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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-79942
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7994/


Breast cancer heterogenity : genetics, estrogen receptor, metastasis, and treatment

Brustkrebs-Heterogenität : Genetik, Östrogenrezeptor, Metastasierung, und Therapie

Babayan, Anna

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SWD-Schlagwörter: Brustkrebs , Östrogenrezeptor , Metastasierung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Zirkulierende Tumorzellen
Freie Schlagwörter (Englisch): Breast cancer , estrogen receptor , circulating tumor cells , liquid biopsy , metastasis , cancer evolution
Basisklassifikation: 44.81 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pantel, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.07.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 12.08.2016
Kurzfassung auf Englisch: Cancer metastasis is the main cause of cancer related death. Administration of systemic therapy against cancer metastasis is usually based on characteristics of the primary tumor, however, metastases may not resemble the primary tumor anymore due to genetic progression or selection of treatment-resistant clones. The discordance in characteristics of primary tumor and metastases, and the fact that metastases are infrequently biopsied for clinical diagnostics, might lead to treatment failure. Circulating tumor cells (CTCs) extracted from peripheral blood could aid diagnostics and clinical management of cancer patients. Individual CTCs can be investigated on proteomic and genomic levels. Immunocytochemical (ICC) staining allows for CTC detection and characterization. Downstream genetic analysis is possible with a combination of whole genome amplification (WGA) and next generation sequencing (NGS). Such comprehensive analysis provides us with information about the origin and genetic heterogeneity of the metastases and might aid in possible identification of therapy sensitive and resistant clones.
In the studies presented here, a triple immunostaining protocol and a workflow for genetic analysis of single CTCs were established. Subsequently, these procedures were applied for the investigation of clonal evolution towards breast cancer metastasis, its intra-patient heterogeneity, and the role of heterogeneity in acquired resistance to hormone treatment and radiotherapy in breast cancer patients.
The obtained results suggest that genetic heterogeneity of breast cancer plays a key role in the resistance of therapy. Cross activation of proliferative signaling pathways results in resistance to endocrine and radiotherapy. We demonstrate that breast cancer might utilize both linear and parallel progression ways of metastasis. Accordingly, therapy resistant metastases in breast cancer patients might originate from tumor clones present at early stages of carcinogenesis, as well as from more progressed ones. The clonality of the investigated breast tumors indicates that both competition and cooperation of tumor clones are likely being involved in cancer evolution.
In conclusion, our results demonstrate the feasibility of genomic and protein expression analyses on single CTCs and underline the importance of “liquid biopsy” for companion diagnostics in metastatic breast cancer.
Kurzfassung auf Deutsch: Metastasen sind die Hauptursache krebsbedingter Todesfälle. Die Verabreichung systemischer Therapien gegen Krebsmetastasen basiert in der Regel auf Eigenschaften des Primärtumors. Stetige Tumorprogression sowie Selektion behandlungsresistenter Klone führen jedoch dazu, dass Metastasen dem Primärtumor nicht mehr gleichen. Diese Diskordanz zwischen dem Primärtumor und den Metastasen, sowie die Tatsache, dass Metastasen selten einer Biopsie unterzogen werden, können zum Therapieversagen führen. In diesem Zusammenhang bieten zirkulierende Tumorzellen (sogenannte Circulating Tumor Cells, oder CTCs), die sich von dem Primärtumor oder den Metastasen abspalten und im Blut befinden, eine verhältnismäßig leicht zugängliche und dennoch kostbare Quelle für Tumor-, bzw. Metastasen-Material.
Die Charakterisierung der, aus dem peripheren Blut von Krebspatienten extrahierten, CTCs kann sowohl die Diagnostik als auch die klinischen Behandlung der Patienten unterstützen. Einzelne CTCs können auf proteomischer und genomischer Ebene untersucht werden. Immunzytochemische Färbungen ermöglichen die CTC-Detektion und -Charakterisierung. Darauf folgende genetische Einzelzellanalysen sind nur auf Grund einer Kombination von Amplifikation des gesamten Genoms (Whole Genome Amplification, WGA) und Next Generation Sequencing (NGS) möglich. Solch umfassende Analysen liefern Informationen über die Herkunft und die genetische Heterogenität der Metastasen und können der Identifizierung von therapiesensiblen und resistenten Klonen dienen.
In den hier vorgestellten Studien wurden ein immunozytochemisches Dreifachfärbeprotokoll und ein Verfahren für die genetische Analyse einzelner CTCs etabliert. Anschließend wurden diese Verfahren zur Untersuchung der Klonalität und Heterogenität des Mammakarzinoms und der Metastasierungswege angewendet. Hierbei untersuchten wir die Rolle der genetischen Heterogenität bei der erworbenen Resistenz gegen Hormonbehandlung und Strahlentherapie bei Brustkrebs-Patientinnen. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass genetische Heterogenität in Brustkrebs eine wichtige Rolle bei der Therapieresistenz spielt. Die Kreuzaktivierung von proliferativen Signalwegen führt zu einer Kreuzresistenz gegenüber Endokrin- und Strahlentherapie. Anschließend zeigten wir, dass Brustkrebsmetastasierung sowohl über lineare als auch parallele Tumorprogression erfolgt. Dementsprechend können therapieresistente Metastasen bei Mammakarzinom-Patientinnen von Tumorklonen stammen, die bereits in frühen Stadien der Karzinogenese entstanden sind, sowie von weiter fortgeschrittenen. Die Klonalität der untersuchten Brusttumore legt die Vermutung nah, dass beide Mechanismen: Wettbewerb und Zusammenarbeit von Tumorklonen, in der Krebsentwicklung beteiligt sind.
Schließlich unterstreichen unsere Ergebnisse die Umsetzbarkeit und Bedeutung der Genom- und Proteinexpressionsanalyse auf einzelnen CTCs im Rahmen einer "liquid biopsy" für therapiebegleitende Diagnostik in Mammakarzinom-Patientinnen.

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