Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2354
Authors: Castven, Darko
Title: Patient-derived cancer cells to dissect the molecular basis of treatment response in primary liver cancer: a mechanistic and functional approach
Online publication date: 30-Oct-2019
Language: english
Abstract: Hepatocellular carcinoma (HCC) and cholangiocarcinoma (CCA) are two major types of primary liver cancers (PLC), ranking among the deadliest cancers worldwide with poor overall survival rates. Lack of clinical symptoms and effective biomarkers for early detection are main causes of late diagnosis. Despite identification of several potentially drugable targets and subsequent development of next-generation targeted therapies, translation of these findings into clinical practice remains challenging. Further, there is a lack of models that truly and accurately represent morphological and molecular heterogeneity of original tumors. Therefore, development of primary culture models that closely recapitulate phenotypic and molecular diversities of PLC is urgently needed to support a translation from laboratory studies to the bedside and improve patient outcome. In the here presented thesis, we report successful establishment and detailed characterization of seven patient-derived liver cancer cell lines (PDCL) from HCC and intrahepatic CCA. Morphological and histological characteristics of obtained cell lines and xenograft tumors were analyzed and compared to original tumors. Tumor grading and genomic stability were further assessed to determine background setting for successful PDCL establishment. Time course analyses of transcriptomic and genomic changes were performed using next-generation sequencing (NGS) to characterize and generate molecular profiles of newly derived PDCL and investigate how accurately they recapitulate original cancer tissue. Key oncogenic alterations were identified by targeted NGS and cell lines carrying potentially actionable mutations were treated with corresponding specific inhibitors. Long-term cultivation effect on treatment response to classic chemotherapeutics was monitored. Our results show that PDCL fully resembled morphological features of the primary cancers in vitro and in vivo over extended period in culture. We also provide evidence that less differentiated tumors with higher genomic instability possess a higher likelihood of successful PDCL establishment. Genomic analyses confirmed that PDCL retain similar profile as corresponding primary tumors during long-term culturing. Targeted-NGS demonstrated that key oncogenic alterations such as TP53, KRAS, CTNNB1 as well as actionable mutations (e.g. MET, KIT, KDR) were highly conserved in PDCL and amenable for individualized therapeutic approaches. Integrative genomic and transcriptomic approaches further demonstrated that PDCL more closely resemble molecular and prognostic features of PLC than established cell lines. Our integrative analysis demonstrates that PDCL represents refined model for discovery of relevant molecular subgroups and exploration of precision medicine approaches for the treatment of primary liver cancer.
Zusammenfassung Primäre Lebertumore (PLC) zählen zu den häufigsten und tödlichsten Krebsarten weltweit. Klinisch werden PLCs in Hepatozelluläre Karzinome (HCC) und Cholangiokarzinome (CCA) unterteilt. Fehlende spezifische Symptome und verlässliche Biomarker für eine Früherkennung sind Hauptgründe für eine späte Diagnose, so dass die Möglichkeit von kurativen Therapieverfahren meist begrenzt ist. Trotz der Identifizierung mehrerer potenzieller Zielmoleküle und Entwicklung zielgerichteter Therapien bleibt die Translation dieser Ergebnisse in die klinische Praxis eine Herausforderung. Zudem gibt es keine verlässlichen Modelle, die morphologische und molekulare Heterogenität der ursprünglichen Tumore umfänglich und präzise widerspiegeln. Die Entwicklung von Primärkulturmodellen, welche die phänotypischen und molekularen Eigenschaften von PLC rekapitulieren, ist dringend erforderlich für eine erfolgreiche Übertragung der Ergebnisse von Laboruntersuchungen in die klinische Praxis. In der hier vorliegenden Arbeit wurden sieben neue Patienten-abgeleitete Leberkrebszelllinien (patient-derived cell lines; PDCL) erfolgreich generiert und umfassend charakterisiert. Die morphologischen und histologischen Eigenschaften der Zelllinien sowie der entsprechenden Xenograft-Tumore wurden analysiert und mit den ursprünglichen Tumoren verglichen. Tumor-Grading und die genomische Stabilität wurden erfasst, um die Voraussetzungen für eine erfolgreiche PDCL-Etablierung zu bewerten. Zur Erstellung von molekularen Profilen der neu etablierten PDCL wurden Zeitverlaufsanalysen von Genexpression und genomischen Veränderungen wurden mittels Next-Generation Sequenzierung (NGS) durchgeführt. Zudem wurde untersucht, ob die PDCL Eigenschaften des ursprünglichen Krebsgewebes zuverlässig rekapitulieren können. Darüber hinaus wurden potentiell behandelbare Mutationen mittels NGS hochauflösend nachgewiesen und in Folge mit spezifischen Inhibitoren behandelt. Weiterhin wurde der Effekt einer Langzeitkultivierung auf die Behandlungseffektivität klassischer Chemotherapeutika bewertet. Die morphologischen Merkmale der primären Krebsarten blieben in PDCL sowohl in vitro als auch in vivo über einen längeren Zeitraum in Kultur stabil. Die Ergebnisse dieser Studie erbrachten zudem den Nachweis, dass schlecht differenzierte Tumore mit höherer genomischer Instabilität eine vermehrte Rate an erfolgreicher Etablierung von PDCL aufwiesen. Genomanalysen bestätigten zudem, dass das molekulare Profil der Primärtumore während der Langzeitkultivierung in den PDCL konserviert wurde. Mittels zielgerichtetem NGS konnte verifiziert werden, dass wichtige onkogene Veränderungen wie TP53, KRAS, CTNNB1 sowie behandelbare Mutationen (z. B. MET, KIT, KDR) in PDCL nachgewiesen und für individualisierte therapeutische Ansätze genutzt werden können. Integrative Analysen zeigten weiterhin, dass PDCL den molekularen und prognostischen Merkmalen von PLC stärker ähneln als etablierte Zelllinien und somit ein wertvolles Werkzeug für die Bewertung von potenziellen Therapiezielen darstellen. Unsere integrative Analyse zeigt, dass PDCL ein geeignetes Modell für die Untersuchung relevanter molekularer Untergruppen und die Erforschung von präzisionsmedizinischen Ansätzen für die Behandlung von primärem Leberkrebs darstellen.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2354
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031370
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 75, XXI Blätter
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