Targeting ATR in pediatric solid tumors

Abstract

Pediatric solid tumors represent a unique challenge for cancer therapeutics, due to their unique genetic background. Despite advances in cancer treatment, some forms of pediatric cancer continue having a poor outcome. Here we look at the effectiveness of ATR inhibitors in two pediatric solid tumors, alveolar rhabdomyosarcoma and MYCN-amplified neuroblastoma. ATR inhibitors showed a strong antitumor activity in alveolar rhabdomyosarcomas, observed as an accumulation of DNA damage and genomic in-stability that resulted in cell death. Using phosphoproteomics, we identified BRCA1, and more broadly homologous recombination, as being compromised upon ATR inhibi-tion, and hypothesize that defects in DNA repair are responsible for sensitivity to ATR inhibitors. We also identified PAX3-FOXO1, a fusion oncoprotein characteristic of al-veolar rhabdomyosarcoma, as a factor that increases replication stress and sensitizes alveolar rhabdomyosarcomas to ATR inhibition. Because resistance to therapy is fre-quently the cause of treatment failure, we looked at potential mechanisms of resistance to ATR inhibitors and identified the FOS family genes as candidates for ATR inhibitor resistance in alveolar rhabdomyosarcoma. Finally, we looked at the efficacy of ATR inhibitors in patient-derived xenograft models of alveolar rhabdomyosarcoma as a monotherapy and in combination with the PARP1 inhibitor olaparib. ATR inhibitors as a monotherapy were sufficient to achieve stable disease in alveolar rhabdomyosar-coma with minimal side effects, while the combination with olaparib resulted in total remission of the tumors. In MYCN-amplified neuroblastoma, together with Prof. Dr. Martin Eilers, we looked at the combination of ATR inhibitors to Aurora A kinase inhibi-tors. Previously, they identified Aurora A kinas as an interaction partner of MYCN im-portant for MYCN activity regulation. Inhibition of Aurora A kinase resulted in increased replication stress, which we hypothesized could be further exacerbated by adding ATR inhibitors. Our result show a strong antitumor effect of the combination thanks to the recruitment of immune cells to the tumor site. Together, both studies demonstrate the potential of ATR inhibitors as a novel therapy in pediatric solid tumors.

Pädiatrische solide Tumore stellen aufgrund ihrer einzigartigen genetischen Komposi-tion eine besondere Herausforderung für die Krebstherapie dar. Trotz der Fortschritte in den Therapieansätzen sind die Behandlungsergebnisse bei einigen Formen von Kinderkrebs nach wie vor unzureichend. Hier untersuchen wir die Wirksamkeit von ATR-Inhibitoren bei zwei pädiatrischen soliden Tumoren, dem alveolären Rhabdomy-osarkom und dem MYCN-amplifizierten Neuroblastom. ATR-Inhibitoren zeigten bei alveolären Rhabdomyosarkomen eine starke Antitumoraktivität, die sich in einer An-häufung von DNA-Schäden und genomischer Instabilität äußert, welche zum Zelltod führen. Mithilfe der Phosphoproteomik haben wir BRCA1 und damit die homologe Re-kombination als durch ATR-Inhibition beeinträchtigt identifiziert. Dadurch stellen wir die Hypothese auf, dass Defekte in der DNA-Reparatur für die Empfindlichkeit gegen-über ATR-Inhibitoren verantwortlich sind. Wir haben außerdem PAX3-FOXO1, ein für alveoläre Rhabdomyosarkome charakteristisches Fusionsonkoprotein, als einen Fak-tor identifiziert, der den Replikationsstress erhöht und alveoläre Rhabdomyosarkome für eine ATR-Inhibition sensibilisiert. Da Therapieresistenz häufig die Ursache für ein Versagen der Behandlung ist, untersuchten wir mögliche Resistenzmechanismen ge-gen ATR-Inhibitoren und identifizierten die Gene der FOS-Familie als Kandidaten für die ATR-Inhibitorresistenz bei alveolären Rhabdomyosarkomen. Schließlich unter-suchten wir die Wirksamkeit von ATR-Inhibitoren in von Patienten abgeleiteten Xenot-ransplantationsmodellen des alveolären Rhabdomyosarkoms als Monotherapie und in Kombination mit dem PARP1-Inhibitor Olaparib. ATR-Inhibitoren als Monotherapie rei-chen aus, um bei alveolärem Rhabdomyosarkom eine stabile Erkrankung zu erreichen und rufe dabei nur minimale Nebenwirkungen hervor. Die Kombination mit Olaparib führt zu einer vollständigen Remission der Tumore. Beim MYCN-amplifizierten Neu-roblastom haben wir zusammen mit Prof. Dr. Martin Eilers die Kombination von ATR-Inhibitoren mit Aurora-A-Kinase-Inhibitoren untersucht. Zuvor hatte seine Arbeitsgrup-pe Aurora-A-Kinasen als Interaktionspartner und Regulatoren von MYCN identifiziert. Die Hemmung der Aurora-A-Kinase führte zu einem erhöhten Replikationsstress, der, so unsere Hypothese, durch die Zugabe von ATR-Inhibitoren noch verstärkt wird. Un-sere Ergebnisse zeigen eine starke antitumorale Wirkung der Kombinationstherapie auf Grund der Infiltration von Immunzellen in den Tumor. Beide Studien zusammen-genommen zeigen das Potenzial von ATR-Inhibitoren als neuartige Therapie bei pädi-atrischen soliden Tumoren.