Mouse models in the study of malignant melanoma

Abstract

Presentamos tres publicaciones que resumen la investigación de la propuesta doctoral en modelos de melanoma en ratón. En la primera publicación presentamos como la expresión del oncogén V600EBRAF en melanocitos de ratón adultos combinado con la expresión en queratinocitos adultos del mismo ratón de KITL logra traslocar los melanocitos de la dermis a la epidermis de los ratones. Sin embargo, la inclusión de melanocitos epidérmicos no logra generar un melanoma en el ratón que replique las características primordiales del melanoma en humanos. Los tumores en el ratón siguen siendo principalmente de ubicación dérmica, sin componente epidérmico, y no presenta una fase de crecimiento radial. Los tumores en el modelo V600EBRAF-KITL son muy invasivos y presentan destrucción local en la dermis, similares a los melanomas que surgen en el modelo V600EBRAF. Lo que si ocurre con el modelo de ratón V600EBRAF-KITL es que en la epidermis normal vemos el depósito de melanocitos en la epidermis interfolicular, algo no observado en ratones normales o ratones V600EBRAF. Igualmente, los nevus dérmicos que se forman tienen un fenotipo distinto, con mayor numero de células en la dermis papilar. Otro de los hallazgos importantes es que los melanomas que surgen en este modelo de ratón surgen en mayor numero (mayor penetrancia) y con una latencia más corta que los melanomas en el modelo tradicional V600EBRAF. Nuestro segundo estudio investiga la aparición de los carcinomas escamosos y los queratoacantomas (cSCC y KA) que surgen en 25% de pacientes como efecto secundario a los nuevos fármacos inhibidores del oncogén BRAF. Estos fármacos se han demostrado eficaces en el tratamiento del melanoma maligno metastático, prolongando la supervivencia de pacientes. En nuestro estudio, utilizamos un modelo de ratón de carcinogénesis de escamosos cutáneos para demostrar como la utilización de inhibidores de BRAF es capaz de acelerar la progresión tumoral en estos pacientes. Nuestra hipótesis es que la activación del oncogén RAS en queratinocitos puede interaccionar con inhibidores de BRAF para promover la proliferación celular, que llevaría al desarrollo de KA y cSCC en los pacientes. Nosotros demostramos evidencia indirecta que el mecanismo que subyace el desarrollo de tumores de estirpe queratinocítica en estos pacientes es la activación paradójica de la vía de proliferación celular MAP Kinase tanto en ratones como humanos. Los inhibidores de BRAF inhiben la vía MAP Kinase en células que portan una mutación BRAF, pero paradójicamente son capaces de inducir una activación de la misma vía en células que en lugar de mutación en BRAF tienen mutación en RAS. Nuestros resultados sugieren que las mutaciones en queratosis actínicas (lesiones premalignas precursoras de KA y cSCC) proliferan cuando los pacientes inician tratamiento con inhibidores de BRAF para su melanoma metastático. En nuestro tercer estudio demostramos como las lesiones inducidas por inhibidores de BRAF son altamente proliferativas y responden al antimetabolito 5-Fluorouracilo aprobado para el uso de lesiones queratinocíticas cutáneas premalignas. Nuestro modelo de ratón en este artículo nos permite desarrollar una nueva guía para el tratamiento de pacientes en estadios avanzados de melanoma metastático BRAF. Demostramos como la inhibición de MEK, una quinasa que señaliza en las últimas fases de activación de la vía MAP Kinase, es capaz de evitar el desarrollo de lesiones cutáneas, evitando la activación paradójica de MAP Kinase.

We present three publications summarizing the investigations in mouse models of melanoma proposed as a subject for a doctoral thesis. In the first publication we present how oncogenic V600EBRAF expression in adult mouse melanocytes combined with KITL expression in mouse keratinocytes translocates melanocytes to the epidermis but does not lead to a more “humanized”form of melanoma. Tumours in this mouse model fail to replicate the cardinal features of V600EBRAF -driven human melanomas, where there is a prominent radial growth phase. Mice melanomas in the V600EBRAF-KITL model more closely resemble tumours induced in the V600EBRAF model without expression of KITL, where tumours are dermal, invasive, and present no radial growth phase. However, the V600EBRAF-KITL model translocates melanocytes to the epidermis and leads to the development of naevi of distinct phenotype. Importantly, coexpression of V600EBRAF and KITL leads to dermal melanomas that appear with a higher penetrance and shorter latency. Our second study shows how the recently approved BRAF inhibitors for the targeted treatment of metastatic malignant melanoma driven by oncogenic BRAF lead to the appearance of squamous cell carcinoma (SCC) and keratoacanthoma in approximately 25% of patients. Using a mouse model of skin carcinogenesis leading to the formation of SCC in mice, we show how the addition of a BRAF inhibitor accelerates the course of disease. We hypothesized that RAS activation in keratinocytes might interact with RAF inhibitor therapy to promote cell proliferation, ultimately resulting in KAs and cSCCs. We show indirect evidence the mechanism underlying SCC development in the context of BRAF inhibitor treatment is the paradoxical activation of the MAP Kinase pathway in both humans and mice. While RAF inhibitors inhibit mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling in BRAF-mutant melanoma cells, they may also cause a paradoxical increase in MAPK signaling in the context of mutated or activated RAS. Our results strongly suggest RAS mutations in actinic keratoses, the premalignant skin lesions with the potential to transform into cSCC, are driven to proliferate when treatment with a BRAF inhibitor is initiated. We show these lesions are highly proliferative in humans and in our mouse model, and respond to the FDA approved antiproliferative drug 5 Fluorouracil. Our mouse model also helps develop a new treatment rationale for metastatic melanoma with an underlying BRAF mutation. We show how downstream inhibition of the MAP Kinase pathway with a MEK inhibitor is able to abrogate the development of SCC.