Biopsia virtual: ver el cáncer invisible

Artículo publicado en enero de 2018

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2018.01.1

Alberto Jiménez Schuhmacher

Jefe Grupo de Oncología Molecular. Instituto de Investigación Sanitaria Aragón

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La sensibilidad de las nuevas técnicas de diagnóstico por imagen, combinadas con la especificidad de anticuerpos dirigidos frente a dianas tumorales concretas, nos permiten el desarrollo de herramientas de imagen biomédica equivalentes a hacer una inmunohistoquímica in vivo de todo un tumor sin tocarlo.

 

El glioblastoma es el tumor cerebral más frecuente y letal. Ante la sospecha de que un paciente pueda padecerlo, se realiza una prueba de imagen no invasiva. La imagen biomédica consiste en fotografías que ayudan a los médicos a tomar decisiones. Para diagnosticar un glioblastoma se usa principalmente la resonancia magnética. Esta técnica proporciona una información anatómica excepcional, pero no nos da más información, solo un mapa de la anatomía tumoral (1). ¿Cuál es el grado o malignidad del tumor? ¿Qué tratamiento puede funcionar mejor? A veces la fotografía que nos proporciona la resonancia puede confundir un tumor con otros tipos de lesiones, con inflamación, edemas, cicatrizaciones...

Necesitamos mejores imágenes y que éstas nos den más información. Existen otras técnicas de imagen mucho más sensibles como la Tomografía por Emisión de Positrones, el famoso PET. Es la técnica más sensible y además, nos puede aportar información de la biología del tumor. Si marcamos una molécula con un átomo que emita positrones, al liberarse éstos se aniquilan con los electrones cercanos, produciendo 2 fotones emitidos en la misma dirección, pero con sentidos opuestos. Con un escáner, que consiste en un anillo de detectores y un procesamiento informático, obtenemos una imagen tridimensional espectacular.
Si bien esta técnica tiene un gran potencial, es una técnica que está infrautilizada. Más del 90% de las ocasiones se usa glucosa marcada con positrones (Fluorodesoxiglucosa). Como en general las células tumorales consumen más azúcar que las sanas, el PET nos permite encontrar, por ejemplo, tumores y pequeñas metástasis. Es muy útil para muchos tumores. ¡Más del 30% de los pacientes con cáncer cambian de régimen de tratamiento tras un escáner PET! (2) Pero en el caso de los tumores cerebrales la imagen PET es poco eficaz porque el cerebro consume mucho azúcar (3). Necesitamos mejores imágenes para poder sacar la máxima información de los tumores cerebrales.

El diagnóstico actual del glioblastoma precisa de una biopsia intracraneal o del análisis de una muestra del tumor tras la cirugía. Hoy en día sabemos, gracias a los avances genómicos, que el tumor es tan heterogéneo que muchas veces no resulta eficaz una única biopsia y que éstas, además, pueden favorecer recidivas (4). Una biopsia consiste en esencia en coger un trozo de tejido y analizarlo mediante análisis histológicos, inmunohistoquímicos y moleculares. En nuestro laboratorio queremos hacer una especie de biopsia virtual, analizar todo el tumor dentro del paciente sin tocarlo. La idea consiste en hacer un equivalente de una inmunohistoquímica con el PET. Para ello estamos marcando anticuerpos dirigidos frente a biomarcadores tumorales con isótopos emisores de positrones con el fin de inyectarlos en pacientes y buscarlos con un escáner PET. Esta técnica se conoce como inmuno-PET (5).

Para realizar un buen inmuno-PET debemos tener en cuenta tres elementos. El primero es la diana. Idealmente debe expresarse en el tumor pero no en tejido sano y debe localizarse en la membrana celular para ser accesible. El segundo elemento es disponer de un buen anticuerpo, muy específico y que reconozca el epítopo intacto. Podemos alterarlo mediante ingeniería de proteínas para que su farmacocinética y biodistribución mejore. Finalmente, el isótopo PET, los hay con distinta vida media y sistema de producción.

Para elegir la diana nos hemos convertido al dataísmo y buscamos biomarcadores en bases de datos de cientos de pacientes mediante análisis informáticos. Hemos encontrado unos candidatos muy abundantes en las células tumorales, en su membrana y que prácticamente no se expresan en tejido sano. Su expresión se correlaciona con una peor respuesta a la quimioterapia.

Para validar estas dianas estamos generando unos anticuerpos monoclonales frente a ellas. Usamos agentes quelantes como la deferoxamina para unirles isótopos con una vida media larga, como el 89Zr (6). Como prueba de concepto inyectamos estas “sondas” en modelos xenoinjertados con células tumorales que expresan la diana y células cuya diana ha sido eliminada por CRISPR/Cas9. Los resultados preliminares son prometedores (6).
Los anticuerpos completos tienen una vida media larga en sangre, eso es bueno para usarlos como inmunoterapia. Pero no debemos irradiar a un paciente durante días para hacerle una foto del tumor. Para usarlo en pacientes mejoraremos la farmacocinética y biodistribución del anticuerpo para que llegue mejor al cerebro (7). Mediante ingeniería de proteínas jugaremos con sus regiones hipervariables, las responsables de unirse al antígeno, para hacer minianticuerpos. Además, emplearemos dromedarios, llamas y tiburones porque de manera natural producen unos nanoanticuerpos que pasan la barrera hematoencefálica y se eliminan rápidamente por vía renal.

Otra innovación que estamos persiguiendo es la fuente de positrones (8,9). A nuestros anticuerpos les uniremos radioisótopos que, en lugar de proceder de átomos generados en un ciclotrón, que requiere una instalación del tamaño de una cafetería grande, mucho personal y un elevado coste, serán producidos en un generador de 68Ge/68Ga del tamaño de una Nespresso, que cuesta unos pocos miles de euros y podrá ponerse al lado de cada escáner PET. Esto nos permitirá abaratar los costes y favorecer su accesibilidad a todo el mundo.

En el laboratorio queremos desarrollar muchos de estos anticuerpos, muchas cápsulas de esta cafetera-PET. Soñamos con tener un portfolio de cápsulas-PET que nos permita interrogar al tumor sin tocarlo. Si eres positivo para el café Roma y el Ristretto, mejor dar radioterapia y, si sale bien el Arpeggio, se le trata con inmunoterapia directamente. Adicionalmente, pretendemos añadir otra funcionalidad a los anticuerpos para que puedan llevar tratamientos hacia el tumor o puedan detectarse con más aparatos como la resonancia magnética.

Vivimos ante la promesa-realidad de la biopsia líquida. Con un análisis de sangre podemos ya analizar el ADN y células liberados por un tumor. Podremos detectar un perfil de mutaciones, analizar el inventario de alteraciones del naufragio genómico de un cáncer y determinar si una persona puede tener un tumor... ¡Pero habrá que encontrarlo! Algunas pistas están en el ADN, como el tipo de mutaciones o sus patrones de metilación. Tal vez la biopsia virtual pueda ayudarnos a encontrar el cáncer invisible.

 

 

 Figura

Figura. Pasos claves en el desarrollo de sondas para biopsias virtuales. (Arriba) Para realizar una prueba de concepto generamos anticuerpos monoclonales (mAb) muy específicos frente a los biomarcadores determinados mediante análisis bioinformáticos. La funcionalidad del anticuerpo y la diana es validada en muestras de pacientes y cultivos celulares. Posteriormente, para su uso en inmuno-PET los mAb son conjugados con un agente quelante (por ejemplo deferoxamina, DFO) y marcados con 89Zr (t1/2=78.4h). El conjugado mAb-DFO-89Zr es inyectado en modelos xenoinjertados y se adquieren imágenes con un escáner PET a diferentes tiempos para determinar la cinética.
(Centro) Una vez validada la diana y el anticuerpo, miniaturizamos el mAb para mejorar su farmacocinética y biodistribución. Esta fase se realiza mediante ingeniería de proteínas combinando distintos dominios de las regiones variables de los anticuerpos (dominios VH y VL). Estos derivados de anticuerpos se eliminan más rápidamente de la circulación y permiten una adquisición más temprana. Favorecen también el uso de radioisótopos producidos en un generador de 68Ge/68Ga (68Ga t1/2=1.1h). Este generador es de pequeño tamaño, como el de una cafetera Nespresso.
(Abajo) En el laboratorio queremos desarrollar muchos de estos anticuerpos, un portfolio de cápsulas-PET para esta cafetera PET que nos permitan interrogar al tumor sin tocarlo. La fotografía muestra una imagen de una biopsia virtual con una sonda mAb-DFO-89Zr frente a una diana localizada en la superficie de células de un glioblastoma humano xenoinjertado en un ratón. Reconstrucción en 3D de un inmuno-PET (color). Para disponer de localización anatómica más precisa se combina con una imagen obtenida por tomografía axial computerizada

 

Referencias:

1. Ahmed R, et al. Malignant gliomas: current perspectives in diagnosis, treatment, and early response assessment using advanced quantitative imaging methods. Cancer Manag Res. 2014;6:149-170.
2, Hillner BE, et al. Impact of 18F-FDG PET used after initial treatment of cancer: comparison of the National Oncologic PET Registry 2006 and 2009 cohorts. J Nucl. Med. 2012;53(5):831-837.
3. la Fougère C, et al. Molecular imaging of gliomas with PET: opportunities and limitations. Neuro Oncol. 2011;13:806-819.
4. Parker NR, et al. Molecular heterogeneity in glioblastoma: potential clinical implications. Front Oncol. 2015;5:55.
5. Knowles SM, Wu AM. Advances in Immuno-positro emission tomography: Antibodies for molecular imaging in oncology. J Clin Oncol. 2012;30:3884-3892.
6. de Lucas AG, Schuhmacher AJ, et al. Targeting MT1-MMP as an ImmunoPET-Based Strategy for Imaging Gliomas. PLoSOne. 2016;11(7):e0158634.
7. Freise AC &Wu AM. In vivo imaging with antibodies and engineered fragments. Mol Immunol. 2015;67(2 Pt A):142-152.
8. Romero E & Morcillo MA. Inorganic oxides with potential application in the preparation of a 68Ge/68Ga generator system. Appl Radiat Isot. 2017;119:28-35.
9. Romero E, et al. Preparation of ⁶⁸Ga-labelled DOTA-peptides using a manual labelling approach fors mall-animal PET imaging. Appl Radiat Isot. 2016;107:113-120.

 

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Entrevista

Alberto Jiménez Schuhmacher

Jefe Grupo de Oncología Molecular. Instituto de Investigación Sanitaria Aragón

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Mi vocación y yo nacimos a la vez. Recuerdo que en una entrevista en la radio me hicieron esta pregunta y contesté que me recordaba de niño haciendo inventos con mis hermanos. Gus, mi hermano mayor, me lleva 4 años y medio, y la marquetería y manualidades en su colegio estaban más avanzadas que en el mío. ¡Con 6 años hacía las ballestas y electroimanes que mi hermano hacía con 10-11! Reparábamos cochecitos eléctricos, montábamos circuitos, motores... en muchas de estas actividades se unía mi padre. También recuerdo ir muchas veces a la ferretería con mi madre y Andrés, mi hermano pequeño. Pensaba que surgió ahí. Mi madre me corrigió y me dijo que en preescolar ya llevaba “inventos” para enseñárselos a la “seño” como una cuerda que había atado a un palo, una piedra con algún pingo...
Pero una llama de vocación hay que mantenerla y avivarla. En esto mis padres jugaron un papel brutal al fomentar y apoyar mis inquietudes infantiles como mi pasión por la naturaleza, los dinosaurios, la astronomía, los halcones...¡Para mi comunión pedí un microscopio en lugar de un Scalextric! El lema de mis padres siempre ha sido que “la mejor herencia es una buena educación”. Era más fácil sacarles dinero para un libro o un curso que para ir al cine.
Un queroseno para mi llama de vocación científica fue el suplemento de divulgación científica Tercer Milenio de Heraldo de Aragón, sale todos los martes desde hace casi 25 años. Ese maravilloso suplemento de 8 páginas me acercaba a la ciencia más puntera del momento en un lenguaje accesible para mí. Después vinieron profesores, maestros y muchos héroes científicos.

P.- ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- He podido formarme con mis héroes científicos como Mariano Barbacid y ver de cerca e interactuar con Serrano, Blasco, Capetillo, Massagué y muchos otros. Me han influido mucho los escritos y vidas de Santiago Ramón y Cajal, Severo Ochoa y escuchar a Margarita Salas. Pero si debo destacar a dos personas por encima de todas son Julio MontoyaVillarroya y Carlos López Otín.
Julio fue mi profesor de biología y bioquímica en la carrera y puso nombre a esa ciencia que amaba: la bioquímica y la biología molecular. Recuerdo lo fácil y accesibles que me hacía todos los conceptos de la biología molecular. Su emoción, su cercanía y apoyo. Yo salía excitado de cada clase. Me abrió un mundo nuevo y apasionante.
Carlos López Otín es el ser humano vivo al que más admiro. Intentar parecerme a él, aunque es inalcanzable, hace que yo sea mejor científico y mejor persona. Sus fuertes valores humanos y científicos, su cercanía y su ejemplo marcan mi vida. He aprendido que se puede hacer Ciencia de la mayor calidad en cualquier lugar del mundo con compromiso y esfuerzo. De él he aprendido que cualquier paciente que se acerca al laboratorio en busca de conocimiento o salud es más importante que el más importante de mis experimentos. Carlos ha transformado mi mirada humana y cómo concibo la Ciencia.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Soy un biólogo frustrado. No se podía estudiar biología en Zaragoza y en esos momentos mis padres no podían permitirse que yo estudiara fuera. Pude entrar en Veterinaria, que era algo similar o lo más parecido,y concluir Bioquímica, que entonces era una carrera de segundo ciclo. Hice todo lo que pude por estar en laboratorios. Fui jefe de prácticas de todo lo que me dejaban, trabajé en un departamento, hice prácticas en el matadero y me fui de estancia a Suiza para aprender a hacer plantas transgénicas. Tuve la fortuna de conseguir que Barbacid me aceptara en su laboratorio, en un momento muy emocionante en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), donde realicé mi tesis doctoral con Mariano y Carmen Guerra. Fueron unos años muy intensos (2003-2009) en los que trabajé haciendo y caracterizando modelos de ratón para estudiar los oncogenes RAS. Estudié cáncer y unas enfermedades raras causadas por estos genes en línea germinal que ahora se conocen como RASopatías. Un proyecto de cáncer de páncreas me apasionó y me ayudó a descubrir la importancia del microentorno tumoral, todo lo que es tumor pero no son células tumorales. Este interés me llevó en 2009 a Nueva York, al Memorial Sloan-Kettering Cancer Center (MSKCC) a profundizar en ese campo. Esta vez elegí a una jefa junior, la Dra. Johanna Joyce. Pude trabajar en el papel de los macrófagos en el tumor cerebral más letal, el glioblastoma. Fuimos capaces de alterar farmacológicamente a los macrófagos, de re-educarlos, para que dejasen de ayudar al tumor. La respuesta era espectacular y animó a mi centro a realizar ensayos clínicos en esta línea. No sé si nunca volveré a vivir un momento igual. Volví en 2013 al CNIO, cuando se montaba el laboratorio de tumores cerebrales dirigido por Massimo Squatrito. Allí trabajé en la búsqueda de genes moduladores de la respuesta a la quimioterapia más usada frente al glioblastoma con la idea de buscar nuevos marcadores de sensibilidad y resistencia así como la búsqueda de nuevas dianas terapéuticas. También comencé el desarrollo de “biopsias virtuales” gracias a una ayuda del consorcio M+Visión, que es lo que continúo como investigador independiente, gracias al Programa Ramón y Cajal, desde hace unos meses en el IIS Aragón.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- La principal línea de investigación consiste en el desarrollo de herramientas de diagnóstico no invasivo para detectar y analizar tumores.Queremos extraer toda la información que se obtiene de biopsia mediante técnicas de imagen, soñamos con hacer una biopsia virtual. Una biopsia, en esencia, consiste en coger un trozo de tejido y analizarlo mediante análisis histológicos, inmunohistoquímicos y moleculares.
Existe un tipo de escáner para hacer imagen biomédica que se llama tomografía por emisión de positrones, el famoso PET. Es una técnica muy sensible, cuantitativa y que nos aporta una información biológica extraordinaria de los tumores pero se encuentra infrautilizada porque hay pocas sondas-PET que podamos detectar.
Cerca del 90% de los escáneres PET que se realizan sirven para detectar el acúmulo de un azúcar radiactivo que emite positrones. Esto nos permite detectar muchos tipos de tumores y pequeñas metástasis pero en el caso de los tumores cerebrales esta información es muy limitada porque el cerebro consume mucho azúcar. En el laboratorio de Oncología Molecular del IIS Aragón estamos intentando realizar nuevas sondas-PET frente a glioblastoma. Para ello estamos marcando anticuerpos dirigidos frente a biomarcadores tumorales con isótopos emisores de positrones con el fin de inyectarlos en pacientes y buscarlos con un escáner PET. Esta técnica, que se conoce como inmuno-PET, conjuga la sensibilidad del PET con la especificidad de anticuerpos.La idea equivaldría a realizar una especie de inmunohistoquímica, in vivo, de forma no invasiva con el PET. Una vez validado un posible biomarcador para inmuno-PET queda mucho trabajo por hacer. Tenemos que jugar con el anticuerpo para modificar sus características de biodistribución, y farmacocinética. También estamos probando nuevas fuentes de isótopos para PET, queremos usar isótopos generados en pequeños generadores más accesibles y económicos.

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Vivimos en una época apasionante de la investigación biomédica. No puedo quedarme con un avance. Antes de empezar la carrera nació Dolly, pero previamente me habían impresionado los ratones transgénicos. Me licencié cuando surgieron los borradores de los genomas humanos. Durante la tesis la reprogramación celular de Yamanaka fue todo un shock. ¡Qué puedo decir de la revolución CRISPR/Cas9 en la que vivimos! Los distintos tipos de inmunoterapias, las terapias dirigidas, los metagenomas y empezar a entender cómo el microbioma nos condiciona.
Pero hay una imagen que no puedo quitarme de la cabeza nunca. Una que me inspira y me hace creer en la Ciencia y la Medicina en momentos de flaqueza. Mi padre estaba muy enfermo del corazón y a menudo pasaba largas épocas en el hospital. Los últimos años, cuando estaba ingresado, coincidíamos siempre con un chico llamado Rubén que padecía una cardiopatía congénita. Coincidimos tantas veces que hicimos amistad con su familia. Este niño y luego adolescente estaba a la espera de un trasplante. Finalmente se lo hicieron, casi por una carambola. Una de las altas de mi padre nos acercamos a la sala de aislamiento a despedirnos. Rubén se puso de pie, y le dijo a mi padre “mira Eduardo ya tengo el transplante”, entreabrió la bata que llevaba y mostró un apósito que le tapaba la marca de la cirugía a la altura del esternón. No hacía ni 48 horas que le habían trasplantado y se puso de pie y caminó. Lloro cada vez que recuerdo ese momento.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Creo que todo se ha desvirtuado mucho. Especialmente con estos años de crisis.
Cuando yo estudiaba la carrera surgían nuevos centros y nuevas oportunidades. Todo se ha desvanecido. Los méritos para obtener una ayuda del ministerio de turno se han multiplicado. Por ejemplo, hasta donde entiendo, los contratos Ramón y Cajal nacieron para que gente que había hecho una buena tesis y un buen postdoc fuera volviesen a España, se formasen 5 años en un grupo o intentasen formar uno. Trascurrido ese tiempo se les estabilizaría. Los requisitos actuales “exigen” artículos de último firmante y/o proyectos de investigación como investigador principal algo que no se espera de un postdoc, no es para esa etapa. Eso se traslada al resto de ayudas, a las plazas del CSIC, etc. El otro día leía que 23 premios Nobel de los últimos 10 años no serían catedráticos con los nuevos requisitos de la Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación.
Un investigador importante me contó una vez que un ministro le dijo que “la Ciencia es como esquiar, un lujo. Mira X, cuando tengo dinero me llevo a la familia a esquiar y cuando no lo tengo no.”A veces siento que nuestros dirigentes siguen con esa mentalidad. Si se financia y apoya la Ciencia correctamente, la carrera será más clara y estará más definida. Además existe un sistema bien definido y que funciona, se llama tenure track. Para apoyar y amar la Ciencia hace falta un cambio de cultura para que la sociedad la apoye y se la exija. O tener suerte y contar con un político que sea un líder, que sepa comprender las necesidades y lo que es bueno para su pueblo. ¿Has visto el discurso de Obama hablando de una iniciativa para apoyar más la medicina de precisión? ¿Te imaginas a un solo dirigente de los actuales, incluso de los pasados en nuestro país? Ese es nuestro problema, un problema de cultura. Ya lo dijo Cajal el día de su jubilación y ya ha pasado casi un siglo.

 

Perfil biográfico

Alberto Jiménez Schuhmacher

Jefe Grupo de Oncología Molecular. Instituto de Investigación Sanitaria Aragón

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Licenciado en Bioquímica (Universidad de Zaragoza, 1998-2003). Realizó su doctorado en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) bajo la dirección de Mariano Barbacid (2003-2009) donde desarrolló y caracterizó modelos murinos para el estudio de los oncogenes Ras en cáncer y enfermedades raras. Realizó una estancia postdoctoral con Johanna Joyce (2009-2013) en el Memorial Sloan-Kettering Cancer Center de Nueva York donde estudió el microentorno tumoral del glioblastoma e identificó un tratamiento para re-educar los macrófagos actualmente en ensayos clínicos. Retornó al grupo de Tumores Cerebrales del CNIO, donde trabajó en la identificación de genes moduladores de respuesta a quimioterapia en tumores cerebrales. A través del consorcio M+Visión se especializó en imagen biomédica. Desde el año 2017 dirige el Grupo de Oncología Molecular del Instituto de Investigación Sanitaria Aragón donde desarrolla nuevas herramientas de imagen biomédica, bautizadas como biopsias virtuales, y modela in vitro las cardiopatías de RASopatías. Ha recibido numerosas ayudas, premios y becas. Comprometido con la divulgación. Miembro de Honor de numerosas asociaciones e Hijo Predilecto de Zaragoza por sus contribuciones científicas y valores humanos.

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