Molecular Characterization and Novel Therapeutic Approaches in Hepatocellular Carcinoma

Abstract

[eng] 1. HYPOTHESES.

Primary liver cancer is the sixth most commonly diagnosed cancer and the second leading cause of cancer-related death worldwide2,3. Around 90% of cases correspond to hepatocellular carcinoma (HCC)2,3, which arises almost unfailingly in the setting of chronic liver diseases. The worldwide incidence of HCC cases is heterogeneous, reflecting the distribution of risk factors, with Mongolia exhibiting the highest HCC burden worldwide2. Well-established HCC risk factors are hepatitis B virus, hepatitis C virus, and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Other agents have also been reported to promote hepatocarcinogenesis, including adeno-associated virus (AAV) integration3,4, but more studies are needed to determine in which conditions this virus can induce HCC.

Approximately, 50–60% of HCC patients are exposed to systemic therapies in their lifespan, particularly in advanced stages of the disease3. These mostly include multikinase inhibitors such as lenvatinib and immune checkpoint inhibitors (ICI) such as anti-PD1 antibodies. Although ICIs are revolutionizing HCC treatment, monotherapy approaches elicit responses in only 15% of patients, while the majority are primarily resistant5,6. Thus, identifying existing multikinase inhibitors that can effectively synergize with ICI is urgently needed.

During the last decade, molecular profiling of tumors using translational approaches has significantly contributed to the understanding of the molecular pathogenesis of HCC3,83. This knowledge has provided important opportunities in clinical oncology by 1) identifying novel genetic and environmental features associated with hepatocarcinogenesis in specific patient populations; and 2) unraveling new treatment strategies.

Considering all this, the hypotheses of this thesis are that:

1. Performing a comprehensive analysis of the molecular and immunological features of HCC will provide relevant information about the genetic and molecular determinants associated with HCC in specific populations and will unveil novel potential therapeutic approaches. This could result in fundamental implications for the clinical decision- making in HCC.

2. Assessing the distinct genomic and transcriptomic alterations of Mongolian HCC could provide relevant information that may help unveil the genetic factors and environmental exposures underlying the high incidence in this population.

67

HYPOTHESES AND AIMS

3. Hepatocyte replication in response to liver injury and NAFLD could promote oncogenic AAV integration and HCC development, which could be a concern for the use of AAV gene therapy in patients with chronic liver.

4. The multikinase inhibitor lenvatinib has immune-modulating potential and its combination with anti-PD1 checkpoint inhibitors could improve its anti-tumoral effect in HCC.

2. AIMS. Considering the background and hypotheses exposed above, the specific aims of this doctoral thesis were the following: 1. To provide a molecular characterization of Mongolian HCC and identify its unique genomic features compared to Western HCC. 2. To assess whether NAFLD-associated liver damage increase the risk of AAV integration inducing HCC. 3. To identify the immunomodulatory effects of lenvatinib in combination with anti-PD1 and provide a mechanistic rationale for this treatment in advanced HCC.

INTRODUCCIÓ:

El carcinoma hepatocel·lular (CHC) representa un important problema de salut pública degut a la seva elevada incidència i mortalitat1,2. La incidència mundial de CHC és heterogènia, sent Mongòlia el país amb més casos per habitant, gairebé 10 vegades per sobre de la mitjana global2. Els principals factors de risc del CHC són la infecció pel virus de l'hepatitis B o pel virus de l'hepatitis C i la malaltia del fetge gras no alcohòlica (NAFLD, de les seves sigles en anglès). També s’han proposat altres agents que podrien estar associats a hepatocarcinogènesi, inclosa la infecció per virus adenoassociat (VAA)3,4, però és necessària més informació per determinar en quines condicions aquest virus pot promoure el CHC. Al voltant del 40% dels pacients amb CHC són diagnosticats en etapes avançades de la malaltia, en les quals són elegibles per a teràpies sistèmiques incloent inhibidors multiquinases (p. ex., lenvatinib) i inhibidors de punts de control immunitaris (ICI; p. ex., anticossos anti-PD1). Tot i que els ICI estan revolucionant el tractament del CHC, només aconsegueixen respostes en el ~15% dels pacients en monoteràpia5,6. Per contra, noves teràpies combinades estan incrementant la taxa de resposta fins al ~30%. Considerant això, és necessari identificar noves teràpies que puguin fer sinergia amb ICI per tal d’augmentar la supervivència dels pacients. Durant els últims anys, la caracterització molecular i immunològica de tumors mitjançant estudis translacionals ha proporcionat una millor comprensió de la patogènesi molecular del CHC5,6. Aquest coneixement té una gran rellevància clínica, ja que, entre altres coses, permet 1) identificar determinants genètics i moleculars que afavoreixen l'hepatocarcinogènesi en poblacions específiques de pacients; i 2) dissenyar nous tractaments incloent teràpies combinades. HIPÒTESIS:

Les hipòtesis d’aquesta tesi són les següents:

- L’anàlisi exhaustiva de les característiques moleculars i immunològiques del CHC proporcionarà nova informació sobre els determinants genètics i moleculars associats al CHC en poblacions d’alt risc, afavorint l’estudi de noves estratègies terapèutiques. Aquestes dades podrien tenir implicacions fonamentals per a la presa de decisions clíniques en CHC.

- L'avaluació de les alteracions genòmiques i transcripcionals del CHC a Mongòlia pot proporcionar nova informació que ajudi a identificar factors genètics i ambientals propis associats a l’elevada incidència en aquesta població. - La malaltia hepàtica crònica i NAFLD promouen la integració oncogènica del VAA i el desenvolupament de CHC, la qual cosa podria ser un condicionant per a l'ús de la teràpia gènica mitjançant VAA en pacients. - L'inhibidor multiquinasa lenvatinib té potencial immunomodulador i la seva combinació amb ICI anti-PD1 podria incrementar l’efecte anti-tumoral en models experimentals i en pacients amb CHC. OBJECTIUS:

Els objectius específics d'aquesta tesi doctoral són:

- Realitzar una caracterització molecular del CHC a Mongòlia i identificar trets moleculars específics en comparació amb tumors de pacients occidentals. - Analitzar si el NAFLD incrementa el risc d’integració del VAA en hepatòcits, induint així el CHC. - Investigar l'efecte immunomodulador de lenvatinib en combinació amb l'anticòs anti-PD1 per proporcionar una base racional pel seu ús com a tractament pel CHC avançat. MÈTODES:

- Estudi #1 (Torrens et al., en revisió): Un total de 192 mostres de tumors hepàtics CHC de pacients provinents de Mongòlia i 187 mostres de CHC de pacients occidentals (Europa i EEUU) van ser analitzades mitjançant seqüenciació completa d'exoma i d’ARN. Per identificar les característiques moleculars úniques del CHC de Mongòlia, es van comparar les característiques clinico-patològiques dels tumors de pacients mongols i occidentals, així com els seus perfils mutacionals i transcripcionals. - Estudi #2 (Dalwadi et al., Mol Ther 2021): Per tal de determinar si la infecció pel virus VAA dels hepatòcis promou l’hepatocarcinogènesi en condicions de malaltia hepàtica, es va fer servir un model animal murí on ratolins adults i nounats de la soca C57BL/6 van ser infectats amb un vector VAA dirigit contra el locus genètic Rian (VAA-Rian). A continuació, els animals van ser a) alimentats amb una dieta rica en greixos per generar NAFLD o b) sotmesos a hepatectomia parcial per generar dany hepàtic i regeneració. Es va monitoritzar el

desenvolupament tumoral i els tumors generats es van caracteritzar mitjançant seqüenciació d'ARN. - Estudi #3 (Torrens et al., Hepatology 2021): Per avaluar l'activitat anti-tumoral de la combinació de l’inhibidor multiquinasa lenvatinib amb anti-PD1 es van generar tres models murins singènics de CHC. L’impacte dels tractaments sobre el perfil molecular i immunitari dels tumors van ser analitzats per citometria de flux i perfilats a nivell transcripcional i immunohistoquímic. Finalment, es va explorar el perfil d'expressió gènica de 228 tumors humans per identificar pacients amb CHC que es podrien beneficiar de la teràpia combinada de lenvatinib i anti-PD1. RESULTATS:

- Estudi #1 (Torrens et al., en revisió): Els resultats del nostre estudi indiquen que els tumors CHC de pacients de Mongòlia presenten les següents particularitats: 1. Una elevada taxa de mutacions, que gairebé dobla la taxa de mutacions de la cohort occidental (121 davant de 70 mutacions per tumor). 2. Un perfil mutacional diferent, amb una major freqüència de mutacions de TP53, APOB, TSC2 i la família de gens KMT2. 3. La presència d'una nova firma mutacional (SBS Mongòlia) al 25% dels casos, que està associada a la firma del genotòxic dimetil sulfat derivat de la combustió del carbó. 4. A nivell d’expressió gènica, els tumors de la cohort de Mongòlia es classifiquen en tres classes moleculars (MGL1, MGL2 i MGL3), dues de les quals (MGL2 al 26% dels CHC i MGL3 al 30%) i presenten característiques moleculars i clínico-patològiques no observades en mostres de CHC occidental. - Estudi #2 (Dalwadi et al., Mol Ther 2021): 1. Només el 5% dels ratolins adults infectats amb VAA-Rian van desenvolupar CHC. Per contra, l’elevada proliferació cel·lular en nounats va promoure un increment en la integració viral i generació de tumors en el 100% dels animals. 2. Tant la lesió hepàtica per la dieta rica en greix com la derivada de l’hepatectomia parcial van conduir a un increment en l’aparició de CHC en ratolins adults infectats amb VAA-Rian en comparació amb animals infectats però no sotmesos a estrès hepàtic. 3. L'anàlisi transcriptòmica de tumors de CHC murins de ratolins originats degut a la infecció amb VAA-Rian va revelar similituds moleculars amb tumors de CHC humans

amb sobreexpressió del locus Rian, associats amb proliferació, fenotip agressiu i mal pronòstic. 4. El fetge de ratolins alimentats amb una dieta rica en greixos presentaven un perfil immunològic protumorigènic, que podria ser el motiu de l’increment del risc de CHC induït per la infecció de VAA. - Estudi #3 (Torrens et al., Hepatology 2021): 1. La combinació de lenvatinib i anti-PD1 aconsegueix una major taxa de resposta, un temps de resposta més curt i una reducció de la viabilitat del tumor en comparació amb els tractaments administrats en monoteràpia. 2. Lenvatinib exerceix un potent efecte immunomodulador sobre l'infiltrat tumoral caracteritzat per una reducció en la proporció de cèl·lules T reguladores i inhibició de la senyalització immunosupressora mitjançant TGFß. 3. El tractament anti-PD1 modifica l'infiltrat immunològic del tumor augmentant les cèl·lules T i la subpoblació de cèl·lules dendrítiques de tipus 1 al tumor. 4. La combinació de lenvatinib amb anti-PD1 és l’únic dels tractaments avaluats capaç de generar una resposta immune anti-tumoral activada. 5. El 22% dels pacients amb CHC presenten un perfil transcripcional que podria estar associat a resistència primària a anti-PD1 i resposta al règim combinat. Aquests pacients podrien beneficiar-se de l'efecte de reforç del tractament de combinació. CONCLUSIONS:

- El CHC a Mongòlia presenta característiques moleculars úniques comparat amb els tumors de pacients occidentals. El seu perfil mutacional podria ser degut a exposició a factors ambientals responsables de l'elevada incidència en aquest país. - La infecció amb el virus VAA promou el desenvolupament de CHC en models murins amb fetge gras degut a un augment en la proliferació d’hepatòcits i a la presència d'un infiltrat protumorogènic. Per tant, la teràpia gènica amb VAA podria resultar oncogènica en pacients amb inflamació hepàtica crònica. - La combinació de lenvatinib i anti-PD1 té un efecte immunomodulador al CHC caracteritzat per la generació d’un perfil immunològic activat. Aquest tractament podria maximitzar el benefici clínic en un subgrup de pacients de CHC. - Els estudis translacionals basats en models preclínics i anàlisis òmiques tenen la capacitat de revelar les característiques moleculars del CHC, potencials factors de risc i nous enfocaments terapèutics.