Intratumorální heterogenita a plasticita nádorů prsu

Mgr. Barbora Kvokačková, Ph.D.

Doctoral thesis

Intratumoral heterogeneity and plasticity in breast cancer

Abstract:

Nádory prsu vykazují významnou buněčnou heterogenitu, která může ovlivnit průběh onemocnění a odpověď na léčbu. Heterogenní populace nádorů a mikroprostředí definované odlišnými genetickými a fenotypovými profily mají různé vlastnosti ovlivňující růst nádoru a šíření metastáz spolu s různou citlivostí na léčiva. Proto mohou pouze určité podskupiny buněk v rámci nádoru podporovat jeho růst a bránit účinné léčbě. Jedním z obecně akceptovaných mechanismů, které přispívají k intratumorální heterogenitě, je epiteliálně-mezenchymální plasticita (EMP) řízená epiteliálně-mezenchymálním přechodem (EMT) a jeho reverzním programem mezenchymálně-epiteliálním přechodem (MET). Oba procesy umožňují buňkám dynamicky přepínat mezi různými fenotypovými stavy, a tím dosahovat agresivní kondice nezbytné pro progresi onemocnění. Triple-negativní karcinom prsu (TNBC) je vysoce heterogenní podtyp karcinomu prsu, který je známý svou špatnou prognózou, vysokým rizikem výskytu metastáz a recidiv a absencí dobře definovaných molekulárních cílů pro léčbu. Proto je třeba nalézt nové biomarkery a terapeutické cíle. Dosud není známo, které buňky v heterogenních nádorech TNBC určují jeho agresivní chování. Proto, abychom pochopili, buněčnou heterogenitu TNBC a dali fenotyp jednotlivých populací do kontextu s klinickými parametry pacientek, jsme vyvinuli platformu pro proteomickou analýzu jednotlivých buněk, která umožnila komplexní multiparametrický popis primárních TNBC nádorů pomocí hmotnostní cytometrie. Profilovali jsme expresi znaků nádorových buněk, buněk mikroprostředí nádorů a signálních molekul u 26 primárných TNBC vzorků získaných z neléčených pacientek. Nádory TNBC obsahovaly fenotypově odlišné subpopulace nádorových a stromálních buněk, které byly spojeny s novým indexem Ki-67+LNR, sloužícím jako zástupný prognostický parametr. Dále jsme zjistili, že úroveň exprese proteinu CD97 v nádorových buňkách může předpovídat nepříznivější klinický výsledek. Abychom dále prozkoumali vliv EMT/MET plasticity na intratumorální heterogenitu a progresi onemocnění, popsali jsme EMT/MET stav nádorových buněk v kohortě primárních nádorů prsu pomocí multiparametrického profilování povrchových proteinů. Identifikovali jsme odlišné EMT/MET fenotypy nádorových buněk, včetně mezenchymální populace vykazující profil CD29/CD44/ITGB5 high a EpCAM/CD49f low a epiteliální populace s inverzním povrchovým fenotypem. Následná transkriptomická analýza separovaných epiteliálních a mezenchymálních populací ze vzorků nádorů získaných z pacientek s karcinomem prsu potvrdila jejich EMT status i na genové úrovni. Obě EMT populace vykazovaly odlišný globální genový profil, který byl spojen se specifickými biologickými funkcemi a agresivními charakteristikami karcinomu prsu. Vzhledem k těmto výsledkům předpokládáme, že získaný povrchový profil EMT/MET znaků účinně zachycuje odlišné fenotypově definované subpopulace, které vykazují jedinečné profily genové exprese. Závěrem, tato disertační práce potvrzuje významný vliv nádorové heterogenity a EMP plasticity na biologii karcinomu prsu a prognózu pacientů. Tyto výsledky nabízejí možný směr k nalezení nových terapeutických cílů pro rakovinu prsu v budoucnu.

Abstract:

Breast tumors exhibit significant cellular heterogeneity that influences patient prognosis and treatment outcomes. Heterogeneous cancer and microenvironmental populations defined by their distinct genetic and phenotypic profiles possess different traits required for tumor growth and metastatic dissemination along with various drug sensitivities. Therefore, only certain subsets of cells within tumor may fuel its growth and impede effective therapy. One of the widely accepted mechanisms that contributes to intratumoral heterogeneity is epithelial-mesenchymal plasticity (EMP) driven by epithelial-mesenchymal transition (EMT) and its reverse mesenchymal-epithelial transition (MET) program. Both mechanisms permit cells to dynamically switch between different cellular states, thereby achieving aggressive fitness necessary for disease progression. Triple-negative breast cancer (TNBC) is highly heterogeneous subtype of breast carcinoma known for its poor prognosis, high risk of metastatic incidence and recurrence rates, and absence of well-defined molecular targets for treatment. Thus, there is a need for development of new biomarkers and druggable therapeutic targets. To date, it remains unknown which cells in heterogeneous TNBC tumors determine its aggressive behavior. Therefore, to understand the cellular heterogeneity of TNBC and to put the phenotype of different populations in context with the clinical parameters of patients, we developed a single-cell proteomics platform that allowed comprehensive multiparametric analysis of TNBC primary tumors using mass cytometry. We profiled 26 treatment-naïve primary TNBC specimens for different tumor and microenvironmental populations and cancer-related signaling molecules. The TNBC tumors contained phenotypically distinct subpopulations of cancer and stromal cells that were associated with the novel Ki-67+LNR index, serving as a surrogate prognostic parameter. Furthermore, we found that the level of CD97 protein expression in tumor cells may predict an unfavorable clinical outcome. Given the profound impact of EMP on intratumoral heterogeneity and disease progression, we further focused on describing EMT/MET status of cancer cells in a cohort of primary breast tumors using multiparametric surface protein profiling. We identified distinct EMT/MET phenotypes of tumor cells, including mesenchymal population displaying CD29/CD44/ITGB5 high and EpCAM/CD49f low profile and epithelial population with inverse surface phenotype. Subsequent transcriptomic analysis of sorted epithelial and mesenchymal populations from tumors obtained from breast cancer patients confirmed their EMT status also on gene level. The two EMT populations exhibited distinct global gene fingerprint that was associated with specific biological functions and aggressive characteristic of breast cancer. Considering this data, we propose that the established EMT/MET surface signature effectively captures distinct phenotypically defined subpopulations that exhibit unique transcriptomic patterns. In conclusion, this PhD thesis emphasizes the significant impact of tumor heterogeneity and EMP plasticity on breast cancer biology and patient prognosis. These results offer a possible avenue for finding novel breast cancer therapeutic targets in future.

Keywords

karcinom prsu, heterogenita nádoru, fenotypová plasticita, hmotnostní cytometrie, profily na úrovni jednotlivých buněk, epiteliálně-mezenchymální přechod, breast cancer, tumor heterogeneity, phenotypic plasticity, mass cytometry, single-cell profiles, epithelial-to-mesenchymal transition

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 8. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 22. 9. 2023
• Supervisor: Mgr. Karel Souček, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Roman Hrstka, Ph.D., Prof. Dr. rer. nat. Regine Schneider-Stock

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Animal physiology, immunology and developmental biology / Animal physiology, immunology and developmental biology