Serine auxotrofie: een nieuwe metabole kwetsbaarheid van platinum resistente eierstokkankers?

Eierstokkanker is de achtste meest voorkomende vorm van kanker in vrouwen en is verantwoordelijk voor het op één na meeste aantal gynaecologische kanker geassocieerde doden in de Westerse wereld. Hoewel voor vele types van kanker de overlevingskansen drastisch is toegenomen over de laatste jaren, is er voor eierstokkanker een stagnatie in overleving. Gedurende de laatste decennia is er maar een minimale ontwikkeling geweest in de behandeling van eierstokkanker. Al voor meer dan 40 jaar bestaat de standaard behandelingstherapie voor eierstokkankers uit platinum gebaseerde chemotherapie. De hoge mortaliteit van ovariumkankers is grotendeels te wijten aan de ontwikkeling van resistentie tegen deze chemotherapieën. Hoewel er reeds veel onderzoek is verricht naar chemotherapie resistentie heeft dit zich tot nog toe niet vertaald in de kliniek. Daarom vormt de ontwikkeling van platinum resistentie een groot klinisch probleem in de behandeling van hooggradige ovariumkankers. Daarnaast zijn er geen betrouwbare biomerkers om resistente tumoren te herkennen, wat vaak leidt tot nutteloze platinum gebaseerde behandeling. Daarom is de identificatie van nieuwe resistentie biomerkers en de ontwikkeling van nieuwe behandelingsstrategieën om resistentie te overwinnen van prioritair belang in translationeel kankeronderzoek.

Aangezien het de laatste jaren duidelijk is geworden dat het cellulair metabolisme van belang is in de regulatie van celoverleving en celdood, stelden we als doel van het PhD project om metabole veranderingen te onderzoeken die potentieel gelinkt zijn aan het resistente fenotype. Om het klinische belang van onze bevindingen te onderstrepen hebben we gebruik gemaakt van een combinatie van hedendaagse moleculaire technieken en preklinisch relevante patiënt-afgeleide tumor xenograft (PDX) modellen en patiënt afgeleide data.

Startende met in vitrounbiased metabolomics en labeled tracer analyse zijn we erin geslaagd  om veranderingen in serine metabolisme te identificeren in platinum resistente cellen ter vergelijking met de gevoelige tegenhanger. Meer bepaald hebben we aangetoond dat resistente kankercellen serine biosynthese stoppen door middel van het snelheidslimiterende biosynthetische enzym, phosphoglyceraat dehydrogenase (PHGDH), te verminderen.

Op basis daarvan stelden we als hypothese dat PHGDH potentieel gebruikt zou kunnen worden als biomerker voor platinum gevoeligheid. Verder hebben we aangetoond dat platinum resistente cellen auxotroof zijn voor serine in vitro.

Tijdens het onderzoek naar het bijhorende achterliggende mechanisme hebben we gevonden dat de serine biosynthese down regulatie een onderdeel is van globale veranderingen in het centraal koolstofmetabolisme naar een NAD+ genererend fenotype. We hebben gevonden dat deze NAD+ productie noodzakelijk is om de activiteit van poly-(ADP)-ribose-polymerases (PARPs) te bewerkstelligen. PARPs zijn enzymen welke noodzakelijk zijn voor de goede cellulaire huishouding, waaronder voor DNA herstel. Door middel van de combinatie van PARP inhibitoren met carboplatinum in vitro, zijn we erin geslaagd om platinum resistentie te overkomen.   

Om de klinische relevantie van onze in vitro bevindingen aan te tonen hebben we gebruik gemaakt van patiënt-afgeleide xenograft muismodellen (PDX), afgeleide organoiden en patiënt data. We hebben aangetoond dat PHGDH levels lager zijn in vivo in resistente modellen vergeleken met gevoelige modellen. Deze bevindingen zijn in overeenstemming met data afkomstig van de TCGA database. Verder toonden we aan dat PHGDH gradueel daalt na blootstelling aan platinum gebaseerde behandeling en PARP1 stijgt in verschillende PDX modellen, en dat dit dus een adaptief mechanisme is aan platinum blootstelling. Tot slot zijn we erin geslaagd om primaire en recurrente patiënt tumorbiopsies te bemachtigen waarin we hebben aangetoond dat ook in de patiënten PHGDH levels daalt wanneer tumoren resistent zijn geworden aan behandeling. De geïdentificeerde verandering in PHGDH kan bijgevolg potentieel gebruikt worden als biomerker om platinumgevoelige en resistente tumoren te onderscheiden. Onze data geven aan dat PARP inhibitie in combinatie met platinum chemotherapie een relevante methode kan zijn om platinum resistentie te overwinnen. Dit hebben we ten slotte gevalideerd in PDX afgeleide organoid modellen waar we effectief een synergistisch effect van de combinatie waarnemen.

Samengevat zijn we er in dit PhD project in geslaagd om een nieuwe potentiële biomerker te vinden voor platinum-resistentie. We hebben aangetoond dat platinum resistente kankercellen hun serine biosynthese down reguleren door PHGDH te verminderen in vergelijking met gevoelige cellen. Onderzoek naar het achterliggende mechanisme van deze veranderingen heeft geleid tot een potentieel nieuw doelwit, meer bepaald PARPs, om platinum resistentie te overwinnen. In verschillende ex vivo, klinisch relevante organoïd modellen zijn we er in geslaagd om platinum resistentie te overwinnen door PARPi in combinatie met platinum. Deze bevindingen zullen verder in een klinische setting onderzocht worden.