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Investigation of Molecular Mechanisms of Therapy Resistance in Lung Cancer by Mathematical Modeling

Salopiata, Florian

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Abstract

Lungenkrebs verursacht weltweit die meisten krebsbedingten Todesfälle. Aufgrund der späten Diagnose und frühen Metastasenbildung sind die meisten Patienten inoperabel und systemische Therapien wie Chemotherapie müssen angewendet werden. Patienten mit aktivierender Mutation in dem epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) können zielgerichtete Therapien mit Tyrosinkinaseinhibitoren (TKIs) gegen EGFR erhalten. Viele Chemotherapie-Patienten leiden an Anämie und müssen z.B. mit Erythropoese-stimulierenden Substanzen (ESAs) behandelt werden, die möglicherweise jedoch Resistenz gegen die Chemotherapie induzieren. Auch viele Lungenkrebs-Patienten, die mit EGFR-TKIs behandelt werden, entwickeln schnell Therapieresistenz, die durch verstärkte Expression einer verwandten Rezeptor-Tyrosinkinase, des Hepatozytenwachstumsfaktor (HGF)-Rezeptors MET, vermittelt werden kann. Um die komplexen Mechanismen der Therapieresistenz zu verstehen, wurde in dieser Arbeit ein systembiologischer Ansatz angewendet. Um die unterschiedlichen Antworten von ESAs auf gesunde oder Tumor-Zellen zu untersuchen, wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das Zelltyp-spezifische Unterschiede identifizieren und mögliche Zielstrukturen vorhersagen kann, die Tumorzellen, aber nicht gesunde erythroide Vorläuferzellen inhibieren. Es wurde nachgewiesen, dass der Erythropoietin-Rezeptor von Endothelzellen bei ESA-Stimulation phosphoryliert wird, was zu einer erhöhten Vaskularisierung und Zugänglichkeit von Chemotherapeutika in Xenograft-Mausmodellen führt. Um eine optimierte ESA-Dosis für unter Anämie leidende Krebspatienten zu bestimmen, wurde ein mathematisches Modell des ESA-Abbaus und der induzierten Signalaktivierung von STAT5 entwickelt. Es wurde gezeigt, dass ESAs mit einer niedrigen Bindungsaffinität Tumorzllen weniger induzieren als gesunde erythroide Vorläuferzellen. Sie wurden daher als sicherere Behandlungsoption von Chemotherapie-bedingter Anämie vorgeschlagen. Um den Mechanismus der MET-vermittelten Resistenz gegen EGFR-TKIs zu identifizieren, wurde die Aktivierung von Signaltransduktionskomponenten in zwei Lungenkrebszelllinien nach Stimulation mit EGF, HGF oder Co-Stimulation zeit- und dosisaufgelöst gemessen. Eine Zelltyp-spezifische verstärkte Aktivierung von MET unter Co-Stimulation wurde beobachtet. Unter Verwendung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der zellspezifischen Dynamik und unter Verwendung von Einzelmolekül-Mikroskopie konnte die Bildung von EGFR:MET-Heterodimeren mit einer reduzierten Internalisierungsrate als zugrunde liegender Mechanismus identifiziert werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass das EGFR zu MET Expressionsverhältnis den Umfang der Verstärkung bestimmt und dass dieser Effekt die Wirksamkeit von EGFR-TKIs durch Inhibierung der Heterodimere beeinflusst. Es wurde gezeigt, dass die Wirksamkeit von EGFR-TKIs durch eine Verringerung der Expression von MET durch den pharmakologischen Antikörper MM-131 erhöht wird. Dieser Mechanismus legt eine Verwendung des EGFR/MET-Expressionsverhältnises zur Patientenstratifizierung nahe und sagt neuartige Kombinations-Behandlungen zur Reduzierung von Therapieresistenz vorher. Zusammengefasst liefert diese Arbeit verschiedene neue Einblicke in Mechanismen der Signaltransduktion, welche die Wirksamkeit von EGFR-TKIs und ESAs beeinflussen, und schlägt Strategien vor um das Ansprechen auf die Therapien zu erhöhen.

Translation of abstract (English)

Lung cancer is the leading cause of cancer-related deaths world-wide. Due to late diagnosis and early metastatic spread most patients cannot undergo surgery and systemic therapies have to be applied. Most of those patients receive chemotherapy and patients with activating mutation in the epidermal growth factor receptor (EGFR) can receive targeted therapies with tyrosine kinase inhibitors (TKIs) against EGFR. In case of chemotherapy, many patients suffer from anemia and have to be treated e.g. with erythropoiesis stimulating agents (ESAs). Yet, treatment with ESAs is suspected to induce resistance against the chemotherapeutic drug. Many lung cancer patients treated with EGFR-TKIs also rapidly develop therapy resistance against the treatment. This resistance can be mediated by upregulation of a related receptor tyrosine kinase, the hepatocyte growth factor (HGF) receptor MET. To understand the complex mechanisms leading to therapy resistance, a systems biology approach was applied in this work. To investigate the differential responses of ESAs on healthy or tumor cells, a mathematical model was developed that identifies cell type-specific differences and that predicts possible targets for combinational therapies to inhibit survival signaling in tumor cells, but not in healthy erythroid progenitors. Evidence was obtained that the erythropoietin receptor of endothelial cells is phosphorylated upon ESAs stimulation leading to increased vascularization and accessibility of chemotherapeutics in xenograft mouse models. To determine an optimal ESA dose for each anemic cancer patient, a mathematical model of ESAs depletion and induced signal transducer and activator of transcription (STAT)5 signal activation was developed. It was shown on the phosphorylation level of STAT5 that ESAs with a low binding affinity such as the pegylated CERA induce tumor cells less than healthy erythroid progenitors compared to ESAs with a high binding affinity such as Epoβ. Therefore, ESAs with low binding affinity were proposed as safer option to treat chemotherapyrelated anemia. To identify the mechanism causing MET-mediated resistance against EGFR-TKIs, time- and doseresolved activation of signal transduction components in two non-small-cell lung cancer cell lines was measured upon stimulation with EGF, HGF or co-stimulation. A cell type-specific enhanced activation of MET upon co-stimulation was observed. Using a mathematical model to describe the cell-specific dynamics and using single-molecule live-cell microscopy, it could be identified that formation of EGFR:MET heterodimers with a reduced internalization rate is the mechanism leading to enhanced activation of MET upon co-stimulation. Further, it was shown that the EGFR to MET protein expression ratio determines the strength of the enhancement explaining the observed cell type specificity. This effect was found to influence efficacy of EGFR-TKIs by the formation of TKI-inhibited heterodimers. It was shown that by decreasing the expression of MET by the pharmacologic antibody MM-131, the efficacy of EGFR-TKIs is increased suggesting an EGFR/MET expression ratio-based patient stratification and novel combinatorial treatments to reduce therapy resistance. In sum, this work provides several new insights into mechanisms of signal transduction of cancer cells affecting EGFR-TKI efficacy and ESA safety and suggests mechanism-based treatment strategies to increase the therapy response.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klingmüller, Prof. Dr. Ursula
Date of thesis defense: 19 December 2017
Date Deposited: 14 May 2018 09:20
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
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