Characterization of breast cancer using MR metabolomics and gene expression analysis

Abstract

Brystkreft er den vanligste kreftformen blant kvinner i Norge. Prognose og overlevelse avhenger av type kreft, tumorstørrelse, lymfeknutemetastaser og reseptorstatus (østrogen, progesteron og HER2). Basert på genekspresjonanalyser av tumorvev kan brystkreft deles inn i fem grupper; luminal A, luminal B, basal-like, HER2 positive og normal-like. Prognosene til pasientene i de ulike gruppene varierer der pasienter med basal-like brystkreft har den dårligste prognosen, mens pasienter med luminal A brystkreft har de beste prognosene.

Metabolismen i kreftceller og normale celler er svært forskjellig. Et kjennetegn ved kreftceller er endret glykolytisk aktivitet. Kreftcellene kan forbruke glukose og omdanne dette til laktat til tross for at det er rikelig med oksygen til stede. Denne effekten er ofte omtalt som Warburgeffekten. En annen karakteristisk egenskap ved kreftceller er endringer i kolinmetabolismen.

High resolution magic angle spinning MR spektroskopi (HR-MAS MRS) er en metode som er egnet for å studere biokjemiske forbindelser, kalt metabolitter, i vev. Glykolyseog kolinmetabolitter i kreftvev kan derfor studeres med denne teknikken. Proton (1H) MRS gir et spekter med informasjon om hvilke metabolitter som finnes i vev. 13C MRS er velegnet til å studere metabolsk omsetning i celler, dyr eller mennesker. Ved administrering av 13C-merkede metabolitter, kan man derfor kartlegge metabolske reaksjonsveier. Siden MRS er en kvantitativ metode kan den brukes til å beregne metabolittkonsentrasjoner i vev.

Ved bruk av multivariate dataanalyser kan flere metabolitter i HR-MAS MR-spektrene analyseres samtidig. Denne metoden er derfor egnet til å studere metabolske forskjeller mellom ulike brystkreftgrupper. Siden vevet er intakt etter HR-MAS MRS kan det brukes til andre analyser etterpå, som for eksempel histopatologi eller genekspresjonsanalyser. Genekspresjonsanalyse er en egnet metode for å kartlegge hele eller deler av genomet. Med denne metoden kan man undersøke de genetiske forandringene som oppstår i kreftceller.

Denne doktorgraden består av tre studier. Målet med det første studiet var å kartlegge prognostiske faktorer i brystkreftvev ved bruk HR-MAS MRS og multivariate dataanalyser. Tre ulike typer multivariate metoder ble benyttet for å undersøke om HRMAS MR spektrene inneholder informasjon som kan brukes til å prediktere østrogenreseptorstatus, progesteronreseptorstatus og lymfeknutestatus. Resultatene viste at det finnes metabolske forskjeller mellom tumorer som har positiv og negativ hormonreseptorstatus. I det andre studiet ble 13C HR-MAS MRS og genekspresjonsanalyser brukt til å kartlegge den glykolytiske aktiviteten i to ulike brystkreft musemodeller som representerer luminal-like og basal-like brystkreft. 13C-merket glukose ble injisert i de to modellene og tumorvev samlet 10 eller 15 minutter etter injeksjon. HR-MAS MRSanalysene av tumorvevet viste at glukose/laktat (Glc/Lac) og glukose/alanin (Glc/Ala)- ratioene var større i de raskt voksende basal-like svulstene sammenlignet med den luminal-like modellen. De fleste glykolytiske genene var dessuten oppregulert i den luminal-like modellen. Disse resultatene indikerer at den luminal-like modellen har større glykolytisk aktivitet enn den basal-like modellen, og at tumorvekst ikke nødvendigvis er en avgjørende faktor for glykolytisk aktivitet.

Hensikten med det tredje studiet var å beskrive den metabolske profilen til et større utvalg av brystkreft musemodeller som representerer både luminal A, luminal B, basallike og HER2 positiv brystkreft. Resultatene viste at luminal B-svulstene hadde en større fosfokolin/glyserofosfokoline (PCho/GPC)-ratio enn de fleste basal-like svulstene. I tillegg var kolin, PCho og GPC korrelert til andre gener i kolinmetabolismen i luminal B- svulstene enn i de basal-like svulstene. Dette kan bety at reguleringen av kolinmetabolismen er ulik i de to undergruppene av brystkreft. Det var i tillegg god overensstemmelse mellom både metabolitt- og genekspresjonsprofiler mellom xenograftprøvene og brystkreftprøver fra pasienter i de to undergruppene. Resultatene fra studiet viser at dette panelet av xenograftmodeller er representativt for brystkreft hos mennesker, og betyr at modellene kan brukes til å identifisere nye behandlingsregimer ved bruk av HR-MAS MRS og genekspresjonsanalyser.

Studiene beskrevet i denne avhandlingen har vist at HR-MAS MRS og genekspresjonsanalyser reflekterer ulike karakteristikker i brystkreft og at disse metodene derfor kan brukes til å utvikle prognostiske verktøy for brystkreftpasienter.