DNA damage repair targeting therapeutics and predictive biomarkers for patient stratification in prostate cancer

Abstract

[eng] Prostate cancer is the second most prevalent cancer among men. While early-stage has low mortality rates, metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) is a lethal form of the disease which remains incurable. Consequently, researchers have focused their efforts on understanding the disease's complexities and developing innovative treatment strategies. Metastatic prostate cancer is enriched for alterations in genes involved in the Homologous recombination repair (HRR) machinery. Therapeutical strategies targeting the DNA Damage Repair (DDR) machinery are under study and clinical testing in different cancer types with defects in these mechanisms. HRR deficiency creates a potential synergy with DNA- damaging agents and DDR-targeting drugs, such as PARP inhibitors (PARPi), which are now approved for the treatment of this molecularly defined subset of patients. While high response rates are observed among BRCA1/2-altered patients, limited benefit has been observed in patients with other gene alterations such as ATM. Moreover, acquired resistance to the treatment is eventually observed, so the implementation of functional biomarkers is proposed to complement NGS testing for patient stratification. This thesis focuses on understanding how to target the DDR machinery in prostate cancer models, focusing on ATM deficiencies in mCRPC. The generation of ATM-altered models in vitro revealed diverse sensitivity to PARP inhibitors with no complete absence of HRR capacity. Results demonstrated the enhanced antitumor effect of combining PARPi with ATRi even in models with inherent or acquired resistance to PARPi. Regarding the development of biomarkers of HRR capacity for patient stratification, the validation of an immunofluorescence (IF)-based assay that determines HRR functional status was pursued. This assay classifies samples on HRD or HRP based on the presence of RAD51 foci on the nucleus and has been previously validated on models with breast and ovarian cancer. The assay successfully identified cases with BRCA1/2 alterations and biallelic PALB2 mutations. However, no correlation has been observed with other HRR-related gene alterations. The response predictive value of the assay was explored on cases from the TOPARPB clinical trial and demonstrated an increase in OS and rPFS on patients classified as HRD by the assay. This thesis also aimed to understand the crosstalk between DDR and AR signaling. Androgen deprivation therapy is the standard treatment in clinical practice and has demonstrated its efficacy in combination with chemotherapy. This is based on a potential downregulation of the HRR capacity upon AR signaling inhibition, which is now explored in combination with PARPi. An in vivo study revealed a downregulation of HRR upon enzalutamide or castration, which showed an enhanced antitumor effect in combination with PARPi. The RAD51 assay performed on patient samples from a neoadjuvant clinical trial showed that short-term ADT (2 months) did not decrease HRR capacity. While longer treatment (6 months) was associated with changes in RAD51 foci formation, we identified a potential confounding factor related to sample processing that precluded us from concluding there is a functional suppression of HRR and prompted us to modify sample collection protocols for further clinical trials.

Overall, the most relevant results showed an enhanced antitumor effect of the combination of PARPi plus ATRi in ATM-altered models with sensitivity and resistance to PARPi, suggesting this therapeutic strategy may be tested in patients who already progressed to PARPi. The RAD51 functional assay identified BRCA1/2 losses and PALB2 biallelic mutations, while a lower correlation was observed in other HRR-related genes. The assay predicted PARPi sensitivity in PDX models and the lack of RAD51 foci associated with improved patient outcomes on Olaparib, suggesting that the assay can complement NGS testing for molecular stratification of mCRPC and PARPi treatment.

[spa] El cáncer de próstata es el segundo tumor más frecuente en hombres. Mientras las primeras etapas presentan bajas tasas de mortalidad, el cáncer de próstata metastásico resistente a la castración (mCRPC) es una forma letal de la enfermedad que sigue siendo incurable. Por tanto, investigadores y clínicos han centrado sus esfuerzos en entender la complejidad de la enfermedad y desarrollar estrategias de tratamiento innovadoras. En el cáncer de próstata metastásico se observa un enriquecimiento de alteraciones en genes involucrados en el mecanismo de reparación del ADN (DDR), especialmente por recombinación homóloga (HRR). Estas alteraciones han servido de diana terapéutica en otros tipos de cáncer, como mama y ovario, mediante el uso de fármacos que inducen daño en el ADN, así como que afectan a otros mecanismos de reparación. La deficiencia en la capacidad de reparación (HRD) crea una sinergia con inhibidores de PARP (PARPi), aprobados ahora para el tratamiento de este subconjunto metastásico con alteraciones en HRR. Mientras que pacientes con alteraciones en BRCAl/2 presentan altas tasas de respuesta, el beneficio es limitado en pacientes con alteraciones en otros genes como ATM. Además, los pacientes que responden al tratamiento acaban desarrollando resistencia a este, por lo que es necesaria una implementación de biomarcadores funcionales que complementen las pruebas de secuenciación por NGS para la estratificación de pacientes. El trabajo de esta tesis se enfoca en entender el efecto en DDR y su uso como diana terapéutica en modelos de cáncer de próstata, centrándose en las deficiencias de ATM en mCRPC. La generación de modelos de líneas celulares con alteraciones en ATM resultó en diversas sensibilidades a PARPi sin pérdida completa de capacidad HRR. Los resultados demostraron el efecto antitumoral al combinar PARPi con inhibidores de ATR (ATRi) incluso en modelos con resistencia inherente o adquirida a PARPi. Además, el trabajo intenta implementar biomarcadores funcionales que midan la capacidad de reparación por HRR en la estratificación de pacientes. Para ello, se valida un ensayo por inmunofluorescencia (IF) que clasifica las muestras en competentes (HRP) o deficientes (HRD) basándose en la presencia de focos nucleares de RAD51, previamente validado en modelos con cáncer de mama y ovario. El ensayo identificó casos con alteraciones en BRCAl/2 y pérdida bialélica de PALB2. Sin embargo, no se ha observado correlación con alteraciones en otros genes implicados en HRR. El valor predictivo de respuesta del ensayo fue explorado en casos del ensayo clínico TOPARPE y demostró un aumento en OS y rPFS en pacientes clasificados como HRD por el ensayo. En la tesis también se plantea el objetivo de entender la interacción entre la maquinara de reparación y la señalización del receptor de andrógenos (AR). La terapia de privación androgénica es el tratamiento estándar en la práctica clínica y ha demostrado su eficacia en combinación con quimioterapia. Esto se basa en una posible disminución de la capacidad HRR tras la inhibición de la señalización de AR (ARSi), explorándose actualmente en combinación con PARPi. Resultados in vivo en un modelo PDX revelaron una disminución del HRR tras la enzalutamida o castración, presentando un mayor efecto antitumoral al combinarlo con PARPi. El ensayo de RAD51 realizado en muestras de pacientes mostró que el tratamiento con ADT a corto plazo (2 meses) no disminuye la capacidad de reparación por HRR. El estudio del tratamiento a 6 meses estuvo asociado con cambios en la formación de focos de RAD51, sin embargo, se observó una menor calidad de la muestra asociado con el procesamiento de esta, que impide concluir si hay una supresión funcional de HRR o es un artefacto de la disminución de la calidad del tejido, y, por tanto, de la aplicabilidad del test en este tipo de muestras. Esto llevó a la modificación de protocolos de recolección de muestras para futuros ensayos clínicos. En conclusión, los resultados más relevantes mostraron un potente efecto antitumoral en la combinación de inhibidores de PARP y ATR en modelos con alteraciones en ATM tanto sensibles como resistentes, lo que sugiere que esta estrategia terapéutica puede ser probada en pacientes con progresión a PARPi. El ensayo funcional de RAD51 identificó pérdidas de BRCAl/2 y PALB2, presentando una menor correlación con otros genes involucrados en HRR. El ensayo predijo la sensibilidad a PARPi en modelos PDX y la clasificación de muestras de pacientes como HRD se asoció con mejores resultados con Olaparib, lo que sugiere que el ensayo puede complementar las pruebas basadas en NGS en la estratificación molecular de pacientes mCRPC y el tratamiento con PARPi.