marleen Kok zullen we mogelijkheden voor nieuwe ‘investigator-initiated’ klinische studies onderzoeken om bevindingen uit dit project in patiënten verder te valideren dan wel te implementeren.