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: | Creators Email ORCID ORCID Put Code 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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