Unravelling the molecular complexities of early-stage oestrogen receptor positive breast cancer to identify biomarkers of resistance to endocrine therapy

Abstract

[eng] 80% of breast cancer (BC) express positive estrogen receptors (ER+) and up to 15% of them also overexpress or amplify the human epidermal growth factor receptor 2 (HER2), which confers a molecular biology and different behavior in early CM with RE+. The mechanisms of sensitivity and resistance to different treatments in CM are still completely unknown, however, it is known that biomarkers derived from protein expression determined solely by immunohistochemistry (IHC) do not always adequately predict the response to different treatments. treatments in CM. For example, HER2+ overexpression or ER+ are not obligatory predictors of response to treatments with anti-HER2 therapy or hormone therapy (HT), respectively. In 2000, the current molecular classification in CM was discovered, which classified tumors into subtypes according to differences in their gene expression patterns (Luminal A and B, Basal like, Normal like and Her2-enriched (HER2-E)). . These molecular subtypes revealed critical differences in incidence, survival and response to different treatments in BC and consequently, have allowed progress towards more personalized medicine. Molecular intrinsic subtypes are represented in all histological subtypes, but in different distribution: among tumors with ER+/HER2-, up to 80-85% are Luminal A or B with only 5-10% of HER2-E and 5% basal-like, while among RE+/HER2+ tumors, approximately 40% are HER2-E, 55% Luminal A or B and up to 5% basal-like. Despite the medical advances experienced in the last decade, a high proportion of patients with early BC with ER+ (around 20%) will develop resistance to TH with a consequent increase in their risk of relapse. Multiple mechanisms of resistance to HT have been described and it is known that they can vary depending on the tumor subtype. Some of them include: somatic mutations, cross-talk between growth factors

HER2 and RE or alterations in signaling. The intrinsic subtypes defined based on different gene expression also influence the molecular heterogeneity of BC, conferring different prognosis and response to treatments. For example, it is known that HER2-E tumors predict greater sensitivity to anti-HER2 treatment, but a worse prognosis compared to luminal tumors.

There is also some evidence that points to a relevant role of tumor immunity in the response to HT both in early BC that overexpresses HER2 and in HER2-negative (HER2-) tumors. Therefore, it is essential to improve knowledge about the molecular biology in early BC with ER+ for the optimization of the different available treatments and its consequent improvement in the prognosis. However, defining the mechanisms of resistance to HT in ER+ BC is difficult since patients remain disease-free for long periods of time. Furthermore, there is evidence that indicates that there may be significant molecular differences between tumor samples from biopsy and surgery, known as an artefactual effect, probably related to the handling/stress suffered by the samples and not to the direct effect of HT. . Therefore, pre-surgical or “window off opportunity” clinical trials, that is, those that evaluate a drug for a short period of time (generally for 2-4 weeks) before performing the standard treatment, are key to investigate and understand the effect that the treatment itself exerts on the tumor and tumor microenvironment since both the basal characteristics and the changes produced by the treatment can be correlated with the tumor response. An example of this is changes in cell proliferation such as Ki67. In this doctoral thesis, we use biological samples from the POETIC phase III clinical trial, the largest “window of opportunity” study in the world that randomized almost 4,500 patients to receive aromatase inhibitors (AI) preoperatively for two weeks during the waiting time until surgery (treatment arm) or no treatment (control arm). We used gene expression data from both patients with ER+/HER2- and ER+/HER2+ tumors also included in the POETIC study. Furthermore, we analyzed the molecular changes that occurred in an independent cohort of patients with ER+/HER2- early BC from the Royal Marsden Hospital who received neoadjuvant HT for more than 1 month (up to 2 years) to compare them with the results of the POETIC study, after a short period of treatment with HT.

[spa] El 80% del cáncer de mama (CM) expresa receptores de estrógenos positivos (RE+) y hasta un 15% de ellos también sobre-expresa o amplifica el receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano (HER2), lo que confiere una biología molecular y comportamiento distintos en el CM precoz con RE+. Los mecanismos de sensibilidad y resistencia a los distintos tratamientos en CM aún se desconocen en su totalidad, sin embargo, se sabe que los biomarcadores derivados de la expresión proteica determinada únicamente por inmunohistoquímica (IHC) no siempre predicen de manera adecuada la respuesta a los diferentes tratamientos en CM. Por ejemplo, la sobreexpresión HER2+ o los RE+ no son predictores obligados de respuesta a tratamientos con terapia anti-HER2 u hormonoterapia (HT), respectivamente. En el año 2000 se descubrió la actual clasificación molecular en CM que clasificó a los tumores en subtipos de acuerdo con diferencias en sus patrones de expresión génica (Luminal A y B, Basal like, Normal like y Her2-enriquecido (HER2-E)). Estos subtipos moleculares revelaron diferencias críticas en incidencia, supervivencia y respuesta a los distintos tratamientos en CM y en consecuencia, han permitido el avance hacia una medicina más personalizada. Los subtipos intrínsecos moleculares se encuentran representados en todos los subtipos histológicos, pero en distinta distribución: entre los tumores con RE+/HER2-, hasta un 80-85% son Luminal A o B con solo un 5-10% de HER2-E y un 5% de basal-like, mientras que entre los tumores RE+/HER2+, aproximadamente un 40% son HER2-E, un 55% Luminal A o B y hasta un 5% basal-like.

A pesar de los avances médicos experimentados en la ultima década, una alta proporción de pacientes con CM precoz con RE+ (alrededor del 20%) desarrollará resistencias a la HT con un consecuente aumento en su riesgo de recaída. Se han descrito múltiples mecanismos de resistencia a la HT y se conoce que pueden variar dependiendo del subtipo tumoral. Algunos de ellos incluyen: mutaciones somáticas, la intercomunicación entre factores de crecimiento

HER2 y RE o alteraciones en la señalización. Los subtipos intrínsecos definidos en base a la distinta expresión génica también influyen en la heterogeneidad molecular del CM, confiriendo distinto pronóstico y respuesta a los tratamientos. Por ejemplo, se sabe que los tumores HER2- E predicen mayor sensibilidad a tratamiento anti-HER2, pero peor pronóstico en comparación a los tumores luminales.

Existe también cierta evidencia que apunta a un papel relevante de la inmunidad tumoral en la respuesta a la HT tanto en CM precoz que sobre-expresa HER2 como en tumores HER2- negativo (HER2-). Por tanto, es imprescindible mejorar el conocimiento sobre la biología molecular en CM precoz con RE+ para la optimización de los distintos tratamientos disponibles y su consecuente mejora en el pronóstico. Sin embargo, definir los mecanismos de resistencia a la HT en CM RE+ es difícil ya que las pacientes permanecen libres de enfermedad durante largos períodos de tiempo. Además, existe evidencia que indica que puede haber diferencias moleculares significativas entre las muestras tumorales de la biopsia y la cirugía, conocido como un efecto artefactual, probablemente en relación con la manipulación/estrés que sufren las muestras y que no al efecto directo de la HT. Por ello, los ensayos clínicos pre-quirúrgicos o “window off opportunity” o “de ventana”, es decir aquellos que evalúan un fármaco durante un corto periodo de tiempo (generalmente durante 2-4 semanas) antes de realizar el tratamiento estándar, son clave para investigar y entender el efecto que el propio tratamiento ejerce sobre el tumor y microambiente tumoral ya que tanto las características basales como los cambios que se producen por el tratamiento, se pueden correlacionar con la respuesta tumoral. Un ejemplo de ello, son los cambios en proliferación celular tales como el Ki67.

En esta tesis doctoral, utilizamos muestras biológicas del ensayo clínico fase III POETIC, el estudio “window of opportunity” más grande del mundo que aleatorizó a casi 4500 pacientes a recibir inhibidores de la aromatasa (IA) de forma pre-operatoria por dos semanas durante el tiempo de espera hasta la cirugía (rama de tratamiento) o bien a no tratamiento (rama control). Utilizamos datos de expresión génica tanto de pacientes con tumores RE+/HER2- como con RE+/HER2+ incluidos también en el estudio POETIC. Asimismo, analizamos los cambios moleculares que se produjeron en una cohorte independiente de pacientes con CM precoz RE+/HER2- del Hospital Royal Marsden que recibieron HT neoadyuvante durante más de 1 mes (hasta 2 años) para compararlos con los resultados del estudio POETIC, tras un período corto de tratamiento con HT.