Personalisierte Medizin: Onkologische Forschung und Therapie weiterdenken

In der Onkologie setzt sich mehr und mehr der Gedanke durch, dass Krebs eine Erkrankung der Gene und weniger der betroffenen Organe ist. Diese Erkenntnis verändert die Forschung und wie Patientinnen und Patienten zukünftig behandelt werden können. Moderne Krebstherapien verfolgen daher einen entitäts-übergreifenden Behandlungsansatz. Sie richten sich gegen die individuellen Angriffspunkte der Erkrankung, die für die Entstehung und das Wachstum des Tumors verantwortlich sind, wie beispielsweise Cetuximab bei Ras negativen Dickdarmtumoren.

Eine Krankheit, eine Behandlung – lange Zeit beherrschte dieser „one size fits all“-Gedanke die Onkologie. Heute wissen wir mehr als jemals zuvor darüber, wie Krebs entsteht und sich ausbreitet: Verantwortlich sind spezifische Veränderungen in unseren Genen. Diese können auch Auskunft geben, ob eine Therapie Erfolg haben wird. Daher werden Patienten mit malignen Erkrankungen heute mehr und mehr aufgrund der spezifischen genetischen Veränderungen ihres Tumors stratifiziert und im Sinne der Personalisierten Medizin behandelt.

Behandlungsstrategien überschreiten Entitätsgrenzen

 

In Zukunft werden sich Therapien daher zunehmend auch an molekularen und weniger an anatomischen Gemeinsamkeiten orientieren. Für uns bedeutet das: Behandlung immer kleinerer und heterogenerer Subgruppen, differenziert anhand individueller molekularer Veränderungen. In diesen neuen Konzepten kann die Tumorlokalisation zum Teil nur noch eine untergeordnete Rolle spielen. Daher erwarten wir, dass Behandlungsstrategien, die Entitätsgrenzen überschreiten, zukünftig deutlich an Bedeutung gewinnen werden

— Dr. Philipp Ströbel, Universitätsmedizin Göttingen

Seit mehr als 10 Jahren verspricht die Genomik prospektiv individualisierte Therapieoptionen anhand von spezifischen Mutationsmustern von Tumor und Metastase abzuleiten. Indes ist eine solche Vorhersage des Ansprechens des Tumors auf eine Therapie für eine signifikante Anzahl von Fällen nicht möglich. Selbst wenn therapeutisch angreifbare „targetable“ Aberrationen identifiziert werden, ist dies noch kein Garant für ein erfolgreiches Ansprechen des Tumors auf die Therapie. Unabhängige Methoden, den therapeutischen Effekt zu bestätigen, oder neue Behandlungsoptionen aufzuzeigen, sind gleichermaßen für den Arzt, wie auch den Patienten willkommen. Um diesen Bedarf zu adressieren, haben wir eine begleitende Chemosensitivitätstestung für Patienten mit fortgeschrittenem soliden Tumoren entwickelt, die wir bereits mit verschiedenen Universitätskliniken im In- und Ausland erfolgreich durchführen. Die Grundlage für diese Testung bilden frische, Patienten-abgeleitete Tumor- 3D-Modelle, sogenannte „Organoide“, die es ermöglichen, im Labor eine fast beliebige Anzahl von Wirkstoffen und Wirkstoffkombinationen zu testen und in einem behandlungsrelevanten Zeitraum die bestmögliche Behandlungsstrategie für den einzelnen Patienten zu identifizieren.

In der präklinischen Forschung werden Organoid-Modelle systematisch als Ersatzmodell zum Tiermodell für verschiedene Indikationen wie z. B. Kolorektalkarzinom, Pankreaskarzinom und Prostatakarzinom eingesetzt (Gao et al., 2014Boj et al., 2015Huang et al., 2015; Nash et al., 2015Baker et al., 2016Clevers, 2016) eingesetzt. Die Methodik unterscheidet sich stark von der traditionellen Zellkultur, da sie das Wachstum der Tumorzellen in drei Dimensionen erlaubt. Tumorzellen, die in 3D wachsen, behalten weitestgehend ihre Zell-Zell und Zell-Matrix Interaktionen und sind so dem Ursprungstumor ähnlicher als Zellen, die zweidimensional auf einem Plastik-Substrat wachsen (Mueller-Klieser, 1997Frankel et al., 2000Pampaloni et al., 2007; Barbone et al., 2008; Pickl and Ries, 2009Baker and Chen, 2012Jamieson et al., 2015).

Mehr als nur Sequenzieren

Ein weiteres Evidenzlevel wird erreicht, indem die Daten aus den Substanztestungen und den Sequenzanalysen durch gezielte Proteomik unterstützt werden. Dieser Prozess, das sogenannte Reverse Clinical Engineering®, wird schrittweise in die pathologische Befundung sowie in die Tumorkonferenzen Einzug halten und für eine Vielzahl von Patienten den Behandlungsverlauf positiv beeinflussen. Hochdurchsatzmethoden haben es bereits in der Vergangenheit erlaubt, Substanzen parallel an vielen Zelllinien (NCI-60) zu testen und ein Großteil unseres heutigen Wissens über Wachstumsinhibtion und Tumor-Zelltod gehen auf solche Studien zurück (Shoemaker, 2006). Eine neuere Studie der pharmakogenomischen Interaktionen in Tumorzellen verknüpft den Genotyp mit dem zellulären Phänotypen, um so zielgerichtet Subpopulationen von Zellen behandeln zu können (Iorio et al., 2016). Allerdings spiegeln diese Zelllinien-Modelle die Biologie des Tumors nicht adäquat wider. Dies ist auch die Ursache für die hohe Ausfallquote von präklinischen Substanzen in klinischen Studien und belegt die Grenzen existierender präklinischer Modelle eindeutig (Li et al., 2008; Paul et al., 2010). Die Vorhersagegenauigkeit von in vitro Substanztestungen ist daher stark von der biologischen Abbildung der Eigenschaften des Donor-Gewebes abhängig. Die Taxonomie von Tumoren ist die klassische Domäne der Pathologen, die die Tumorzellmorphologie nutzen, um die klinische Versorgung des Patienten zu unterstützen. Mit der voranschreitenden Entwicklung von molekularen Biomarkern, sind die Pathologen in der Lage Tumor-Subgruppen zu identifizieren. Für manche dieser Subgruppen konnte eine dramatische Verbesserung der klinischen Antwort durch zielgerichtete Therapien, wie Trastuzumab oder Imatinib erreicht werden.

Die Bedeutung dieser Daten für die Behandlung von Tumorpatienten bleibt jedoch beschränkt, da es nur wenige personalisierte präklinische Modelle gibt, an denen die biologische Funktionalität dieser Veränderungen getestet werden könnte (Arrowsmith and Miller, 2013). Durch die Etablierung personalisierter in vitro Tumor-Organoid Modelle für den Einsatz in Hochdurchsatz-Sensitivitätstestungen kann ASC-Oncology die konzentrationsabhängige Sensitivität eines Tumors mit den genomischen Profilen des selben Tumors abgleichen und so eine direkte korrelative Aussage über die Verbindung von Tumorgenom und Chemosensitivität des Tumors machen. Parallel dazu hat ASC-Oncology die Möglichkeit, mit Hilfe der Modelle ausgewählte Signalwege mit bis zu 200 (phospho)-spezifischen Antikörpern vor und nach Substanzbehandlung zu untersuchen und die funktionelle Inhibition auf Proteinebene nachzuweisen (Treindl et al., 2016).

"Zu Beginn wählen wir die Patienten sehr sorgfältig aus – zuallererst jene, die nicht von den Leitlinien-konformen Therapien profitiert haben und deren Tumore sich durch aggressives Wachstum und Behandlungsresistenz auszeichnen", sagt PD Alexander König von der Klinik für Gastroenterologie am Uniklinikum Göttingen. "Wir testen verschiedene Einzelsubstanzen und Kombinationen in verschiedenen Tumorsignalwegen, auf der Suche nach der effektivsten Behandlung", ergänzt er.

Methodik

Für Patienten mit fortgeschrittenen soliden Tumoren hat ASC-Oncology ein Algorithmus entwickelt, bei dem zusätzlich zur klinischen Routine frisches Tumorgewebe während des Schnellschnitts in einer speziell entwickelten Nährlösung asserviert wird. Das so asservierte Gewebe kann für bis zu 30 Stunden gelagert werden, bevor es im Zellkulturlabor für die Substanztestung aufgearbeitet wird. Dazu wird das Gewebe physikochemisch dissoziiert, in einer Stützmatrix eingebettet und bei 37° C inkubiert.

In der Regel wachsen die Patienten-abgeleiteten Organoide (PD3D®) innerhalb von 14 Tagen so gut, dass mit den personalisierten Hochdurchsatz-Chemosensitivitätstestungen begonnen werden kann. Dazu werden die PD3D-Organoide vereinzelt und in 384-well Platten ausgesät, bevor sie mit ansteigenden Konzentrationen der zu testenden Therapeutika und Inhibitoren inkubiert werden. Nach 4 Tagen erfolgt die Messung der Viabilität der Zellen und die Berechnung der halb-lethalen Konzentration (IC50). Der IC50-Wert wird mit dem maximal möglichen Plasmaspiegel (cmax(plasma)) der betreffenden Substanz als Referenz verglichen. Liegt der IC50-Wert über dem cmax(plasma), ist es äußerst wahrscheinlich, dass die entsprechende Substanz nicht im Patienten wirken wird (Boehnke et al., 2016). Unser Ansatz ist dabei zwischenzeitlich vom US-amerikanischen NCI zum best-practice Verfahren erklärt worden.

In einer 2018 veröffentlichten co-klinischen Studie wurde die korrekt negative Wirkung von Therapeutika im fortgeschrittenen Kolonkarzinom zu 100 % richtig vorhergesagt (Vecchione et al., 2018). Zusätzlich zu den Substanztestungen wird am Institut für Pathologie eine Sequenzierung ausgewählter Kolonkarzinom-assoziierter Gene im Donortumor und abgeleiteten PD3D-Modell durchgeführt. Diese dient der Modellvalidierung und einer zusätzlichen Konkulsivitätsprüfung. Die Daten aus Sequenzierung und Substanztestung werden dann in der Tumorkonferenz vorgestellt und interdisziplinär diskutiert.

Ergebnisse

In einer internationalen Pilotstudie (Schuette et al.) haben wir an 94 Patienten-abgeleiteten 3D (PD3D) Kolonkarzinom-Modellen insgesamt 16 Substanzen, inkl. Chemotherapeutika sowie gerichteten Signalweg-Inhibitoren getestet. Dabei haben wir eine starke Korrelation für die Substanzen in allen Organoidmodellen beobachtet. Entsprechend der RECIST-Kriterien wurden für die IC50 Werte vier Response-Kategorien definiert: stark, mäßig, gering oder resistent. Dabei zeigten die PD3Ds eine breite Streuung von Empfindlichkeiten bezüglich der Behandlung mit den verschiedenen Wirkstoffen. Systemische Chemotherapeutika erzielten in der Regel nur schlechte Reaktionen, insbesondere Oxaliplatin stellte sich in Monotherapie erwartungsgemäß als ineffektiv heraus.

Die Sensitivität gegenüber Irinotecan war, wie bereits von anderen Gruppen gezeigt, marginal. Multikinase Inhibitoren (MKI) führten – ebenfalls in Monotherapie – zu nur geringfügiger Reduktion der Zellvitalität. Vandetanib, das sowohl gegen VEGFR als auch EGFR gerichtet ist, war der potenteste MKI. Responder gegenüber einer therapeutisch induzierten EGFR-Blockade stellten zumeist den KRAS/BRAF Wildtyp dar oder waren Träger von BRAF-G466V und zeigten eine reduzierte Kinaseaktivität. Die Behandlung mit MEK oder mTOR-Inhibitoren erzielte in einzelnen Modellen objektive Reaktionen. Funktionell wurden diese Befunde mittels zielgerichteter Proteomik (DigiWest) validiert. Die differenzielle Aktivierung tumorrelevanter Signalwege auf Ebene des (Phospho-)proteoms hilft funktionell zu erklären, weshalb bestimmte Zielstruktur-spezifische Therapievorschläge für die hier beschriebenen Fälle nicht haben wirken können, bzw. haben wirken müssen. Basierend auf den Daten der Kohorte, wurde die Methodik bereits erfolgreich für individuelle Patienten angewendet: Bei einer jungen Patientin mit kolorektalem Karzinom und Lebermetastasen wurden aus 5 unterschiedlichen, jedoch synchron entnommenen Tumorregionen parallel PD3D-Modelle zur Chemosensitivitätstestung etabliert. Obwohl die Mutationsmuster denen anderer Tumoren in der Tumorbank ähnlich waren, zeigen alle Modelle klar unterscheidbare Sensitivitätsprofile. Diese unterscheiden sich im gleichen Tumor um das bis zu 30-Fache zwischen den Regionen. Die Relevanz dieser Ergebnisse zeigt die Validierung im Tiermodell, wobei die vorgeschlagenen, zielgerichteten Substanzen bessere und nachhaltigere Therapieerfolge zeigten als standard-of-care Chemotherapien (Schumacher et al., 2019).

 

Der Einsatz von Patienten-spezifischen Modellen wird die Lebensqualität für jeden einzelnen Patient erhöhen, in dem die Wahrscheinlichkeit für eine ineffektive Therapie herabgesetzt wird. Wir stellen den Patienten in den Mittelpunkt. Die Versorgung von Krebspatienten wird weitaus effektiver sein, als wir es bisher erlebt haben.

— Reinhold Schäfer, Seniorprofessor für molekulare Tumorpathologie, Mitgründer ASC Oncology

Integration in den klinischen Ablauf

Unser Ziel ist es, Sie zu unterstützen, die bestmögliche Therapie für Ihren Patienten auszuwählen. Dazu zählt selbstverständlich für uns, dass die bestmögliche, etablierte Versorgung Priorität hat. Nur wenn ausreichend Tumormaterial zur Verfügung steht, um nachrangig zur Begutachtung durch einen Pathologen Tumorgewebe an uns zu senden, ergänzen wir die Möglichkeiten der heutigen klinisch-pathologischen Routine durch das von uns entwickelte Reverse Clinicial Engineering Verfahren.

Haben Sie Fragen?

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