O v e r z ichtsarti k e l e n Het volgen van therapeutische cellen met magnetische resonantie Auteurs I.J.M. de Vries, W.J. Lesterhuis, J.O. Barentsz, J.H. van Krieken, R.A. Raymakers, W.J.G. Oyen, G.J. Adema, A. Heerschap, P.M. Hoogerbrugge, C.J.A. Punt en C.G. Figdor Trefwoorden celmigratie, celtherapie, dendritische cellen, immunotherapie, MRI, vaccinatie Samenvatting Celtherapie met dendritische cellen wordt toegepast in de kliniek, maar is helaas slechts in enkele gevallen succesvol. Voor het doen slagen van deze therapie is het van groot belang dat de therapeutische cellen in het lichaam van de patiënt op de juiste bestemming arriveren. Bij dendritischeceltherapie moeten de cellen correct worden ingespoten en vervolgens migreren naar de lymfklieren, om aldaar een effectieve immuunrespons te kunnen induceren. In dit overzichtsartikel wordt getoond dat MRI bij uitstek geschikt is om kleine hoeveelheden met ijzeroxide gemerkte cellen te volgen in het lichaam van de patiënt. Daarbij zijn niet alleen de ingespoten cellen zichtbaar, maar ook de anatomische struc- tuur. Dit laatste is van groot belang om de exacte locatie van de cellen te bepalen, iets wat met scintigrafie van radioactief gemerkte cellen niet mogelijk is. MRI maakt het mogelijk om te zien of de cellen op de juiste plek ingespoten zijn en of ze gemigreerd zijn naar verderop gelegen lymfklieren. Bij een aantal patiënten bleek dat de injectie van de therapeutische cellen niet correct was uitgevoerd. Het gevolg was dat deze cellen hun doel niet bereikt hadden en dat geen migratie optrad naar andere lymfklieren. Hiermee is duidelijk dat MRI een goede methode is om therapeutische cellen, zoals dendritische cellen, maar bijvoorbeeld ook stamcellen, te volgen bij patiënten. Inleiding Dendritischeceltherapie Sinds 1997 zetten de afdelingen Tumorimmunologie, Medische Oncologie, Urologie en Hematologie van het Universitair Medisch Centrum (UMC) St Radboud een experimentele DC-therapie in tegen kanker (melanoom, coloncarcinoom, de ziekte van Kahler en recentelijk ook solide tumoren bij kinderen).3 Elders wordt dendritischeceltherapie toegepast bij onder andere prostaat-, borst- en longkanker en B-cellymfomen.4-8 Hiervoor worden DC’s in het laboratorium gekweekt uit periferebloedmonocyten van de patiënt zelf en worden de HLA-moleculen van buitenaf beladen met peptiden die afkomstig zijn van antigenen die vooral tot expressie komen op tumorcellen.9 Daarna worden deze met antigeen beladen DC’s via een injectie weer teruggegeven aan de patiënt.10 De eerste pilotstudies lieten veelbelovende klinische resultaten zien bij enkele patiënten. Een Dendritische cellen Dendritische cellen (DC’s) zijn cellen die gespecialiseerd zijn in het presenteren van antigenen aan T- en B-cellen.1 Het zijn de enige cellen van het immuunsysteem die in staat zijn een de novo respons te induceren. DC’s komen in zeer geringe aantallen voor in het beenmerg, in perifeer bloed, in lymfoïde weefsels, huid en mucosa, alsook in vrijwel alle organen en zelfs in tumorweefsel. DC’s kunnen in een onrijp stadium zeer efficiënt antigenen opnemen en verwerken tot peptiden. Na stimulatie met cytokinen of signaalmoleculen die afkomstig zijn van pathogenen, rijpen DC’s uit, waarbij de expressie van humaan leukocytenantigeen (HLA)- en costimulatiemoleculen sterk wordt verhoogd. Vervolgens kan de DC de peptiden optimaal via de HLA-moleculen presenteren aan T-cellen.2 n e d e r l a n d s t i j d s c h r i f t v o o r (Ned Tijdschr Hematol 2007;4:133-8) HE M a t o l o g i e vol. 4 nr. 4 - 2007 133 O v e r z ichtsarti k e l e n A B Figuur 1. In-vivoscintigrafie en -MRI. A. In-vivomonitoring van de migratie van met ijzeroxide en radioactief indiumoxinaat gemerkte DC’s. Met behulp van scintigrafie werden 2 dagen na vaccinatie 4 klieren waargenomen. Nummer 1 is de klier waarin ingespoten is, nummers 2-4 zijn de klieren waar de DC’s naartoe zijn gemigreerd. B. Vijf paren van MRI: gradiëntecho’s (GE) en spinecho’s (SE; minder gevoelig voor ijzer), met daarin dichte pijlen die de ijzer bevattende lymfklieren aanduiden. De open pijlen duiden lymfklieren aan die geen ijzer bevatten. Op de SE-beelden zijn de klieren die geen ijzer bevatten donkergrijs, op de GE-beelden zijn die klieren wit. Op de GE-beelden is de afname van het signaal een maat voor de aanwezigheid van ijzer. Op de GE-beelden zijn 5 ijzer bevattende lymfklieren waar te nemen (zie nummers in figuren). recente gerandomiseerde multicentrumstudie, waarin standaardchemotherapie vergeleken werd met DC-vaccinatie, laat echter geen duidelijk verschil zien tussen beide behandelingsmethoden.11 Een van de bevindingen van de auteurs is dat het moeilijk is om in verschillende centra even potente DC’s te generen. Voor de verdere ontwikkeling van DC-therapie is het dan ook erg belangrijk om kleine, goed ontworpen studies uit te voeren, waarin de nadruk ligt op het nauwkeurig gestandaardiseerd vaststellen van de kwaliteit van de DC’s en de immunologische en klinische responsen.12 134 vol. 4 nr. 4 - 2007 In het lichaam van de patiënt moeten de DC’s migreren naar de lymfklieren, de plaats waar ze een T-celrespons tegen de tumor kunnen induceren.12-14 Het is voor het al of niet slagen van de therapie dus heel belangrijk dat deze DC’s kunnen migreren. Onlangs is met behulp van radioactief gemerkte DC’s aangetoond dat na intradermale toediening alleen rijpe DC’s in staat zijn naar de lymfklieren te migreren.15 Minder dan 5% van de DC’s die geïnjecteerd zijn in de huid, bereiken echter ook daadwerkelijk de lymfklieren. Andere mogelijke toedieningswegen zijn intraveneuze injectie of echografisch n e d e r l a n d s t i j d s c h r i f t v o o r HE M a t o l o g i e te merken.20,22,23 Tevens zijn al een aantal dierproeven met deze ijzerdeeltjes gedaan.24-27 In de hier beschreven studie zijn voor het eerst ijzerdeeltjes gebruikt om ex vivo gekweekte cellen mee te merken en vervolgens te injecteren bij patiënten.28 A B Eigen onderzoek Figuur 2. Het in beeld brengen van de toegediende cellen met MRI. A. Een GE-beeld van de plaats waar gevaccineerd zal worden (zwarte pijl bij de te injecteren klier). B. Een GEbeeld van de geïnjecteerde cellen. De blauwe pijl geeft aan waar de cellen daadwerkelijk zijn ingespoten. De cellen zijn niet in de klier gespoten, maar in de nabijheid van de klier, in het subcutane vet. geleide intranodale injectie.15-16 Ondanks het feit dat verschillende (combinaties van) toedieningswegen in een aantal studies zijn getest, is het momenteel nog niet duidelijk wat de optimale toedieningsweg van DC’s is.4,17,18 Technieken om ex vivo gemerkte cellen te visualiseren Alhoewel als gevolg van DC-therapie bij enkele patiënten objectieve klinische remissies en langdurige stabilisatie van ziekte zijn bereikt, dient deze therapie verder geoptimaliseerd te worden voordat dit als een standaardtherapie van kanker kan worden beschouwd.19 Een belangrijk onderwerp van verder onderzoek is het visualiseren van het DC-vaccin in het lichaam van de patiënt.12,13 Tot voor kort was scintigrafie van radioactief gemerkte cellen de enige klinisch toepasbare methode om ex vivo gemerkte DC’s in vivo zichtbaar te maken. Een nadeel van scintigrafie is het ontbreken van informatie over de anatomische details van het lichaam waarin de radioactief gemerkte DC’s zich bevinden. Zo is wel te zien dat verschillende lymfklieren gemerkte DC’s bevatten, maar niet waar deze DC’s zich precies in de lymfklier bevinden en of de DC’s ook werkelijk in de lymfklier zijn geïnjecteerd. MRI is een methode waarmee wel veel anatomische details driedimensionaal zichtbaar zijn. Deze techniek wordt breed toegepast in de kliniek. De gevoeligste stoffen om cellen mee te merken zijn de zeer kleine ijzeroxidedeeltjes.20,21 Deze zijn niet toxisch en worden afgebroken in het lichaam. De ijzerdeeltjes zijn eerder gebruikt voor zowel lokale als systemische toediening om cellen magnetisch n e d e r l a n d s t i j d s c h r i f t v o o r Het merken van dendritische cellen voor MRI In het UMC St Radboud is een techniek ontwikkeld waarbij de DC’s gemerkt worden met zeer kleine ijzeroxidedeeltjes. Deze zijn op een MRIscan goed te zien en geven precies aan waar de DC’s zich bevinden. Eerst is onderzocht hoe de DC’s het beste zijn te merken. Door gebruik te maken van de endocytosecapaciteit van DC’s in het onrijpe stadium, kunnen deze DC’s grote hoeveelheden ijzeroxide opnemen. De gevolgen voor de functionaliteit van deze cellen bleek minimaal. DC’s die waren gemerkt met ijzeroxide, waren even goed uit te rijpen met cytokinen als niet-gemerkte DC’s. Tevens bleken ze even goed in staat om peptiden die afkomstig zijn van tumorantigenen, aan T-cellen te presenteren.28,29 In-vivo-MRI en -scintigrafie van gemerkte dendritische cellen Eerder is aangetoond dat DC’s die gemerkt zijn met radioactief indiumoxinaat, goed functioneren en goed te volgen zijn met behulp van scintigrafie.9,15 Nu dit ook met MRI is gelukt, zijn beide technieken met elkaar vergeleken. Daartoe zijn DC’s van patiënten met een stadium III-melanoom gemerkt, de ene helft met radioactief indiumoxinaat en de andere helft met ijzeroxide. Deze cellen werden, voorafgaand aan de geplande therapeutische lymfklierdissectie, gelijktijdig intranodaal geïnjecteerd onder echogeleide. Voor de vaccinatie alsook 2 dagen na de vaccinatie ondergingen de patiënten zowel scintigrafie als MRI. Het bleek dat op een 3 tesla MRI-scan nauwkeurig was vast te stellen waar de cellen terechtgekomen waren en of deze zich naar andere lymfklieren van de patiënt hadden verplaatst. De MRI-gegevens werden bevestigd door het resultaat van de scintigrafie. Verder bleek dat in sommige gevallen met MRI meer ijzeroxide bevattende lymfklieren aangetoond konden worden dan met scintigrafie zichtbaar waren (zie Figuur 1). Het meest opmerkelijke van de studie was dat ondanks de injectie van de gemerkte DC’s onder echogeleide door een zeer ervaren radioloog, in 4 van de 8 gevallen de DC’s naast in plaats van in de lymfklier terechtgekomen waren (zie Figuur 2). Dit gegeven HE M a t o l o g i e vol. 4 nr. 4 - 2007 135 O v e r z ichtsarti k e l e n Aanwijzingen voor de praktijk 1.Therapeutische cellen kunnen magnetisch gemerkt worden zonder dat het hun functie beïnvloedt. 2.MRI is zeer geschikt om de exacte locatie van magnetisch gemerkte therapeutische cellen bij de patiënt te bestuderen. 3.De combinatie van scintigrafie en MRI maakt het mogelijk om het aantal cellen op een bepaalde plek vast te stellen. was alleen waar te nemen dankzij de anatomische informatie die verkregen werd met de MRI. Bij incorrecte injectie was geen migratie van de DC’s naar verderop liggende klieren waar te nemen. Een variabele migratie (1-40%) werd gezien bij de patiënten bij wie de DC’s ook daadwerkelijk in de lymfklier waren geïnjecteerd. Uit deze data blijkt het belang van een goede visualisatie van de plaats van injectie en de gevolgen voor de migratie. Tijdens de studie bleek dat met MRI het aantal ingespoten DC’s niet goed berekend kan worden. Door aan de DC’s een radioactief label mee te geven, kan wel berekend worden hoeveel DC’s hun doel bereiken. Hieruit valt te concluderen dat vooral de combinatie van beide imagingmethoden veel inzicht geeft in de situering van de DC’s na injectie bij de patiënt. Ex-vivo-MRI en histologie van gemerkte dendritische cellen De patiënten die in deze studie participeerden, ondergingen de DC-vaccinatietherapie als toevoeging aan de reguliere therapie, namelijk het verwijderen van de regionale lymfklieren.3,15 Doordat de eerste DC-vaccinatie 48 uur voor deze operatie werd gegeven, was het mogelijk de verwijderde klieren uitgebreid te analyseren op de aanwezigheid van geïnjecteerde DC’s. Gehele lymfklieren werden geanalyseerd op de aanwezigheid van ijzer in een 7 tesla MRI. Er was een duidelijke overeenkomst tussen de aanwezigheid van radioactiviteit en ijzer, wat de toepassing van MRI voor het identificeren van gemerkte cellen bekrachtigt. De locatie van de DC’s in de lymfklier werd verder onderzocht door middel van kleuringen op coupes die gesneden waren van de lymfklieren. IJzer kan met behulp van een Prussian-bluekleuring heel goed aangetoond worden. Er was een duidelijk 136 vol. 4 nr. 4 - 2007 verband tussen de hypodense gebieden die aangetoond waren met de MRI van de geresecteerde klieren en de blauwe ijzerkleuring op de coupes. Zelfs kleine hoeveelheden DC’s die aangetoond waren met de ijzerkleuring, werden eveneens op de MRI aangetoond. Deze bevindingen tonen de gevoeligheid (minder dan 1.000 cellen per voxel) en de bruikbaarheid van in-vivo-MRI voor het visualiseren van met ijzeroxide gemerkte cellen aan. Conclusie en andere toepassingen In deze studie is aangetoond dat DC’s in vivo goed te volgen zijn met MRI door de cellen te merken met ijzeroxide. Zelfs kleine hoeveelheden DC’s die zijn gemigreerd vanuit de geïnjecteerde klier naar verderop gelegen klieren, kunnen zichtbaar gemaakt worden. Er bleek een overeenstemming te zijn tussen de aanwezigheid van ijzeroxide, dat gemeten werd met behulp van MRI, en radioactief indiumoxinaat, dat gemeten werd met behulp van scintigrafie. Een opmerkelijke bevinding was dat in 4 van de 8 gevallen, ondanks de echografische controle, niet goed geïnjecteerd was. Deze gegevens onderstrepen de toegevoegde waarde van MRI om cellen te volgen na toediening bij de patiënt. Het merken van DC’s met ijzeroxide bood ook de mogelijkheid om de cellen histologisch aan te kleuren op coupes die gesneden waren van lymfklieren, die operatief verwijderd waren na injectie van de gemerkte DC’s. Hierdoor werd aangetoond dat de ingespoten cellen goed te lokaliseren waren in de secties. De locatie van de cellen in de secties kwam overeen met de ex-vivo-MRI-beelden. Bij andere vormen van celtherapie, zoals bijvoorbeeld de eveneens nog experimentele behandeling met stamcellen bij patiënten met een myocardinfarct, n e d e r l a n d s t i j d s c h r i f t v o o r HE M a t o l o g i e is het ook van groot belang dat de therapeutische cellen nauwkeurig terechtkomen in hun doelgebied. De verwachting is dat ook deze therapie met meer succes ontwikkeld en toegepast kan worden als de stamcellen met MRI gelokaliseerd en met scintigrafie gekwantificeerd worden. De data die in dit artikel zijn besproken, zijn eerder gepubliceerd in Nature Biotechnology 2005;23:1407-13. Referenties 1. Banchereau J, Steinman RM. Dendritic cells and the control of immunity. Nature 1998;392:245-52. 2. Sallusto F, Lanzavecchia A. Efficient presentation of soluble antigen by cultured human dendritic cells is maintained by granulocyte/macrophage colony-stimulating factor plus interleukin 4 and downregulated by tumor necrosis factor alpha. J Exp Med 1994;179:1109-18. 3. De Vries IJ, Lesterhuis WJ, Scharenborg NM, Engelen LP, Ruiter DJ, Gerritsen MJ, et al. Maturation of dendritic cells is a prerequisite for inducing immune responses in advanced melanoma patients. Clin Cancer Res 2003;9:5091-100. 4. Fong L, Brockstedt D, Benike C, Wu L, Engleman EG. Dendritic cells injected via different routes induce immunity in cancer patients. J Immunol 2001;166:4254-9. 5. Thurnher M, Rieser C, Holtl L, Papesh C, Ramoner R, Bartsch G. Dendritic cell-based immunotherapy of renal cell carcinoma. Urol Int 1998;61:67-71. 6. Lodge PA, Jones LA, Bader RA, Murphy GP, Salgaller ML. Dendritic cell-based immunotherapy of prostate cancer: immune monitoring of a phase II clinical trial. Cancer Res 2000;60:829-33. 7. Timmerman JM, Czerwinski DK, Davis TA, Hsu FJ, Benike C, Hao ZM, et al. Idiotype-pulsed dendritic cell vaccination for B-cell lymphoma: clinical and immune responses in 35 patients. Blood 2002;99:1517-26. 8. Triozzi PL, Khurram R, Aldrich WA, Walker MJ, Kim JA, Jaynes S. Intratumoral injection of dendritic cells derived in vitro in patients with metastatic cancer. Cancer 2000;89:2646-54. 9. De Vries IJ, Eggert AA, Scharenborg NM, Vissers JL, Lesterhuis WJ, Boerman OC, et al. Phenotypical and functional characterization of clinical grade dendritic cells. J Immunother 2002;25:429-38. 10. Schuler-Thurner B, Schultz ES, Berger TG, Weinlich G, Ebner S, Woerl P, et al. Rapid induction of tumor-specific type 1 T helper cells in metastatic melanoma patients by vaccination with mature, cryopreserved, peptide-loaded monocytederived dendritic cells. J Exp Med 2002;195:1279-88. 11. Schadendorf D, Ugurel S, Schuler-Thurner B, Nestle FO, Enk A, Brocker EB, et al. Dacarbazine (DTIC) versus vaccina- n e d e r l a n d s t i j d s c h r i f t v o o r tion with autologous peptide-pulsed dendritic cells (DC) in first-line treatment of patients with metastatic melanoma: a randomized phase III trial of the DC study group of the DeCOG. Ann Oncol 2006;17:563-70. 12. Figdor CG, De Vries IJ, Lesterhuis WJ, Melief CJ. Dendritic cell immunotherapy: mapping the way. Nat Med 2004;10:475-80. 13. Steinman RM, Pope M. Exploiting dendritic cells to improve vaccine efficacy. J Clin Invest 2002;109:1519-26. 14. Adema GJ, De Vries IJ, Punt CJ, Figdor CG. Migration of dendritic cell based cancer vaccines: in vivo veritas? Curr Opin Immunol 2005;17:170-4. 15. De Vries IJ, Krooshoop DJ, Scharenborg NM, Lesterhuis WJ, Diepstra JH, Van Muijen GN, et al. Effective migration of antigen-pulsed dendritic cells to lymph nodes in melanoma patients is determined by their maturation state. Cancer Res 2003;63:12-7. 16. Mackensen A, Krause T, Blum U, Uhrmeister P, Mertelsmann R, Lindemann A. Homing of intravenously and intralymphatically injected human dendritic cells generated in vitro from CD34+ hematopoietic progenitor cells. Cancer Immunol Immunother 1999;48:118-22. 17. Mullins DW, Sheasley SL, Ream RM, Bullock TN, Fu YX, Engelhard VH. Route of immunization with peptide-pulsed dendritic cells controls the distribution of memory and effector T cells in lymphoid tissues and determines the pattern of regional tumor control. J Exp Med 2003;198:1023-34. 18. Barratt-Boyes SM, Figdor CG. Current issues in delivering DCs for immunotherapy. Cytotherapy 2004;6:105-10. 19. Steinman RM, Dhodapkar M. Active immunization against cancer with dendritic cells: the near future. Int J Cancer 2001;94:459-73. 20. Weissleder R, Stark DD, Engelstad BL, Bacon BR, Compton CC, White DL, et al. Superparamagnetic iron oxide: pharmacokinetics and toxicity. AJR Am J Roentgenol 1989;152:167-73. 21. Bulte JW, Kraitchman DL. Iron oxide MR contrast agents for molecular and cellular imaging. NMR Biomed 2004;17:484-99. 22. Harisinghani MG, Barentsz J, Hahn PF, Deserno WM, Tabatabaei S, van de Kaa CH, et al. Noninvasive detection of clinically occult lymph-node metastases in prostate cancer. N Engl J Med 2003;348:2491-9. 23. Stark DD, Weissleder R, Elizondo G, Hahn PF, Saini S, Todd LE, et al. Superparamagnetic iron oxide: clinical application as a contrast agent for MR imaging of the liver. Radiology 1988;168:297-301. 24. Bulte JW, Douglas T, Witwer B, Zhang SC, Strable E, Lewis BK, et al. Magnetodendrimers allow endosomal magnetic labeling and in vivo tracking of stem cells. Nat Biotechnol 2001;19:1141-7. 25. Bulte JW, Douglas T, Witwer B, Zhang SC, Lewis BK, HE M a t o l o g i e vol. 4 nr. 4 - 2007 137 O v e r z ichtsarti k e l e n Van Gelderen P, et al. Monitoring stem cell therapy in vivo using magnetodendrimers as a new class of cellular MR contrast agents. Acad Radiol 2002;9 Suppl 2:S332-5. 26. Bulte JW, Duncan ID, Frank JA. In vivo magnetic resonance tracking of magnetically labeled cells after transplantation. J Cereb Blood Flow Metab 2002;22:899-907. 27. Ahrens ET, Feili-Hariri M, Xu H, Genove G, Morel PA. Receptor-mediated endocytosis of iron-oxide particles provides efficient labeling of dendritic cells for in vivo MR imaging. Magn Reson Med 2003;49:1006-13. 28. De Vries IJ, Lesterhuis WJ, Barentsz J, Verdijk P, Van Krieken JH, Boerman OC, et al. Magnetic resonance tracking of dendritic cells in melanoma patients for monitoring of cellular therapy. Nat Biotechnol 2005;23:1407-13. 29. Verdijk P, Scheenen TW, Lesterhuis WJ, Gambarota G, Veltien AA, Walczak P, et al. Sensitivity of magnetic resonance imaging of dendritic cells for in vivo tracking of cellular cancer vaccines. Int J Cancer 2007;120:978-84. Correspondentieadres Ontvangen 15 mei 2006, geaccepteerd 26 september 2006. Prof. dr. J.O. Barentsz, radioloog Prof. dr. A. Heerschap, experimenteel radioloog Mw. dr. I.J.M. de Vries, cellulair immunoloog Prof. dr. G.J. Adema, moleculair immunoloog Prof. dr. C.G. Figdor, cellulair immunoloog Universitair Medisch Centrum St Radboud Afdeling Tumorimmunologie Postbus 9101 6500 HB Nijmegen Tel.: 024 361 76 00 E-mailadres: [email protected] Drs. W.J. Lesterhuis, internist in opleiding Prof. dr. C.J.A. Punt, medisch oncoloog Afdeling Medische Oncologie Afdeling Radiologie Prof. dr. J.H. van Krieken, patholoog Afdeling Pathologie Dr. R.A. Raymakers, hematoloog Afdeling Hematologie Prof. dr. W.J.G. Oyen, nucleair geneeskundige Afdeling Nucleaire Geneeskunde Prof. dr. P.M. Hoogerbrugge, hemato-oncoloog Afdeling Kinderhemato-oncologie Correspondentie graag richten aan de eerste auteur. Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: het onderzoek is financieel ondersteund door KWF Kankerbestrijding (projecten KUN 1999/1950 en 2004/3126), de Stichting TIL en het Nijmeegs Offensief tegen Kanker. 138 vol. 4 nr. 4 - 2007 n e d e r l a n d s t i j d s c h r i f t v o o r HE M a t o l o g i e