Tracing heterogeneity in breast tumor progression

Brystkreft er en svært kompleks sykdom og består i realiteten av mange forskjellige typer svulster som bør behandles ulikt. Antallet pre-invasive lesjoner i brystet, såkalte duktalt in situ karsinom (DCIS), har økt de siste årene grunnet mammografiscreening. DCIS kjennetegnes ved at kreftcellene vokser inne i melkegangene i brystvevet men har ikke trengt ut i det omkringliggende vevet (infiltrerende kreft). Det finnes ingen robust biologisk markør som kan forutsi sykdomsutviklingen hos pasienter med DCIS og dermed bidra til mer presis behandling. Mange av disse lesjonene vil aldri utvikles videre til invasiv sykdom, men alle behandles noe som gjør at mange kvinner og deres familier rammes av en sykdom som ofte overbehandles. Vi ønsker å forstå hvordan de ulike svulstene utvikles, herunder hvilke celletyper de oppstår fra, hvilke molekylære signalveier som endres underveis i kreftutviklingen og hvilke prosesser som bidrar til at brystkreft blir infiltrerende, dvs hvilke mekanismer som er avgjørende for at kreftcellene vokser fra melkegangene og ut i vevet omkring. I prosjektet studerer vi kreftutvikling både i pasientmateriale og ved å bruke musemodeller. Vi benytter en metode som inkluderer direkte injekson av kreftceller i duktene og dette gir en bedre sammeligning med hvordan brystkreft utvikles hos kvinner. Ved å bruke magnetisk resonans (MR imaging) som en tidlig screeningteknikk på dyrene kan vi oppdagene lesjonene tidligere enn når de er følbare eller synlige. Metoden kombineres med kjemisk indusert kreft som gir oss en veldig måte å følge kreftutviklingen på. Resultatene våre så langt viser en overhyppighet av en bestemt brystkrefttype, ”claudin-low” i modellene men hvilken celle-type den har opphav i er fortsatt uklart. Vi har også sett at type tumor som utvikles ikke direkte kan kobles til mutasjoner eller kopitallsendringer i DNA. Videre har vi kombinert denne metoden med flere sporings- og farge teknikker som gjør at vi kan se hvor i vevet de tidligste lesjonene oppstår og hvilke celler som er involvert. Vi har etablert 3-dimensjonal (3D) bildebehandling som inkluderer avanserte mikroskopiteknikker. Vi har resultater fra disse analysene som viser at noen svulster oppstår i celler som er merket med stamcellemarkøren Lgr5. Vi har isolert RNA fra svulstene for å undersøke hvilke typer svulster som ble utviklet men RNAet var så degradert så det ble vanskelig å konkludere mht til subtyper av brystkreft, men det ser ut tilå være en overhyppighet av "claudin-low. I prosjektet har vi analysert molekylære data generert fra både DCIS og invasive svulster fra kvinner, tilsammen nesten 400 prøver. Analysene viser at heterogeniteten og de molekylære endringene blant DCIS er noe ulik den man ser i infiltrerene brystkreft noe som krever at man analyserer ulike stadier på forskjellig måte. Basert på analyser av RNA data har vi kommet frem til et sett av gener som er forskjellig uttrykt i DCIS og invasiv kreft og som vi vil følge opp i fremtidige studier opp for å utforske om dette kan være en prediktor for lesjoner med lav risiko for å utvikles videre til kreft. Dette må valideres i andre data. Basert på disse resulatene analyserte vi flere utvalgte celleområder fra 39 DCIS tilfeller med en kvantitativ RNA målemetode. Disse analysene bekrefter at klassifisering av DCIS ikke er lik som for infiltrerende kreft, at det er færre antall subtyper i pre-invasiv brystkreft og at det er stor heterogenitet innad i DCIS med ulik grad av andre celletyper som vil påvirke videre kreftutvikling.

In this project we have investigated initiation and early progression of breast cancer along two lines; one in which we have initiated tumor formation from specific progenitor cells in mice, and one in which we specifically have studied human pre-invasive breast cancer to improve classification of such lesions. Breast cancer is heterogeneous and is really a range of different tumors that require different treatment and follow-up strategies. We have found that there are likely specific tumors that originate from certain progenitor cells, those that are expressing Lgr5. These experiments were performed in genetically modified mice. This also implicates that certain pathways are inflicted. If different cells of origin give rise to different and specific tumor subtypes, this could have implications for treatment decisions in the long term. Breast tumors start within the milk ducts and some (but not all) will eventually break through the basement membrane and into surrounding breast tissue and become invasive. This is a critical step in breast tumorigenesis. We have found that there are likely to be differences between the different molecular subtypes in their ability to be invasive or their speed of progression. Some of the subtypes are associated with better outcomes than others and the earlier the specific molecular alterations can be found, for ex in a core biopsy taken at diagnosis; the earlier the treatment decisions can be taken. In some cases of pre-invasive breast lesions or ductal carcinoma in situ (DCIS) this could potentially mean active surveillance instead of surgery. These results have founded new experiments in the lab, where we will stain tissue sections from patient tumors for protein markers identified in the analyses of gene expression patterns from the mouse tumor models and from the human tissue samples. If these and follow-up studies can contribute to new diagnostic markers to better inform treatment, this will have significant impact on patient and on society.

Breast cancer heterogeneity presents a significant stumbling block for the application and success of personalized medicine approaches. Several molecular subtypes exist with profound differences in the underlying biology. Subclonality and selection pressure during tumorigenesis is likely important in progression to invasive disease. The incidence of ductal carcinoma in situ has increased due to mammographic screening but currently, there is no strategy for accurately predicting which lesions will progress to invasive breast cancer. In this project, we aim to identify cell-of-origin of one or more intrinsic breast cancer subtypes by lineage tracing from specific stem cells expressing Lgr5 in a chemically induced tumor model, and in a GLI1-induced transgenic model. The tumors developing in these models will be characterized at several molecular levels in order to identify subtype-specific aberrations and disturbed pathways. Wnt and Hedgehog signaling are crucial pathways in embryonic development and has also been implicated in tumorigenesis. We will investigate the effect of overexpression of LGR5 in both tumor models. Tumors will be characterized by gene expression analysis and compared with human breast tumor subtypes. Breast tumors develop through a multistep process and the events driving each stage is not determined. We aim to perform longitudinal studies of tumor samples during progression (in time) in the tracing model and map transcriptomic alterations. Data will be compared and validated in cohorts from patients with preinvasive and invasive lesions in the breast. These studies will improve our understanding of how breast tumors develop and from which cells, and hopefully give clues to markers that can be used to predict the invasive potential of preinvasive lesions.