Borstkanker is nog steeds de meest voorkomende dodelijke vorm van kanker bij Europese vrouwen. Dankzij intensieve screening de ontwikkeling van efficiëntere systemische therapieën is de mortaliteit in Europa gedaald. De meerderheid van de sterfgevallen is te wijten aan de verspreiding van tumorcellen in het lichaam, ook wel metastasering genoemd. Tot op heden wordt de prognose van een patiënt bepaald op basis van de tumor grootte, differentiatiegraad, oestrogeen en progesteron receptor expressie, Her2 status en aanwezigheid van lymfeklier aantasting. Hoewel deze factoren allemaal een sterke prognostische waarde hebben, worden op basis van deze parameters niet alle patiënten met een verhoogd risico op metastasering geïdentificeerd. Bijgevolg is er een grote nood aan nieuwe prognostische merkers of biomerkers voor borstkanker. Hierbij wordt meer en meer aandacht besteedt aan de identificatie en evaluatie van circulerende biomerkers aangezien deze het mogelijk maken om op een niet-invasieve manier het ziekteverloop en de respons op therapie op te volgen. Proteasen, waaronder de matrix metalloproteinasen (MMP) en cathepsines, worden als goede kandidaat biomerkers beschouwd door de diverse functies die ze uitoefenen tijdens tumor groei en metastasering. In deze thesis werd hun klinische relevantie in borstkanker nagegaan.
In een eerste luik werd het expressieprofiel van 6 MMPs in luminaal A type invasief ductale borsttumoren bestudeerd en in relatie gebracht met de standaard prognostische factoren voor borstkanker. Postmenopausale patiënten vertoonden een sterke tumorale expressie van MMP2 en MMP11 mRNA, wat in overeenstemming is met hun sex steroïd hormoon-afhankelijke regulatie. De verhoging in MMP expressie in luminaal A type borsttumoren van postmenopausale vrouwen is op het eerste zicht paradoxaal. Luminaal A type tumoren komen namelijk vooral voor bij postmenopausale vrouwen waar ze geassocieerd zijn met een goede prognose, terwijl een verhoogde MMP expressie geassocieerd is met een slechte prognose in diverse tumortypes. Deze schijnbare paradoxale bevinding zou er echter op kunnen wijzen dat luminaal A borsttumoren van premenopausale vrouwen een ander, meer agressief, biologisch gedrag vertonen dan deze van postmenopausale vrouwen.
In een tweede luik werd de prognostische waarde van circulerend MMP2 en MMP9 in het plasma van borstkanker patiënten geëvalueerd, waarbij een onderscheid gemaakt werd tussen circulerend actief MMP en totaal MMP. Patiënten met een Her2-positieve tumor vertoonden een verhoogde activiteit van MMP2 in hun bloed, wat voorgaande bevindingen van in vitro werk en dierstudies bevestigt. Gebruik makend van humane stalen, hebben wij kunnen bevestigen dat er een sterke interactie bestaat tussen de signaaltransductieweg van Her2 en deze van de MMPs.
In een derde luik werd onderzocht of bepaling van MMP1, MMP8 en MMP13 expressie in plasma kan bijdragen tot de diagnostiek en prognosestelling van borstkanker. Bepaling van plasma MMP1 en MMP8 expressie maakte het mogelijk om borstkanker patiënten, onder wie inflammatoire borstkanker patiënten, te onderscheiden van gezonde vrijwilligers. Bovendien konden er verschillen in MMP1 en MMP8 expressie aangetoond worden tussen patiënten met verschillende klinische en pathologische kenmerken. Verder vonden we dat de MMP8 concentratie hoger is in patiënten met een beperkte lymfeklier aantasting (pN1, pN2) dan in gezonde controlepersonen, terwijl het omgekeerde geldt voor patiënten met een uitgebreide lymfeklier aantasting (pN3) en een verhoogde kans op het ontwikkelen van metastases. Op basis van de hypothese dat er een omgekeerde relatie bestaat tussen proteïne gehaltes in het bloed en deze in het tumorweefsel, met een hogere expressie in het bloed wanneer het betreffende proteïne geconcentreerd wordt in de tumor of het stroma, bevestigen onze resultaten de bevindingen van vorige studies dat MMP8 een beduidend beschermend effect heeft op lymfeklier metastasering en in mindere mate op metastasering naar andere organen zoals de longen.
In een vierde luik werd de expressie van cathepsine B, H en X alsook van hun endogene inhibitor cystatin C in serum van vrouwen met vroegstadium of inflammatoire borstkanker bepaald. Doordat chemotherapie verschillende ongunstige bijwerkingen veroorzaakt is er een groot debat gaande of patiënten met gunstige prognostische kenmerken zoals een tumor grootte kleiner dan 5 cm en de afwezigheid van lymfeklier aantasting, adjuvant behandeld moeten worden met chemotherapie. Inflammatoire borstkanker is een zeldzame, zeer agressieve vorm van borstkanker waarvan tot op heden de onderliggende pathologie ongekend is. Aangezien cathepsines een duidelijke rol spelen in kanker, zou de bepaling van hun serum concentraties extra prognostische informatie kunnen verschaffen. Lagere concentraties serum cathepsine B en hogere hoeveelheden cystatine C werden teruggevonden in respectievelijk patiënten met een slecht gedifferentieerde tumor en postmenopausale patiënten. Op basis van serum cystatine C expressie konden vroegstadium borsttumoren ingedeeld worden in 2 groepen zijnde tumoren kleiner dan 2 cm enerzijds en groter dan 2 cm anderzijds, waarbij de laatste groep gekenmerkt werd door een verhoogde cystatine C expressie. Deze verhoging zou het gevolg kunnen zijn van een compensatie mechanisme, hoewel blijkbaar inefficiënt, voor een verhoogde cathepsine activiteit in de tumor. Verder hadden patiënten met inflammatoire borstkanker een opmerkelijk verschillende hoeveelheid serum cathepsine H en X en in minder mate cathepsine B en cystatine C expressie in vergelijking met niet-inflammatoire borstkanker patiënten. Deze observatie suggereert dat cathepsine H en X mogelijks betrokken zijn bij de onderliggende processen die deze zeer agressieve vorm van borstkanker veroorzaken.
In een vijfde luik werd de invloed van genetische variatie, meer specifiek ‘single’ nucleotide polymorfismen (SNP), in het MMP8 gen op de expressie en de paradoxaal beschermende rol van MMP8 op metastasering nagegaan. Dragers van het minst voorkomend allel (minor allele) van de rs11225395 SNP, gelegen in de promoter regio van MMP8, vertoonden een verlaagd risico op lymfeklier aantasting. In vitro functie-analyses toonden aan dat de MMP8 promoter met het ‘minor allele’ een hogere activiteit heeft dan deze met het meest voorkomend allel (major allele). Verder toonden we aan dat de promotersequentie met het ‘minor allele’ gebonden kan worden door diverse nucleaire proteïnen wat de verhoogde activiteit van de promoter zou kunnen verklaren. Bovendien vonden we dat dragers van het ‘minor allele’ minder frequent metastases ontwikkelden en een opmerkelijk betere algemene overleving en ziektevrije-overleving hadden dan dragers van het ‘major allele’, en dit specifiek in de groep van patiënten met vroegstadium borstkanker. Ten eerste bevestigen deze resultaten dat MMP8 genvariatie een invloed kan hebben op de expressie en functie van MMP8. Ten tweede wijzen deze data erop dat, in analogie met wat reeds aangehaald werd voor hoofdstuk 5, MMP8 een beschermende rol tegen lymfeklier aantasting heeft.
Breast cancer remains the most common deadly form of cancer in European women. Thanks to early diagnosis and administration of adjuvant systemic therapy, its mortality rate is dropping in the Western world. The majority of treatment failures and deaths are attributed to metastasis or spread of tumour cells to distant organs. Currently, the established prognostic factors for operable breast cancer are tumour size, histologic grade, steroid hormone receptors, Her2 expression and lymph node involvement. In spite of their strong association with recurrence-free and overall survival, these parameters do not allow us to identify all patients at high risk of metastasis. Therefore, a great deal of research is devoted to the identification of new prognostic markers or biomarkers for breast cancer. In particular, circulating biomarkers have been the focus of interest since they are readily accessible and permit serial assessment for monitoring of therapy response and disease progression. Proteases such as matrix metalloproteinases (MMPs) and cathepsins have been suggested as candidate biomarkers of cancer due to their numerous functions in tumour progression and metastasis. Hence, we evaluated their clinical relevance in breast cancer.
In a first study, we explored the mRNA expression profile of a panel of 6 MMPs in luminal A invasive ductal carcinomas and correlated it with clinical and pathological prognostic markers. We observed a strong positive correlation between tumour MMP2 and MMP11 expression and the postmenopausal status which is in line with a MMP sex steroid dependent regulation. At first sight, an increase in MMP expression in luminal A breast tumours of postmenopausal women seems paradoxical. First, luminal A tumours are primarily found in postmenopausal women being associated with a good prognosis. Second, increased MMP expression has been associated with a worse prognosis in various tumour types. However, this apparent paradoxical finding might suggest that luminal A breast tumours of premenopausal women have a more aggressive biological behaviour than those of postmenopausal women.
In a second study, we evaluated the prognostic value of plasma MMP2 and MMP9 in breast cancer, discriminating the expression of the active MMP fraction from the total expression. We demonstrated a significant increase in MMP2 activity in plasma from patients with a Her2 positive tumour. Hence, we confirmed the link between the Her2 and MMP pathway in human samples, a relation that was previously solely observed in in vitro systems and in animal models.
In a third study, we investigated whether measurement of circulating levels of the collagenases MMP1, MMP8 and MMP13 may be a useful tool for breast cancer diagnosis and prognosis. Plasma MMP1 and MMP8 levels enabled the diagnosis of breast cancer, including inflammatory breast cancer. We found differences in MMP1 and MMP8 levels between patients with different clinical and pathological characteristics. Furthermore, MMP8 levels were higher in patients with moderate lymph node involvement (pN1, pN2) than in healthy controls, while the opposite was true for patients with an extended lymph node metastasis (pN3) and a strong predisposition to distant metastasis. Based on the hypothesis of a reverse association of blood and tissue protein levels, with lower blood levels in case of concentration in the tumour and/or stroma, our observations support previous studies that MMP8 might influence the metastatic behaviour of breast cancer cells. Moreover, our results suggest a greater protective effect against lymph node metastasis than against distant metastasis.
In a fourth study, we examined the expression of cathepsins B, H, X and their endogenous inhibitor cystatin C in serum of early stage and inflammatory breast cancer patients. As chemotherapy is known to have adverse side effects, the debate is ongoing whether patients with favourable prognostic characteristics, i.e. tumours smaller than 5 cm and without lymph node involvement, should receive adjuvant chemotherapy. On the other hand, inflammatory breast cancer is as yet a rare but very aggressive disease with unknown underlying pathology. Since cathepsins have been shown to play an important role in cancer, their serum levels might provide additional prognostic information. We found a correlation between lower serum cathepsin B levels and poor histologic grade, and observed higher cystatin C levels in postmenopausal women. Serum cystatin C levels indicated that early stage breast carcinomas can be classified into 2 groups: tumours smaller than 2cm and those of 2cm or larger; the latter being associated with higher cystatin C levels. The increase in cystatin C levels may result from a compensation mechanism, although an apparently inefficient one, for elevated cathepsin activity in the tumour. Furthermore, we observed lower levels of cathepsins H and X and a trend for lower cathepsin B and cystatin C levels in inflammatory breast cancer patients; suggesting that cathepsins H and X might be involved in the inflammatory-dependent processes of this aggressive breast disease.
In a fifth study, we studied the impact of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the MMP8 gene on the expression and paradoxical protective role of MMP8 in metastasis. We found that carriers of the minor allele of the rs11225395 promoter SNP had a reduced risk of lymph node metastasis. In vitro functional assays revealed a significantly higher promoter activity in the presence of the minor allele and in support of this, we found binding of nuclear proteins at the polymorphic site for the minor allele but not for the common allele. Moreover, we observed a reduced risk of relapse as well as a better recurrence-free and overall survival among carriers of the minor allele and in particular in those with early stage breast cancer. Hence, our results suggest that MMP8 gene variation may affect breast cancer prognosis and support the notion that MMP8 has an anti-metastatic role in cancer. Doctor in de Medische Wetenschappen Afdeling Experimentele Oncologie Departement Oncologie Faculteit Geneeskunde Doctoral thesis Doctoraatsthesis