Tumorspheres as an in vitro model for cancer stem-like cell characterization in non-small cell lung cancer. Prognostic implications

Abstract

[ES] El cáncer de pulmón es el tipo de cáncer más frecuentemente diagnosticado y la principal causa de muerte debida a cáncer en el mundo, con sólo un 15% de pacientes con una supervivencia mayor a 5 años tras el diagnóstico. La resección quirúrgica es el tratamiento estándar para los pacientes en estadios tempranos con un buen ECOG, pero el 75% de los pacientes son diagnosticados en estadios avanzados, cuando la intervención quirúrgica no es posible y entre un 35% y un 50% de los pacientes operados recaen tras una cirugía aparentemente exitosa. En los últimos años, se han logrado importantes avances en el desarrollo de la inmunoterapia y de tratamientos contra mutaciones conductoras, pero muchos pacientes todavía desarrollan resistencia, progresan y mueren. Esta resistencia terapéutica ha sido asociada a las células madre tumorales (CMTs), una población tumoral con propiedades de célula madre capaz de sobrevivir a las terapias convencionales y regenerar el tumor incluso cuando son indetectables. En esta tesis doctoral, se establecieron cultivos primarios de pacientes de cáncer de pulmón no microcítico (CPNM) resecados, usando ensayos de formación de tumoresferas para el enriquecimiento en CMTs y condiciones de adherencia para los controles. Las tumoresferas derivadas de pacientes mostraron capacidad de autorenovación y crecimiento exponencial ilimitado, alta resistencia a agentes quimioterápicos, capacidad de invasión y diferenciación in vitro y un elevado potencial tumorigénico in vivo. Usando PCR cuantitativa, se analizaron los perfiles de expresión de los cultivos y se determinó que NANOG, NOTCH3, CD44, CDKN1A, SNAI1 e ITGA6 eran los genes más diferencialmente expresados entre tumoresferas y células adherentes. Los análisis de inmunoblot e inmunofluorescencia confirmaron que las proteínas codificadas por estos genes se encuentran aumentadas en tumoresferas de los pacientes con adenocarcinoma y mostraron patrones de expresión y localización diferencial entre éstas y los controles en adherencia. El valor pronóstico de los genes significativamente sobreexpresados en tumoresferas fue evaluado in silico en una cohorte de 661 pacientes con CPNM procedente del TCGA. De todos ellos, CDKN1A, SNAI1 y ITGA6 mostraron estar relacionados con el pronóstico de los pacientes de acuerdo a un análisis de regresión de Cox y fueron seleccionados para construir una firma de expresión génica, denominada firma de CMTs. Los análisis de supervivencia por Kaplan-Meier mostraron que los pacientes con valores elevados de la firma tienen una supervivencia global (SG) menor para la cohorte completa de CPNM [37,7 vs. 60,40 meses, p = 0,001] y para la subcohorte de adenocarcinoma (ADC) [36,6 vs. 53,5 meses, p = 0,003], pero no para la de los epidermoides. Además, el análisis multivariante mostró que la firma de CMTs es un marcador pronóstico independiente para la SG de los pacientes en la cohorte completa [hazard ratio (HR): 1,498; intervalo de confianza (IC) 95%, 1,167-1,922; p = 0,001] y la subcohorte de ADC [HR: 1,869; IC 95%, 1,275-2,738; p = 0,001]. Esta firma fue también analizada en un grupo independiente de 245 pacientes procedentes del Consorci Hospital General Universitari de València, confirmando su valor pronóstico en los pacientes con ADC [42,90 vs. no alcanzado (NA) meses, p = 0,020]. En resumen, nuestros hallazgos aportan información pronóstica relevante para los pacientes con ADC de pulmón y establecen las bases para el desarrollo de nuevos tratamientos.

[CA] El càncer de pulmó és el tipus de càncer més diagnosticat i la principal causa de mort deguda a càncer en el món, amb només un 15% de pacients amb una supervivència major a 5 anys després del diagnòstic. La resecció quirúrgica és el tractament estàndard per als pacients en estadis primaris amb un bon ECOG, però el 75% dels pacients són diagnosticats en estadis avançats, quan la intervenció quirúrgica no és possible i entre un 35% i un 50% dels pacients operats recauen després d'una cirurgia aparentment satisfactòria. En els últims anys, s'han aconseguit importants avanços en el desenvolupament de la immunoteràpia i de tractaments contra mutacions conductores, però molts pacients encara desenvolupen resistència, progressen i moren. Aquesta resistència a les teràpies ha estat relacionada amb les cèl·lules mare tumorals (CMTs), una població tumoral amb propietats de cèl·lula mare capaç de sobreviure a les teràpies convencionals i regenerar el tumor fins i tot quan són indetectables. En aquesta tesi doctoral, es van establir cultius primaris de pacients de càncer de pulmó no microcític (CPNM) ressecats, usant assajos de formació de tumoresferes per a l'enriquiment en CMTs i condicions d'adherència per als controls. Les tumoresferes derivades de pacients van mostrar capacitat d'autorenovació, creixement exponencial il·limitat, alta resistència a agents quimioteràpics, capacitat d'invasió i diferenciació in vitro i un elevat potencial tumorigènic in vivo. Usant PCR quantitativa, es van analitzar els perfils d'expressió dels cultius i es va determinar que NANOG, NOTCH3, CD44, CDKN1A, SNAI1 i ITGA6 eren els gens més diferencialment expressats entre tumoresferes i cèl·lules adherents. Les anàlisis de immunoblot i immunofluorescència van confirmar que les proteïnes codificades per aquests gens es troben augmentades en tumoresferes dels pacients amb adenocarcinoma i van mostrar patrons d'expressió i localització diferencial entre aquestes i els controls en adherència. El valor pronòstic dels gens significativament sobreexpressats en tumoresferes va ser avaluat in silico en una cohort de 661 pacients amb CPNM procedent del TCGA. De tots ells, CDKN1A, SNAI1 i ITGA6 van mostrar estar relacionats amb el pronòstic dels pacients d'acord a una anàlisi de regressió de Cox i van ser seleccionats per a construir una signatura d'expressió gènica, denominada signatura de CMTs. Les anàlisis de supervivència per Kaplan-Meier van mostrar que els pacients amb valors elevats de la signatura tenen una supervivència global (SG) menor per a la cohort completa de CPNM [37,7 vs. 60,40 mesos, p = 0,001] i per a la subcohort d'adenocarcinoma (ADC) [36,6 vs. 53,5 mesos, p = 0,003], però no per a la dels escamosos. A més, l'anàlisi multivariant va mostrar que la signatura de CMTs és un marcador pronòstic independent per a la SG dels pacients en la cohort completa [hazard ratio, (HR): 1,498; interval de confiança (IC) 95%, 1,167-1,922; p = 0,001] i la subcohort d'ADC [HR: 1,869; IC 95%, 1,275-2,738; p = 0,001]. Aquesta signatura va ser també analitzada en un grup independent de 245 pacients procedents del Consorci Hospital General Universitari de València, confirmant el seu valor pronòstic en els pacients amb ADC [42,90 vs. no arribat (NA) mesos, p = 0,020]. En resum, els nostres resultats aporten informació pronòstica rellevant per als pacients amb ADC de pulmó i estableixen les bases per al desenvolupament de nous tractaments.

[EN] Lung cancer is the most commonly diagnosed type of cancer and the leading cause of cancer-related death worldwide, with approximately 15% of patients surviving 5 years after diagnosis. Curative surgery is the standard of care for early-stage patients with a good performance status, but 75% are diagnosed at advances stages, when surgery is not possible, and 35-50% of the resected patients relapse after an apparently successful surgical treatment. Significant advances in the development of therapies against driver mutations and immune-based treatments for these patients have been achieved in recent years, but many patients still develop treatment resistance, progress, and die. The high resistance against these therapies has been associated to cancer stem-like cells (CSCs), a population with stem properties which is able to survive after conventional treatments and regenerate tumor even when are undetectable. In this thesis, primary cultures from early-stage non-small cell lung cancer (NSCLC) patients were established, using sphere-forming assays for CSCs enrichment and adherent conditions for the control counterparts. Patient-derived tumorspheres showed self-renewal and unlimited exponential growth potentials, resistance against chemotherapeutic agents, invasion and differentiation capacities in vitro, and superior tumorigenic potential in vivo. Using RTqPCR, gene expression profiles were analyzed, and NANOG, NOTCH3, CD44, CDKN1A, SNAI1, and ITGA6 were selected as the best contributors to distinguish tumorspheres from adherent cells. Immunoblot and immunofluorescence analyses confirmed that proteins encoded by these genes were consistently increased in tumorspheres from adenocarcinoma patients and showed differential localization and expression patterns. The prognostic role of genes significantly overexpressed in tumorspheres was evaluated in silico in a cohort of 661 NSCLC patients from TCGA. Based on a Cox regression analysis, CDKN1A, SNAI1 and ITGA6 were found to be associated with prognosis and used to calculate a gene expression score, named CSCs score. Kaplan-Meier survival analysis showed that patients with high CSCs score have shorter overall survival (OS) in the entire cohort [37.7 vs. 60.4 months, p = 0.001] and in the adenocarcinoma (ADC) subcohort [36.6 vs. 53.5 months, p = 0.003], but not in the squamous cell carcinoma one. Multivariate analysis indicated that this gene expression score is an independent biomarker of prognosis for OS in both, the entire cohort [hazard ratio (HR): 1.498; 95% confidence interval (CI), 1.167-1.922; p = 0.001], and the ADC subcohort [HR: 1.869; 95% CI, 1.275-2.738; p = 0.001]. This score was also analyzed in an independent group of 245 patients from Consorci Hospital General Universitari de València, confirming its prognostic value in the ADC subtype [42.90 vs. not reached (NR) months, p = 0.020]. In conclusion, our findings provide relevant prognostic information for lung ADC patients and the basis for developing novel therapies.