Evaluation MikroRNA-basierter Biomarker für das Karzinom der Mundhöhle: hsa-miR-149-5p und hsa-miR-182-5p als neue Prognosemarker

Evaluation of microRNA-based biomarkers in oral squamous cell carcinoma: hsa-miR-149-5p and hsa-miR-182-5p as novel prognostic markers

by Lena Maria Mattes
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-09-17
Date of issue:2024-09-16
Advisor:Prof. Dr. Mark Jakob
Referee:Prof. Dr. Mark Jakob
Referee:Prof. Dr. Philipp Ströbel
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10732

 

 

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Abstract

English

Oral squamous cell carcinoma (OSCC) is among the leading cancer types worldwide and a major cause of cancer morbidity and mortality: The 5-year-survival rate remains less than 50% due to high rates of recurrence and lymph node metastasis. To date, no biomarkers are available that provide reliable predictions about a patient’s individual oncologic outcome at time of diagnosis. Recently, several studies have highlighted microRNAs (miRNA) as potential prognostic biomarkers for OSCC. MiRNAs are short, single-stranded, non-coding RNAs, which are responsible for post-transcriptional gene silencing. Remarkable stability, simple detectability via quantitative real-time PCR (qRT-PCR) and robust expression patterns render miRNAs as suitable biomarkers. Altered expression of specific miRNAs is involved in the evolution of OSCC through targeting oncogenes and tumor suppressor genes. Additionally, several studies indicate that altered miRNA expression level associate with prognostic impact in OSCC. Aim of the present study was to evaluate the prognostic impact of ten miRNAs and putative target genes in a western HPV-negative OSCC study cohort and a The Cancer Genome Atlas (TCGA) validation cohort. The selection of miRNAs was based on current studies, particularly from the Asian region. Expression levels of hsa-miR-21-5p, hsa-miR-29-3p, hsa-miR-31-5p, hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-99-3p, hsa-miR-100-5p, hsa-miR-143-3p, hsa-miR-149-5p, miR-155-5p and hsa-miR-182-5p were analyzed in fresh frozen tumor tissue (n = 36) and healthy oral mucosal tissue (n = 17) using qRT-PCR and correlated with clinical variables and survival data. In silico analysis revealed Cortactin (CTTN) and Kinektin 1 (KTN1) as potential targets for hsa-miR-182-5p. The expression CTTN and KTN1 were detected via immunohistochemistry and correlated with clinical variables and survival data. Results of the study cohort were validated in a bigger OSCC cohort of The Cancer Genome Atlas (TCGA; n = 98). Hsa-miR-21-5p, hsa-miR-31-5p, hsa-99b-3p, hsa-miR-155-5p and hsa-miR-182-5p were significantly upregulated in tumor tissue compared to normal tissue, hsa-miR-99a-5p and hsa-miR-100-5p were significantly downregulated in OSCC tissue. High expression level of hsa-miR-21-5p was associated with advanced UICC stage and lymph node metastasis. High hsa-miR-99b-3p expression level was associated with advanced tumor disease and high hsa-miR-155-5p expression level was associated with extracapsular extension of lymph node metastasis. Survival time analysis indicated that high expression level of hsa-miR-29b-3p, hsa-miR-31-5p, hsa-miR-100-5p and hsa-miR-155-5p was correlated with poor survival. High expression level of hsa-miR-21-5p, hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-99b-3p, hsa-miR-143-3p, hsa-miR-149-5p and hsa-miR-182-5p was associated with better survival. In the TCGA cohort, the results could be validated for hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-100-5p and hsa-miR-182-5p. In silico analysis revealed CTTN and KTN1 as putative target genes for hsa-miR-182-5p. Staining intensity of CTTN and KTN1 showed a reciprocal impact on the prognosis. Validation in the TCGA cohort found comparable findings for KTN1. Multivariate analyses indicated, that the combination of KTN1 with hsa-miR-182-5p predict survival better than hsa-miR-182-5p or KTN1 alone. Literature research and own data indicate that expression level analysis of hsa-miR-21-5p, hsa-miR-29b-3p, hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-100-5p, hsa-miR-149-5p, hsa-miR-155-5p and hsa-miR182-5p may enable the classification into prognostic groups and guide individual therapeutic choice for OSCC patients. In this study, the prognostic potential of hsa-miR-149-5p is described for the first time for oral cancer. Hsa-miR-182-5p also appears to be a novel promising marker in OSCC, especially in combination with the putative target gene KTN1.
Keywords: oral squamous cell carcinoma; prognosis; microRNA; survival; biomarker; hsa-miR-149-5p; hsa-miR-182-5p

German

Das Karzinom der Mundhöhle gehört zu den häufigsten Tumorerkrankungen weltweit. Die durchschnittliche 5-Jahres-Überlebensrate beträgt in etwa 50%. Prognostisch ausschlaggebend sind vor allem das Auftreten eines Rezidivs sowie Metastasierung in lokoregionäre Lymphknoten. Prognostische Biomarker bieten die Möglichkeit, bereits zum Zeitpunkt der Diagnose eine Vorhersage über den möglichen Krankheitsverlauf zu treffen. Das kann dabei helfen, eine gezielte Behandlung anhand des individuellen Risikoprofils zu entwickeln und die Prognose von Patienten mit Mundhöhlenkarzinom zu verbessern. Bisher konnte für das Mundhöhlenkarzinom allerdings kein Biomarker etabliert werden, der zuverlässige Vorhersagen über die individuelle Prognose eines Patienten erlaubt. Eine Vielzahl von Studien beschreibt MikroRNAs (miRNAs) als potentielle Biomarker für maligne Erkrankungen. MiRNAs sind kurze, nicht kodierende RNA-Stränge, die durch posttranskriptionelle Genregulation von Onkogenen sowie Tumorsuppressoren an der Entstehung und Progression maligner Tumore beteiligt sind. Aufgrund ihrer hohen Stabilität in verschiedenen Gewebetypen, ihrer einfachen und schnellen Detektierbarkeit via quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) sowie ihrer Nachweisbarkeit in leicht zugänglichen Bioflüssigkeiten wie Speichel oder Blut eignen sich miRNAs gut zur Verwendung als Biomarker. Zudem scheint die veränderte Expression verschiedener miRNAs mit der Prognose von Mundhöhlenkarzinomen assoziiert zu sein. In der vorliegenden Arbeit wurde die prognostische Aussagekraft von zehn miRNAs und potentieller Zielgene in einem HPV-negativen, westlichen Studienkollektiv für das Mundhöhlenkarzinom und einem Vergleichskollektiv des The Cancer Genome Atlas (TCGA) untersucht. Die Auswahl miRNAs erfolgte nach aktueller Studienlage, die überwiegend im asiatischen Raum durchgeführt wurden. Die Expression von hsa-miR-21-5p, hsa-miR-29-3p, hsa-miR-31-5p, hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-99b-3p, hsa-miR-100-5p, hsa-miR-143-3p, hsa-miR-149-5p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR-182-5p wurde durch qRT-PCR in Tumorgewebe (n = 36) erhoben. Im Anschluss wurde die Expression miRNAs in Korrelation zu wichtigen klinischen Prognosefaktoren sowie zur Überlebenszeit analysiert. Für die hsa-miR-182-5p wurden durch in silico Analysen Cortactin (CTTN) sowie Kinektin 1 (KTN1) als mögliche Zielgene identifiziert und ihre prognostische Aussagekraft ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend in einer Kohorte aus Daten des The Cancer Genome Atlas validiert (n = 98). Im Studienkollektiv zeigte sich, dass die hsa-miR-21-5p, hsa-miR-31-5p, hsa-99b-3p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR-182-5p im Tumorgewebe im Vergleich zum Normalgewebe signifikant überexprimiert waren. Signifikant unterexprimiert in beiden Normalisierungen waren hsa-miR-99a-5p und hsa-miR-100-5p. Im Studienkollektiv war eine höhere Expression der hsa-miR-21-5p mit einem fortgeschrittenen UICC-Stadium und einem positiven Lymphknotenbefall assoziiert. Eine höhere hsa-miR-99b-3p Expression korrelierte mit einer fortgeschrittenen Tumorerkrankung und eine höhere hsa-miR-155-5p Expression stand in Zusammenhang mit einem extranodalen Wachstum der Lymphknotenmetastasen. In der Überlebenszeitanalyse zeigte sich, dass eine hohe Expression der hsa-miR-29b-3p, hsa-miR-31-5p, hsa-miR-100-5p und hsa-miR-155-5p jeweils mit einem schlechteren Überleben assoziiert war. Eine hohe Expression der hsa-miR-21-5p, hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-99b-3p, hsa-miR-143-3p, hsa-miR-149-5p und hsa-miR-182-5p war jeweils mit einem besseren Überleben verbunden. In der TCGA-Kohorte konnte das Ergebnis bezüglich der der hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-100-5p und hsa-miR-182-5p validiert werden. In silico Analysen identifizierten CTTN und KTN1 als potentielle Zielgene der hsa-miR-182-5p. Eigene Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Level von CTTN und KTN1 einen zur hsa-miR-182-5p inversen Einfluss auf die Prognose des Mundhöhlenkarzinoms haben. Im TGCA-Kollektiv konnte der prognostische Einfluss von KTN1 validiert werden. Multivariate Analysen ergaben, dass die Kombination von KTN1 mit der hsa-miR-182-5p die prognostische Aussagekraft des Modells verbesserte. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass durch die Expressionsanalyse verschiedener miRNAs Patienten mit Mundhöhlenkarzinom Risikogruppen zugeteilt werden könnten. Dadurch könnte zukünftig eine individuellere Behandlung von Patienten ermöglicht und so ihr onkologische Ergebnis verbessert werden. In Zusammenschau von Literatur und eigenen Daten könnte in Zukunft die Expressionsanalyse von hsa-miR-21-5p, hsa-miR-29b-3p hsa-miR-99a-5p, hsa-miR-100-5p, hsa-miR-149-5p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR182-5p als prognostischer Marker für das Mundhöhlenkarzinom genutzt werden. Das prognostische Potential der hsa-miR-149-5p wird erstmals in der vorliegenden Dissertation beschrieben. Ein vielversprechender, neuer Marker scheint auch die hsa-miR-182-5p vor allem in Kombination mit dem potentiellen Zielgen KTN zu sein.
Schlagwörter: MikroRNA; Mundhöhlenkarzinom; Prognose; Biomarker; hsa-miR-182-5p; hsa-miR-149-5p