Molecular markers of breast cancer metastasis
Weigelt, B.
Publication date
2005
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Citation for published version (APA):
Weigelt, B. (2005). Molecular markers of breast cancer metastasis.
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Zusammenfassung
Brustkrebs ist die haufigste Krebs-erkrankung der Frau in der westlichen Welt. Die Todesursache von Brustkrebs ist jedoch nicht der primare Tumor in der Brust, sondern die Ansiedlung von verschleppten Krebszellen in lebens-wichtigen Organen wie die Leber, Lunge oder das Gehirn. Diese Tochterge-schwülste, sogenannte Metastasen, treten bei ungefahr 40% aller Patientinnen mit Brustkrebs auf. Die Vorbeugung und Bekampfung der tödiichen Ausbreitung von Krebszellen durch den Körper ist somit das wichtigste Ziel bei der Behandlung von Brustkrebs. In der Klinik werden verschiedene prognostische Indikatoren benutzt, um Patiënten mit einem erhöhten Metastase-Risiko zu identifizieren, die anschlieBend eine erganzende (adjuvante) medikamentöse Therapie erhalten sollten (Chemotherapie oder hormonale Behandlung). Für Brustkrebs gibt es keine einheitliche TherapiemaBnahme, da auch zunachst scheinbar gleiche Tumorerkrankungen unterschiedlich verlaufen können. Keiner der heutzutage bewahrten prognos-tischen Marker, wie zum Beispiel TumorgröGe, Tumorzellbefall der axillaren
Lymphknoten oder Differenzierungsgrad des Tumors, kann einer individuellen Patientin exakt voraussagen, ob der Brusttumor metastasieren wird oder nicht (besprochen in Kapitel 1). Stattdessen können diese Faktoren nur eine grobe Einschatzung des Metastasierungs-Risikos geben.
Um bessere prognostische Faktoren und neue therapeutische Angriffspunkte zu identifizieren, ist es unerlasslich, den auGergewöhnlich komplexen Prozess der Metastasierung zu verstehen. Bevor sich eine Tumorzelle in ein Organ einnisten und zu einer klinisch
feststellbaren Lasion auswachsen kann, muss diese eine Reihe von Schritten bewaltigen: das Durchbrechen durch die extrazellulare Matrix, den Eintritt in die BlutgefaSe, das Überleben im Blutstrom, Austritt aus den BlutgefaGen in ein Organ, sowie die Entwicklung einer eigenen Blutversorgung sind dafür unerlasslich. Eine weit akzeptierte Hypothese ist, dass Metastasen aus einigen wenigen Zeilen im primeren Tumor entstehen, die in einem spaten Stadium der Tumorentwicklung zusatzliche genetische Veranderungen erworben haben. Dadurch wird es diesen besonderen Zeilen ermöglicht, die gesamte Metastasierungs-Kaskade zu durchlaufen (besprochen in Kapitel 1).
Diese Doktorarbeit beschreibt zwei Ansatze, um neue Einsichten in die Biologie der Metastasierung zu erwerben: Erstens sind der Nachweis und die prognostische Bedeutung disseminierter Brustkrebszellen, der direkten Ursache von Fernmetastasen, dargestellt. Zweitens sind die Genexpressionsmuster primarer Mammakarzinome und deren zugehöriger Metastasen beschrieben.
lm Gegensatz zu den prognos-tischen Markern, die im primeren Tumor detektiert werden, gibt der Nachweis von zirkulierenden Tumorzellen im Blut dynamische Informationen bezüglich der klinischen Entwicklung des metastatischen Prozesses preis.
In Kapitel 2 beschreiben wir die Entwicklung eines neuen, auf mRNA basierten Testsystems für die Detektion von Tumorzellgenen mit Hilfe quantitativer Echtzeit-PCR und vier Makergenen. Zwei der verwendeten Gene, p1B and PS2, wurden in unserer SAGE-Analyse identifiziert als Gene, die unterschiedlich zwischen Mammakarzinomen und Blut
und Knochenmark exprimiert werden. Die zwei anderen Gene, CK19 und EGP2, dahingegen wurden bereits vorher erfolgreich durch uns und andere Forschungsgruppen verwende! Mit Hilfe einer quadratischen Diskriminanzanalyse, die alle vier Markergene berücksichtigt, haben wir eine erhöhte Markergen-Expression in Blut von 30/103 Patien-tinnen mit metastasiertem Mamma-karzinom nachweisen können (29%), wahrend keine erhöhten Expressionswerte im Blut von 96 gesunden Frauen gefunden wurden.
In Kapitel 3 zeigen wir, dass Patientinnen mit fortgeschrittenem Brust-krebs signifikant schlechtere Aussichten auf ein progressionsfreies Überleben haben und eine verkürzte Lebensdauer aufweisen, wenn Tumorzell-mRNA im Blut nachgewiesen werden kann. Das entwickelte Testsystem hat daher eine klare biologische Bedeutung und spiegelt die Anwesenheit disseminierter Tumor-zeilen wider. Ob der Nachweis von zirkulierenden Krebszellen auch im Frühstadium des Mammakarzinoms für die zukünftige Diagnose und Behandlung der Krankheit von Bedeutung ist, muss jedoch noch weiter untersucht werden.
Aufgrund der überzeugenden Ergebnisse, die wir mit Hilfe unseres auf mRNA basierten Testsystems erhalten haben, haben wir einen ahnlichen Test für den Nachweis von Brustkrebszellen in Lymphknoten entwickelt (Kapitel 4). Heutzutage stellt das Vorliegen von Lymphknotenmetastasen zum Zeitpunkt der Krebsdiagnose den bisher wichtigsten negativen Prognosefaktor für den Krank-heitsverlauf dar. Urn eine representative Aussage über den sogenannten Nodalstatus (= Lymphknoten befallen oder nicht befallen) treffen zu können, wurden bisher bei der Standardbehandlung alle Lymphknoten aus der Achselhöhle entfernt. Eine weniger drastische Methode, um den Lymphknotenbefall zu
untersuchen, ist die Wachterlymphknoten-Technik. Bei dieser Prozedur wird der erste Achsellymphknoten, der im Abfluss der Brust liegt, und damit auch der Ort mit der wahrscheinlichsten Metastasierung darstellt, durch Markierungssubstanzen identifiziert und gezielt entnommen. Bei einem unauffalligem Befund kann von einer Entfemung der Achsellymphknoten abgesehen werden. Mit Hilfe eines sensitiven Echtzeit-PCR Tests von vier Markergenen (CK19, p1B, EGP2 und SBEM) zeigten sieben der 70 untersuchten Lymphknoten (10%), die nach standardisierter histologischer Unter-suchung tumorfrei waren, eine erhöhte Expression dieser Markergene, was auf die Prasenz von disseminierten Brust-krebszellen hindeutet. In vier der sieben Wachterlymphknoten mit einem positiven PCR Test wurden nach zusatzlichen histologischen Untersuchungen tatsachlich Tumorzellen gefunden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Anwendung unserer Technik von klinischer Relevanz sein kann.
Um neue Kenntnisse über die molekularen Mechanismen der Ent-stehung von Metastasen zu erwerben, haben wir die Genexpressionsprofile von primeren Tumoren und den zugehörigen Metastasen bestimmt. In Kapitel 5 zeigen wir, dass Metastasen, die erst mehrere Jahre nach der Entfernung des Primartumors detektiert werden können, das gleiche Expressionsprofil wie ihre Stammtumore haben. AuBerdem konnte kein allgemeines Set von Genen identifiziert werden, das alle primare von den metastatischen Brusttumoren unter-scheiden konnte. Dieses könnte auf die kleine ProbengröBe und auf die verschiedenen Metastasenorte, die analysiert wurden, zurückgeführt werden. Die Gene, die unterschiedlich zwischen Primartumoren und Metastasen in den einzelnen Paaren exprimiert werden, sind
hauptsachlich spezifisch für die Organe, aus welchen die Metastasen entnommen wurden.
Unsere Ergebnisse stellen das herrschende Metastasierungsmodell in Frage und implizieren, dass die genetischen Veranderungen in einem Primartumor, welche Metastasierung begunstigen, viel früher in der Tumor-entwicklung stattfinden als bisher angenommen. AuBerdem spricht unsere Studie gegen das Konzept, dass bei der Translokation einer Tumorzelle zu einem fernen Organ im Körper groGe Veranderungen in der Genexpression des Tumors stattfinden. Nach unseren Ergebnissen sind die Veranderungen in der Genexpression einer metastatischen Kolonie verglichen mit dem primeren Tumor viel subtiler als erwartet (Kapitel
6)-Zwei wichtige Studiën haben von der Mikroarray - Technologie Gebrauch gemacht, urn humane Brusttumore auf-grund ihrer Genaktivitat zu klassifizieren. Dabei wurden neue Gruppen von Brusttumoren identifiziert, die von groBer Bedeutung für die Behandlung von Patiënten sein können. Brusttumore, die mit hierarchischem Clustering von Expres-sionsmustern der 'intrinsischen' Gene analysiert wurden, konnten in mindestens vier molekulare Subtypen eingeteilt werden. Diese molekularen Subtypen sind mit signifikant unterschiedlichen Krankheitsverlaufen assoziiert (Perou er
al., Nature 406, 2000; Sorlie et al., PNAS
98, 2001). Mit Hilfe einer 'supervisierten' Klassifikation wurde eine 70-Gen-Signatur identifiziert, die wesentlich genauer als bisher das spatere Entstehen oder Fernbleiben von Metastasen innerhalb von fünf Jahren in jungen Brustkrebspatienten vorhersagen kann (van 't Veer et al., Nature 415, 2002). In Kapitel 7 zeigen wir, dass Metastasen nicht nur das Gesamt-Expressionsprofil, sondern auch dieselben molekularen
Brustkrebs-Subtypen und die 70-Gen-Signatur auf-zeigen wie ihr Primartumor. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fahigkeit eines Mammakarzinoms, Fern-metastasen bilden zu können, schon früh in der Tumorentwicklung festgelegt wird.
Die axillaren Lymphknoten sind oft die ersten Stellen, die Metastasen des Primartumors beherbergen. Wir konnten zeigen, dass primare Mammakarzinome und Lymphknotenmetastasen sich auf transkriptioneller Ebene nicht durch eine gemeinsame Gengruppe voneinander unterscheiden. Jedoch können wir subtile Unterschiede in der Expression von Genen, die bei Umgestaltung der extrazellularen Matrix, den Zell-Matrix Wechselwirkungen und bei der Signalwirkung von Wachstumsfaktoren eine Rolle spielen, in den individuellen Paaren von primeren und metastatischen Tumoren nachweisen (Kapitel 8). Unsere Daten suggerieren, dass primare Mammakarzinome unikale und komplizierte 'Organe' sind, die individuelle Gensets verwenden können, urn zu den Lymphknoten zu metasta-sieren. Darüber hinaus konnten in dem Datensatz von 295 Brustkrebs Patiënten, der 151 negative und 144 nodal-positive Patiënten umfasst (van de Vijver
et al., N Engl J Med 347, 2002), keine
Expressionsmuster nachgewiesen werden, die den Nodalstatus in der Achselhöhle voraussagen können. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Metasta-sierung zu den Lymphknoten unabhangig von der hamatogenen Metastasierung stattfindet. Somit ist der Lymphknoten-Status ein wenig verlasslicher Pradiktor des Krankheitsverlaufs bei Brustkrebs-patientinnen.
Die in dieser Doktorarbeit beschrie-benen Experimente zeigen, dass die Prasenz von mRNAs, die von zirku-lierenden Tumorzellen stammen konnten, mit einer quantitativen Multimarker PCR-Analyse in Blut und Lymphknoten
nachgewiesen werden können. Darüber hinaus suggerieren unsere Ergebnisse, dass die Prasenz von zirkulierenden Tumorzellen im Blut von prognostischer
Bedeutung sind. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit haben auBerdem zum weiteren Verstandnis des Metastasierungs-prozesses beigetragen, da wir gezeigt haben, dass die allgemeinen Expressions-muster, die molekularen Brustkrebs-Subtypen sowie die 70-Gen-Signatur eines primeren Mammakarzinoms wahrend der Metastasierung erhalten bleibt.
Gegen-wartig herrscht ein erhebliches Interesse an Genexpressionsanalysen, urn den Erfolg einer Therapie voraussagen zu können, was einen weiteren Schritt in die Richtung der 'personalisierten Medizin' für die Behandlung von Brustkrebs darstellt. Die Daten, die in dieser Doktorarbeit prasen-tiert werden, implizieren, dass Therapie-empfehlungen, die auf Expressions-mustern des Primartumors basieren, eine vielversprechende Vorgehensweise für das Bekampfen von Mikrometastasen sind.
