Ibruli, Olta (2025). Modeling Mismatch Repair Deficiency in Small Cell Lung Cancer. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Small cell lung cancer (SCLC) is a highly aggressive malignancy characterized by rapid progression, early dissemination of metastases, and very poor prognosis. Although the introduction of immune checkpoint inhibitors (ICIs) into first-line therapy has shown modest improvement in survival outcomes, most patients remain unresponsive, and predictive biomarkers are lacking. One molecular hallmark of SCLC is its high tumor mutational burden (TMB), attributed mainly to tobacco-induced mutagenesis. However, recent proteogenomic studies have identified a subset of patients (~15%) harboring mismatch repair deficiency (MMRd), including alterations in key MMR genes such as MSH2. This subgroup exhibits unique mutational signatures and poor clinical outcomes. However, it remains largely understudied due to sparse tumor biopsies and a lack of representative preclinical models. To address this gap, this thesis presents the development of a novel genetically engineered mouse model (GEMM) of SCLC by introducing conditional Msh2 deletion into the Rb1/Trp53- deficient (RP) background, generating the RPM model (Rb1fl/fl;Trp53fl/fl;Msh2fl/fl). Using whole-exome sequencing (WES), we demonstrate that RPM tumors with bi-allelic loss of Msh2 successfully recapitulate the genomic landscape associated with MMRd, including a significant increase in TMB, frameshift mutations, and dominant MMRd-associated mutational signatures (SBS15/SBS21). These alterations resulted in a higher load of neoantigens compared to RP tumors. Functionally, RPM tumors displayed significantly increased sensitivity to PD-1 blockade. Furthermore, the RPM mouse model showed improved survival when treated with a Treg suppressor (CDK4/6 inhibitor) in combination with standard-of-care platinum-based chemotherapy and ICI. Additionally, immune profiling via flow cytometry and imaging mass cytometry (IMC) indicates distinct patterns of T cell activation and stromal remodeling in the RPM model compared to RP controls. This thesis provides the first GEMM of SCLC that serves as a physiologically relevant platform to study MMRd in SCLC and highlights the effects of Msh2 loss on tumorigenesis, immunogenicity, and treatment response. These findings have direct implications for developing therapeutic stratification strategies and designing novel treatment regimens tailored to DNA repair-deficient SCLC tumors.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
Abstract
Language
Das kleinzellige Lungenkarzinom (SCLC) ist eine hochaggressive Malignität mit rascher Progression, früher Metastasierung und sehr schlechter Prognose. Obwohl die Einführung von Immun-Checkpoint-Inhibitoren (ICIs) in die Erstlinientherapie die Überlebensraten moderat verbessert hat, sprechen die meisten Patienten nicht an, und prädiktive Biomarker fehlen. Ein molekulares Kennzeichen von SCLC ist die hohe Tumormutationslast (TMB), hauptsächlich verursacht durch tabakinduzierte Mutagenese. Jüngste proteogenomische Studien haben eine Patientensubgruppe (~15 %) mit Mismatch-Reparatur-Defizienz (MMRd) identifiziert, darunter Veränderungen in zentralen MMR-Genen wie MSH2. Diese Subgruppe weist einzigartige Mutationssignaturen und schlechte klinische Ansprechraten auf, ist jedoch weitgehend unerforscht – bedingt durch seltene Biopsien und fehlende präklinische Modelle. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuartigen genetisch veränderten Mausmodells (GEMM) für SCLC durch konditionale Msh2- Deletion im Rb1/Trp53-defizienten (RP) Hintergrund, wodurch das RPM-Modell (Rb1fl/fl;Trp53fl/fl;Msh2fl/fl) entsteht. Mithilfe von Whole-Exome-Sequencing (WES) zeigten wir, dass RPM-Tumoren mit biallelischem Msh2-Verlust erfolgreich die für MMRd typische genomische Landschaft nachbilden – mit erhöhter TMB, Frameshift-Mutationen und dominanten MMRd-Mutationssignaturen (SBS15/SBS21). Diese Veränderungen führten zu einer höheren Neoantigenlast im Vergleich zu RPTumoren. Funktionell zeigten RPM-Tumore eine erhöhte Sensitivität gegenüber PD-1-Blockade. Zudem wiesen mit einem Treg-Suppressor (CDK4/6-Inhibitor) kombinierte Behandlungen mit platinbasierter Standardchemotherapie und ICI auf ein verbessertes Überleben hin. Immunprofiling mittels Durchflusszytometrie und Imaging Mass Cytometry (IMC) zeigte unterschiedliche Muster der T-Zell-Aktivierung und stromalen Umgestaltung im Vergleich zu RP-Kontrollen. Diese Arbeit liefert das erste physiologisch relevante SCLC-GEMM zur Untersuchung von MMRd und beleuchtet die Auswirkungen des Msh2-Verlusts auf Tumorentwicklung, Immunogenität und Therapieansprechen. Die Erkenntnisse unterstützen die Entwicklung neuer, auf DNA-Reparatur-defiziente SCLC-Tumoren zugeschnittener Behandlungsstrategien.
German
Creators:
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Email
ORCID
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Ibruli, Olta
ibruliolta@gmail.com
UNSPECIFIED
UNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-792599
Date: 2025
Language: English
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Faculty of Medicine
Divisions: Faculty of Medicine > Sonstiges > Translationale Genomik
Subjects: Natural sciences and mathematics
Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:
Keywords
Language
SCLC (small cell lung cancer)
English
Immunotherapy
English
MMRd (mismatch repair deficiency)
English
Date of oral exam: 3 November 2025
Referee:
Name
Academic Title
Uhlirova, Mirka
Prof. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/79259

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