Een longkankercel tijdens de celdeling. US National Institutes of Health (NIH)

Onderzoek naar tumoren gaat veel sneller en nauwkeuriger dankzij combinatie van CRISPR en DNA-barcodes

Onderzoekers van de Amerikaanse Stanford universiteit hebben een manier gevonden om in de longen van muizen genenparen die iets te maken hebben met kanker, te modificeren, en dan nauwgezet de individuele cellen van de daardoor ontstane tumor op te volgen. Die gecombineerde techniek zou het onderzoek naar kanker en de ontwikkeling van medicijnen dramatisch kunnen versnellen. Het werk zou onderzoekers eindelijk kunnen toelaten om de genetische verscheidenheid die gevonden wordt bij tumorcellen van buiten het labo, bij patiënten, na te bootsen en vervolgens te bestuderen. 

Kankercellen hebben mutaties die hen toelaten zich ongeremd te delen en ons immuunsysteem te ontwijken. "Menselijke kankers hebben niet slechts één mutatie in het onderdrukkingsmechanisme van tumoren, ze hebben combinaties van dergelijke mutaties. De vraag is, hoe werken verschillende gemuteerde genen samen met elkaar, of hoe werken ze niet samen?", zei Monte Winslow, een geneticus aan de School of Medecine van Stanford University en een van de auteurs van de nieuwe studie, op de website van Stanford. 

Slechts enkele jaren geleden zou een studie om dit in kaart te brengen nog een monumentale inspanning gevraagd hebben, en jaren geduurd hebben. Het zou nodig geweest zijn om verschillende afstammingslijnen van genetisch gemodificeerde muizen te kweken, met telkens een ander paar van genen die tumoren onderdrukken, dat geïnactiveerd is. Om alle mogelijke combinaties te onderzoeken, zouden honderden of zelfs duizenden muizen nodig geweest zijn.

Nu waren Winslow en zijn collega's daarentegen in staat hun experiment in een paar maanden af te werken, met slechts een twintigtal muizen. "We hebben meer genotypen van longkankertumoren geanalyseerd dan het hele onderzoeksveld in de afgelopen 15 jaar", zei Winslow.

Een wild idee

Het team bereikte het resultaat door CRISPR-Cas9 - een krachtig instrument voor genetische modificatie dat makkelijk genetische sequenties kan vervangen, aanpassen of wegnemen in een organisme - te gebruiken om meerdere, genetisch verschillende tumoren te creëren in de longen van individuele dieren. "We kunnen duizenden kloontumoren in een enkele muis laten ontstaan", zei Winslow.

Om echter nuttige conclusies te kunnen trekken over het effect van het combineren van verschillende genetische mutaties, hadden de onderzoekers een nauwkeurige manier nodig om de verschillende tumoren te labelen en de groei ervan op te volgen. Ook hier voldeden de conventionele technieken, die inhouden dat men probeert de individuele tumoren weg te snijden en hun grootte te vergelijken, niet langer. 

"Niet alleen was dat extreem traag, maar hoe haal je een vreemd gevormde tumor weg, of een tumor die vastzit aan een andere tumor?", zei mede-auteur Ian Winters, die afgestudeerd is in het laboratorium van Winslow. "We hadden een betere manier nodig om de grootte van de tumoren te kwantificeren."

De oplossing kwam uit een onverwachte hoek. Dmitri Petrov, een evolutionair bioloog aan Stanford die de belangrijkste auteur is van de nieuwe studie, was al een tijd aan het samenwerken met fysicus Daniel Fisher en geneticus Gavin Sherlock, om DNA-barcoding toe te kunnen passen bij de studie van de snelle evolutie bij gisten. Toen Petrov hoorde over het experiment in de groep van Winslow, dacht hij dat die techniek ook wel zou kunnen werken bij muizen. 

"Dmitri is het soort van kerel die wel vaker wilde ideeën heeft, en eerst geloofden we niet dat wat hij voorstelde mogelijk was", zei Winslow op de site van Stanford. "Maar nadat we er een paar dagen over nagedacht hadden, realiseerden we ons dat we dat misschien wel konden doen."

Voorstelling van de vervanging van een stuk DNA door een CRISPR-Cas9-proteïne. Science Photo Library

Streepjescodes tellen

Het idee van Patrov was korte, unieke DNA-sequenties vast te maken aan individuele tumorcellen in de longen van de muizen. Elke sequentie doet dienst als een erfelijke genetische barcode - streepjescode -, en naarmate elke kiemkankercel zich splitst, en uitgroeit tot een tumor, wordt ook het aantal barcodes groter.

In de plaats van verplicht te zijn om met veel moeite de individuele tumoren uit te snijden, konden de onderzoekers nu een hele aangetaste long nemen, ze vermalen, en dan high-troughput DNA-sequencing - hoge doorvoer DNA-lezing -  en computeranalyse gebruiken om zeer precies vast te stellen hoe groot een bepaalde tumor was, door te tellen hoe vaak zijn barcode voorkwam. Door de verschillende barcodes te tellen, konden de onderzoekers de grootte van de tumoren veel nauwkeuriger vergelijken dan tot nu toe mogelijk was. 

"Dit zijn tien stappen vooruit in ons vermogen om een model op te stellen van menselijke kanker", zei Petrov. "We kunnen nu een zeer groot aantal tumoren met specifieke genetische kenmerken opwekken in dezelfde muis, en hun groei individueel volgen, op schaal, en met een zeer grote precisie. De vroegere methoden waren zowel ordes van grootte trager als veel minder kwantitatief."

CRISPR-Cas9 is in feite een verdedigingsmechanisme van bacteriën tegen bacteriofagen (de vreemde oranje-gele "maanlanders" bovenaan), virussen die bacteriën aanvallen. De bacteriën knippen het DNA stuk dat de virussen in hen injecteren, en bewaren er een deel van om later makkelijker het DNA te herkennen en te vernietigen bij een nieuwe infectie. Illustratie: Guido4/Wikimedia Commons

Grote genetische diversiteit van tumoren

De combinatie van CRISPR-Cas9 en DNA-barcoding zou onderzoekers kunnen toelaten in het laboratorium het soort van genetische diversiteit na te bootsen dat ze zien bij kankerpatiënten.

"Het overwint de schrik voor de complexiteit van kanker", zei Winters. "We weten al tientallen jaren dat menselijke tumoren extreem complex zijn, en verschillen van patiënt tot patiënt, maar hoe kan je dat daadwerkelijk recreëren zodat je het kunt bestuderen? Niet door het een per keer te doen. Nu kunnen we een model maken van 30 verschillende genetische varianten van een kanker tegelijkertijd." 

Een opvallende bevinding uit de studie van het team is dat veel genen die tumoren onderdrukken, "context dependent" zijn, dat wil zeggen dat ze enkel een invloed hebben op de groei van kanker als er een ander gen aanwezig is, of net niet. "We bevinden ons nu in een goede positie om te begrijpen hoe een aantal van de belangrijkste factoren achter kanker op elkaar inwerken, en waarom tumoren met dezelfde mutaties soms erg groot worden, en soms niet", zei Christopher McFarland, een postdoctoraal onderzoeker in het labo van Petrov en een van de belangrijkste auteurs van de studie. 

De gecombineerde techniek van het team zou ook zeer waardevol kunnen blijken voor het testen van geneesmiddelen. Farmaceutische bedrijven zouden een middel kunnen testen op duizenden varianten van tumoren tegelijk, om te zien welke varianten reageren op de behandeling, en - even belangrijk - welke niet. 

"We kunnen helpen begrijpen waarom gerichte therapieën en immuuntherapieën soms wonderwel werken bij bepaalde patiënten, en soms volkomen de mist ingaan", zei Petrov. "We vermoeden dat de genetische identiteit van de tumoren daar deels verantwoordelijk voor is, en nu hebben we eindelijk een goede manier om dat te testen."

De studie van het team van Stanford University is gepubliceerd in "Nature Genetics".