De ontwikkeling van angiogeneseremmers: van bench to bedside
M.E. Belderbos, Utrecht H.M.W. Verheul, medisch oncoloog, Johns Hopkins University, Baltimore, USA
Angiogenese, de vorming van nieuwe bloedvaten uit het pre-existente vaatnetwerk, speelt een essentiële rol bij de tumorgroei en -metasta sering. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is een belangrijke angiogene groeifactor die tot expressie komt in de meeste tumoren. Remming van de angiogenese met een antilichaam tegen VEGF, bevacizumab, in combinatie met standaardchemotherapie leidt tot levensverlenging van patiënten met colorectale tumoren.
2
R
ecent is in gerandomiseerd onderzoek ook aangetoond dat de toevoeging van bevacizumab aan standaardchemotherapie de overleving van patiënten met longkanker, borsttumoren en ovariumtumoren verbetert. Receptor-tyrosinekinaseremmers met een breed werkingsprofiel, waaronder remming van de VEGF-cascade, verlengen de overleving van patiënten met nierceltumoren. Het klinisch onderzoek met angiogeneseremmers breidt zich nu uit naar (neo)adjuvante toepassingen van angio geneseremmers en combinatie met radiotherapie. Vorming van nieuwe bloedvaten uit het reeds bestaande vasculaire netwerk wordt angiogenese genoemd. De cellen die de bloedvaten vormen, heten endotheelcellen en worden omgeven door vaatstabiliserende cellen, de pericyten en gladde spiercellen. Angiogenese speelt een belangrijke rol tijdens de embryogenese, de menstruele cyclus en de wondgenezing. Angiogenese, ook wel vaatnieuwvorming genoemd, is ook een kenmerk van kanker en van verschillende ischemische en infectieuze aandoeningen.1 De angiogenese wordt tijdens normale fysiologische processen zoals groei en wondgenezing gereguleerd door positieve en negatieve feedbackmechanismen. Deze regulatie zorgt enerzijds voor stabilisering van de nieuw gevormde vaten en anderzijds dat de nieuwvorming stopt zodra het nieuwgevormde vaatbed voldoet aan de vraag van het omliggende weefsel. In pathologische omstandigheden, zoals bij maligniteiten, is deze regulering verstoord en wordt de angiogenese continu gestimuleerd. De angiogenese is een complex en dynamisch proces dat wordt gereguleerd door stimuli en remmers. Eén van de belangrijkste angiogene factoren is het eiwit VEGF, dat in verschillende vormen voorkomt. VEGF activeert VEGF-receptoren (VEGFR), tyrosinekinasereceptoren, die tot expressie komen op de membraan van voornamelijk endotheelcellen, maar ook van sommige andere cellen, zoals beenmergcellen. In dierexperimenten bleek dat muizen met een deletie van VEGF of van de VEGFR niet levensvat-
Angiogenese Journaal 1-2006
tumor(cellen)
ECM-afbrekende enzymen
baar waren. Activatie van de VEGF/VEGFR-as leidt via een uitgebreide signaleringscascade tot proliferatie, migratie en maturatie van endotheelcellen. Bovendien verhoogt VEGF de permeabiliteit van de vaatwand – waardoor allerlei plasmaeiwitten zoals fibrinogeen buiten het vaatbed kunnen lekken – en rekruteert het endotheelprogenitorcellen (voorloper endotheelcellen) uit het beenmerg (figuur 1). Afbraak en (weder)opbouw van de extracellulaire matrix (ECM) vindt plaats om de vaatnieuwvorming mogelijk te maken. Onder andere tumorcellen, endotheelcellen en fibroblasten produceren de enzymen die nodig zijn voor de afbraak en/of de nieuwe ECM-eiwitten voor de opbouw van de ECM. Naast VEGF zijn er verschillende andere angiogene groeifactoren ontdekt, waaronder de basische fibroblastengroeifactor (bFGF) en de platelet-derived growth factor (PDGF). Tumoren zijn angiogeneseafhankelijk Al in 1863 toonden Virchow en Thiersch aan dat tumorcellen hun eigen vaatvoorziening produceren. Het gevormde netwerk is chaotisch: de vaten zijn kronkelig, gedilateerd en verschillen in opbouw. Daardoor ontstaat een ongeorganiseerde bloedstroom, met afwisselend sterk doorbloede en hypoxische gebieden. Folkman en medewerkers toonden als eerste aan dat tumorgroei angiogeneseafhankelijk is. Deze onderzoekers implanteerden tumorweefsel in de avasculaire cornea’s van konijnen en stelden vast dat de tumoren niet groeiden totdat nieuwe bloedvaten vanuit de limbus het implantaat bereikten. Tumorcellen stimuleren de aanmaak van nieuwe bloedvaten omdat ze voedingstoffen en zuurstof nodig hebben om snel te kunnen delen. VEGF is een angiogene factor die door de meeste tumorcellen wordt geproduceerd, enerzijds gestimuleerd door omgevingsfactoren (hypoxie of een lage pH), anderzijds door genmutaties in de tumorcellen (p53 of K-ras). Naast angiogene factoren zijn er ook verschillende antiangiogenesefactoren gevonden die door het lichaam zelf worden aangemaakt, waaronder trombospondine en platelet factor-4. Hanahan en Folkman postuleerden dat een verandering ten faveure van de angiogene factoren ten opzichte van de antiangiogene factoren bepaalt of een tumor groeit en metastaseert: de zogenaamde angiogene switch.2 Bij een evenwicht tussen angiogene stimuli en angiogeneseremmers wordt het angiogeneseproces niet gestimuleerd, waardoor een (alleen microscopisch zichtbare) tumor niet kan groeien. De angiogene switch leidt tot tumorgroei en metastasering. De oorzaak van deze switch is onbekend. Uit preklinisch onderzoek bleek dat tumoren langdurig latent aanwezig kunnen zijn, totdat de angiogene switch plaatsvindt.3 Tevens bleek in verschillende diermodellen dat remming van de angiogenese tumorgroei en metastasering limiteert en de overleving van muizen verlengt.
endotheelcellen migratie proliferatie vaatformatie
angiogene groeifactoren (VEGF, PDGF) ECM-remodellering (fibrine/collageen) lekkage van bloedcellen en plasma-eiwitten a.g.v. verhoogde permeabiliteit door VEGF: monocyten (macrofagen), bloedplaatjes, CEC’s, fibrinogeen
Figuur 1 Tumorgeïnduceerde angiogenese waarin een belangrijke rol is weggelegd voor endotheelcellen, de extracellulaire matrix en cellen uit het bloed en plasma-eiwitten. ECM: extracellulaire matrix; VEGF: vascular endothelial growth factor; PDGF: platelet-derived growth factor.
Op basis van bovenstaande preklinische resultaten begonnen vele onderzoekers en farmaceuten in het begin van de jaren negentig klinisch toepasbare angiogeneseremmers te ontwikkelen. Angiogeneseremmers De therapeutische angiogeneseremmers bestaan uit groeifactorcascaderemmers, middelen die aangrijpen op de endotheelceladhesie en middelen die preferentieel toxisch zijn voor delend endotheel. Tabel 1 bevat een overzicht van de resultaten van gerandomiseerde fase-II- en fase-IIIonderzoeken met angiogeneseremmers. Groeifactorcascaderemmers Monoklonale antilichamen. VEGF is één van de krachtigste stimulatoren van vaatnieuwvorming en speelt een essentiële rol in de tumorangiogenese. Selectieve remming van VEGF of van zijn receptoren is een effectieve behandeling gebleken in preklinische tumormodellen, onder andere bij mamma-, colon- en niertumoren. De meeste klinische onderzoeken zijn verricht met bevacizumab (Avastin®), een gehumaniseerd, recombinant monoklonaal antilichaam dat met hoge affiniteit bindt aan VEGF. In 2001 werd in een eerste fase-I-onderzoek met bevacizumab maximaal 10 mg/kg i.v. elke twee weken gegeven, zonder dat de maximaal tolereerbare dosis was bereikt. In fase-II-onderzoeken werd vervolgens aangetoond dat behandeling van patiënten met colorectale tumoren met bevacizumab in combinatie met chemotherapie resulteert in een langere ziektevrije overleving. Een recent dubbelblind, gerandomiseerd placebogecontroleerd fase-III-onderzoek onder 923 patiënten bewees dat chemotherapie (irinotecan/5-fluoro-uracil/leukovorine) in combinatie met bevacizumab de overleving verlengt van patiënten met een niet eerder behandelde, gemetastaseerde colorectale maligniteit
De ontwikkeling van angiogeneseremmers: van bench to bedside
3
(zie tabel 1).4 Dit onderzoek heeft ertoe geleid dat bevacizu mab als eerste VEGF-remmer is geregistreerd voor de eerstelijnsbehandeling van gemetastaseerde colorectale tumoren in combinatie met chemotherapie. In deze onderzoeken bestonden de bijwerkingen van bevacizumab in combinatie met chemotherapie onder andere uit diepe veneuze trombose, proteïnurie, een lichte toename van de incidentie van graad-3-hypertensie, terwijl de toename van graad-4-diarree en van leukopenie waarschijnlijk gerelateerd was aan de chemotherapie. De ernstigste bijwerking was een verhoogd risico op gastro-intestinale
bloedingen: 1,5% in de bevacizumabgroep versus 0% in de controlegroep. Een gerandomiseerd fase-II-onderzoek bij patiënten met een niercelcarcinoom liet zien dat monotherapie met bevacizumab de tijd tot ziekteprogressie verlengt. Op dit moment loopt een fase-III-onderzoek naar de waarde van toevoeging van bevacizumab aan interferon-alfa bij patiënten met een onbehandelbaar niercelcarcinoom. Onlangs werd bekend dat bevacizumab in combinatie met chemotherapie bij patiënten met longkanker een verlenging van de overleving geeft met 2,3 maanden, terwijl bij patiënten
Tabel 1 Angiogeneseremmers in fase-II- en fase-III-onderzoeken angiogeneseremmer diagnose/indicatie
combinatietherapie uitkomst
groeifactorcascaderemmers bevacizumab colorectale tumoren 5-FU, leukovorine verbetering mediane overleving (14,6 versus 17,9 maanden) en (VEGF-antilichaam) ziektevrije overleving (5,6 versus 8,8 maanden) IFL*
verbetering responsratio, ziektevrije overleving en totale overleving (20,3 versus 15,6 maanden)
FOLFOX4†
verlenging totale overleving (12,5 versus 10,7 maanden)
longcarcinoom
paclitaxel, carboplatine
verbetering responsratio, ziektevrije overleving en totale overleving (12,5 versus 10,2 maanden)
mammacarcinoom
paclitaxel
toename ziektevrije overleving (11 versus 6,1 maanden)
niercelcarcinoom
–
verlenging tijd tot ziekteprogressie (4,8 versus 2,5 maanden)
sorafenib
niercelcarcinoom
–
verlenging ziektevrije overleving (24 versus 12 weken)
SU-011248
gastro-intestinale – stromatumoren
verlenging progressievrije overleving (6,3 versus 1,5 maanden)
niercelcarcinoom –
partiële respons (40%), stabiele ziekte 23%, mediane overleving 8,7 maanden
PTK-787 colorectale tumoren FOLFOX4
geen significante verlenging progressievrije overleving (7,7 versus 7,5 maanden)
ZD-6474 niet-kleincellig docetaxel longcelcarcinoom
verlenging progressievrije overleving (19,8 versus 15,1 maanden, hoge versus lage dosering), partiële respons, stabiele ziekte
carboplatine, partiële respons (7/18), stabiele ziekte (2/18) paclitaxel specifieke endotheelcelremmers ABT-510 wekedelensarcoom – toename ziektevrije ratio (34,4%), geen partiële respons * †
4
niercelcarcinoom
–
geen effect
IFL: irinotecan/fluoro-uracil/leukovorine. FOLFOX4: oxaliplatine/fluoro-uracil/leukovorine (tweedelijnstherapie).
Angiogenese Journaal 1-2006
met borstkanker de overleving werd verlengd met 4,9 maanden.5 Diverse andere VEGF-blokkerende middelen, waaronder het anti-VEGF-antilichaam HuMV833 mAb en VEGF-Trap, worden bestudeerd in fase-I- en fase-II-onderzoek. Multityrosinekinaseremmers. Een ander therapeutisch aangrijpingspunt in deze cascade is de VEGF-receptor (VEGFR). Laagmoleculaire tyrosinekinaseremmers kunnen de VEGFR en andere groeifactorreceptoren remmen. Nadat enkele voorgangers ernstige bijwerkingen veroorzaakten en nauwelijks activiteit lieten zien, toonde sunitinib (SU011248) – een tyrosinekinaseremmer die de groeifactor receptoren van onder andere VEGF, PDGF en c-kit remt – in preklinisch onderzoek een sterk antitumoreffect bij hematologische maligniteiten en solide tumoren. In een fase-I/II-onderzoek werden 98 patiënten met gemetastaseerde, therapieresistente gastro-intestinale tumoren gedurende vier weken behandeld met dagelijks 50 mg sunitinib, gevolgd door een rustperiode van twee weken. Van de 48 patiënten van wie tot dan toe follow-upgegevens bekend waren, bereikten 26 patiënten een respons. Ook bij de behandeling van nierceltumoren is sunitinib als tweedelijnstherapie succesvol: 40% van de in onderzoeksverband behandelde patiënten had een complete of partiële respons, terwijl 27% van de patiënten tijdens deze behandeling langer dan drie maanden een stabiele ziekte hadden (zie tabel 1). Dit leidde in deze patiëntengroep tot een mediane overleving van 16,4 maanden.6 Gezien het brede werkingsmechanisme en omdat tumorcellen ook VEGF- en PDGF-receptoren tot expressie brengen, is het onduidelijk of deze resultaten angiogenese specifiek zijn of dat sunitinib de tumorcelgroei ook direct remt. Sorafenib is een tyrosinekinaseremmer die te vergelijken is met sunitinib. Het middel remt ook de VEGF-, PDGF- en c-kit-receptoren en wordt oraal gedoseerd. In een fase-IIIonderzoek bij patiënten met nierceltumoren leidde behandeling met sorafenib tot een verdubbeling van de progressievrije overleving (van 12 naar 24 weken).7 Vatalanib (PTK787/ZK222584) remt eveneens de VEGFreceptoren en de PDGF-receptor. In een fase-III-onderzoek waarbij dit middel werd gecombineerd met chemotherapie werd geen overlevingsvoordeel gezien bij patiënten met gemetastaseerde colorectale tumoren. ZD6474 is een oraal toe te dienen remmer van zowel de VEGFR als de epitheliale groeifactorreceptor (EGFR). In gerandomiseerde fase-II-onderzoeken bij patiënten met een niet-kleincellig longcarcinoom werd aangetoond dat toevoeging van ZD6474 aan docetaxel resulteerde in een toename van de tijd tot ziekteprogressie.5
Specifieke remmers van endotheelcelgroei en adhesie. Specifieke remmers van endotheelcelgroei worden gekenmerkt door een direct toxische werking op delend endotheel, maar het is niet goed bekend waardoor dit effect wordt veroorzaakt. Tot dusverre zijn deze middelen klinisch nog niet effectief gebleken. Angiostatine en endostatine hadden een sterk antitumoreffect bij muizen, maar toonden beide geen activiteit in vroegklinisch onderzoek. ABT510, een afgeleide van de angiogeneseremmer trombospondine, toonde in een klinisch fase-I-onderzoek weinig bijwerkingen en wel vroege tekenen van activiteit. ABT510 wordt nu bestudeerd in fase-II-onderzoek.8 Een alternatieve manier van angiogeneseremming is gericht tegen de interactie tussen endotheelcel en matrix. Vitaxine en cilengitide (EMD121974) zijn voorbeelden van middelen die de adherentie van endotheelcellen aan de basale membraan voorkomen. Deze middelen worden momenteel bestudeerd in vroeg klinisch onderzoek.8 Klinische observaties van angiogeneseremming In de klinische onderzoeken naar de effectiviteit van angiogeneseremmers is men op problemen gestuit. Om te beginnen is het vaststellen van de juiste dosering moeilijk. Bij chemotherapie is altijd naar de maximaal verdraagbare dosering gestreefd. Voor de angiogeneseremmers leek dat niet mogelijk omdat geen ernstige toxiciteit werd verwacht. Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar surrogaatmarkers voor het vaststellen van de biologische activiteit: het nemen van herhaalde tumorbiopsieën tijdens behandeling, het meten van circulerende endotheelcellen en het meten van de tumorperfusie tijdens therapie met behulp van dynamic enhanced contrast-MRI en PET-scanning.5 De VEGF-concentratie of andere angiogene groeifactoren of receptoren in het bloed hebben duidelijk gemaakt dat de concentratie circulerend VEGF toeneemt tijdens behandeling met laagmoleculaire tyrosinekinaseremmers, terwijl de concentratie circulerende receptoren afneemt. VEGF wordt door behandeling met bevacizumab volledig geblokkeerd. Opname van bevacizumab in de trombocyt blokkeert VEGF ter plaatse (Verheul et al., AACR 2006). Tot nu toe is echter in geen van deze onderzoeken een sterke correlatie aangetoond met respons op behandeling. De expressie van VEGF of andere angiogene en antiangiogene factoren in tumorweefsel blijkt zelfs niet predictief voor de respons op behandeling.9 Bovengenoemde metingen hebben derhalve nog geen klinisch belang. Daarnaast lijkt er toch therapieresistentie te kunnen ontstaan bij een antiangiogene behandeling. Eén van de theoretische voordelen van angiogeneseremmers was juist dat deze behandeling aangrijpt op genetisch stabiele endotheelcellen, waardoor zich geen resistentie zou voordoen. Een
De ontwikkeling van angiogeneseremmers: van bench to bedside
5
6
mogelijke verklaring hiervoor is dat tumorcellen gebruik (gaan) maken van andere groeifactorcascades die ongevoelig zijn voor deze angiogeneseremmers. Ten slotte veroorzaken angiogeneseremmers – tegen de verwachtingen in – wel degelijk bijwerkingen, hoewel meestal niet ernstig van aard. Het bijwerkingenprofiel van de laagmoleculaire orale tyrosinekinaseremmers bestaat voornamelijk uit moeheid, naast huiduitslag, diarree en hypertensie. De ernstigste bijwerkingen die bij de angiogeneseremmers (met name bij bevacizumab) werden gezien, zijn maligne hypertensie, trombose en darmperforaties, maar ze komen slechts sporadisch voor.
met bevacizumab leidt bijvoorbeeld tot een lichte toename van postoperatieve wondgenezingsproblemen.
Nieuwe behandelstrategieën met angiogeneseremmers Nu angiogeneseremmers een overlevingsvoordeel kunnen bewerkstelligen, is het een uitdaging om antiangiogene therapie te optimaliseren en te implementeren in gecombineerde behandelingen met chirurgie en radiotherapie. Combinaties van medicamenten, van zowel biologische als chemotherapeutische aard, verbeteren de antitumoractiviteit.10 Zo is de combinatie van een EGFR-blokkerend middel (erlotinib) met een middel dat in de VEGF-cascade ingrijpt (bevacizumab) zeer effectief bij het niet-kleincellig longcarcinoom.5 Onderzoek naar effectiviteit en toxiciteit van nieuwe combinaties wordt momenteel uitgevoerd. In preklinische experimenten bleek dat combinatie van radiotherapie en angiogeneseremming additief dan wel synergetisch kan werken. Mogelijk speelt een verbeterde zuurstofverdeling hierbij een rol. De toevoeging van angiogeneseremmers aan radiotherapie kan bij proefdieren ook leiden tot een tumorrespons in radiatieongevoelige tumoren. De vraag is of deze combinatie ook bij patiënten tot een verbetering zal leiden. In preklinische observaties en casusbeschrijvingen wordt gerapporteerd dat chirurgie tumorgroei kan bevorderen door het vrijkomen van angiogene factoren en het wegnemen van een door de primaire tumor geproduceerde angiogeneseremmer. In een recente casusbespreking werd gemeld dat resectie van een primaire colontumor een verhoogde metabole activiteit van de eveneens aanwezige levermetastase veroorzaakte en een daling van de concentraties in bloed en urine van respectievelijk angiogenese remmers, angiostatine en endostatine. In andere onderzoeken werd na resectie van de primaire tumor een duidelijke stijging van de angiogene factor VEGF gemeten. De aanwijzingen dat chirurgie de angiogene balans kan verstoren, maakt onderzoek naar antiangiogene behandeling in de perioperatieve setting, neoadjuvant of adjuvant, van groot belang. Men is echter ook huiverig voor deze combinatie vanwege mogelijke problemen bij de wondgenezing. Behandeling
Literatuur 1. Carmeliet P. Angiogenesis in life, disease and medicine. Nature. 2005;438:932-6. 2. Hanahan D, Folkman J. Patterns and emerging mechanisms of the angiogenic switch during tumorgenesis. Cell. 1996;86:353-64. 3. Udagawa T, Fernandez A, Achilles EG, Folkman J, D’Amato RJ. Persistence of microscopic human cancers in mice: alterations in the angiogenic balance accompanies loss of tumor dormancy. Faseb J. 2002;16:1361-70. 4. Hurwitz H, Fehrenbacher L, Novotny W, et al. Bevacizumab plus irinotecan, fluorouracil, and leucovorin for metastatic colorectal cancer. N Engl J Med. 2004;350:2335-42. 5. Jain RK, Duda DG, Clark JW, Loeffler JS. Lessons from phase III clinical trials on anti-VEGF therapy for cancer. Nat Clin Pract Oncol. 2006;3:24-40. 6. Motzer RJ, Michaelson MD, Redman BG, et al. Activity of SU11248, a multitargeted inhibitor of vascular endothelial growth factor receptor and platelet-derived growth factor receptor, in patients with metastatic renal cell carcinoma. J Clin Oncol. 2006;24:16-24. 7. Vogelzang NJ. Treatment options in metastatic renal carcinoma: an embarrassment of riches. J Clin Oncol. 2006;24:1-3. 8. Verheul HM, Pinedo HM. Inhibition of angiogenesis in cancer patients. Expert Opin Emerg Drugs. 2005;10:403-12. 9. Bergsland EK. When does the presence of the target predict response to the targeted agent? J Clin Oncol. 2006;24:213-6. 10. Gasparini G, Longo R, Fanelli M, Teicher BA. Combination of antiangiogenic therapy with other anticancer therapies: results, challenges, and open questions. J Clin Oncol. 2005;23:1295-311.
Conclusie De ontdekking dat antiangiogene middelen levensverlengend werken is een mijlpaal in de ontwikkeling van de antikankerbehandeling. Nader onderzoek naar werkingsmechanisme en resistentie bij patiënten moet resulteren in een optimale antiangiogene behandeling. Daarnaast dienen combinaties van deze nieuwe middelen met andere biologicals, chemotherapie, chirurgie en radiotherapie te worden bestudeerd.
Angiogenese Journaal 1-2006
