Dissecting the immune response elicited by PARP inhibitors in Homologous Recombination Repair altered breast cancer

Abstract

El càncer de mama (CM) és el càncer més diagnosticat a nivell mundial i la principal causa de morts relacionades amb el càncer en dones. Entendre l'heterogeneïtat molecular del CM és crucial per millorar els resultats del tractament. Aproximadament el 18% dels CM presenten alteracions en la via de reparació de l'ADN de recombinació homòloga (HRR), que impliquen principalment els gens BRCA1 i BRCA2. Els tumors amb deficiència de HRR (HRD) són sensibles als inhibidors de la poli ADP-ribosa polimerasa (PARPi), com l'olaparib, que han estat aprovats per al tractament de CM en individus amb mutacions BRCA1/2 en la línia germinal. No obstant això, les dades clíniques han mostrat una alta taxa de recaiguda en aquests pacients. La immunoteràpia ha revolucionat el tractament del càncer per a diverses malalties malignes, la seva eficàcia en CM ha estat limitada. La inestabilitat genòmica derivada del dany de l'ADN activa la via de STING, que condueix a la senyalització d'interferó (IFN) tipus 1 i NF-[Kappa]B. En conseqüència, els tumors amb HRD són propensos a activar la via STING. La resposta immune induïda per STING té un paper dicotòmic, exercint tant efectes antitumorals com pro-tumorals en el microambient tumoral (TME). Aquesta tesi investiga la relació entre l'eficàcia de PARPi i la resposta immune relacionada amb STING mitjançant xenoempelts derivats de pacients CM alterats per HRR (PDX), al·loempelts derivats de ratolí (MDA) i mostres de pacients. En un panell de 35 PDX, la sensibilitat a PARPi és associada a la HRD funcional, determinada per la manca de focus RAD51, la inducció de la inestabilitat genòmica i l'activació de la via STING, després del tractament amb olaparib. De manera consistent, els perfils transcriptòmics van revelar la regulació de les signatures immunes, és a dir, les respostes d'interferó [Alfa] (IFN [Alfa]) i interferó [Gamma] (IFN[Gamma]). Vam establir MDA a partir de models de ratolí modificats genèticament (GEMM) de BC deficient de Brca1 i vam establir models de resistència adquirida a olaparib (MDA-OR). De manera semblant a les troballes en PDX, la inestabilitat genòmica induïda per olaparib i la senyalització d'IFN es van deteriorar en MDA-OR. A més, les dades de cèl·lules individuals van indicar una diafonia mediada per IFN[Gamma] en MDA TME i un TME silenciós immune amb expansió clonal de cèl·lules T disfuncionals en MDA-OR. Concordantment, l'activitat antitumoral d'olaparib es va reduir en ratolins més immunodeprimits (NSG < NMRI < C57BL/6), donant suport a una implicació activa tant de la immunitat innata com adaptativa en l'eficàcia antitumoral de PARP. Els agonistes de STING han demostrat la capacitat d'induir la resposta d'IFN i exercir activitat antitumoral. Concordantment, la combinació de PARPi amb un agonista de STING (STINGa) va millorar l'activitat antitumoral d'olaparib en models PDX i MDA de resistència adquirida a olaparib. En particular, l'eficàcia de PARPi + STINGa es va abolir després de l'esgotament de les cèl·lules NK, destacant el seu paper crucial per a l'eliminació del tumor. Finalment, vam perfilar el paisatge immune perifèric en pacients CM amb mutacions BRCA1/2. Els pacients amb bona resposta al tractament PARPi van mostrar nivells més alts de limfòcits B i cèl·lules NK CD56 bright a la sang en comparació amb els mals responents, juntament amb l'expansió clonal de cèl·lules CD8 semblants a NK. En conclusió, les nostres dades suggereixen que les cèl·lules NK tenen un paper fonamental en la immunitat antitumoral mediada per PARPi. La inestabilitat genòmica induïda per PARPi desencadena la senyalització cGAS-STING-IFN que activa la immunitat en tumors amb HRD funcional, contribuint a l'eficàcia terapèutica de PARPi. Per tant, proposem la combinació de PARPi i STINGa com una possible estratègia nova per millorar la resposta antitumoral

El cáncer de mama (CM) es el cáncer más diagnosticado a nivel mundial y la principal causa de muerte relacionada con el cáncer en las mujeres. Comprender la heterogeneidad molecular de CM es crucial para mejorar los resultados del tratamiento. Aproximadamente el 18 % de los CM presentan alteraciones en la vía de reparación del ADN por recombinación homóloga (HRR), principalmente en los genes BRCA1 y BRCA2. Los tumores con deficiencia de HRR (HRD) son sensibles a los inhibidores de la poli ADP-ribosa polimerasa (PARPi), como olaparib, que han sido aprobados para el tratamiento de CM en individuos con mutaciones de línea germinal BRCA1/2. Los datos clínicos han mostrado una alta tasa de recaída en estas pacientes. Si bien la inmunoterapia ha revolucionado el tratamiento del cáncer para diversas neoplasias malignas, su eficacia en el cáncer de mama ha sido limitada. La inestabilidad genómica resultante del daño en el ADN activa la vía de STING lo que conduce a la señalización de interferón tipo 1 (IFN) y NF-[Kappa]B. En consecuencia, los tumores con HRD son propensos a activar la vía STING. La respuesta inmune inducida por STING juega un papel dicotómico, ejerciendo efectos tanto antitumorales como protumorales en el microambiente tumoral (TME). Esta tesis investiga la relación entre la eficacia de PARPi y la respuesta inmunitaria relacionada con STING utilizando xenoinjertos derivados de pacientes (PDX) de CM alterados por HRR, aloinjertos derivados de ratones (MDA) y muestras de pacientes. En un panel de 35 PDX, la sensibilidad de PARPi se asoció con HRD funcional, determinada por la falta de focos RAD51, la inducción de inestabilidad genómica y la activación de la vía STING, tras el tratamiento con olaparib. De manera constante, los perfiles transcriptómicos revelaron la regulación positiva de las firmas inmunitarias de respuestas de interferón [Alfa] (IFN [Alfa]) e interferón [Gamma] (IFN[Gamma]). Establecimos MDA a partir de modelos de ratones modificados genéticamente (GEMM) de CM deficientes en Brca1 y establecimos modelos de resistencia adquirida a olaparib (MDA-OR). De manera similar a los PDX, la inestabilidad genómica inducida por olaparib y la señalización de IFN se vieron afectadas en MDA-OR. Además, los datos de células individuales indicaron una diafonía mediada por IFN[Gamma] en MDA TME y un TME inmune "silencioso" con expansión clonal de células T disfuncionales en MDA-OR. En consecuencia, la actividad antitumoral de olaparib se redujo en más ratones inmunocomprometidos (NSG < NMRI < C57BL/6), lo que respalda una participación activa de la inmunidad innata y adaptativa en la eficacia antitumoral de PARPi. Los agonistas de STING han demostrado la capacidad de inducir la respuesta de IFN y ejercer actividad antitumoral. En concordancia, la combinación de PARPi con un agonista de STING (STINGa) mejoró la actividad antitumoral de olaparib en los modelos PDX y MDA de resistencia adquirida a olaparib. En particular, la eficacia de PARPi+STINGa se eliminó tras el agotamiento de las células NK, lo que destaca su papel crucial en la eliminación del tumor. Finalmente, perfilamos el panorama inmunológico periférico en pacientes con BC con mutaciones BRCA1/2. Los pacientes con buena respuesta al tratamiento con PARPi mostraron niveles más altos de linfocitos B y células NK CD56 bright en sangre en comparación con los que respondieron mal, junto con una expansión clonal de células CD8 similares a NK. En conclusión, nuestros datos sugieren que las células NK desempeñan un papel fundamental en la inmunidad antitumoral mediada por PARPi. La inestabilidad genómica inducida por PARPi desencadena la señalización de cGAS-STING-IFN de activación inmunitaria en tumores con HRD funcional, lo que contribuye a la eficacia terapéutica de PARPi. Por lo tanto, proponemos la combinación de PARPi y STINGa como

Breast cancer (BC) is the most diagnosed cancer globally and the leading cause of cancer-related deaths in women. Understanding the molecular heterogeneity of BC is crucial for improving treatment outcomes. Approximately 18% of BC exhibit alterations in the homologous recombination DNA repair pathway (HRR), primarily involving BRCA1 and BRCA2 genes. Tumours with HRR deficiency (HRD) are sensitive to Poly ADP-ribose polymerase inhibitors (PARPi), such as olaparib, which have been approved for BC treatment in individuals with germline BRCA1/2 mutations. However, clinical data have shown a high rate of relapse in these patients. While immunotherapy has revolutionized cancer treatment for various malignancies, its effectiveness in BC has been limited. Genomic instability resulting from DNA damage activates the cyclic GMP-AMP synthase (cGAS)-stimulator of interferon genes (STING) pathway, leading to type-1 interferon (IFN) and NF-[Kappa]B signalling. Consequently, tumours with HRD are prone to activate the STING pathway. The STING-induced immune response plays a dichotomous role, exerting both anti-tumour and pro-tumour effects in the tumour microenvironment (TME). This thesis investigates the relationship between PARPi efficacy and STING-related immune response using HRR-altered BC patient derived xenografts (PDXs), mouse derived allografts (MDAs) and patient samples. In a panel of 35 PDXs, PARPi sensitivity associated with functional HRD, as determined by lack of RAD51 foci, induction of genomic instability and activation of the STING pathway, upon olaparib treatment. Consistently, transcriptomic profiles revealed the up-regulation of immune signatures, namely Interferon [Alfa] (IFN [Alfa]) and Interferon [Gamma] (IFN[Gamma]) responses. We established MDAs from genetically engineered mouse models (GEMMs) of Brca1 deficient BC and established models of acquired resistance to olaparib (MDA-OR). Similar to the findings in PDXs, olaparib-induced genomic instability and IFN signalling was impaired in MDA-OR. Furthermore, single cell data indicated an IFN[Gamma]-mediated crosstalk in MDA TME and an immune silent TME with clonal expansion of dysfunctional T cells in MDA-OR. Concordantly, antitumour activity of olaparib was reduced in more immunocompromised mice (NSG < NMRI < C57BL/6), supporting an active involvement of both innate and adaptive immunity in the antitumour efficacy of PARPi. STING agonists have demonstrated the ability to induce the IFN response and exert anti-tumour activity. Concordantly, the combination of PARPi with a STING agonist (STINGa) enhanced the antitumor activity of olaparib in PDX and MDA models of acquired resistance to olaparib. Notably, the efficacy of PARPi+STINGa was abolished upon depletion of NK cells, highlighting their crucial role for tumour clearance. Finally, we profiled the peripheral immune landscape in BC patients with BRCA1/2 mutations. Patients with good response to PARPi treatment showed higher levels of B lymphocytes and CD56 bright NK cells in blood compared to bad responders, along with clonal expansion of NK-like CD8 cells. In conclusion, our data suggests that NK cells play a pivotal role in PARPi-mediated antitumour immunity. PARPi-induced genomic instability triggers immune-activating cGAS-STING-IFN signalling in tumours with functional HRD, contributing to the therapeutic efficacy of PARPi. Therefore, we propose the combination of PARPi and STINGa as a potential novel strategy to enhance the antitumour response in patients with acquired PARPi resistance.