Characterization of molecular mechanisms of acquired resistance to Trastuzumab in gastric cancer

Abstract

The HER2 receptor is overexpressed in 7-34% of gastric cancer (GC) tumors, being a potential therapeutic target. Trastuzumab, an anti-HER2 monoclonal antibody, in combination with platinum therapy was approved in 2010 as first-line treatment for advanced GC tumors overexpressing HER2. Despite the clinical benefit of trastuzumab, development of acquired resistance to treatment limits the efficacy of trastuzumab.

To study the mechanisms of trastuzumab acquired resistance we generated, upon chronic exposure to trastuzumab, a trastuzumab-resistant cell line derived from the human HER2-positive GC cell NCI-N87, hereafter named NTR2.4. The resistant phenotype of NTR2.4 cell line was associated with an increased basal activation of SRC, MAPK/ERK and PI3K/mTOR HER2 downstream pathways that persisted upon exposure to trastuzumab. Trastuzumab treatment induced a compensatory upregulation of HER3 and an increased expression of the HER family ligands EGF, AREG, HB-EGF, and NRG1 in NTR2.4 compared with the trastuzumab-sensitive NCI-N87 cell line. Ligand stimulation induced resistance to trastuzumab in NCI-N87 cells. These results were replicated in another model of trastuzumab-resistance, OTR6 cell line, suggesting an important role of HER receptor plasticity and HER family ligand in trastuzumab efficacy and resistance. Analysis of clinical samples from HER2-positive GC patients treated with trastuzumab showed higher EGF concentration in serum samples and increased EGF mRNA expression in tumor biopsies at trastuzumab progression compared with samples previous to trastuzumab treatment.

Treatment with Pan-HER, a novel antibody mixture against EGFR, HER2, and HER3, was effective in both trastuzumab-sensitive and trastuzumab-resistant cell lines and also in the presence of ligands. Altogether, our results suggested that Pan-HER would be a potential candidate to overcome trastuzumab resistance in advanced GC patients.

El receptor HER2 està sobreexpressat en 7-34% dels tumors de càncer gàstric (CG), essent una diana terapèutica clau. Trastuzumab, un anticòs monoclonal anti-HER2, en combinació amb la teràpia basada en platí, va ser aprovat al 2010 com el tractament de primera línia per a tumors de CG avançats i amb sobreexpressió de HER2. Malgrat el benefici clínic del trastuzumab, el desenvolupament de resistència adquirida en limiten la seva eficàcia.

Per tal d’estudiar els mecanismes de resistència adquirida al trastuzumab vam generar, a través d’una exposició crònica al trastuzumab, una línia cel·lular resistent a trastuzumab derivada de la línia cel·lular humana HER2 positiva i sensible al trastuzumab NCI-N87, anomenada NTR2.4. El fenotip resistent de la línia cel·lular NTR2.4 es va associar a una major activació basal de SRC i de les vies senyalitzadores de HER2, MAPK/ERK i PI3K/mTOR, malgrat el tractament amb trastuzumab. Trastuzumab va induir sobre-regulació de HER3 i una major expressió dels lligands de la família HER: EGF, AREG, HB-EGF i NRG1 en NTR2.4 en comparació amb la seva línia sensible al trastuzumab, NCI-N87. L’estimulació amb lligands va induir resistència a trastuzumab a la línia cel·lular NCI-N87. Aquests resultats es van replicar en un altre model de resistència a trastuzumab, la línia cel·lular OTR6, suggerint un paper important de la plasticitat dels receptors HER i dels lligands de la família HER en l’eficàcia i resistència al trastuzumab. L'anàlisi de mostres clíniques de sèrum pacients de CG HER2 positius tractats amb trastuzumab va demostrar que la concentració d'EGF en sèrum i els nivells de mRNA del biòpsies tumorals era superior a la progressió al trastuzumab en comparació amb les mostres prèvies al tractament amb trastuzumab.

El tractament amb Pan-HER, basat en varis anticossos contra els receptors EGFR, HER2 i HER3, va ser efectiu tant en les línies sensibles com en les línies resistents al trastuzumab, fins i tot en presència de lligands. En conjunt, els nostres resultats suggereix Pan-HER com un potencial candidat per a superar la resistència a trastuzumab en pacients amb CG avançat.