Colorectal cancer patient-derived xenograft (PDX) models as platform for drug screening, molecular and response analysis
Rivera, Maria
Appropriate preclinical in vivo models are of increasing importance and represent an essential tool in recent cancer research. Regarding the current developments in oncology, and particularly in personalized medicine and due to the emergence of targeted therapies, PDX models represent the essential platform for identifying novel targets, to define new biomarkers and to evaluate therapy response. Therefore, this study was aimed at establishment and thorough characterization of PDX models derived from specimens of colorectal carcinoma (CRC), the third most frequently diagnosed cancer worldwide.
In this study 87 surgical tumor samples from CRC patients were subcutaneously transplanted into immunodeficient mice. For 49 samples, stably passageable PDX models were obtained, representing a take rate of 56%. The identity between patient tumor tissue and its corresponding PDX, as well as the preservation of histopathological and molecular characteristics in the PDX was validated using histopathological and molecular analyses.
The mutational analyses revealed that every PDX model showed a different and individual mutational profile; nevertheless, the encountered mutations reflected the clinical incidence in CRC patients. The characterization of the PDX regarding their sensitivity towards conventional cytotoxic and targeted drugs reflected the heterogeneity of the clinical situation.
Molecular characterization of the established 49 PDX showed that the expression levels of the EGFR ligands correlated with each other, as well as the expression levels of the four receptors of the EGFR family. Also, the expression levels of the ligands significantly correlated to the expression levels of the receptors, corroborating the existence of an autocrine signaling loop between them. Furthermore, significant correlations were found between the expression of EGFR ligands and the sensitivity towards cetuximab, in contrast to erlotinib. This suggests that PDX tumors which are addicted to a certain pathway therefore respond to its blockade. The mutational status of pathway effectors downstream of EGFR reflected the correlations encountered in clinical studies. Furthermore, PDX models with wildtype KRAS, BRAF and PIK3CA showed significantly higher sensitivity towards the two EGFR pathway inhibiting substances compared to PDX models carrying a mutation in one or more of these genes.
In order to further study the molecular mechanism of cetuximab resistance, two novel cetuximab resistant PDX models were generated in vivo. In these PDX an increase in the expression of the EGFR ligands BTC and TGFα was observed. An increase in HER2 and HER3 expression, coupled to a decrease in expression of EGFR, was found in one of them. This demonstrates that PDX models can be further used to elucidate acquired resistance mechanisms to cetuximab in vivo and to develop strategies for overcoming resistance.
In summary, the established 49 PDX models reflect the heterogeneity of CRC and show a high similarity to the original patient tumors. Mechanisms of resistance towards EGFR-inhibitors were well reflected in the PDX panel. Overall, these PDX models represent an appropriate tool for in vivo development and optimization of cancer therapies and for correlative analyses regarding biomarker expression and therapy response.
Präklinische in vivo Modelle spielen eine immer größere Rolle auf dem Gebiet der Krebsforschung. Im Hinblick auf die neuesten Entwicklungen in der Onkologie, wie z.B, der personalisierten Medizin und der Entwicklung zielgerichteter Therapeutika, stellen vor allem Patienten-abgeleitete Xenograft Modelle (PDX; patient-derived xenograft), eine geeignete präklinische Plattform zur Identifizierung und Charakterisierung von neuen Zielmolekülen und Biomarkern dar. Diese Arbeit befasste sich mit der Etablierung und detaillierten Charakterisierung von PDX Modellen des kolorektalen Karzinoms (CRC), die Tumorentität mit der dritthöchsten Inzidenz weltweit.
Chirurgisch resizierte Tumorproben von CRC Patienten wurden subkutan auf immundefiziente Mäuse transplantiert. Für 49/87 (56%) der Proben konnte ein stabiler Engraftment erreicht werden. Histopathologische und molekulare Untersuchungen von Primarius und dem daraus abgeleiteten Modellen bestätigten die Identität und den Erhalt der CRC Eigenschaften in den PDX.
Die Mutationsanalyse ergab, dass die PDX Modelle verschiedene, individuelle Mutationsprofile aufwiesen, die jedoch in ihrer Varianz mit klinisch erhobenen Mutationsraten im CRC übereinstimmen. Ein Sensitivitätspanel der PDX-Modelle gegen Standardchemotherapeutika und zielgerichteter Therapien wurde erstellt und reflektierte die Heterogenität der klinischen Situation.
Bei der molekularbiologischen Analyse der PDX Modelle konnte eine Korrelation des Expressionslevels der EGFR Liganden untereinander nachgewiesen werden, was auch auf die vier Rezeptoren der EGFR Familie zutraf. Die Expressionsniveaus der Liganden korrelierten signifikant zu denen ihrer Rezeptoren, was als Hinweis auf das Vorhandensein eines autokrinen Loops betrachtet werden kann. Darüber hinaus wurden signifikante Korrelationen zwischen der Expression der EGFR Liganden und der Sensitivität gegenüber Cetuximab, jedoch nicht gegenüber Erlotinib, nachgewiesen, was die unterschiedlichen Wirkmechanismen dieser zwei Therapeutika wiederspiegelt. Wie ebenfalls in klinischen Studien beobachtet, wiesen PDX Modelle mit Wildtyp KRAS, BRAF und PIK3CA eine höhere Sensitivität gegenüber den zwei EGFR-Inhibitoren im Vergleich zu PDX Modellen mit Mutationen in einem oder mehreren dieser drei Gene.
Für weiterführende, detaillierte Studien zur Untersuchung der Mechanismen der Cetuximab-Resistenz konnten zwei Cetuximab-resistente PDX-Modelle erstmals in vivo generiert werden. In diesen beiden Modellen konnte eine erhöhte Expression der EGFR Liganden BTC und TGFα nachgewiesen werden. Es wurde außerdem eine erhöhte Expression von HER2 und HER3 detektiert, gekoppelt mit einer verminderten Expression des EGFR. Diese Ergebnisse zeigen, dass PDX Modelle gezielt genutzt werden können, um Resistenzmechanismen unter anderem gegen Cetuximab in vivo zu untersuchen und mögliche Überwindungsstrategien zu entwickeln.
Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die 49 etablieren PDX Modelle adäquat die Heterogenität der CRC in der Klinik wiederspiegeln und eine hohe Übereinstimmung zum Tumormaterial des Patienten aufweisen. Die Chemosensitivität, sowie die Resistenzmechanismen gegen die Inhibition des EGFR wurden von dem PDX Panel gut abgebildet. Somit zeigt diese Studie, dass PDX Modelle eine geeignete in vivo Plattform darstellen, um die Krebstherapie mittels Korrelationsanalysen zwischen Biomarkern und Therapieansprechen, der Identifikation neuer Biomarker sowie von molekularer Signaturen von Response oder Resistenz zu optimieren.
