Predictive model for fluorodeoxyglucose avidity in gastric cancer using patient-derived xenograft model as an imaging biomarker

Abstract

Background: Although fluorodeoxyglucose positron emission tomography (FDG-PET) is widely used in staging, response monitoring and evaluating recurrence for various cancers, its role in gastric cancer (GC) is still limited due to variable FDG avidity of malignant lesions. Patient derived-xenograft (PDX) models, as patient surrogates, are considered promising in-vivo models in preclinical research. The purpose of this study is to develop a gene signature to predict FDG avidity in GC based on established PET imaging PDX murine models to plan individualized PET and investigate the molecular characteristic landscape.

Methods: Female BALB/c nu/nu mice were implanted orthotopically and subcutaneously with GC PDX tissues. [18F]FDG-PET scanning protocol evaluation included different tumor sizes, FDG doses, scanning intervals and organ specific uptake. FDG avidity of similar PDX cases were compared between orthotopic and heterotopic tumor implantation models. Microscopic and immunohistochemical investigations were performed to confirm tumor growths and correlate protein expressions of glucose transporter 1 (GLUT1) and hexokinase 2 (HK2) with FDG uptake. Using RNA sequencing data of thirty PDX cases paired with FDG-PET results, we identified a five-gene signature (PLS1, PYY, HBQ1, SLC6A5, NAT16) associated with the maximum standardized uptake value (SUVmax). We established a model (PETscore) for predicting high FDG-avid GC using the signature, which was validated in human by RNA-seq and qRT-PCR. Furthermore, we also characterized the model using public data of GC profiled in The Cancer Genome Atlas (TCGA) and Asian Cancer Research Group (ACRG).

Results: PET scanning protocol was determined to include 150 μCi FDG injection dose and scanning after one hour. Comparison of heterotopic and orthotopic implanted mouse models revealed longer growths interval for orthotopic models with higher uptake in similar PDX tissues. H-scores of GLUT1 and HK2 expressions in tumor cells were correlated with measured SUVmax values. Validation of PETscore provided significant predictive values compared with actual SUVmax in human. Investigation with TCGA and ACRG data showed that the PETscore was significantly associated with glycolysis, microsatellite instability (MSI) status and epithelial mesenchymal transition (EMT)-related prognosis.

Conclusion: This preclinical GC PDX based [18F]FDG-PET protocol reveals tumor specific FDG uptake and shows correlation to glucose metabolic proteins. PDX transplanted mouse model can be useful to access PET activity in gastric cancer. Our findings in study for FDG avidity prediction model suggest the molecular characteristics of GC underlying the diverse metabolic profiles. Furthermore, our PETscore could be proposed for an individualized FDG-PET for staging and disease monitoring by predicting FDG avidity.

배경: FDG-PET은 다양한 암의 병기, 약물반응 그리고 재발 평가에 널리 쓰이나, 위암의 경우 FDG의 섭취가 일정치 않아 그 역할이 제한적이다. 환자유래이종이식 모델(PDX)은 전임상 연구에서 유망한 in-vivo 모델이다. 본 연구는 환자맞춤 PET 계획 및 분자적 특성 조사를 위해 위암 PDX 마우스 모델을 이용한 FDG 섭취 예측 유전자 지표를 개발하는 것이다. 방법: 암컷 BALB/c 누드마우스에 위암 PDX 조직을 정위 및 피하에 이식했다. [18F]FDG-PET 촬영 프로토콜을 다양한 종양 크기 및 FDG 선량, 촬영 간격 그리고 장기 특이적 FDG 섭취에 대해 평가했다. 동일 PDX를 이용한 정위 및 피하 이식 모델 간 FDG 친화력을 비교했다. 종양 성장 확인 및 포도당 수송체 1(GLUT1) 그리고 헥소키나아제 2(HK2)와 FDG 섭취 간 상관관계를 현미경적 관찰과 면역염색 활용하여 조사했다. FDG-PET 결과가 있는 30례의 PDX의 RNA 시퀀싱 데이터를 이용하여 최대 표준섭취계수(SUVmax)와 연관된 유전자 지표를 식별했다. 5가지 유전자 지표(PLS1, PYY, HBQ1, SLC6A5, NAT16)를 이용하여 높은 FDG 섭취를 보이는 위암을 예측하는 모델(PETscore)를 구축했고, 환자에서 RNA-seq 과 qRT-PCR 기법을 통해 평가했다. 더욱이, 암유전체지도(TCGA) 및 아시아 암 연구 그룹(ACRG) 위암 공공데이터에서 모델의 특성을 조사했다. 결과: PET 촬영 프로토콜 150 μCi 의 용량을 주입하고, 1시간 뒤 촬영하는 것으로 결정했다. 동일 PDX 조직을 이용한 정위이식 및 피하이식 마우스 모델 간 비교에서 정위이식 모델이 FDG섭취가 높았고, 종양 성장이 느렸다. 종양 세포 내 GLUT1과 HK2 발현의 H-score는 SUVmax와 상관관계를 보였다. 환자에서 PETscore는 실제 SUVmax값과 비교하여 유의한 예측 값을 제공했다. TCGA 및 ACRG 데이터를 이용한 조사에서 PETscore가 해당과정, 현미부수체 불안정성(MSI) 상태, 그리고 상피간엽이행(EMT) 관련 예후에 연관성을 보였다. 결론: 전임상적 위암 PDX 기반 [18F]FDG-PET 프로토콜은 종양 특이적 FDG 섭취를 나타내고, 당대사 단백과 상관관계를 보인다. PDX 이식 마우스모델은 위암에서 PET 활성 평가에 유용할 수 있다. FDG 섭취 예측 모델(PETscore)은 다양한 대사 프로파일 기반 위암의 분자적 특징을 제안한다. 더욱이, PETscore는 FDG 섭취를 예측하여 병기 및 관찰을 위한 개인맞춤 FDG-PET을 제안할 수 있을 것이다.