Overcoming antiapoptotic adaptations to enhance non-small cell lung cancer treatment

Abstract

[eng] The treatment of lung cancer has substantially progressed due to the development of targeted therapies against driver oncogenes. However, this type of cancer is still the leading cause of cancer-related mortality, requiring new strategies and treatments. In this context, genomic-based precision medicine has revolutionized the management of lung cancer, especially for non-small cell lung cancer (NSCLC). Nevertheless, these therapies are not always effective and often present limited clinical outcome. Thus, we believe that functional assays could be an excellent complement to genomic assays, as they can predict drug efficacy directly in patient-derived cancer cells. We initially evaluated the predictive capacity of the functional assay dynamic BH3 profiling (DBP) in a representative panel of NSCLC cell lines and targeted therapies. Our results confirmed that DBP was an excellent binary predictor in this subset of cells. Precision medicine aims to assign the right therapy to the right patient and is becoming key for improving the survival of cancer patients. However, resistance is common through mutations and other genomic alterations, but other factors can also contribute to the potential relapse of patients, including the evasion of apoptotic cell death. In this study, we seek to better understand and overcome antiapoptotic adaptations to boost NSCLC treatment. We initially explored antiapoptotic adaptations in response to ALK inhibitors in cell lines and patient-derived tumor cells. All of these cell models showed a significant decrease in the expression of the sensitizer protein NOXA in response to ALK inhibitors, leading to an antiapoptotic MCL-1 dependence. In some instances, the antiapoptotic BCL-xL protein could also contribute to the evasion of apoptosis, requiring a case-by-case analysis to identify the antiapoptotic protein(s) involved in cell death protection. Importantly, these antiapoptotic adaptations could be overcome with BH3 mimetics or alternative approaches, enhancing the effectiveness of ALK inhibitors. Finally, we demonstrated that the reactivation of downstream PI3K/AKT and MAPK signaling pathways reduced the effectiveness of the third-generation ALK inhibitor lorlatinib, which could be overcome with specific inhibitors of these pathways. The impairment of the mitochondrial apoptotic pathway is commonly associated with early adaptations to treatment. Nevertheless, the evasion of apoptosis can also contribute to other resistance mechanisms that appear after longer exposure to treatment, including cellular senescence. This cellular phenotype involves cell cycle arrest in response to stress signals such as chemotherapeutic agents, radiotherapy or cell cycle inhibitors. However, the impact of targeted therapies on senescence induction 2 is still unclear. In this study, we also demonstrated that the long-term treatment with the third-generation EGFR inhibitor osimertinib increased the expression of senescence markers. Furthermore, osimertinib-induced senescent cells acquired resistance to apoptosis through different molecular mechanisms that again converged in antiapoptotic MCL-1 and BCL-xL dependencies. Finally, the treatment with BH3 mimetics eliminated the majority of senescent cells, and we demonstrate their excellent senolytic efficacy in this context. In conclusion, we proposed novel therapeutic combinations to enhance the efficacy of targeted therapies in NSCLC, which could have a significant impact in the clinical setting in the future.

[spa] El tratamiento del cáncer de pulmón ha progresado sustancialmente gracias al desarrollo de terapias dirigidas. Sin embargo, este tipo de cáncer sigue siendo la principal causa de mortalidad relacionada con el cáncer. En este contexto, la medicina de precisión basada en ensayos genómicos ha revolucionado el tratamiento del cáncer de pulmón, especialmente del cáncer de pulmón no microcítico (CPNM). Sin embargo, estas terapias no siempre son eficaces y a menudo presentan resultados clínicos limitados. Por ello, creemos que los ensayos funcionales podrían ser un excelente complemento de los ensayos genómicos, ya que pueden predecir la eficacia de los fármacos directamente en células cancerosas derivadas de pacientes. Inicialmente, nosotros evaluamos la capacidad predictiva del ensayo funcional dynamic BH3 profiling (DBP) en un panel representativo de líneas celulares y terapias dirigidas, demostrando ser un excelente predictor binario en este subconjunto de células. La medicina de precisión pretende asignar la terapia adecuada al paciente adecuado y está siendo clave para mejorar la supervivencia de los enfermos de cáncer. Sin embargo, la resistencia tumoral puede contribuir a la posible recaída de los pacientes. En este estudio, exploramos las adaptaciones antiapoptóticas en respuesta a los inhibidores de ALK en líneas celulares y células tumorales derivadas de pacientes. Todos los modelos celulares mostraron un descenso significativo en la expresión de la proteína sensibilizadora NOXA en respuesta a los inhibidores de ALK, lo que condujo a una dependencia antiapoptótica de MCL-1. En algunos casos, la proteína antiapoptótica BCL-xL también podría contribuir a la evasión de la apoptosis. Estas adaptaciones antiapoptóticas pudieron ser superadas con BH3 mimetics o enfoques alternativos, aumentando la eficacia de los inhibidores de ALK. Por último, demostramos que la reactivación de las vías de señalización PI3K/AKT y MAPK reducía la eficacia de lorlatinib, lo que podía superarse con inhibidores específicos de estas vías. La alteración de la vía apoptótica mitocondrial suele asociarse a adaptaciones tempranas al tratamiento. Sin embargo, la evasión de la apoptosis también puede contribuir en otros mecanismos de resistencia que aparecen tras una exposición más prolongada al tratamiento como la senescencia celular. Este fenotipo implica la detención del ciclo celular en respuesta a señales de estrés como agentes quimioterapéuticos, radioterapia o inhibidores del ciclo celular. Sin embargo, no está claro el impacto de las terapias dirigidas en la inducción de la senescencia. En este estudio, demostramos que el tratamiento a largo plazo con osimertinib aumentaba la expresión de marcadores de senescencia. Además, las células senescentes adquirieron resistencia a la apoptosis a través de las proteínas antiapoptóticas MCL-1 y BCL-xL. Finalmente, el tratamiento con BH3 mimetics eliminó la mayoría de las células senescentes.