Hormonal Regulation of Endocrine-resistant Breast Cancer

Abstract

Hormonaaliselle hoidolle vastustuskykyisen rintasyövän soluviljelymallit

Rintasyöpä on naisten yleisin syöpä. Vuosittain suomessa todetaan 4000–5000 uutta rintasyöpätapausta. Rintasyövistä noin 70 % on hormonireseptoripositiivisia eli niissä ilmenee estrogeenireseptori. Estrogeeni, joka vaikuttaa estrogeenireseptorin kautta, on hormonireseptoripositiivisen, eli hormoniherkän rintasyövän tärkein tunnettu kasvuvaikuttaja. Hormoniherkässä rintasyövässä hormonaaliset hoidot (antiestrogeenit) tähtäävätkin estrogeenin kasvuvaikutuksen estämiseen.

Hormonaaliset hoidot ovat tehokkaita hoitomuotoja, sekä liitännäishoitoina annettuna leikkauksen jälkeen, että levinneen rintasyövän hoidossa. Kuitenkin osalla hormonireseptoripositiivisista potilaista ei todeta vastetta hoidolle eli syöpäkasvain on vastustuskykyinen hormonaalisille hoidoille, ja osalla potilaista rintasyöpä uusiutuu sellaisena että se ei enää reagoi annettuun hormonaaliseen hoitoon, eli syöpä on kehittynyt vastustuskykyiseksi (resistenssi) hoidon aikana. Resistenssin syntymekanismeista on saatu tietoa tutkimalla kasvaimista otettuja kudosnäytteitä, sekä laboratoriossa tehtävien soluviljelykokeiden avulla.

Tutkimuksessa selvitettiin soluviljelymallien avulla geenien ilmenemisen muutoksia prosessissa, jossa hormoniherkästä rintasyövästä kehittyy resistentti antiestrogeenihoidolle (toremifeeni), ja kun hormoniherkkä rintasyöpä alkaa kasvaa ilman estrogeenia. Tutkimus osoitti että rintasyöpäsolujen pitkäaikaisen lääkealtistuksen (1 vuosi) jälkeen havaitut muutokset geenien ilmenemisessä voidaan nähdä soluissa heti kun ne alkavat kasvaa ilman estrogeenia tai antiestrogeenista huolimatta, jo noin 2-3 kuukauden jälkeen. Tulokset tukevat näkemystä että osalla soluista on valmiiksi kyky kasvaa muuttuneissa olosuhteissa ja ne valikoituvat (selektio) kasvamaan tässä prosessissa. Tutkimuksessa osoitettiin myös että fos-like antigen 1 (FOSL1) geenin yli-ilmentyminen on tärkeä ominaisuus toremifeeni-resistenttien solujen kasvulle. Lisäksi havaittiin, että selektiota ei tapahdu vain resistenssin syntymisen alkuvaiheessa, sillä toremifeeni alkoi vaikuttaa joidenkin geenien säätelyyn vasta pidemmän altistuksen (1 vuosi) jälkeen.

Estrogeenin kasvuvaikutuksen estämiseen tähtäävät hoitomuodot tehoavat hormoniherkkään rintasyöpään vaihtelevasti ja hoidoille resistenttien syöpien kehittyminen on yleistä. Tämän takia myös muiden hormonaalisten hoitomuotojen tutkiminen resistenteillä syöpäsoluilla on tärkeää. Tutkimuksessa havaittiin että fysiologisena konsentraationa A-vitamiini hidasti resistenttien rintasyöpäsolujensolujen kasvua, etenkin annettuna yhdessä estrogeenin kanssa. Havaittiin myös että synteettinen progestiini (medroksiprogesteroni asetaatti) jo matalina farmakologisina konsentraatioina esti estrogeenista riippumattomien solujen kasvua, mutta estrogeeni poisti tämän vaikutuksen. Nämä tulokset herättävät mielenkiintoa muista hormonaalisista hoidoista antiestrogeenihoitojen lisänä.

Breast cancer is the most common type of cancer among women in western world. In Finnish women, approximately 4000 – 5000 new breast cancers are diagnosed every year. Approximately 70 percent of breast cancers express estrogen receptor (ER). These tumors use estrogen as their main growth stimulus and they are considered to be hormone-dependent. Endocrine therapy targeting ER is the most effective treatment of hormone-dependent breast cancer therapy both in the adjuvant and metastatic setting.

In premenopausal women, the main source of estrogen is the ovaries, while in postmenopausal women, the enzyme aromatase converts estrogen from androgens in peripheral tissues such as adipose, skin or bone. In hormone-dependent breast cancer, the suppression of tumor growth can be achieved by reducing estrogen levels with chemical ovarian ablation (occasionally with surgery or radiation) in premenopausal women, or with aromatase inhibitors in postmenopausal women. Also, the interaction of estrogen and ER can be blocked by using selective ER modulators (SERMs) or by downregulating the expression of ER with selective ER downregulators (SERDs) both in premenopausal and postmenopausal women.

Endocrine therapy is the most effective treatment for the hormone receptor-positive breast cancer. Still, not all patients receiving endocrine therapy respond to treatment (de novo resistance), and others will eventually relapse despite an initial response (acquired resistance). Knowledge of resistance mechanisms originates mainly from tumor biopsies of tamoxifen-resistant breast cancer, and from in vitro cell culture models of antiestrogen resistance. Several different mechanisms have been hypothesized to be involved in de novo or acquired resistance to endocrine therapy. These mechanisms include the activation of growth factor receptors and their downstream signaling pathways, which lead to an increased estrogen-sensitivity of ER or ligand-independent activation of ER. Such mechanisms may lead breast cancer cells from an estrogen-dependent phenotype which responds to endocrine therapy, to a non-responding estrogen-independent phenotype.

This study was undertaken in order to examine the alterations in gene expression when hormone-dependent breast cancer cells were grown over a long-term period without estrogen, or additionally in the presence of the SERM toremifene, eventually leading to estrogen-independent (which mimics resistance to aromatase inhibitor) and toremifene-resistant phenotypes. Our results show that observed alterations in gene expression after long-term culture of the cells were already present as soon as the cells started proliferating after a period of quiescence. This indicates that pre-existing resistant subpopulations were selected, without involving any changes in individual cells. The overexpression of the fos-like antigen 1 (FOSL1) was shown to be critical for the growth of toremifene-resistant cells. We also observed changes in the regulation of genes by toremifene, which took place later in the cell culture process, indicating that the resistant cells acquired a toremifene-stimulated phenotype. This may not have happened in the early selection process.

There has been renewed interest in alternative hormonal treatments both in early disease and in the advanced setting when conventional ER-targeting therapies fail. We assessed the effect of different nuclear receptor ligands on the growth of hormone-sensitive breast cancer cells and endocrine-resistant sublines. In our study, physiological concentrations of vitamin A (retinol) inhibited the growth of cell lines, especially in the presence of estrogen. This is interesting since low-dose estrogen therapy is a promising new approach in treating estrogen-independent and antiestrogen-resistant hormone receptor-positive breast cancer. Another intriguing finding was that medroxyprogesterone acetate dose-dependently and at low pharmacological concentrations inhibited the growth of estrogen-independent cells, and that the presence of estrogen abrogated the effect. These findings warrant further study on the effects of combined low-dose estrogen and retinoids, and aromatase inhibitor and synthetic progestins on acquired aromatase inhibitor-resistant breast cancer.