Rectal cancer - functional molecular prediction and targeting of radiotherapy response

Avhandlingen har bidratt til å avdekke biologiske mekanismer som vil bli tatt i praktisk klinisk bruk – eller faktisk allerede har blitt det som resultat av de funn som er gjort – i økende individualisert behandling av endetarmskreft. Kandidaten har som konsekvens av forskningsarbeidet påbegynt spesialisering innen onkologi (ved Universitetssykehuset Nord-Norge).

Tumorhypoksi (lavt oksygeninnhold i svulsten) er den viktigste årsaken til at en rekke behandlingsformer, inkludert stråling, ikke gir ønsket effekt og at svulstceller sprer seg til andre organer. Endetarmskreft er et velegnet modellsystem for å studere hypoksi i slike sammenhenger. Prosjektideen var å finne biologiske markører for å forstå hypoksimekanismer og dernest, gjennom å angripe de aktuelle mekanismene med biologisk målrettede medikamenter, øke effekten av strålebehandling og redusere risiko for sykdomsspredning. Vi har studert vev fra endetarmssvulster som er tatt fra pasienter og vokser i forsøksdyr, samt svulstprøver som er samlet inn fra pasienter som har fått strålebehandling i våre egne behandlingsstudier. I disse studiene har pasientene fått medikamenter som øker strålingseffekten ved å motvirke biologiske effekter av tumorhypoksi. Svulstvevet er analysert med unike laboratorieteknikker for å kartlegge biologiske hypoksimekanismer som er avgjørende for hvor motstandsdyktig de enkelte svulstene er mot strålebehandling og hvordan svulstceller sprer seg i pasientene.

Dette er et doktorgradsprosjekt, og kandidaten har nå, etter at de tre prosjektårene er gjennomført, publisert to artikler, mens en tredje artikkel er under trykking og den siste som skal inngå i doktorgraden foreligger som manuskript. Kandidaten har hatt full fødselspermisjon gjennom sju av rapporteringsårets måneder og halv permisjon gjennom de øvrige fem måneder.

I slutten av januar 2014 leverer kandidaten sin doktoravhandling, som har fått tittelen ”Rectal Cancer – Functional Molecular Profiling and Targeting of Tumor Hypoxia in Radiation Response and Metastasis”.

I avhandlingens første artikkel brukte kandidaten funksjonsrettede proteinanalyser på pasientprøver, og viste at signalmekanismer som styrer dannelse av blodårer (angiogenese) med intakte pericytter, som ”tapetserer” åreveggen, gjør blodårene mer ugjennomtrengelige for svulstceller slik at disse ikke kan spre seg med blodsirkulasjonen til fjernorganer. Hos studiepasienter med svulster som ikke hadde denne signalaktiviteten ble det funnet mikroskopiske svulstceller i benmarg (mikrometastaser) i tidlig fase av sykdommen, og en betydelig andel av disse utviklet sykdomsspredning senere i forløpet.

I den andre artikkelen brukte kandidaten svulstprøver som vokser på forsøksdyr og studerte hvordan et medikament som motvirker tumorhypoksi ved å endre såkalt epigenetisk struktur i svulsten, økte strålingseffekten. Forskningsgruppen var den første internasjonalt til å publisere en utprøvende behandlingsstudie (PRAVO-studien) hvor dette medikamentet var brukt i kombinasjon med stråleterapi hos pasienter.

Begge de siste arbeidene involverer både forsøksdyr og materialer fra pasientbehandlingsstudiene. Kandidaten har studert effekt av strålebehandling i svulster som er gjort motstandsdyktig mot en vanlig brukt cellegift, og vist at forbehandling med denne fører til bedret effekt av strålebehandlingen. Vi tror derfor at denne cellegiften motvirker tumorhypoksi. Videre har kandidaten brukt genanalyser til å identifisere nye biologiske markører for hvordan medikamentet som endrer epigenetisk struktur øker strålefølsomheten i hypoksiske svulster.

Avhandlingen har bidratt til å avdekke biologiske mekanismer som vil bli tatt i praktisk klinisk bruk – eller faktisk allerede har blitt det som resultat av de funn som er gjort – i økende individualisert behandling av endetarmskreft.

Tumorhypoksi (lavt oksygeninnhold i svulsten) er den viktigste årsaken til at en rekke behandlingsformer, inkludert stråling, ikke gir ønsket effekt på svulsten og at svulstceller sprer seg til andre organer. Endetarmskreft er et ideelt modellsystem for å studere hypoksi i slike sammenhenger. Prosjektet skal finne frem til biologiske markører for å forstå hypoksimekanismer og dernest, gjennom å angripe de aktuelle mekanismene med biologisk målrettede medikamenter, øke effekten av strålebehandling. Vi studerer vev fra endetarmssvulster som er tatt fra pasienter og vokser i forsøksdyr, samt svulstprøver som er samlet inn fra pasienter som har fått strålebehandling i våre egne behandlingsstudier. I disse studiene har pasientene fått medikamenter som øker strålingseffekten ved å motvirke biologiske effekter av tumorhypoksi. Svulstvevet blir analysert med unike laboratorieteknikker, såkalte funksjonsrettede protein- og genanalyser, for å kartlegge biologiske hypoksimekanismer som er avgjørende for hvor motstandsdyktig de enkelte svulstene er mot strålebehandling og hvordan svulstceller sprer seg i pasientene.

Prosjektet er et doktorgradsprosjekt, og kandidaten har nå, etter at to av de tre prosjektårene er gjennomført, publisert to artikler, mens de to siste artiklene som skal inngå i doktorgraden for tiden er under utarbeidelse til manuskripter. Kandidaten har hatt fødselspermisjon gjennom 11 av rapporteringsårets måneder, og prosjektperioden vil bli forlenget tilsvarende.

I den første publiserte artikkelen har kandidaten brukt funksjonsrettede proteinanalyser på pasientprøver, og vist at signalmekanismer som styrer dannelse av blodårer (angiogenese) i endetarmssvulstene i liten grad hemmes av et målrettet medikament mot angiogenese i de pasientene hvor det ble funnet mikroskopiske svulstceller i benmarg (mikrometastaser) i tidlig fase av sykdommen. En betydelig andel av disse pasientene utviklet sykdomsspredning senere i forløpet. Pasienter som ikke hadde mikrometastaser i tidlig sykdomsfase hadde svulster hvor det angiogenesehemmende medikamentet påvirket de aktuelle signalmekanismene, og disse pasientene utviklet heller ikke sykdomsspredning. Disse signalmekanismene er sentrale for såkalt pericyttdannelse under angiogenesen. Våre data tyder derfor på at intakt pericyttdannelse gjør blodårene i svulsten mer lik normale årer som svulstceller ikke kan trenge inn i og da heller ikke spre seg med blodsirkulasjonen til fjernorganer.

I den andre publiserte artikkelen har kandidaten brukt svulstprøver som vokser på forsøksdyr og studert hvordan et medikament som motvirker tumorhypoksi ved å endre såkalt epigenetisk struktur i svulsten, øker strålingseffekt. Forskningsgruppen var den første internasjonalt til å publisere en utprøvende behandlingsstudie (PRAVO-studien) hvor dette medikamentet var brukt i kombinasjon med stråleterapi hos pasienter.

Begge de siste arbeidene involverer både forsøksdyr og materialer fra pasientbehandlingsstudiene. Kandidaten har studert effekt av strålebehandling i svulster som er gjort motstandsdyktig mot en vanlig brukt cellegift, og vist at forbehandling med denne fører til bedre effekt av strålebehandlingen. Vi tror derfor at denne cellegiften motvirker tumorhypoksi. Videre har kandidaten brukt genanalyser til å identifisere nye mekanismer (biologiske markører) for hvordan medikamentet som endrer epigenetisk struktur øker strålefølsomheten i hypoksiske svulster.

Tumorhypoksi (lavt oksygeninnhold i svulsten) er den viktigste årsaken til at en rekke behandlingsformer, inkludert stråling, ikke gir ønsket effekt på svulsten og at svulstceller sprer seg til andre organer. Endetarmskreft er et ideelt modellsystem for å studere hypoksi i slike sammenhenger. Prosjektet skal finne frem til biologiske markører for å forstå hypoksimekanismer og dernest, gjennom å angripe de aktuelle mekanismene med målrettede medikamenter, øke effekten av strålebehandling. Vi studerer vev fra endetarmssvulster som er tatt fra pasienter og vokser i forsøksdyr, samt svulstprøver som er samlet inn fra pasienter som har fått strålebehandling i våre egne behandlingsstudier. I disse studiene har pasientene fått medikamenter som øker strålingseffekten. Svulstvevet blir analysert med unike laboratorieteknikker, såkalte funksjonsrettede protein- og genanalyser, for å kartlegge biologiske hypoksimekanismer som er avgjørende for hvor motstandsdyktig de enkelte svulstene er mot strålebehandling og hvordan svulstceller sprer seg i pasientene.

Prosjektet er et doktorgradsprosjekt, og kandidaten har nå, etter at to av de tre prosjektårene er gjennomført, publisert én artikkel, mens artikkel to er innsendt til publisering og laboratoriearbeidet er ferdigstilt for de to siste artiklene som skal inngå i doktorgraden.

I den publiserte artikkelen har kandidaten brukt funksjonsrettede proteinanalyser på pasientprøver, og vist at signalmekanismer som styrer dannelse av blodårer (angiogenese) i endetarmssvulstene i liten grad hemmes av et målrettet medikament mot angiogenese i de pasientene hvor det ble funnet mikroskopiske svulstceller i benmarg (mikrometastaser) i tidlig fase av sykdommen. En betydelig andel av disse pasientene utviklet sykdomsspredning senere i forløpet. Pasienter som ikke hadde mikrometastaser i tidlig sykdomsfase hadde svulster hvor det angiogenesehemmende medikamentet påvirket de aktuelle signalmekanismene, og disse pasientene utviklet heller ikke sykdomsspredning.

I artikkelen som nylig er innsendt til publisering har kandidaten brukt svulstprøver som vokser på forsøksdyr og studert hvordan et nyutviklet medikament som øker strålingseffekt endrer veksthastighet i eksperimentelle svulster med tumorhypoksi. Forskningsgruppen har tidligere publisert at dette medikamentet øker strålingseffekt i svulster som ikke er hypoksiske, og kandidaten har i den aktuelle studien vist at medikamentet også har samme effekt i hypoksiske svulster.

I de to siste arbeidene, som er planlagt sammenskrevet og publisert i løpet av inneværende år, har kandidaten igjen brukt svulstprøver som vokser på forsøksdyr eller er samlet inn fra pasienter som har fått strålebehandling i våre egne behandlingsstudier. I studien med forsøksdyr har hun studert effekt av strålebehandling i svulster som er gjort motstandsdyktig mot et medikament som brukes i behandling av pasienter med sykdomsspredning fra tykk- og endetarmskreft. I studien av pasientmaterialet har hun brukt genanalyser for å identifisere mekanismer for hvordan det nyutviklede medikamentet som øker strålingseffekt virker i svulstene.

Store kliniske studier har vist at tillegg av cellegift under strålebehandling øker behandlingseffekten, og ved endetarmskreft som ikke kan opereres direkte er dette etablert behandling. Likevel oppnår ikke alle pasienter ønsket grad av skrumpning av svulsten før kirurgi, og tillegg av cellegift gjør strålebelastningen på normalvev (tarm i bekkenhulen) betydelig større med til dels alvorlige bivirkninger.

Molekylære strålingsstudier har kartlagt signalmekanismer som aktiveres i svulstceller som forsvar mot bestråling. Vår forskningsgruppe har i eksperimentelle endetarmskreftmodeller i laboratoriet vist at stoffer som motvirker disse forsvarsmekanismene, øker effekt av bestråling. Som den første forskningsgruppe internasjonalt har vi vist at å gi et slikt medikament under strålebehandling av bekkensvulster tolereres av pasientene og at det derfor kan være trygt å gi dette medikamentet under strålebehandling av endetarmskreft før operasjon. Det er ennå ikke vist at medikamentet gir ekstra tilleggseffekt sammen med standard cellegift, og vi planlegger derfor en pasientstudie for å belyse dette.

Pasienter som er behandlet for endetarmskreft med bestråling og operasjon i bekkenet har en ikke ubetydelig risiko for tilbakefall i form av sykdomsspredning til andre organer. I Norge er det ikke vanlig praksis å gi tilleggsbehandling (cellegift) etter operasjonen for å redusere denne risikoen da det mangler gode studier som viser sikker effekt av slik behandling. Vi vet altså ikke hvilke pasienter som vil kunne ha nytte av slik tilleggsbehandling og hos hvilke dette vil være unødvendig da de likevel aldri ville fått tilbakefall.

Fra eksperimentelle modeller vet vi at svulster som er hypoksiske, altså med lav oksygeneringsstatus fordi blodtilførselen er utilstrekkelig, har dårlig strålebehandlingsrespons og økt spredningspotensiale. Forskningsgruppen har gjennomført en stor pasientstudie ved endetarmskreft, hvor vi har målt effekt av strålebehandling på svulsten og også fulgt pasientene med tanke på sykdomsspredning. Via denne studien deltar vi i et EU-finansiert forskningssamarbeid med deltagere fra 12 land (METOXIA), som studerer betydning av hypoksi for behandlingsrespons og sykdomsspredning.

Forskningsprosjektet som er støttet av Helse Sør-Øst er et doktorgradsprosjekt som utgår fra problemstillingene rundt respons på strålebehandling og risiko for sykdomsspredning ved endetarmskreft. Doktogradsstudenten benytter både svulstmateriale fra pasientene i våre behandlingsstudier og eksperimentelle modeller (svulstceller dyrket i flasker og på forsøksdyr). Analysene utfører hun med både veletablert og nyutviklet laboratorieteknologi.

Kandidaten har fått prosjektfinansiering for perioden 2010–2012 og har allerede sendt sitt første manuskript til publisering i internasjonalt fagtidsskrift. I dette arbeidet viser hun at pasienter med svulster med hypoksiske signalmekanismer, hadde begynnende sykdomsspredning allerede ved diagnosetidspunktet og forhøyet risiko for spredning til andre organer i forløpet etter operasjon. Disse pasientene kunne derfor kanskje hatt nytte av tilleggsbehandling etter operasjonen for å redusere denne risikoen. Videre har kandidaten behandlet eksperimentelle svulstmodeller med medikamenter som hemmer strålingsutløste forsvarmekanismer og sett at stoffene også motvirker dårligere strålebehandlingsrespons i hypoksiske svulster. Dette arbeidet er planlagt ferdigstilt våren 2011 og skal deretter utarbeides som manuskript for publisering.