CCI-779 (Temsirolimus) exhibits increased anti-tumor activity in low EGFR expressing HNSCC cell lines and is effective in cells with acquired resistance to cisplatin or cetuximab

Abstract

Abstract The most important etiological risk factors for squamous cell carcinoma of the head and neck region (SCCHN) are exposure to tobacco and its smoke as well as heavy alcohol consumption. Additionally oropharyngeal cases are accumulating due to increasing incidence of high-risk human papillomavirus (HPV) infections. Biologically especially HPV-negative SCCHN are characterized by mutations in TP53, CDKN2A, and genes of the PI3K/Akt/mTOR pathway as well as amplifications of the epidermal growth factor receptor EGFR. Depending on the disease stages, surgery, radiotherapy, and chemotherapy, alone or in combination are being used whereas for unresectable, locally advanced tumors the gold-standard is still cisplatin-based concurrent radiochemotherapy. For patients who cannot tolerate cytotoxic chemotherapy, addition of the anti- epidermal growth factor receptor antibody cetuximab to radiotherapy has been the only FDA approved option since 2006. These small improvements of treatment have prolonged survival of patients presenting with advanced stage III-IV tumors, but 5-year survival rates are still at 50% or below. A main problem represents the recurrent disease with acquired resistance to cisplatin and cetuximab. Therefore, additional targets have to be evaluated as groundwork for new therapeutic approaches. In this doctoral research study the small molecule inhibitor temsirolimus targeting the PI3K/Akt /mTOR pathway has been tested in vitro in SCCHN cell lines. The initial focus of the study was the evaluation of the radiosensitizing potential of the mTOR inhibitor temsirolimus (CCI-779). Initial experiments revealed no radiosensitizing effects of temsirolimus but its high activity as single agent in TP53 mutated tumor cells as well as cells with primary cisplatin resistance, which are both clinically challenging. Additionally, the role of EGFR expression in the context of CCI-779 sensitivity was studied and showed an association of high EGFR expression with resistance to temsirolimus, which could be circumvented by combinatorial treatment with cetuximab. To further test if also cells with acquired resistance to cisplatin and cetuximab respond to temsirolimus treatment, a model of acquired resistance was established through long-term drug treatment of primarily sensitive cells. Experiments showed that cells with acquired cisplatin resistance demonstrated an increased sensitivity to temsirolimus whereas the sensitivity of cetuximab-resistant cells to temsirolimus was reduced, which again could be reversed by combinatorial treatment [Niehr et al. 2015].

Zusammenfassung Die wesentlichen ätiologischen Risikofaktoren für Plattenepithelkarzinome des Kopf-Hals-Bereiches (SCCHN) sind der aktive Tabakkonsum bzw. die passive Exposition mit Tabakrauch, sowie Alkoholabusus. Zusätzlich häufen sich oropharyngeale Fälle aufgrund von zunehmenden Infektionen mit humanen Hochrisiko-Papillomaviren (HPV). Biologisch sind insbesondere HPV-negative SCCHN durch Mutationen im TP53, CDKN2A und Genen des PI3K/Akt/mTOR-Signalweges sowie Amplifikationen des epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors EGFR charakterisiert. Abhängig vom Krankheitsstadium finden chirurgische Maßnahmen, Strahlentherapie und Chemotherapie, allein oder in Kombination Anwendung, wobei für inoperable, lokal fortgeschrittene Tumore weiterhin die simultane Cisplatin-basierte Radiochemotherapie den Goldstandard darstellt. Für Patienten, die eine zytotoxische Chemotherapie nicht tolerieren, ist die Zugabe des anti-EGFR-Antikörpers Cetuximab zur Strahlentherapie die einzige von der FDA zugelassene Alternative seit 2006. Diese minimalen Verbesserungen der Behandlung haben das Überleben von Patienten mit fortgeschrittenen Stadium III-IV Tumoren verlängert, jedoch befinden sich die 5-Jahres-Überlebensraten weiterhin bei nur 50% oder darunter. Ein Hauptproblem stellen Rezidive mit erworbener Resistenz gegenüber Cisplatin und Cetuximab dar. Daher müssen zusätzliche molekulare Targets als Grundlage für neue therapeutische Ansätze evaluiert werden. In dieser Doktorarbeit wurde der niedermolekulare Inhibitor Temsirolimus, welcher gezielt den PI3K/Akt/mTOR-Signalweg blockiert, in vitro an SCCHN Zelllinien getestet. Die initiale Fragestellung der Untersuchung war die Beurteilung des Radiosensitierungs-potenzials des mTOR-Inhibitors Temsirolimus (CCI-779). Primäre Experimente zeigten keine radiosensitierende Wirkung von Temsirolimus, jedoch eine hohe Aktivität des Wirkstoffes als Monotherapie in TP53 mutierten Tumorzellen sowie Zellen mit primärer Cisplatinresistenz, die beide klinisch eine Herausforderung darstellen. Zusätzlich wurde die Rolle der EGFR- Expression im Zusammenhang mit CCI-779-Sensitivität untersucht und zeigte eine Assoziation von hoher EGFR-Expression mit Resistenz gegenüber Temsirolimus, welche durch kombinatorische Behandlung mit Cetuximab umgangen werden konnte. Um weiterhin zu testen ob auch Zellen mit erworbener Resistenz gegenüber Cisplatin und Cetuximab auf Temsirolimus Behandlung ansprechen, wurden Resistenzmodelle durch langfristige medikamentöse Behandlung von primär sensitiven Zellen etabliert. Experimente zeigten, dass Zellen mit erworbener Cisplatinresistenz eine erhöhte Sensitivität gegenüber Temsirolimus aufwiesen, während das Ansprechen der Cetuximab-resistenten Zellen gegenüber Temsirolimus reduziert war, was wiederum durch kombinatorische Behandlung umgangen werden konnte [Niehr et al. 2015].