Ontwikkelen van individuele therapie voor de behandeling van CF door het gebruik van primaire epitheel weefselkweken

Cystic fibrosis (CF) wordt veroorzaakt door genetische mutaties in CFTR,
waarvan er ongeveer 2000 bekend zijn 1. CF ziekte (en reactie op therapie) is
zeer variabel. Deze variatie wordt veroorzaakt door met name onbekende
interacties tussen het gemuteerde CFTR, de patiënt-specifieke genetische
achtergrond en de omgeving. Voor veel mutaties is de functionele impact op CFTR
onbekend. Daarnaast is er ook variatie in CFTR expressie en functie tussen
mensen met dezelfde CFTR mutaties. De relatie met ziekte-ernst en bijbehorende
mechanismen zijn ook hier veelal onbekend, alhoewel er ook diverse theorieën
zijn 2-4.

Mensen met CF worden nauwkeurig gediagnosticeerd en gevolgd in de tijd
(longfunctie, BMI, colonisatie met pathogenen, longspoelingen, CFTR-functie
metingen in rectaal biopten van pasgeborenen of mensen met een zeldzame
mutatie). Het standaard zorgpakket is zo uitgebreid, om symptomen zo vroeg
mogelijk te detecteren en te behandelen. Recentelijk zijn er nieuwe medicijnen
ontwikkeld die de kern van CF aanpakken door het CFTR-eiwit te repareren, wat
een ware doorbraak betekent in het veld 5-7. Deze nieuwe therapieën bieden een
heel goed perspectief op de levens van mensen met CF, maar helaas zijn de
medicijnen niet voor elke mutatie en voor elke patiënt effectief. Slechts een
kleine groep patiënten krijgt nu deze medicijnen voorgeschreven. Naar
verwachting zullen er wel meer therapieën volgen en daardoor meer mensen
behandeld kunnen worden in de komende jaren. Daarnaast is het van belang zulke
behandelingen zo snel mogelijk te starten. Ongeveer 5% van de mensen in ons
centrum wordt nu behandeld met deze medicijnen en we verwachten dat ongeveer
50% uiteindelijk deze medicijnen zal krijgen na goedkeuring door de overheid.

Er zijn momenteel geen biomarkers die nauwkeurig kunnen voorspellen hoe
effectief een individuele behandeling is op de lange termijn 8,9. Huidige
biomarkers die voor de nieuwe medicijnen gebruikt worden zijn gebaseerd op
symptomatische behandelingen (bv. verandering in longfunctie) of zijn
uitleesmethodes voor CF diagnostiek (bv. zweetchloride of neuspotentiaal). Het
belang van deze biomarkers voor het voorspellen van CFTR-reparerende medicijnen
is aangetoond op patiëntgroepsniveau. Daarnaast kunnen de biomarkers alleen
gemeten worden na in vivo inname van de medicijnen, met intra- en interpersoon
variatie, wat een individuele voorspelling lastig maakt 8. Met name voor jonge
kinderen is er een tekort aan biomarkers. Er zijn dus nieuwe biomarkers nodig
voor een kwantitatieve bepaling van individuele behandelingen, met name om
jonge kinderen op tijd en optimaal te behandelen, om het verloop van CF te
vertragen.

We hebben, middels een proof-of-concept studie, aangetoond dat mensen met CF
preklinisch kunnen worden geselecteerd voor behandeling door de response op
medicijnen te meten in in vitro stamcelkweken uit de darm van de patiënt. Ook
hebben we aangetoond dat de reactie van darmcellen op medicijnen correleert met
gepubliceerde uitkomsten van klinische studies 2 (and Dekkers et al, 2016,
Science Translational Medicine). Maar we zien ook dat het voorspellen van de
response in de longen van de patiënten wat gecompliceerd is als darmcellen
worden gebruikt. Onze hypothese is dat daarom vergelijkbare testen met primaire
luchtwegkweken wat passender zijn. Een verzameling van zowel rectaal, nasaal
als bronchiaal materiaal van één patiënt is een goede aanpak voor het
vergelijken van in vitro functies en om te bepalen in hoeverre de verschillende
weefsels gebruikt kunnen worden om een prognose te kunnen doen wat betreft
ziekte-ernst en medicijnresponse per patiënt. Daarnaast willen we ook graag de
intra-subject variatie besturen. Daarom willen we graag rectale biopten
verzamelen van 10 mensen met CF die al eens eerder biopten hebben afgestaan en
waarvan we toen intestinale organoids hebben gemaakt. De reacties op medicijnen
tussen de *oude* en *nieuwe* organoids gaan we vervolgens vergelijken.

Naast het in vitro testen van medicijnen op de darmcellen van een patiënt,
kunnen we ook de activiteit van medicijnen meten uit het plasma van behandelde
patiënten. Deze aanpak helpt om de variatie in farmacokinetiek te bepalen, dus
of iemand hoge of juist lage concentraties van het medicijn in zijn/haar
circulatie heeft, en of dat correleert met de in vivo effecten. Daarnaast
kunnen we ook bepalen of cellen van mensen die geen behandeling krijgen
misschien reageren op het plasma van mensen die al wel behandeld worden met
deze medicijnen. Dit darmmodel van farmacodynamiek en *kinetiek helpt nu al in
het beslissen welke patiënten welke medicijnen kunnen proberen (in klinische
studies of voor off-label gebruik), en draagt dus bij aan individuele
behandeling op maat. Dit proces zou duidelijk kunnen verbeteren als we
luchtwegkweken van patiënten kunnen includeren.

We willen luchtwegweefsel verzamelen als mensen met CF een bronchoscopie
ondergaan voor hun diagnostiek en zorg. Het gaat om neuscellen, longcellen
(beiden via borstels) en longbiopten. Van de meeste deelnemers hebben we
waarschijnlijk al darmorganoids gemaakt en opgeslagen in de biobank (samen met
HUB). Als dat niet zo is, dan vragen we de persoon in kwestie of dat alsnog
mag. Daarnaast willen we 10 mensen vragen of ze tijdens de bronchoscopie
nogmaals rectaal biopten afstaan, als ze dat al eerder hebben gedaan. De reden
is dat we de intra-subject variatie van darmorganoids willen bepalen. Daarnaast
includeren we 10 mensen zonder CF ter controle.
Het is essentieel om op jonge mensen (0-18 jaar) te focussen, omdat we met dit
protocol willen bereiken dat jonge kinderen eerder en gerichter worden
behandeld. Daarnaast is het volwassen epitheel van iemand met CF al dusdanig
beschadigd dat dit de kweekprocedures bemoeilijkt en mogelijk de resultaten
vertroebelt.

De materialen worden gecodeerd, zodat we nog correlaties kunnen maken tussen de
laboratoriumuitslagen en klinische gegevens. Deelnemers worden benaderd of hun
restmateriaal (darm en luchtweg) mag worden opgeslagen voor wetenschappelijke
studies in de toekomst via een apart biobankprotocol en informed consent.
Zonder biobanktoestemming zullen de materialen van de betreffende patiënt
worden vernietigd aan het eind van de studie.

Luchtwegkweken uit weefsel zullen worden opgezet met gepubliceerde protocollen
waardoor praktisch oneindig lang de stamcellen kunnen worden geëxpandeerd 11.
Deze kweekmodellen worden gebruikt om CFTR expressie en functie te bepalen
d.m.v. moleculaire, elektrofysiologische en vloeistofsecretie assays in het lab.

We willen de verzamelde biopten en gemaakte kweken ook gebruiken voor
proof-of-concept studies voor het vinden van mechanismen die bijdragen aan de
variatie in CF ziekte en response op therapie. Onze eerdere studies in
darmcellen laten duidelijk zien dat de genetische achtergrond van een patiënt
invloed heeft op het CF fenotype en de reactie op medicijnen 2 (en Dekkers et
al, 2016, Science Translational Medicine). In dit project zullen we ons richten
op het functioneel karakteriseren van CFTR-afhankelijke celfuncties
(barrièrefunctie van het epitheel, elektrofysiologie, vloeistofsecretie), en
hoe deze functies worden beïnvloed door pathogenen of farmacologische of
genetische interventies welke een invloed hebben op de CFTR functie of
modifiers (bv. alternatieve ionkanalen, transcriptiefactoren). Hiervoor worden
DNA, RNA, eiwit en metabole expressie profielen bepaald. Dit impliceert wel dat
we mogelijk onverwachte bevindingen doen die belangrijk kunnen zijn voor de
behandeling van de patiënt in kwestie en/of de familieleden.

Verder zullen de luchtwegcellen ook gebruikt worden om nieuwe celmodellen op te
zetten om CF te bestuderen. Het gaat o.a. om nieuwe organoidkweken (in
samenwerking met het Hubrecht: H. Clevers en Dr. N. Sachs) en het maken van
submucosale klieren in vitro.

Het doel van de studie is om de diagnostiek en behandeling van mensen met CF te
verbeteren, met een focus op jonge kinderen en nieuwe CFTR-reparerende
medicijnen.

Primaire onderzoeksvraag:
Het bepalen van relaties tussen CFTR genotype, functie en medicijnresponse in
vitro in luchtwegbiopten, luchtwegkweken, intestinale biopten en intestinale
kweken;en het correleren van deze parameters met klinisch ziekteverloop voor en
na behandeling met CFTR-reparerende therapie.

Secundaire onderzoeksvraag:
- Wat zijn potentiële mechanismen waardoor individuele verschillen in CFTR
functie en reactie op medicatie worden veroorzaakt?
- Kunnen nieuwe laboratoriumtesten worden opgezet om CF te onderzoeken?

Deze studie vindt plaats binnen één centrum en is invasief observationeel. 20
kinderen met CF zullen worden geïncludeerd, als ook 10 kinderen zonder CF.
De totale studietijd wordt geschat op vier jaar. Studietijd per patiënt is één
dag, namelijk het bezoek aan het ziekenhuis voor de bronchoscopie. Er zal een
interim analyse plaatsvinden nadat de eerste tien kinderen met CF hebben
deelgenomen, om te bepalen of we de long-, neus- en darmmaterialen kunnen
kweken.
Personen die een bronchoscopie zullen ondergaan als onderdeel van hun
behandeling zullen worden gevraagd deel te nemen. Tijdens deze scopie zullen de
arts en een lid van het onderzoeksteam de samples verzamelen die nodig zijn
voor de studie (longbiopten, longbrushings, neusbrushings, intestinale biopten
en bloed).
Deelnemers zal worden gevraagd of hun luchtwegweefsels en *kweken en hun
darmweefsels en -kweken mogen worden opgeslagen in de UMCU longenbiobank
(aanvraag in behandeling) en de HUB-CF biobank, respectievelijk.

Het verzamelen van bronchus en rectaal biopten van een 0-18 jarige geeft een
minimaal risico op tijdelijke bloeding. Neuscel afname via een kleine borstel
kan een licht prikkelbaar neusslijmvlies achterlaten dat binnen een half uur
tot enkele uren verdwijnt. Het verzamelde materiaal wordt gebruikt om patiënt-
specifieke biomarkers te ontwikkelen om zo per patiënt de longziekte te
bestuderen en therapie te bepalen. Dit is vooral van belang voor kinderen voor
wie nog geen specifieke therapie voorhanden is.
Zowel de ziekte als de efficiëntie van de behandeling zijn beiden variabel in
CF, en we verwachten dat personen baat zullen hebben bij een zo vroeg mogelijke
start van een patiënt-specifieke behandeling. Daarnaast kunnen er nieuwe
targets worden gevonden om CF te behandelen.
We verwachten geen directe voordelen voor de patiënten die meedoen aan dit
onderzoek. Maar het valideren van luchtwegkweken en het eventueel opslaan van
de weefsels en cellen in de biobank kan indirect bijdragen aan betere
diagnostiek en behandeling van CF. Op een later moment zouden met deze
luchtwegkweken persoonlijke behandelstrategieën kunnen worden bepaald welke
allicht accurater zijn dan de huidige procedures met intestinale kweken.
Er is een minimale verlenging van narcose tijd (~10min). In totaal heeft de
studie een minimaal risico en minimale belasting.