DEVELOPMENT OF EFFECTIVE LUNG CANCER THERAPIES BASED ON LUNG CANCER STEM CELLS TARGETING

Non-small cell lung cancer (NSCLC) accounts for approximately 80% of lung cancer subtypes and it is the most common and the most deadly cancer worldwide. The conventional treatment for advanced NSCLC has consisted of chemotherapy but the impact of traditional chemotherapy on progression-free survival (PFS) and overall survival (OS) remains small. The improved understanding of the molecular pathways involved in tumorigenesis and the increased ability to detect specific genetic alterations as targets, have led to significant advances in the development of newer and more directed therapies. For instance, the epidermal growth factor receptor (EGFR) is frequently over-expressed in NSCLC and is taken as a promising target for NSCLC treatment. Several studies have indicated that the presence of EGFR mutation is a robust predictor of response to EGFR inhibitors (EGFRi). Although first-generation EGFR inhibitors show encouraging clinical responses in lung tumors, almost all patients develop resistance to these inhibitors over time. Two general mechanisms of acquired resistance to EGFR tyrosine kinase inhibitors (TKIs) treatment in EGFR mutant NSCLC patients have been described: secondary alterations in EGFR that prevent inhibition of EGFR by EGFR TKIs (drug resistant EGFR mutation), and additional genetic alterations that can co-occur with an EGFR activating mutation in EGFR mutant NSCLC cells. However, tumor resistance to treatments could be also dependent on the presence of chemoresistant cancer stem cells (CSCs), a subpopulation of cells capable of self-renewing and undergoing asymmetric division, thereby giving rise to differentiated progeny that comprises the bulk of the tumor. Thus, exploring CSCs in lung cancer may help define responses to conventional and innovative therapies, and contribute to the introduction of relevant improvements in clinical oncology, toward the direction of more effective and less destructive personalized therapies. Therefore, the EGFR targeted therapy in NSCLC continues to evolve since the discovery of EGFR driver mutations and utilization of EGFR-specific TKIs. However, about 10-20% of advanced NSCLC patients with wild-type EGFR also benefit from EGFRi treatment, suggesting that other determinants of outcome, besides EGFR mutation, might exist. Thus, this project has been focused on the analysis of EGFR signaling and on the study of the sensitivity to EGFR inhibitors of lung CSCs and of lung CSCs derived xenografts, with the aim of identifying possible predictive bio-markers of response to EGFRi, in EGFR mutation-negative cells. This study led to the identification of phosphorylated EGFR at tyrosine 1068 residue but not pEGFR-tyr1173, as predictive biomarker of response to Erlotinib in lung CSCs in vitro and in lung CSCs-derived xenografts. Furthermore, also commercial lung cancer cell lines sensitive to Erlotinib expressed pEGFR-tyr1068 despite EGFR mutations, thus the expression of pEGFR-tyr1068 in lung CSCs was associated to positive Erlotinib response. Assessing EGFR phosphorylation status by immunohistochemistry (IHC) in EGFR mutated and EGFR-wt NSCLC patient tumors, it was shown that anti-ptyr1068 positivity correlated with EGFR mutation while anti-ptyr1173 did not. Based on these data, it has been possible to hypothesize that the level of pEGFR-tyr1068 detected in patient tumors, would identify both mutation positive and mutation negative tumors with activated receptor and could be correlated with positive response to Erlotinib treatment in NSCLC patients. These studies might have relevant therapeutic implications for the treatment of lung cancers and could add another option to cure NSCLC patients.

Il carcinoma polmonare non a piccole cellule (NSCLC) rappresenta circa l 80% di tutti i tumori al polmone ed è il cancro più comune e più mortale al mondo. Il trattamento convenzionale per il NSCLC in stadio avanzato è stato basato per molto tempo sull uso della chemioterapia, ma con basso impatto sulla sopravvivenza . Una migliore comprensione dei meccanismi molecolari coinvolti nel processo di tumorigenesi e una maggiore capacità nell identificazione di specifiche alterazioni genetiche come bersagli terapeutici, hanno portato ad un significativo avanzamento verso lo sviluppo di terapie più efficaci. Il recettore del fattore di crescita dell epidermide (EGFR) è spesso over-espresso nel NSCLC ed è considerato un promettente bersaglio terapeutico per il trattamento di questo tumore. La presenza di mutazioni nel gene EGFR sono un importante predittore di risposta agli inibitori dell EGFR. Sebbene gli inibitori dell EGFR di prima generazione hanno mostrato incoraggianti risposte cliniche nei tumori al polmone, quasi tutti i pazienti sviluppano resistenza al trattamento nel corso del tempo. La resistenza ai trattamenti potrebbe dipendere anche dalla presenza delle cellule staminali tumorali (CSCs), una sottopopolazione di cellule intrinsecamente resistenti. Così, lo studio delle cellule staminali tumorali del polmone, potrebbe essere uno strumento efficace per l identificazione e validazione di bersagli terapeutici innovativi contribuendo all'introduzione di importanti miglioramenti nell ambito dell oncologia clinica. Pertanto, la terapia mirata verso l EGFR continua ad evolvere in seguito alla scoperta della sensibilità agli inibitori tirosin-chinasici da parte di pazienti caratterizzati da mutazioni attivanti del gene EGFR. Tuttavia, circa il 10-20% dei pazienti privi della mutazione dell EGFR, beneficiano anch essi del trattamento con gli inibitori TKIs, suggerendo che potrebbero esistere altri determinanti di risposta al trattamento, indipendenti dalla mutazione del recettore. Questo progetto, quindi, è stato focalizzato sull analisi della via di segnale dell EGFR e sullo studio della sensibilità delle cellule staminali tumorali di polmone e di modelli murini da esse derivati, agli inibitori dell EGFR, al fine di identificare possibili biomarcatori predittivi di risposta agli TKIs, in cellule prive della mutazione dell EGFR. Questo studio ha portato all identificazione della fosforilazione dell EGFR al residuo tirosina 1068, ma non 1173, come potenziale marcatore di risposta all Erlotinib nelle cellule staminali tumorali di polmone e negli xenografts da esse derivati. Inoltre, anche linee cellulari commerciali di polmone sensibili all Erlotinib, esprimevano pEGFR-tyr-1068 indipendentemente dalla mutazione dell EGFR, così, l espressione di pEGFR-tyr1068 nelle cellule staminali tumorali di polmone è risultata essere associata ad una risposta positiva al trattamento con l Erlotinib. La valutazione, mediante immunoistochimica, dello stato di fosforilazione dell EGFR in pazienti con mutazione e senza mutazione del recettore, ha portato a correlare solo pEGFR-tyr1068 e non pEGFR-tyr1173, con la mutazione dell EGFR. In base a questi dati, quindi, è possibile ipotizzare che l identificazione del livello di fosforilazione dell EGFR al residuo tirosina 1068 nei tumori dei pazienti, permetterebbe di individuare tumori con e senza mutazione dell EGFR ma caratterizzati da attivazione del recettore, in grado probabilmente di rispondere in modo positivo al trattamento con l Erlotinib. Questi studi potrebbero avere importanti implicazioni terapeutiche per il trattamento dei tumori al polmone e potrebbero permettere ai pazienti con NSCLC di essere selezionati per terapie più efficaci e meno tossiche.