German Title: Die Regulation der Expression von ABCB1 ist ein mögliches therapeutisches Ziel in Chemotherapie-resistentem Bauchspeicheldrüsenkrebs

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Abstract

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is an aggressive and lethal disease with a miserable prognosis. Chemotherapeutic regimens, like FOLFIRINOX or gemcitabine plus nab-paclitaxel remain the standard treatment of care in patients diagnosed with PDAC while only achieving a modest increase in overall survival. Transcriptional subtyping of PDAC discerns tumors into two broad lineages which provides the opportunity to improve patient stratification and treatment, but has not been translated into clinical practice yet. Meanwhile, resistance to chemotherapy continues to be the limiting factor that prevents a patient’s cure from cancer and finding improved therapeutic options could overcome resistance of PDAC to current treatment regimens. With our previously established culturing model for patient-derived PDAC cells, we could investigate the development of resistance to paclitaxel and/or gemcitabine in the different subtypes. We developed a long-term treatment regime that enabled the generation of drug-resistant cells which were analyzed in a multi-omics approach. ATP-binding cassette (ABC) transporter B1 (ABCB1), a membrane-bound glycoprotein that is predominantly expressed in excretory tissue and a common resistance mechanism against paclitaxel in various tumor entities, was found to be overexpressed in all paclitaxel-resistant cells. CRISPR/Cas9-guided knockout and pharmacological inhibition re-sensitized these drug resistant cancer cells to paclitaxel. We found ABCB1 to be heterogeneously expressed in the paclitaxel resistant cell population and expression was lost after prolonged absence of paclitaxel treatment. Short-term drug treatment dynamically increased the proportion of ABCB1-expressing cells in former paclitaxel resistant cell population, re-acquiring paclitaxel-resistance. In of the paclitaxel resistant cell lines, expression of ABCB1 was further enhanced by de novo generation of extrachromosomal DNA (ecDNA), carrying the ABCB1 gene. Similar to ABCB1 gene expression, number ecDNA inside paclitaxel resistant cells was dynamically increased upon paclitaxel treatment. These findings describe a dual mechanism for acquired ABCB1 expression that is dependent on paclitaxel treatment and leads to the induction of ABCB1 expression and amplification of ABCB1-carrying ecDNA.

Translation of abstract (German)

Das duktale Pankreaskarzinom (PDAC) ist eine aggressive und tödliche Krankheit mit schlechter Prognose für die betroffenen Patienten. Die chemotherapeutische Behandlung mit FOLFIRINOX oder Gemcitabine plus nab-Paclitaxel bleibt die Standardtherapie bei Patienten mit PDAC, wobei diese Behandlungen nur zu einer geringfügigen Steigerung der Überlebensspanne führen. Die transkriptionelle Klassifizierung unterteilt PDAC in zwei große Linien, was die Möglichkeit bietet, die Patientenstratifizierung und -behandlung zu verbessern, jedoch noch nicht in die klinische Praxis umgesetzt wurde. Weiterhin ist die Resistenz gegen Chemotherapie der limitierende Faktor, der die Heilung eines Patienten von Krebs verhindert. Die Suche nach verbesserten therapeutischen Methoden könnte die Resistenz von PDAC gegen aktuelle Behandlungsschemata überwinden. Mit unserem zuvor etablierten Kultivierungsmodell für von Patienten stammende PDAC-Zellen konnten wir die Entwicklung der Resistenz gegen Paclitaxel und/oder Gemcitabin in den verschiedenen Subtypen untersuchen. Wir entwickelten ein Langzeit-Behandlungsregime, das die Generierung von medikamentenresistenten Zellen ermöglichte, die auf transkriptioneller und genomischer Ebene analysiert wurden. Wir konnten zeigen, dass der ATP-bindende Kassetten (ABC)-Transporter B1 (ABCB1), ein membrangebundenes Glykoprotein, das vorwiegend im exkretorischen Gewebe exprimiert wird und ein häufiger Resistenzmechanismus gegen Paclitaxel in verschiedenen Tumorentitäten ist, in allen Paclitaxel-resistenten Zellen überexprimiert ist. CRISPR/Cas9-gesteuerter Knockout und pharmakologische Hemmung re-sensibilisierten diese medikamentenresistenten Krebszellen gegenüber Paclitaxel. Wir fanden heraus, dass ABCB1 in der Paclitaxel-resistenten Zellpopulation heterogen exprimiert wird und die Expression nach längerer Nichtbehandlung mit Paclitaxel verloren ging. Eine kurzzeitige medikamentöse Behandlung erhöhte in dynamischer Weise den Anteil der ABCB1-exprimierenden Zellen in der ehemals Paclitaxel-resistenten Zellpopulation und führte zur Wiederherstellung der Paclitaxel-Resistenz. In einer der Paclitaxel-resistenten Zelllinien wurde die Expression von ABCB1 durch de novo-Generierung von extrachromosomaler DNA (ecDNA), die das ABCB1-Gen trägt, weiter verstärkt. Ähnlich wie bei der ABCB1-Genexpression konnte die Anzahl der ecDNA innerhalb der Paclitaxel-resistenten Zellen durch Paclitaxel-Behandlung dynamisch reguliert werden. Diese Befunde beschreiben einen dualen Mechanismus für die erworbene Expression von ABCB1, der über die Paclitaxel-Behandlung reguliert wird und zur Induktion der ABCB1-Expression und zur Vermehrung der ABCB1-tragenden ecDNA führt.