Vorhersagen zur Therapie-assoziierten polyklonalen Dynamik im Glioblastom anhand vergleichender Analysen vonTumor-Subklonen

Abstract

Tumoren können eine ausgeprägte zelluläre Heterogenität in genetischen und phänotypischen Merkmalen aufweisen. Uneinheitliches Ansprechen von Tumorzellen auf therapeutische Maßnahmen wird als eine mögliche Ursache für das Therapieversagen bei fortgeschrittenen Tumoren angesehen. Bisher ist aber erst wenig darüber bekannt, wie sehr sich einzelne Tumorzellen in ihrem Ansprechen auf therapeutische Maßnahmen unterscheiden und welche Konsequenzen daraus für die zelluläre Zusammensetzung des Tumors entstehen.<br /> In dieser Studie wurde an Modellsystemen des malignen Hirntumors Glioblastom untersucht, ob Therapie-assoziierte Veränderungen der klonalen Komposition eines Tumors vorhersagbar sind. Um das Ausmaß der genetischen und phänotypischen Heterogenität inter- und intratumoral zu erfassen, wurden von 5 Glioblastom-Patienten insgesamt 33 Subklone durch Expansion von separierten Einzelzellen isoliert, charakterisiert und miteinander verglichen. Die Analyse zeigte, dass koexistierende Subklone des gleichen Tumors diskrete genetische Veränderungen und eine deutliche Heterogenität in ihrem Ansprechen gegenüber einer Vielzahl von Substanzen mit potenziell antineoplastischer Wirkung gegenüber dem Glioblastom aufwiesen. In einer personalisierten Analyse konnten Substanzen mit unterschiedlicher Wirkung auf stabile, genetisch und phänotypisch heterogene, koexistierende Subklone genutzt werden, um Verschiebungen von Populationen innerhalb des heterogenen Tumors in Zellkulturen und Xenotransplantaten vorherzusagen. <br /> Diese Befunde stellen eine bisher unberücksichtigte Strategie zur Aufarbeitung von funktionellen Konsequenzen der intratumoralen Heterogenität dar, mit der die Dynamik von Tumor-Subklonen untersucht und gezielt beeinflusst werden kann. In Zukunft könnten auf diese Weise Therapieansätze erarbeitet werden, in denen die individuelle Komposition eines Tumors stärker miteinbezogen wird.

Tumors may display considerable intratumor heterogeneity of genetic and phenotypic traits. Heterogeneity of drug response among tumor cells could be identified as a potential source for treatment failure in advanced cancers. However, so far little is known about the variety of drug response profiles of single tumor cells and the consequences of therapeutic intervention on the architecture of solid tumors.<br /> Here, model systems of the malignant brain tumor glioblastoma were used to explore the predictability of treatment-induced changes to the clonal composition of tumors. To capture the extent of genetic and phenotypic heterogeneity intra- and intertumorally, 33 single cell-derived subclones generated from five clinical glioblastoma specimens were isolated, characterized and compared. Subclones from individual tumors exhibited discrete genetic aberrations and a remarkable heterogeneity of resistance to a library of potential anti-glioblastoma compounds. In a personalized setting, compounds displaying differential pharmacologic sensitivity among stable genetic and phenotypic co-existing subclones could be used to predict therapy-dependent changes to the clonal composition within the heterogeneous tumor in cell cultures and xenografts.<br /> These findings provide a previously unrecognized strategy for revealing functional consequences of intratumor heterogeneity by enabling predictive modeling of treatment-related subclone dynamics in human glioblastoma. Further development of this strategy may pave the way for therapy regimes that consider the clonal composition of individual tumors.