Generación de modelos preclínicos predictivos para la evaluación de nuevas estrategias terapéuticas para pacientes con carcinoma de pulmón no microcítico con mutación en KRAS

• Autores: Patricia Yagüe Sanz
• Directores de la Tesis: Irene Ferrer Sánchez (dir. tes.), Luis Paz-Ares Rodríguez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Número de páginas: 171
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Luis Rodríguez Peralto (presid.), Alberto García Redondo (secret.), Eva Maria Garrido Martin (voc.), Amancio Carnero (voc.), Pilar Garrido López (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Bioquímica, Biología Molecular y Biomedicina por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Ciencias médicas
    • Ciencias clínicas
      • Oncología
      • Psicología clínica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    El cáncer de pulmón es la principal causa de muerte por cáncer en todo el mundo debido, al menos parcialmente, a la escasez de terapias eficaces. Este hecho es particularmente relevante en algunos subtipos moleculares como el que presenta mutaciones en KRAS, que es el gen conductor mutado más frecuente en el cáncer de pulmón no microcítico (CPNM), y que subyace al 20-30% de los adenocarcinomas de pulmón. A pesar de los esfuerzos en este sentido durante las últimas 4 décadas todavía no contamos con estrategias terapéuticas específicas válidas en este contexto. Por lo tanto, existe una necesidad de desarrollar nuevas estrategias terapéuticas para estos pacientes y para ello es necesario generar nuevos y mejores modelos preclínicos realmente predictivos de respuesta que permitan testar de forma óptima y eficaz. Los modelos derivados de tumores de pacientes, como los xenoinjertos derivados de paciente (PDX) in vivo y los organoides in vitro recapitulan más fielmente la complejidad y heterogeneidad del cáncer humano que otros modelos, y pudieran representar mejores herramientas experimentales no solo para testar nuevas terapias sino también para la búsqueda de biomarcadores de respuesta, y, por tanto, favorecer la implementación de la medicina de precisión en el CPNM. En esta tesis, hemos generado y caracterizado tres colecciones de modelos preclínicos de CPNM: dos de modelos in vivo, modelos PDX y modelos PDX humanizados, y una colección de modelos 3D in vitro para el cribado de fármacos, compuesta por organoides derivados de PDX (PDXDO). Hemos demostrado que los 45 modelos PDX establecidos conservan a lo largo de los pases las características histológicas y moleculares de los tumores de los pacientes de los que derivan. Además, nuestra colección de modelos PDX representa fielmente la diversidad de las alteraciones moleculares que se encuentran en la clínica, y pudieran predecir la respuesta a los fármacos utilizados en la práctica clínica. Del mismo modo, los PDXDO mantienen la morfología y el perfil molecular de los tumores de los que derivan, tanto la presencia de las alteraciones genómicas conductoras de cada modelo PDX, como su frecuencia alélica, lo que demuestra la conservación de la heterogeneidad del tumor en el cultivo in vitro. Adicionalmente, desarrollamos modelos PDX humanizados en los que poder testar combinaciones con inmunoterapia, en los que confirmamos la infiltración de células T humanas en los tumores y una reducción del crecimiento tumoral con el tratamiento con anticuerpos contra el receptor de muerte programada (PD-1).Una vez generadas, caracterizadas y demostrado el papel predictivo de respuesta de nuestras tres colecciones de modelos preclínicos, fueron utilizadas para testar y analizar la respuesta a dos combinaciones terapéuticas dirigidas al adenocarcinoma de pulmón con mutación en KRAS, que incluían el inhibidor de ciclinas dependientes de quinasas 4 y 6 (CDK4/6) más un inhibidor de la quinasa regulada por señales extracelulares (ERK1/2) o un anticuerpo anti-PD-1. La combinación del inhibidor de CDK4/6 con el inhibidor de ERK1/2, demostró ser más eficaz que el tratamiento de los fármacos en monoterapia. Además, la combinación era también efectiva en aquellos modelos in vitro e in vivo que presentaban resistencia al inhibidor de CDK4/6 en monoterapia. El tratamiento en combinación aumentaba a nivel transcriptómico la inhibición de todas las vías implicadas en ciclo celular en mayor medida que el tratamiento en monoterapia, y revertía la activación mediada por el tratamiento con el inhibidor de CDK4/6 en monoterapia sobre las vías de PI3K y WNT, lo que podría subyacer a la sinergia. Sin embargo, la otra combinación testada, el inhibidor de CDK4/6 con un anticuerpo anti-PD-1, no mostró mayor eficacia en comparación con el inhibidor de CDK4/6 en monoterapia en ninguno de nuestros modelos in vitro e in vivo humanizados.

  • English

    Lung cancer is the leading cause of death due to cancer, among other reasons due to the lack of effective therapies for some subtypes, such as adenocarcinoma with mutation in the gene homologous to the Kirsten rat sarcoma viral oncogene (KRAS), which accounts for 20-30% of these cases. Despite advances in research and the development of new targeted therapies, there are still no effective targeted therapies approved in the clinic for patients with KRAS-mutated lung adenocarcinoma. Therefore, there is a need to develop new therapeutic strategies for these patients and for this it is necessary to generate new and better preclinical models that are truly predictive of response that allow these new potential therapeutic strategies to be optimally tested. Models derived from patient tumors, such as PDX in vivo and organoids in vitro, more accurately recapitulate the complexity and heterogeneity of human cancer than other models, and could represent better experimental tools not only for testing new therapies but also for the search for biomarkers of response, and, therefore, favor the implementation of precision medicine in NSCLC. In the current study, we have generated and characterized three collections of preclinical NSCLC models: an in vitro model for drug screening, patient-derived xenograft (PDX) derived organoids (PDXDO), and two in vivo models, PDX models and humanized PDX models. We have shown that the 45 established PDX models preserve the histological and molecular characteristics of the tumors of the patients from which they are derived throughout passages. Furthermore, our collection of PDX models faithfully represents the diversity of molecular alterations found in the clinic, and could predict the response to the drugs used in clinical practice. Similarly, PDXDOs maintain the morphology and molecular profile of the tumors from which they derive, including both the presence of the driving genomic alterations of each PDX model and their allelic frequency, which demonstrates the conservation of tumor heterogeneity in in vitro culture. Additionally, we develop humanized PDX models in which we can test combinations with immunotherapy, where we have confirmed the infiltration of human T cells in tumors and a reduction in tumor growth on treatment with antibodies against the programmed death receptor (PD-1). Once the response predictive role of our three collections of preclinical models had been generated, characterized and demonstrated, they were used to test and analyze the response to two therapeutic combinations directed at lung adenocarcinoma with a KRAS mutation, which included the inhibitor of cyclins-dependent kinases 4 and 6 (CDK4/6) plus an inhibitor of extracellular signal-regulated kinase (ERK1/2) or an anti-PD-1 antibody. The combination of the CDK4/6 inhibitor with the ERK1/2 inhibitor proved to be more effective than the treatment of any the drugs alone. In vitro, in all adenocarcinoma PDXDOs, the combination reduced proliferation and activation of the signaling pathways involved. Likewise, in vivo, in the PDXs used, treatment with both drugs produced a significant reduction in tumor growth compared to monotherapy treatments. Furthermore, the combination was also effective in those in vitro and in vivo models that showed resistance to the CDK4/6 inhibitor in monotherapy. The combination treatment increased the inhibition of all the pathways involved in the cell cycle at a transcriptomic level to a greater extent than the treatment in monotherapy, and reversed the activation mediated by the treatment with the CDK4/6 inhibitor in monotherapy on the PI3K and WNT pathways, which could explain the underlying synergy. However, the other combination tested, the CDK4/6 inhibitor plus an anti-PD-1 antibody, did not show greater efficacy compared to the CDK4/6 inhibitor in monotherapy in any of our humanized in vitro and in vivo models nor in an immunocompetent murine model, where the reduction in tumor volume being similar to monotherapy treatment. In summary, we have generated three collections of preclinical models that may serve as valuable tools to test potential new therapeutic strategies for patients with NSCLC. Our collection of PDXDO models allows massive in vitro screening of models that reproduce the heterogeneity of patients, to later confirm the efficacy of the best strategies in our collections of PDX and humanized PDX models in vivo. Additionally, we have demonstrated the efficacy of combining the CDK4/6 inhibitor with the ERK1/2 inhibitor in our preclinical models of KRAS mutated lung adenocarcinoma and have suggested a mechanism that could underlie such a synergy and identified some predictive biomarkers of sensitivity.