Universität zu Köln

Tumbrink, Hannah Lea (2023). Exploiting molecular vulnerabilities in genetically defined lung cancer models. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Lung cancer is the leading cause of cancer-related death worldwide, with approximately 1.8 million deaths in 2020. Based on histology, lung cancer is divided into non-small cell lung cancer (NSCLC) (85 %) and small cell lung cancer (SCLC) (15 %). The most common types of NSCLC are lung squamous cell carcinoma (LUSC), large-cell carcinoma (LCC), and lung adenocarcinoma (LUAD). LUAD, the largest subgroup of NSCLC, is characterized by genomic alterations in oncogenic driver genes such as KRAS or EGFR. Mutations in the kinase domain of EGFR result in aberrant signaling activation and subsequent cancer development. Tyrosine kinase inhibitors (TKIs) selectively target and inhibit mutant kinases, thereby killing oncogene-addicted cancer cells. The introduction of TKIs into clinical practice shifted NSCLC treatment from cytotoxic chemotherapy towards precision medicine, improving both survival and the quality of life during therapy. Patients with canonical EGFR mutations like the point-mutation L858R or exon 19 deletions mutations, which account for the majority of EGFR mutations, respond well to EGFR targeted TKIs. However, rare mutations like insertions in exon 20 insertions still represent challenging drug targets. C-helix–4-loop insertion mutations in exon 20 push the C-helix into the active, inward position without altering the binding site for TKIs. This leaves the binding site for TKIs in kinases with exon 20ins mutations highly similar to wild type (WT) EGFR. Thus, the challenge in the development of exon 20 inhibitors is the design of wild type sparing small molecules. Here, we analyzed a novel small molecule EGFR inhibitor (LDC0496) targeting an emerging cleft in exon 20-mutated EGFR to achieve selectivity over the wild type. In contrast to classical EGFR TKIs, LDC0496 reduces the cellular viability of EGFR exon 20 mutated cells but spares wild type EGFR. Targeted therapy inevitably results in the development of on- or off-target resistance. Drug induced resistance mutations require the constant development of novel drugs targeting the diverse landscape of resistance mechanisms. We detected BRAF mutations in EGFR-driven lung cancer patients as a resistance mechanism to EGFR inhibitors. Notably, we also detected co-occurrence of EGFR and BRAF mutations before treatment start. Combination treatment of EGFR and mitogen-activated protein kinase kinase (MEK) inhibition displayed activity in BRAF- and EGFR-mutated xenograft studies, therefore providing a treatment strategy to overcome BRAF mutation as a resistance mechanism. Compared to NSCLC, SCLC lacks druggable targets and the initial chemosensitive state rapidly turns into a chemoresistance state. SCLC is genetically defined by a biallelic loss of tumor suppressors RB1 and TP53 and alterations of MYC family members. The transcription factor MYC is a challenging target that cannot be directly targeted. Therefore, alternative strategies are needed, for example targeting its co-factors, such as the MYC-interacting zinc finger protein 1 (MIZ1). To study the complex interplay of Myc–Miz1 in SCLC, we developed a novel mouse model with a truncated Miz1, which is unable to stably bind chromatin (RPMM: Rb1fl/flTrp53fl/flMycLSL/LSLMIZ1∆POZfl/fl). Compared to Miz1 wild type the characterization of the novel mouse model revealed tumor-onset, localization, size and immune infiltration to be unaffected by the ablation of the Miz1-POZ domain, but mice with Miz1-∆POZ live longer, exhibit an increased number of apoptotic cells and are more sensitive towards chemotherapy. We found that truncated Miz1 alter SCLC tumorigenesis towards a less aggressive phenotype and prolongs the chemosensitive state. Our study highlights alternative strategies to define novel vulnerabilities and options to overcome chemoresistance.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Lungenkrebs ist weltweit die häufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle, mit etwa 1,8 Millionen Todesfällen im Jahr 2020. Auf der Grundlage der Histologie wird Lungenkrebs in nicht-kleinzelligen Lungenkrebs (NSCLC) (85 %) und kleinzelligen Lungenkrebs (SCLC) (15 %) unterteilt. Die häufigsten Arten von NSCLC sind das Plattenepithelkarzinom der Lunge (LUSC), das großzellige Karzinom (LCC) sowie das Adenokarzinom der Lunge (LUAD). Die größte Untergruppe des nicht-kleinzelligen Lungenkarzinoms, LUAD, ist durch gnomische Veränderungen in KRAS oder EGFR und andere onkogene Faktoren gekennzeichnet. EGFR Mutationen in der Kinasedomäne führen zu einer abnormen Aktivierung und damit zur Entstehung von Krebs. Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKI) adressieren selektiv mutierte Kinasen und hemmen sie, wodurch sie onkogenabhängige Krebszellen abtöten. Mit der Einführung der TKIs in die klinische Praxis verlagerte sich die Behandlung des NSCLS von der zytotoxischen Chemotherapie hin zur Präzisionsmedizin, was sowohl die Überlebensrate als auch die Lebensqualität während der Therapie verbesserte. Patienten mit kanonischen EGFR-Mutationen wie der Punktmutation L858R oder Exon 19-Deletionsmutationen, die die Mehrheit der EGFR-Mutationen ausmachen, sprechen gut auf klassische EGFR-TKIs an. Seltene Mutationen wie Insertionen in Exon 20 stellen jedoch nach wie vor schwierige Zielmoleküle für Medikamente dar. C-helix–4-Schleifen-Insertionsmutationen in Exon 20 verschieben die C-Helix in die aktive, nach Innen gerichtete Position, ohne die Bindungsstelle für TKIs zu verändern. Dadurch ist die Bindungsstelle für TKIs in Kinasen mit Exon-20ins-Mutationen dem Wildtyp des EGFR sehr ähnlich. Die Herausforderung bei der Entwicklung von Exon-20-Inhibitoren besteht daher darin, niedermolekulare Moleküle zu entwickeln, die den Wildtyp schonen. Wir haben einen neuartigen niedermolekularen Inhibitor mit einem Rest entwickelt, der auf eine entstehende Lücke im Exon 20 mutierten EGFR abzielt, um Selektivität gegenüber dem Wildtyp zu erreichen. Im Gegensatz zu klassischen TKIs reduziert der neuartige Inhibitor (LDC0496) die zelluläre Viabilität von EGFR Exon 20 mutierten Zellen, verschont aber EGFR Wildtyp. Eine zielgerichtete Therapie führt unweigerlich zur Entwicklung einer On- oder Off-Target-Resistenzen. Medikamenteninduzierte Resistenzmutationen erfordern die ständige Entwicklung neuer Medikamente, die auf die vielfältigen Resistenzmechanismen abzielen. Wir haben BRAF-Mutationen bei EGFR-getriebenen Lungenkrebspatienten als Resistenzmechanismus gegen EGFR-Inhibitoren entdeckt. Überraschenderweise konnten wir auch das gleichzeitige Auftreten von EGFR- und BRAF-Mutationen vor Beginn der Behandlung feststellen. Die Kombinationstherapie aus EGFR- und Mitogen-aktivierter Proteinkinase-Kinase-Kinase (MEK) zeigte in BRAF- und EGFR-mutierten Xenograft-Studien eine gute Wirkung und bietet somit eine Behandlungsstrategie zur Überwindung der BRAF-Mutation als Resistenzmechanismus. Im Vergleich zum NSCLC fehlt es dem SCLC an Zielmolekülen und der anfänglich chemosensitive Zustand wandelt sich rasch in einen chemoresistenten Zustand. SCLC ist genetisch durch einen Verlust der Tumorsuppressoren RB1 und TP53 sowie durch Veränderungen von Mitgliedern der MYC-Familie definiert. Der Transkriptionsfaktor MYC ist ein schwer zu adressierendes Zielmolekül, und Ansätze, die direkt MYC adressieren, bleiben schwierig. Daher sind alternative Strategien erforderlich, die beispielsweise auf seine Kofaktoren abzielen, wie das MYC-interagierende Zinkfingerprotein 1 (MIZ1). Um das komplexe Zusammenspiel von Myc-Miz1 bei SCLC zu untersuchen, haben wir ein neues Mausmodell mit einem verkürzten Miz1 entwickelt, das nicht in der Lage ist, Chromatin stabil zu binden (RPMM: Rb1fl/flTrp53fl/flMycLSL/LSLMIZ1∆POZfl/fl). Im Vergleich zum Miz1-Wildtyp zeigte die Charakterisierung des neuen Mausmodells, dass Tumorausbruch, lokalisierung, größe und Immuninfiltration durch die Ablation der Miz1-POZ-Domäne nicht beeinflusst werden. Im Vergleich zum Miz1-Wildtyp leben Mäuse mit Miz1-∆POZ länger, weisen eine erhöhte Anzahl apoptotischer Zellen auf und sind empfindlicher gegenüber Chemotherapie. Wir fanden heraus, dass verkürztes Miz1 die SCLC-Tumorgenese in Richtung eines weniger aggressiven Phänotyps lenkt und den chemosensitiven Zustand verlängert. Unsere Studie zeigt alternative Strategien auf, um neue Schwachstellen und Möglichkeiten zur Überwindung der Chemoresistenz zu definieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Tumbrink, Hannah Lea hannah.tumbrink@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-653092
Date:	2023
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Medicine > Pathologie und Neuropathologie > Institut für Pathologie
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Lung cancer UNSPECIFIED NSCLC UNSPECIFIED SCLC UNSPECIFIED targeted therapy UNSPECIFIED
Date of oral exam:	15 February 2023
Referee:	Name Academic Title Sos, Martin Prof. Dr. Baumann, Ulrich Prof. Dr. Hofmann, Kay Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/65309