Molekulare Charakterisierung von kolorektalen Lebermetastasen mit unterschiedlichen histopathologischen Wachstumsmustern
Molecular characterization of colorectal cancer liver metastases with different histopathological growth patterns
by Gwendolyn Haas
Date of Examination:2024-12-17
Date of issue:2024-12-12
Advisor:PD Dr. Dr. Lena-Christin Conradi
Referee:PD Dr. Dr. Lena-Christin Conradi
Referee:Prof. Dr. Philipp Ströbel
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10948
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Abstract
English
Colorectal cancer liver metastases express different histopathological growth patterns. The three common ones are the replacement, the desmoplastic, and the pushing histopathological growth patterns. Whereas the both latter ones obtain their blood supply via sprouting angiogenesis, the firstly mentioned obtains the blood supply via vessel co-option. Furthermore, it is known that the pure desmoplastic histopathological growth pattern is associated with improved survival. In addition, it is known that the application of inhibitors of the renin-angiotensin system in patients with colorectal cancer liver metastases treated with antiangiogenic therapy positively impacts the survival. This work aimed to better understand the different histopathological growth patterns of colorectal cancer liver metastases. The emphasis was on clinical aspects as well as on the closer molecular characterization. Available were 233 colorectal cancer liver metastases from 225 patients and some clinical data. Furthermore, there was access to results from a previously by a colloquium in collaboration with the Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg performed reverse phase protein array, which already provided findings regarding the expression/phosphorylation of different proteins in colorectal cancer liver metastases with either predominantly desmoplastic or replacement histopathological growth patterns. Firstly, the colorectal cancer liver metastases were stained with haematoxylin and eosin and then categorized according to their histopathological growth patterns according to the international consensus guidelines for assessing the histopathological growth patterns of liver metastases. As the reverse phase protein array is a bulk analysis, immunohistochemical staining of proteins that were in the reverse phase protein array significantly differently expressed or phosphorylated between the analyzed groups was performed, so that a specific analysis of tumor cells was possible. Additionally, the pre-existing clinical data of the underlying patient cohort were extended and completed. Moreover, in collaboration with the group of Prof. Dr. rer. nat. Fendt (Leuven), mass-spectrometric analysis of colorectal cancer liver metastases was performed regarding their metabolomic status. It was shown that angiogenic histopathological growth patterns as well as the vessel co-opting histopathological growth pattern were represented in relevant proportions in the underlying patient cohort. Neither the sex of the patients nor the classification of the metastases as synchronous or metachronous showed an association with predominant angiogenic histopathological growth patterns or with the vessel co-opting histopathological growth pattern. Regarding the more precise localization of the primary tumors, it appeared that in case of primary tumors in the rectum, the predominantly co-opting histopathological growth pattern was detected more often in the associated liver metastases, whereas in case of primary tumors in the coecum and colon ascendens, predominantly angiogenic histopathological growth patterns were detected more often in the associated liver metastases. Moreover, it was confirmed that a pure desmoplastic histopathological growth pattern was associated with a significantly beneficial overall survival, with an even stronger survival benefit in the not-pretreated subgroup and without persisting of the benefit in the pretreated subgroup. Furthermore, taking inhibitors of the renin-angiotensin system (sartans and angiotensin-converting-enzyme inhibitors) was in case of a pure desmoplastic histopathological growth pattern associated with a not significant trend for improved overall survival. This not significant trend was also present in the non-pretreated subgroup, while in the pretreated subgroup it was not existent. Regarding the subgroup pretreated with bevacizumab, it was shown that taking inhibitors of the renin-angiotensin system was associated with a not significant trend for initially beneficial overall survival, but with progressing observation period this trend disappeared. The immunohistochemical analysis showed a not significant trend for stronger expression of the lactate dehydrogenase A and a significantly increased phosphorylation level of the extracellular-signal regulated kinase 1/2 in liver metastases with a predominant vessel co-opting histopathological growth pattern. The phosphorylation level of P70S6-kinase and the expression of dickkopf-related protein 1 were significantly enhanced in liver metastases with predominantly angiogenic histopathological growth patterns. The expression of the adenosine monophosphate-activated protein kinase subunit α1 did not show a significant difference between the compared groups. A few metabolites of the glycolysis and different metabolites of the pentose phosphate pathway were shown to be significantly increased in liver metastases with a predominant vessel co-opting histopathological growth pattern. The analyzed metabolites of the citrate cycle did not show a difference between the groups compared. Thus, the present work confirmed the previously in the literature described survival benefit for patients with colorectal cancer liver metastases with a pure desmoplastic histopathological growth pattern, especially in non-pretreated patients. Furthermore, a possible positive value of taking inhibitors of the renin-angiotensin system in case of a pure desmoplastic histopathological growth pattern was identified. The immunohistochemical and mass-spectrometric analysis emphasized the divergent tumor biologies. Thus, the possibly increased activation of the glycolysis and the pentose phosphate pathway, the not significant trend for a stronger expression of the lactate dehydrogenase A, as well as the significantly lower expression of dickkopf-related protein 1 possibly represent pro-malignant characteristics of colorectal cancer liver metastases with a predominant vessel co-opting histopathological growth pattern.
Keywords: Colorectal cancer liver metastases; Vessel co-option; Histopathological growth patterns
German
Lebermetastasen des kolorektalen Karzinoms exprimieren verschiedene histopathologische Wachstumsmuster. Die drei Häufigsten umfassen das ersetzende, das desmoplastische und das verdrängende histopathologische Wachstumsmuster. Während die beiden Letzteren ihre Blutversorgung via sprießender Angiogenese erhalten, ist die Blutversorgung des Ersteren durch Gefäß-Kooption gewährleistet. Bekannt ist außerdem, dass das pure desmoplastische Wachstumsmuster mit einem besseren Überleben vergesellschaftet ist. Des Weiteren ist bekannt, dass sich die Applikation von Hemmern des Renin-Angiotensin-Systems bei Patient*innen mit kolorektalen Lebermetasten bei antiangiogener Therapie positiv auf das Überleben auswirkt. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die verschiedenen histopathologischen Wachstumsmuster von kolorektalen Lebermetasen besser zu verstehen. Die Schwerpunkte lagen dabei sowohl auf klinischen Aspekten als auch auf der näheren molekularen Charakterisierung. Zur Verfügung standen 233 kolorektale Lebermetastasen von 225 Patient*innen, sowie einige klinische Daten. Zudem bestand Zugriff auf die Ergebnisse eines vor dieser Arbeit durch ein Kolloquium in Kollaboration mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg durchgeführten reverse phase protein array, welches bereits Erkenntnisse über die Expression bzw. Phosphorylierung verschiedener Proteine in kolorektalen Lebermetastasen mit vorwiegend desmoplastischem oder ersetzendem histopathologischen Wachstumsmuster umfasste. Zunächst wurden die kolorektalen Lebermetastasen mit Hämatoxylin-Eosin-Färbung gefärbt und gemäß der internationalen Konsensus-Leitlinie zur Klassifikation von kolorektalen Lebermetastasen gemäß ihrer histopathologischen Wachstumsmuster ihren histopathologischen Wachstumsmustern zugeordnet. Da das reverse phase protein array einer Bulk-Analyse entspricht, erfolgte die immunhistochemische Färbung von Proteinen, die sich im reverse phase protein array signifikant divergierend exprimiert oder phosphoryliert zwischen den analysierten Gruppen zeigten, sodass die explizite Betrachtung von Tumorzellen erfolgen konnte. Des Weiteren wurden die vorhandenen klinischen Daten des dieser Arbeit zugrundeliegenden Patient*innenkollektivs erweitert und vervollständigt. Zudem erfolgte die massenspektrometrische Analyse von kolorektalen Lebermetastasen im Hinblick auf ihren metabolomischen Status in Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Dr. rer. nat. Fendt in Leuven. Es zeigte sich, dass sowohl anigogene histopathologische Wachstumsmuster als auch das Gefäß-kooptierende histopathologische Wachstumsmuster zu ähnlichen Anteilen in dem dieser Arbeit zugrundeliegenden Patient*innenkollektiv vertreten waren. Weder das Geschlecht der Patient*innen noch das Auftreten der Metastasen als syn- oder metachrone Metastasen zeigte einen Zusammenhang mit prädominant angiogenen oder dem Gefäß kooptierenden histopathologischen Wachstumsmuster. Bei Betrachtung der genaueren Lokalisation der Primärtumore zeigte sich, dass bei Primärtumoren des Rektums vermehrt Zusammenfassung 79 das prädominant Gefäß-kooptierende histopathologische Wachstumsmuster in den jeweiligen Lebermetastasen auftrat, während bei weiter oral gelegenen Primärtumoren vermehrt prädominant angiogene histopathologische Wachstumsmuster in den jeweiligen Lebermetastasen zu finden waren. Des Weiteren bestätigte sich, dass das Vorliegen eines puren desmoplastischen histopathologischen Wachstumsmusters mit einem signifikant besseren Gesamtüberleben einherging, wobei dieser Überlebensvorteil in der nicht vorbehandelten Subgruppe noch deutlicher ausfiel und in der vorbehandelten Subgruppe nicht bestand. Zudem war die Einnahme von Renin-Angiotensin-System-Inhibitoren (Sartane und angiotensin coverting enzyme-Inhibitoren) bei Vorliegen eines puren desmoplastischen histopathologischen Wachstumsmusters mit einem nicht signifikanten Trend für ein verbessertes Gesamtüberleben vergesellschaftet. Auch in der nicht vorbehandelten Subgruppe konnte dieser nicht signifikante Trend nachvollzogen werden, während er in der vorbehandelten Subgruppe nicht bestand. Bei Betrachtung der mit Bevacizumab vorbehandelten Subgruppe zeigte sich die Einnahme von Renin-Angiotensin System-Inhibitoren mit einem nicht signifikanten Trend für ein initial besseres Gesamtüberleben assoziiert, der mit zunehmendem Beobachtungszeitraum verschwand. Die immunhistochemischen Analysen zeigten einen nicht signifikanten Trend für stärkere Expression der Laktatdehydrogenase A und ein signifikant stärkeres Phosphorylierungslevel der extracellular-signal regulated kinase 1/2 in Lebermetastasen mit vorwiegend Gefäß kooptierendem histopathologischen Wachstumsmuster. Das Phosphorylierungslevel der P70S6-Kinase und die Expression von Dickkopf 1 zeigten sich in den Lebermetastasen mit vorwiegend angiogenen histopathologischen Wachstumsmustern signifikant erhöht. Die Expression der Adenosinmonophosphat-aktivierten Proteinkinase Untereinheit α 1 zeigte keinen Unterschied zwischen den verglichenen Gruppen. Einzelne Metabolite der Glykolyse und verschiedene Metabolite des Pentosephosphatweges zeigten sich signifikant vermehrt in Lebermetastasen mit einem prädominant Gefäß-kooptierenden histopathologischen Wachstumsmuster. Die analysierten Metabolite des Citratzyklus zeigten keinen Unterschied zwischen den verglichenen Gruppen. So bestätigt die vorliegende Arbeit den in der Literatur beschriebenen Überlebensvorteil für Patient*innen, deren kolorektale Lebermetastasen ein pures desmoplastisches histopathologisches Wachstumsmuster aufweisen, der sich insbesondere bei nicht vorbehandelten Patient*innen zeigt. Zudem konnte ein möglicher positiver Nutzen der Einnahme von Renin-Angiotensin-System-Inhibitoren bei Vorliegen eines puren desmoplastischen histopathologischen Wachstumsmusters identifiziert werden. Die immunhistochemischen und massenspektrometrischen Analysen unterstreichen die divergierenden Tumorbiologien. So sind die verstärkte Aktivierung der Glykolyse und des Pentosephosphatwegs, der nicht signifikante Trend für eine verstärkte Expression der Laktatdehydrogenase A sowie die signifikant niedrigere Expression von Dickkopf 1 möglicherweise als pro-maligne Charakteristika kolorektaler Lebermetasten mit einem prädominant Gefäß-kooptierenden histopathologischen Wachstumsmuster zu verstehen.
Schlagwörter: Kolorektale Lebermetastasen; Histopathologische Wachstumsmuster; Gefäß-Kooption
