Molecular biomarkers in head and neck cancer: Evaluation of biomarkers in prognostication and radiotherapy response prediction
Routila, Johannes (2022-10-21)
Molecular biomarkers in head and neck cancer: Evaluation of biomarkers in prognostication and radiotherapy response prediction
(21.10.2022)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-9004-7
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-9004-7
Tiivistelmä
Radiotherapy plays an integral part in the treatment of head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Despite rigorous investigation spanning several decades, no molecular biomarkers are currently available for the prediction of radiotherapy response of an individual HNSCC tumour. Several radioresistance mechanisms have been acknowledged, including p53 alterations, hypoxia, and cancer stem cells.
In this thesis, the overall purpose, role, and interpretation of molecular biomarkers in the context of HNSCC is discussed, and the clinical problem-field is emphasized. Putative radioresistance related molecular biomarkers were selected for investigation in HNSCC cell lines and patient materials. For clinical investigation, all HNSCC patients treated in the tertiary referral centre of Turku University Hospital during 2005-2010 were retrospectively collected. Clinical patient data was gathered, patient tumour samples were collected and processed into a tissue microarray. Immunohistochemistry and in situ hybridization were used for detection of biomarker expression and their relation to patient survival was analysed in multivariable survival models.
Copy number alterations of stemness associated cancerous inhibitor of protein phosphatase 2A (CIP2A) were demonstrated in HNSCC cell lines and the presence of copy number alterations was found to be associated with a poor prognosis in HNSCC patients. Putative radioresistance biomarkers were investigated in several HNSCC cell lines after construction of a cell microarray. Stem cell marker OCT4 was revealed to be significantly associated with intrinsic radioresistance. The representativeness of the clinical tissue microarray was carefully confirmed using a novel population validation method. Using immunohistochemical stains, putative prognostic biomarkers were shown to perform poorly in the population-validated tissue microarray (PV-TMA). Finally, using the PV-TMA, OCT4 was found to predict for poor radiotherapy response and improved chemoradiotherapy response.
In conclusion, using HNSCC cell line microarray and highly representative PVTMA patient material, OCT4 was established as a stratification biomarker between radiotherapy and cisplatin-based chemoradiotherapy. Molekulaariset biomarkkerit pään ja kaulan alueen syövässä
Sädehoidolla on keskeinen rooli pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpien hoidossa. Vuosikymmenten tutkimuksesta huolimatta yksittäisen pään ja kaulan alueen levyepiteelisyövän sädehoitovastetta ennustavaa molekulaarista biomarkkeria ei ole käytettävissä. Nykyisin tunnetaan lukuisia huonoa sädeherkkyyttä selittäviä mekanismeja kuten p53-geenin mutaatiot, kasvaimen hypoksiset olosuhteet ja syöpäkantasolut.
Tässä työssä tarkastellaan molekulaarisen biomarkkerin tehtävää, tarkoitusta ja tulkintaa pään ja kaulan alueen levyepiteelisyövän yhteydessä korostaen kliinistä ongelmakenttää. Sädeherkkyyteen liitettyjä biomarkkeriehdokkaita tutkittiin pään ja kaulan levyepiteelisyöpäsolulinjoja ja potilasaineistoja hyödyntäen. Kliinisenä tutkimuksena kerättiin kaikki vuosina 2005–2010 Turun yliopistollisessa keskussairaalassa hoidetut pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpäpotilaat käsittävä aineisto. Potilasnäytteet kerättiin ja niistä valmistettiin kudosmikrosiru. Biomarkkerien ilmentymistä tutkittiin immunohistokemiallisilla menetelmillä ja in situ hybridisaatiolla ja niiden yhteyttä potilaiden ennusteeseen selvitettiin monimuuttujaisilla ennustemalleilla.
CIP2A-proteiinin kopiolukumuutoksia todettiin pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpäsolulinjoissa, ja kopiolukumuutosten havaittiin olevan yhteydessä pään ja kaulan levyepiteelisyöpäpotilaiden heikentyneeseen ennusteeseen. Pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpäsolulinjoista kootussa solumikrosiruaineistossa havaittiin kantasolutekijä OCT4:n olevan merkitsevästi yhteydessä solujen sädeherkkyyteen. Kliinisen kudosmikrosiruaineiston todettiin olevan edustava. Biomarkkeriehdokkaat suoriutuivat huonosti potilaiden ennusteen määrittämisestä, mutta OCT4 ennusti levyepiteelikasvaimen huonoa sädehoitovastetta, mutta hyvää ennustetta sisplatiinipohjaisen kemosädehoidon jälkeen.
Tutkimuksessa todettiin pään ja kaulan levyepiteelisoluja ja edustavaksi havaittua väestövarmennettua kudosmikrosiruaineistoa hyödyntäen, että OCT4 soveltuu sädehoidon ja sisplatiinipohjaisen kemosädehoidon valintaa ohjaavaksi biomarkkeriksi.
In this thesis, the overall purpose, role, and interpretation of molecular biomarkers in the context of HNSCC is discussed, and the clinical problem-field is emphasized. Putative radioresistance related molecular biomarkers were selected for investigation in HNSCC cell lines and patient materials. For clinical investigation, all HNSCC patients treated in the tertiary referral centre of Turku University Hospital during 2005-2010 were retrospectively collected. Clinical patient data was gathered, patient tumour samples were collected and processed into a tissue microarray. Immunohistochemistry and in situ hybridization were used for detection of biomarker expression and their relation to patient survival was analysed in multivariable survival models.
Copy number alterations of stemness associated cancerous inhibitor of protein phosphatase 2A (CIP2A) were demonstrated in HNSCC cell lines and the presence of copy number alterations was found to be associated with a poor prognosis in HNSCC patients. Putative radioresistance biomarkers were investigated in several HNSCC cell lines after construction of a cell microarray. Stem cell marker OCT4 was revealed to be significantly associated with intrinsic radioresistance. The representativeness of the clinical tissue microarray was carefully confirmed using a novel population validation method. Using immunohistochemical stains, putative prognostic biomarkers were shown to perform poorly in the population-validated tissue microarray (PV-TMA). Finally, using the PV-TMA, OCT4 was found to predict for poor radiotherapy response and improved chemoradiotherapy response.
In conclusion, using HNSCC cell line microarray and highly representative PVTMA patient material, OCT4 was established as a stratification biomarker between radiotherapy and cisplatin-based chemoradiotherapy.
Sädehoidolla on keskeinen rooli pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpien hoidossa. Vuosikymmenten tutkimuksesta huolimatta yksittäisen pään ja kaulan alueen levyepiteelisyövän sädehoitovastetta ennustavaa molekulaarista biomarkkeria ei ole käytettävissä. Nykyisin tunnetaan lukuisia huonoa sädeherkkyyttä selittäviä mekanismeja kuten p53-geenin mutaatiot, kasvaimen hypoksiset olosuhteet ja syöpäkantasolut.
Tässä työssä tarkastellaan molekulaarisen biomarkkerin tehtävää, tarkoitusta ja tulkintaa pään ja kaulan alueen levyepiteelisyövän yhteydessä korostaen kliinistä ongelmakenttää. Sädeherkkyyteen liitettyjä biomarkkeriehdokkaita tutkittiin pään ja kaulan levyepiteelisyöpäsolulinjoja ja potilasaineistoja hyödyntäen. Kliinisenä tutkimuksena kerättiin kaikki vuosina 2005–2010 Turun yliopistollisessa keskussairaalassa hoidetut pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpäpotilaat käsittävä aineisto. Potilasnäytteet kerättiin ja niistä valmistettiin kudosmikrosiru. Biomarkkerien ilmentymistä tutkittiin immunohistokemiallisilla menetelmillä ja in situ hybridisaatiolla ja niiden yhteyttä potilaiden ennusteeseen selvitettiin monimuuttujaisilla ennustemalleilla.
CIP2A-proteiinin kopiolukumuutoksia todettiin pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpäsolulinjoissa, ja kopiolukumuutosten havaittiin olevan yhteydessä pään ja kaulan levyepiteelisyöpäpotilaiden heikentyneeseen ennusteeseen. Pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpäsolulinjoista kootussa solumikrosiruaineistossa havaittiin kantasolutekijä OCT4:n olevan merkitsevästi yhteydessä solujen sädeherkkyyteen. Kliinisen kudosmikrosiruaineiston todettiin olevan edustava. Biomarkkeriehdokkaat suoriutuivat huonosti potilaiden ennusteen määrittämisestä, mutta OCT4 ennusti levyepiteelikasvaimen huonoa sädehoitovastetta, mutta hyvää ennustetta sisplatiinipohjaisen kemosädehoidon jälkeen.
Tutkimuksessa todettiin pään ja kaulan levyepiteelisoluja ja edustavaksi havaittua väestövarmennettua kudosmikrosiruaineistoa hyödyntäen, että OCT4 soveltuu sädehoidon ja sisplatiinipohjaisen kemosädehoidon valintaa ohjaavaksi biomarkkeriksi.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2845]