Mechanismen der intrakraniellen Metastasierung des malignen Melanoms

Abstract

Brain metastases represent a major therapeutic challenge in tumor medicine, as they significantly worsen the prognosis and frequently lead to the death of patients. In addition, intracranial tumors often react very variably to different therapeutic regimens. The reasons for this are largely unclear. Brain metastases are particularly frequent in bronchial and breast carcinoma as well as in malignant melanoma. In this work, we aim to decipher the mechanisms leading to intracranial progression in patients with malignant melanoma. To do so, we collected intraoperatively obtained tumor tissue samples, which form the basis for extensive molecular biological analyses at genomic, epigenetic and protein level. Furthermore, we derived cell lines from the tissue samples. This resulted in a library of cell lines from different disease stages and with various molecular characteristics, which we used for cell culture and animal experiments. In this way, we were able to validate the findings from the sequencing analyses in in vitro experiments. We show that tumors can be separated into molecular subgroups distin-guished by v-Raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 (BRAF) mutation status, immune cell infiltration, as well as the E-cadherin (Ecad) and nerve growth factor re-ceptor (NGFR) expression. This leads to different phenotypes, which differ in their progressivity. These phenotypes can merge into each other, which can also be therapy-induced. For example, treatment with BRAF inhibitors can lead to a decrease in the expression of Ecad and an increase in the expression of NGFR. This results in a switch from a more proliferative into an invasive phenotype and tumor progression. This is consistent with epithelial-mesenchymal transformation. Genome-wide methylation analyses showed that tumors with and without BRAF mutation differ at the epigenetic level, leading to differential gene expression. Thus, we were able to identify a marker that correlates with immune cell infiltration and allows conclusions about outcome. With our findings, we hope to contribute to a better prognosis regarding the response to different therapies and the survival of patients in the future.

Hirnmetastasen stellen eine große therapeutische Herausforderung in der Tumormedizin dar, da diese die Prognose entscheidend verschlechtern und häufig zum Tod der Patient: innen führen. Außerdem sprechen die intrakraniellen Tumoren oft sehr unterschiedlich auf verschiedene Therapie-Regimes an. Die Gründe hierfür sind weitestgehend unklar. Besonders häufig treten Hirnmetastasen beim Bronchial- und Mammakarzinom sowie beim malignen Melanom auf. In dieser Arbeit möchten wir die Mechanismen, die zum intrakraniellen Progress von Patient:innen mit malignem Melanom führen, entschlüsseln. Dafür sammelten wir intraoperativ gewonnene Tumorgewebeproben, welche die Basis bilden für umfangreiche molekularbiologische Analysen auf genomischer, epigenetischer und Proteinebene. Weiterhin leiteten wir aus den Gewebeproben Zelllinien ab. So entstand eine Bibliothek von Zelllinien aus verschiedenen Krankheitsstadien und mit unterschiedlichen molekularen Charakteristika, die wir für Zellkultur- und tierexperimentelle Versuche verwendeten. Auf diese Weise konnten wir die Erkenntnisse aus den Sequenzierungsanalysen in vitro validieren. Wir zeigen, dass sich die Tumoren in molekulare Subgruppen separieren lassen, die durch den v-Raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 (BRAF)-Mutationsstatus, die Immunzellinfiltration sowie die Expression von ECadherin (Ecad) und den Nerve growth factor receptor (NGFR) voneinander abgegrenzt werden können. Diese verschiedenen Phänotypen unterscheiden sich in ihrer Progressivität. Sie können aber auch, zum Teil Therapie-induziert, ineinander übergehen. So kann beispielsweise eine Behandlung mit BRAF-Inhibitoren dazu führen, dass die Expression von Ecad vermindert und die von NGFR erhöht wird. Dadurch kommt es zu einem Wechsel eines eher proliferativen zum invasiven Phänotyp und zur Tumorprogression im Sinne einer epithelial-mesenchymalen Transformation. Genomweite Methylierungsanalysen konnten zeigen, dass sich Tumoren mit und ohne BRAF-Mutation auf epigenetischer Ebene unterscheiden, was zu differentieller Genexpression führt. So konnten wir einen Marker identifizieren, der mit der Immunzellinfiltration korreliert und Aussagen über das Outcome zulässt. Durch unsere Erkenntnisse möchten wir dazu beitragen, dass zukünftig eine bessere Prognose bezüglich des Ansprechens auf verschiedenen Therapien und des Überlebens der Patient:innen getroffen werden kann.