Exploring predictive biomarkers of response and overcoming resistance to PARP inhibitors and platinum-based chemotherapy in hereditary breast cancer

Abstract

El càncer de mama (CM) és un dels càncers més comuns a tot el món i la principal causa de mort relacionada amb el càncer. Tradicionalment, la quimioteràpia convencional ha estat gairebé l'única opció per combatre aquesta malaltia, donant peu a altes taxes de mortalitat. No obstant, en els derrers anys, les teràpies dirigides que aprofiten les característiques moleculars específiques dels tumors per atacar-los, han incrementat la supervivència. Aproximadament, el 18% dels CM presenta una deficiència en la via de reparació de ruptures de doble cadena (DSB) d’ADN per recombinació homòloga (HR), a causa d'alteracions somàtiques o germinals en gens clau de la via com ara BRCA1 o BRCA2. Tanmateix, aquesta deficiència en la HR (HRD) fa que aquests tumors siguin sensibles a agents que danyen l'ADN, com els inhibidors PARP (PARPi) o a la quimioteràpia basada en platí. Actualment, els PARPi es recomanen principalment per tumors HRD, que s’identifiquen ja sigui per la seva sensibilitat al platí o per la presència de mutacions en BRCA1/2. No obstant, encara hi ha marge per millorar la selecció de pacients que podrien beneficiar-se dels PARPi, ja que i) hi ha tumors amb mutacions en BRCA1/2 que son resistents i ii) hi ha tumors amb mutacions en altres gens.

El nostre laboratori ha desenvolupat el test de RAD51, un assaig d’immunofluorescència que avalua la presència de focus nuclears del RAD51, un efector clau de la via de la HR.

En aquesta tesi, vam avaluar el valor predictiu dels diferents biomarcadors de HRD disponibles, incloent la presència de mutacions en gens de la HR, cicatrius genòmiques i RAD51, en un panell de més de 100 xenoinjerts derivats de pacients (PDXs). En establir un llindar del 10%, el test de RAD51 va mostrar un valor predictiu positiu més alt en comparació amb els tests genètics i genòmics de HRD, suggerint una millor capacitat per identificar tumors sensibles als PARPi.

A més, es va realitzar un anàlisi post hoc del RAD51 en mostres de pacients amb CM primari triple negatiu que van participar en dos assajos clínics. El test va demostrar ser un biomarcador robust per estimar la prevalença de la HRD.

També vam intentar trobar opcions terapèutiques per a tumors que no van respondre als PARPi de primera generació. Específicament, vam avaluar l'activitat antitumoral de l'inhibidor selectiu de PARP1 de nova generació AZD5305, que exhibeix una capacitat millorada per atrapar PARP1 a l'ADN, mentre evita els efectes adversos hematològics quan s'inhibeix PARP2. Vam trobar que l'AZD5305 va exhibir respostes més profundes i prolongades in vivo amb comparació a l'olaparib, en un panell de 13 PDXs amb una alteració en HR.

També vam demostrar que la combinación d’AZD5305 amb agents que indueixen estrès replicatiu supera la resistència als PARPi en monoterapia. També vam demostrar que les combinacions de PARPi amb altres inhibidors que bloquejan la reparació del dany de l'ADN, com inhibidors de POLθ o DNA-PK, van mostrar respostes prolongades en tumors resistents als agents individuals.

Finalment, vam trobar que les mutacions al domini RING de BRCA1 predisposen els tumors a desenvolupar resistència als PARPi, específicament a través de la desregulació de la via de resecció, però prediuen la sensibilitat a aquestes combinacions amb PARPi.

En conclusió, les nostres dades suggereixen que RAD51 és un biomarcador precís i dinàmic que prediu la resposta als PARPi i als platíns. La seva precisió ha estat validada en models preclínics i confirmat en dos assajos clínics. Finalment, les combinacions de PARPi amb altres agents DDR són estratègies efectives per superar la resistència als PARPi en monoterapia, particularment en tumors amb mutacions al domini RING del gen BRCA1.

El cáncer de mama (CM) es uno de los cánceres más comunes en todo el mundo y una de la principal causa de muerte relacionada con el cáncer. Tradicionalmente, la quimioterapia convencional ha sido prácticamente la única opción para combatir esta enfermedad, lo que ha llevado a altas tasas de mortalidad. Sin embargo, en los últimos años, las terapias dirigidas, que aprovechan las características moleculares específicas de los tumores para combatirlos, han mejorado la supervivencia del CM. Aproximadamente el 18% de los CM presenta una deficiencia en la vía de reparación de la recombinación homóloga (HR), un mecanismo de reparación libre de errores del daño de doble cadena (DSB) en el ADN, debido a alteraciones somáticas o germinales en genes clave de la vía como BRCA1 o BRCA2. Es precisamente debido a estas deficiencias en la HR (HRD) que estos tumores son sensibles a agentes que dañan el ADN, como los inhibidores PARP (PARPi) o la quimioterapia basada en platino. Actualmente, los PARPi se recomiendan principalmente en un contexto de HRD, identificado ya sea por previa sensibilidad al platino o por la presencia de mutaciones en BRCA1/2. Sin embargo, aún hay margen para mejorar la selección de pacientes que podrían beneficiarse de los PARPi, ya que i) hay tumores con mutaciones en BRCA1/2 que son resistentes y ii) hay tumores con mutaciones en otros genes. Nuestro laboratorio ha desarrollado el test de RAD51, un ensayo basado en la inmunofluorescencia que evalúa la presencia de focos nucleares de un efector clave de la vía de HR: RAD51. En esta tesis, evaluamos el valor predictivo de los diferentes biomarcadores de HRD disponibles, incluyendo la presencia de mutaciones en genes de la HR, cicatrices genómicas y RAD51, en un panel de más de 100 xenoinjertos derivados de pacientes (PDXs). Establecimos que, utilizando un punto de corte del 10%, el test de RAD51 mostró un valor predictivo positivo más alto en comparación con los tests genéticos y genómicos de HRD, lo que indica una mejor capacidad para identificar tumores sensibles a los PARPi. Además, se realizó un análisis post hoc de RAD51 en muestras de pacientes con CM primario triple negativo que participaron en dos ensayos clínicos. El test demostró ser un biomarcador robusto para estimar la prevalencia de HRD. Además, intentamos encontrar opciones terapéuticas para tumores que no respondieron a los PARPi de primera generación. Específicamente, evaluamos la actividad antitumoral del inhibidor selectivo de PARP1 AZD5305, que exhibe una capacidad mejorada para atrapar PARP1 en el ADN mientras evita los efectos adversos hematológicos descritos cuando se inhibe PARP2. El AZD5305 exhibió respuestas más profundas y duraderas que olaparib en un panel de 13 PDXs con alteraciones en HR. Además, la combinación de AZD5305 con agentes que inducen estrés replicativo superó la resistencia a PARPi en monoterapia. Consistentemente, también demostramos que las combinaciones de PARPi con otros inhibidores que bloquean la reparación del daño del ADN, como inhibidores de POLθ o de DNA-PK, mostraron respuestas duraderas en tumores que eran resistentes a los agentes en monoterapia. Finalmente, encontramos que los tumores con mutaciones en el dominio RING de BRCA1 mostraron resistencia a través de la desregulación de la vía de resección del ADN y sensibilidad a estas combinaciones con PARPi. En conclusión, nuestros datos sugieren que RAD51 es un biomarcador preciso y dinámico que predice la respuesta a los PARPi y las sales de platino. Finalmente, las combinaciones de PARPi con otros agentes que inducen daño en el ADN demostraron ser estrategias efectivas para superar la resistencia a los PARPi en monoterapia, particularmente en tumores con mutaciones en el dominio RING del gen BRCA1.

Breast cancer (BC) is one of the most common cancers worldwide and the leading cause of cancer-related deaths among women from industrialised countries. Traditionally, conventional chemotherapy has barely been the only option to combat this aggressive disease, leading to high mortality rates. In recent years, however, targeted therapies, which take advantage of the specific molecular characteristics of tumours to attack them, have accelerated the increase in BC survival. Approximately, 18% of BC exhibits a deficiency in the homologous recombination (HR) repair (HRR) pathway, an error-free mechanism for repairing DNA double-strand breaks (DSBs), due to somatic or germline alterations in key genes of the pathway such as BRCA1 or BRCA2. Nevertheless, it is precisely due to this HR deficiency (HRD) that these tumours are exquisitely sensitive to DNA-damaging agents, like poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) or platinum-based chemotherapy. Nowadays, PARPi are mostly recommended in a context of HRD, identified either by platinum-sensitivity or by the presence of BRCA1/2 mutations. However, there is still room to improve selection of patients who may benefit from PARPi, as i) a high proportion of BRCA1/2-mutated tumours exhibit resistance to therapy and ii) there are patients with mutations in other genes that may benefit. Accordingly, our laboratory has developed the RAD51 test, an immunofluorescence-based assay that evaluates the presence of nuclear foci of this downstream effector of the HRR pathway. In this thesis, we firstly assessed the predictive value of the different available HRD biomarkers including the presence of an HRR-related gene mutations, genomic scars, and RAD51 in a panel of more than 100 patient-derived xenografts (PDXs). We established that, by using a 10% cut-off, the RAD51 test showed a higher positive predictive value compared to genetic and genomic HRD tests, suggesting a better ability to identify tumours that are sensitive to PARPi and to discriminate them from those that become PARPi-resistant after restoration of the HRR pathway functionality. In addition, a post-hoc analysis of RAD51 was conducted in samples from patients with early-stage triple negative breast cancer who participated in the PETREMAC and GeparSixto clinical trials. The test demonstrated to be a robust biomarker to estimate the prevalence of functional HRD. In addition, we aimed to find therapeutic options for tumours that did not respond to first-generation PARPi. Specifically, we evaluated the antitumour activity of the new-generation PARP1 selective inhibitor AZD5305, which exhibits an enhanced ability to trap PARP1 on DNA while preventing the haematological adverse effects described when PARP2 is inhibited. We found that AZD5305 exhibited more profound and durable responses than olaparib in vivo in a panel of 13 HRR-altered PDXs. We further showed that the addition of agents inducing replication stress to AZD5305 overcome resistance to PARPi alone. Consistently, we also demonstrated that combinations of PARPi with other inhibitors targeting the DNA damage repair (DDR), such as POLθ or DNA-PK inhibitors, showed durable responses in tumours that were resistant to the single agents. We finally found that mutations in the RING domain of BRCA1 predispose tumours to develop resistance to PARPi specifically through the dysregulation of the end resection pathway but, unexpectedly, they predict sensitivity to these combinations with PARPi. In conclusion, our data suggest that RAD51 is an accurate and dynamic biomarker that predicts response to PARPi and platinum salts. Its performance has been validated in preclinical models and further confirmed in two clinical trials. Finally, combinations of PARPi with other DDR agents are effective strategies to overcome resistance to PARPi alone, particularly in tumours with mutations in the RING domain of the BRCA1 gene.