The landscape of mutation in plasma circulating tumor DNA sequencing as potential predictive biomarkers in hepatocellular carcinoma

Wu, Xiaolin (2024). The landscape of mutation in plasma circulating tumor DNA sequencing as potential predictive biomarkers in hepatocellular carcinoma. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Recently, the advancements in liquid biopsy have facilitated the techniques for clinical diagnosis and treatment monitoring of hepatocellular carcinoma. Genetic mutations are practical markers of distinguishing ctDNA, eliminating interference from cfDNA. Our study conducts a sequencing panel for ctDNA/cfDNA in patients with HCC and patients with benign liver disease, using NGS technology to identify mutant targets. After excluding germline and silent mutations, we obtain the mutation profiles of ctDNA in HCC, comprising solely functional mutations. Genetic mutations were found in free nucleic acid from 66.7% of HCC patients, while no mutant gene was in the control group. In our HCC cohort, ctDNA analysis was constituted of 49 genes and 91 exon mutations, with 15 genes (NCOR2, HGF, MECOM, ROBO1, MKI67, PEPN13, RANBP2, RELN, ALB, FAT4, KMT2B, MGAM, PAK5, PTPRB, ZFHX3) being identified for the first time in the ctDNA of HCC. NOCR2 and CTNNB1 were the highest frequent mutant genes in ctDNA, reaching 13.3%. The majority of these mutant genes were distributed in the classical molecular pathways of HCC, and the gene-enriched pathways showed a strong consistency between ctDNA and tDNA. A total of nineteen concordant mutations were detected in both ctDNA and matched tDNA, with 23 exons. We also found that the ratio of concordant mutation was highly correlated to tumor burden, especially vascular invasion. No mutations were found in the cfDNA of the control group, suggesting that mutant genes in ctDNA exhibit the potential to differentiate between benign and malignant liver diseases. Consequently, we further explored the diagnostic capabilities of ctDNA and discovered a great improvement in diagnostic accuracy of a combination of ctDNA mutation and AFP level over either one alone. Additionally, our research found the specific mutation-based gene set from ctDNA could contribute to predicting the prognosis of HCC patients. The mutation set screened according to TNM stages 2-4 consisted of twelve genes: NCOR2, ARID2, ERBB4, ERCC5, KMT2A, MSH6, PIK3CA, PIK3CG, POLQ, PEPRB, TERT, and TSC1. This analysis showed that the mutation of the NCOR2 gene was detected particularly frequently in HCC ctDNA and could therefore indicate a high potential for the prognosis of HCC patients. In total, these findings have demonstrated the potential of ctDNA mutation as a specific biomarker for liquid biopsy technique and deepened our understanding of the mutation profile in HCC. Our research supports the implications of mutations in ctDNA for precision medicine and illustrates the clinical prospect of ctDNA in the future.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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In der heutigen Zeit haben die Fortschritte bei der Liquid-Biopsy die Techniken für die klinische Diagnose und die Überwachung der Behandlung des Leberzellkarzinoms erleichtert. Genetische Mutationen sind Merkmale zur Identifizierung ctDNA im Blut und dienen zusätzlich zur Unterscheidung dieser von cfDNA. In unserer Studie wird ein Sequenzierungspanel für ctDNA/cfDNA bei Patienten mit HCC und Patienten mit gutartigen Lebererkrankungen durchgeführt, wobei die NGS-Technologie zur Identifizierung von Mutationen eingesetzt wird. Nach Ausschluss von Keimbahn- und stillen Mutationen erhalten wir die Mutationsprofile der ctDNA bei HCC, die ausschließlich funktionelle Mutationen umfassen. Genetische Mutationen wurden in der ctDNA von 66,7 % der HCC-Patienten gefunden, während in der Kontrollgruppe kein mutiertes Gen zu finden war. In unserer HCC-Kohorte umfasste die ctDNA-Analyse 49 Gene und 91 Exon-Mutationen, wobei 15 Gene (NCOR2, HGF, MECOM, ROBO1, MKI67, PEPN13, RANBP2, RELN, ALB, FAT4, KMT2B, MGAM, PAK5, PTPRB, ZFHX3) zum ersten Mal in der ctDNA von HCC Patienten identifiziert wurden. NCOR2 und CTNNB1 waren mit 13,3 % die am häufigsten mutierten Gene in der ctDNA. Die meisten dieser mutierten Gene waren in den für HCC klassischen molekularen Pathways verteilt, wobei diese eine starke Übereinstimmung zwischen ctDNA und tDNA aufzeigten. Insgesamt wurden 19 übereinstimmende Mutationen mit 23 Exons sowohl in der ctDNA als auch in der korrespondierenden tDNA nachgewiesen. Zudem fanden wir heraus, dass das Verhältnis der übereinstimmenden Mutationen sowohl mit der Tumorlast als auch der makrovaskulären und der mikrovaskulären vaskulären Invasion korreliert. In der cfDNA der Kontrollgruppe wurden keine Mutationen gefunden, was darauf schließen lässt, dass mutierte Gene in der ctDNA das Potenzial haben, zwischen gutartigen und bösartigen Lebererkrankungen zu unterscheiden. Folglich untersuchten wir die diagnostischen Möglichkeiten der ctDNA weiter und entdeckten, dass die Kombination von ctDNA-Mutation und AFP-Spiegel die diagnostische Genauigkeit gegenüber einem der beiden Werte allein erheblich verbessert. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass der spezifische, auf Mutationen basierende Gensatz aus ctDNA zur Vorhersage der Prognose von HCC-Patienten beitragen kann. Der nach den TNM-Stadien 2-4 untersuchte Mutationssatz bestand aus zwölf Genen. Bei dieser Analyse zeigte sich, dass die Mutation des Gens NCOR2 besonders häufig in der HCC ctDNA detektiert wurde und somit auf ein hohes Potenzial zur Prognose von HCC-Patienten hindeuten könnte. Insgesamt haben diese Ergebnisse das Potenzial von ctDNA-Mutationen als spezifischer Biomarker für die Liquid-Biopsy gezeigt und unser Verständnis des Mutationsprofils beim HCC vertieft. Unsere Forschung hebt die Bedeutung von Mutationen in der ctDNA von HCC-Patienten für die Präzisionsmedizin hervor und veranschaulicht die klinischen Aussichten dieser Methode in der Zukunft.

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