Genomic profile of metastatic breast cancer patient-derived xenografts established using biopsy sample

Abstract

Background: Metastatic breast cancer is a complex and life-threatening disease, although it is hard to cure, patients can get survival benefit from sequential anti-cancer treatment. Patient-derived xenograft (PDX) model is suggested as a practical tool to predict the clinical outcome of cancer treatment as well as to screen novel drugs. This study aimed to establish PDX models in Korean patients and analyze their genomic profiles and the utility for translational research. Methods: Percutaneous core needle biopsy or punch biopsy samples were used for xenotransplantation. The tumor tissue which has grown in the mouse was used for genome analysis. Whole exome sequencing and transcriptome analysis were performed to assess the genomic and RNA expression profiles, respectively. Copy number variation (CNV) and mutational burden were analyzed and compared with other metastatic breast cancer genomic results. The medical records were reviewed to understand the clinico-pathologic characteristic of enrolled patients. Moreover, the antitumor effect of an ATR inhibitor was tested in the relevant PDX model. Results: Of the 151 cases enrolled in this study, 40 (26%) PDX models were established. Notably, the take rate of all subtype, including hormone receptor-positive (HR+) subtype, exceeded 20%. The PDX model had genomic fidelity and CNV that represented the pattern of its donor sample. The somatic mutations of TP53, PIK3CA, ESR1, and GATA3 were frequently found. ESR1 mutation, CCND1 amplification, and APOBEC signature were significant features in HR+ HER2− PDX model. Fulvestrant in combination with palbociclib showed partial response to the relevant patients tumor harboring ESR1 mutation and CCND1 amplification found in PDX model. AZD6738, an ATR inhibitor, presented delayed tumor growth in a relevant PDX model. Conclusions: PDX model is well established using core needle biopsy samples from primary and metastatic tissues. Genomic profiles of the samples reflected their original tissue characteristics and could be used for the interpretation of clinical outcomes. These findings can increase the utility of this model in translational research.

유방암은 여성에게 가장 흔한 암으로 조기에 발견될 경우 예후가 좋지만, 전이성 유방암의 경우 질병 자체가 복잡한 성격을 띠고 있으며, 환자의 생명을 위협하는 질병이다. 분자생물학적인 연구를 통하여 여러 표적 치료제들이 개발되면서 전이성 유방암 환자의 생존 기간이 연장되고 있으나, 저항성 기전으로 인하여 질병이 다시 악화하는 것을 경험하고 있고, 이러한 어려움을 극복하려는 다양한 시도가 진행되고 있다. 암 환자 유래 조직 이식 동물모델 (patient-derived xenograft: PDX) 은 표적 치료제를 포함하는 항암 치료에 대한 공여자의 임상 결과를 예측하는 모델로 활용될 수 있고, 해당 모델을 이용하여 새로운 항암제의 효능을 입증하기 위한 동물모델로써 활용할 수도 있다. 최근까지 유방암의 환자 유래 조직 이식 동물모델은 대부분 서양인의 원발성 유방암 조직을 이용하여 수립되었다. 따라서 본 연구에서는 한국인 전이성 유방암 환자의 PDX 모델을 확립하고, 수립된 동물모델의 종양 조직을 이용하여 PDX 모델의 유전자 특성을 확인하며, 해당 유전적 특성이 있는 동물모델에서 효과가 있는 표적 치료제의 적응증을 확인하여 임상시험에 활용하는 가능성을 알아보고자 한다. 전이성 유방암 환자에서 경피적 생검 조직을 채취하여 NSG 마우스에 이식하였고 마우스에서 증식한 종양 조직을 이용하여 유전체 분석을 시행하였다. 유전자 변이 및 RNA 발현 양상을 확인하기 위하여 차세대 염기서열 분석 기법을 이용하여 whole-exome sequencing과 transcriptome sequencing을 수행하였고 유전자 복제수 변이와 종양 돌연변이 부담을 분석하였다. 또한, 등록된 환자의 임상 기록을 검토하여 전이성 유방암 환자의 임상적 요인과 병리학적 요인을 정리하여 수립된 PDX 모델의 분자생물학적 특성 및 유전체 분석결과와 비교 분석하였다. 또한, PDX 모델을 이용하여 표적 치료제의 항종양 효과를 관찰하였다. 전체 130명 환자에서 획득한 151개의 종양 조직이 이종이식에 활용되었다. 전체 151건의 사례 중 40건의 PDX 모델이 수립되어 26.5 %에서 PDX가 수립되었다. PDX 수립 성공률을 호르몬 수용체와 HER2 성장인자 수용체 발현 정도에 따라 아형을 나누어 분석하였고, 각 아형에서의 성공률 또한 20%를 초과함을 확인하였다. 특히, 기존에 성공률이 낮았던 호르몬 수용체 양성 아형에서도 22%의 성공률을 보였다. 본 연구에서 수립된 PDX 모델은 공여자의 종양 조직과 동일한 조직학적 특성을 보였다. 또한, 유전자 변이 및 유전자 복제 변이의 정도도 PDX 모델과 공여자 조직간 유사한 패턴을 나타내었다. TP53, PIK3CA, ESR1 및 GATA3 유전자의 돌연변이가 PDX 표본에서 빈번하게 발생함을 확인하였다. 이러한 유전자의 변이는 공여자의 조직에서 확인된 것과 같이 PDX 모델에서도 확인하였으며, 유전자 변이 빈도가 PDX 모델에서 증가함을 확인하였다. 본 연구에서 수립된 PDX 모델 중, 호르몬 수용체 양성 아형의 경우 ESR1 유전자 변이와 CCND1 유전자 증폭이 흔히 관찰되었고, APOBEC signature가 CpG signature와 함께 보임을 확인하였다. ESR1 유전자의 변이와 CCND1 유전자 증폭의 특성을 동시에 지니는 동물모델의 공여자에서 에스트로겐 수용체 분해제인 fulvestrant과 CDK4/6 억제제인 palbociclib을 병용 투여하여 임상 반응을 확인하여 PDX 모델에서 분석한 유전체 정보를 환자의 치료에 활용할 수 있었다. 또한, ATR 유전자 변이가 있는 동물모델에서 ATR 억제제인 AZD6738을 투여하여 종양 성장 억제 효과가 있음을 확인하였다. 본 연구에서 전이성 유방암 환자의 종양 조직을 이용하여 효과적으로 PDX 모델을 수립하였다. 특히 본 연구에서는 호르몬 수용체 양성 아형에서도 22%의 높은 성공률도 PDX 모델이 수립되었다. PDX 모델의 유전체 특성은 공여자의 조직에서 보이는 유전체 특성을 잘 반영하고 있음을 확인하였고, 이러한 유전체 특성을 이용하여 임상에서 환자의 치료 전략 수립에 도움이 될 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과를 통하여 PDX 모델의 수립이 중개 의학 연구에서 활용 가능성을 제시하였다.