Rectal Cancer - Tumor Biology and Prognostic Markers

Abstract

Colorectal cancer is one of our most common malignancies and the second leading cause of cancer death worldwide. About 1/3 of the tumors are located in the rectum. Treatment advances such as the introduction of the standardized surgical technique total mesorectal excision (TME), pre-operative radiotherapy, and adjuvant chemotherapy have reduced the previously high local recurrence rates and improved survival in rectal cancer patients, but despite these advances about 40% of the patients still die from disseminated disease. Rectal cancer evolves through an accumulation of genetic alterations in the tumor cells, and although multiple such changes have been characterized, the molecular markers have not yet gained widespread clinical use. The prognostic markers currently available fail to identify patients at risk for tumor recurrencies, which implies a need for refined prognostic tools. This thesis focuses on analysis of different molecular events in rectal cancer with correlations to prognosis.



Papers I-II evaluate the novel serological markers suPAR and TIMP-1 analyzed in pre-treatment plasma samples from patients with rectal cancer. High suPAR and TIMP-1 values were associated with shorter survival and these markers may thus be of potential prognostic use. In paper III, we evaluated the tissue microarray technique (TMA) for immunohistochemistry (IHC) using the markers p53 and Ki-67. Good quality staining was obtained and TMA could reproduce the results obtained from whole-tissue sections. Paper IV presents IHC tumor profiling using TMA in rectal cancer with correlations to prognosis using the markers Ki-67, p53, Bcl-2, EGFR, ß-catenin, E-cadherin, MLH1, and MSH2. The cell adhesion molecules ß-catenin and E-cadherin significantly correlated with metastatic disease, whereas the other markers did not. In paper V, we studied 30 cancers from patients younger than 50 years at diagnosis with respect to molecular alterations associated with the microsatellite instability (MSI) and the chromosomal instability (CIN) pathways for colorectal cancer development. We found that microsatellite stable (MSS), aneuploid tumors with increased expression of p53 and ß-catenin predominate also among young rectal cancer patients. Only 10% of the tumors displayed MSI, all of which showed loss of expression for MSH2, which suggests presence of a mutation associated with hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC).



In summary, this thesis presents confirmatory data on the plasma levels of suPAR and TIMP-1 as presumptive prognostic markers in rectal cancer. In addition, we have demonstrated that the TMA-technique allows high-throughput immunostaining in rectal cancer. A TMA-based molecular profiling demonstrated that aberrant expression patterns frequently occur, and that the expression of the cell-adhesion proteins ß-catenin and E-cadherin correlated with clinical outcome. Finally, the 5% of the rectal cancers that occur in young patients predominantly develop through the CIN pathway, whereas MSI is found in a small, HNPCC-related subset of the tumors. Hence, other mechanisms than defective MMR and HNPCC cause rectal cancer in the majority of young patients.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancer i tjock- och ändtarm drabbar årligen drygt 5000 svenskar. En rad faktorer har satts i samband med tumöruppkomst i tarmen, bl a ärftlighet, inflammatorisk tarmsjukdom, kost och motion, men det är till stor del okänt hur dessa faktorer orsakar cancerutveckling.



Genetiska förändringar styr tumörutvecklingen



Tumörerna utvecklas oftast från ett godartat förstadium, ett adenom eller polyp. Tumöruppkomst sker genom att skador eller mutationer i olika tumörassocierade gener ansamlas. Dessa skador drabbar tre huvudtyper av gener; onkogener, tumör suppressorgener och DNA-reparationsgener. Ett stort antal gener av betydelse i denna process har identifierats och tumörutveckling i tjock- och ändtarm utgör en modell för hur förändringar i tumörassocierade gener leder till cancer.



En tredjedel av tjocktarmens tumörer uppstår i ändtarmen, som utgör de nedersta 15 cm av tarmen. Ändtarmscancer skiljer sig delvis från övrig tjocktarmscancer, bl avseende symptom, behandling och tumörbiologi. Under de senaste decennierna har återfallen i ändtarmscancer minskat och överlevnaden har ökat, men trots detta avlider fortfarande omkring 40 % av patienterna i sjukdomen.



Förbättrad prognos



Idag är mikroskopisk undersökning av tumören med bestämning av dess stadium det viktigaste instrumentet för att förutse patientens prognos, men är ändå ett grovt mått på risken för sjukdomsåterfall. En förbättrad prognostik, där varje tumörs specifika egenskaper studeras för att förutse risken för återfall, skulle vara av stort värde. Härigenom skulle patienter med hög risk för återfall redan tidigt kunna erbjudas tilläggsbehandling, tex i form av cellhämmande medel.



Målsättning



De frågeställningar som behandlas i avhandlingen omfattar:



§ Mätning av proteiner i urokinas-plasminogenaktiverings och metalloproteinas systemen i blodprover från patienter med ändtarmscancer. Kan halterna av dessa ämnen användas för att förutse patientens prognos? (arbetena I-II)?



§ En ny metod, vävnadsmikroarray, har nyligen utvecklats. Metoden bygger på att 0.6 mm i diameter stora cylindrar tas från en paraffin-inbäddad tumör. Upp till 500 olika cylindrar placeras därefter i en ny paraffinkloss som kan snittas och färgas. Därigenom kan många tumörer studeras på ett enda glas. Är denna metod användbar för immunhistokemiska studier av ändtarmscancer (arbete III)? Kan metoden användas för att hitta proteiner vars färgningsmönster samvarierar med prognos (arbete IV)?



§ Cirka 5% av ändtarmscancer uppkommer hos patienter yngre än 50 år. Orsakas dessa tumörer av samma genetiska förändringar som övriga ändtarmscancrar? I vilken omfattning uppkommer dessa tumörer pga ärftlighet (arbete V)?



Proteaser



Proteaser är enzymer som deltar i nybildning och nedbrytning av vävnader. Proteaserna finns normalt i mätbara nivåer. Tumörceller och/eller stödjeceller i tumörerna utsöndrar förhöjda nivåer. Mängden proteaser kan mätas i tumörvävnad, vilket kräver tillgång till färskt tumörmaterial. Metoder för analys av dessa faktorer i blodprover har utarbetats, vilket möjliggör analys av nivåerna redan innan operationen. Urokinas plasminogen aktivator systemet och matrix metalloproteinaserna är viktiga för vävnadsnedbrytning. I arbete I mättes halterna av faktorn suPAR, som är den lösliga receptorn i urokinas plasminogen aktivator systemet, i blodprover från 173 patienter med ändtarmscancer. Höga suPAR värden visades medföra sämre överlevnad. I arbete II mättes halten av faktorn TIMP-1, som är en naturligt förekommande hämmare av metalloproteinas, i blodprover från 352 patienter. Även TIMP-1 visades samvariera med prognos; en större andel av patienterna med höga värden avled. Sammanfattningsvis har dessa studier konfirmerat dessa faktorers prognostiska värde i ändtarmscancer. Möjligheten att mäta halterna i ett blodprov taget före behandling skulle kunna användas för att erbjuda patienter med höga nivåer tilläggsbehandling, men ytterligare studier krävs innan bestämning av dessa faktorer kan komma till nytta för patienten.



Vävnadsmikroarray



I arbete III användes vävnadsmikrorray metoden för immunhistokemisk färgning av proteiner i tumörcellerna och resultaten jämfördes med traditionell teknik där hela snitt av tumören färgas. Vävnadsmikroarray är tids- och vävnadsbesparande för analys av flera faktorer i stora tumörmaterial. Metoden gav goda färgningsresultat, vilka överensstämde väl med resultaten från helvävnadssnitt. I arbete IV togs vävnadscylindrar från 269 ändtarmscancrar och snitt från dessa vävnadsmikroarrayer färgades med immunhistokemisk teknik för flera markörer (Ki-67, p53, Bcl-2, EGFR, ß-catenin, E-cadherin, MLH1 och MSH2), vilka speglar olika företeelser i cellen som celltillväxt, onkogenuttryck, tumör suppressor- genuttryck och DNA-reparation. Uttrycken av dessa faktorer analyserades gentemot tumörens förmåga till spridning (metastas). Förändrade uttryck av markörerna ß-catenin och E-cadherin, som normalt reglerar cellernas sammanhållning, samvarierade med risken för metastas, medan de övriga markörerna inte kunde användas för att förutse metastasrisken.



Ändtarmscancer hos unga patienter



I arbete V undersöktes ändtarmscancrar från 30 patienter, som utvecklat sjukdomen innan 50 års ålder. Tumörerna studerades med immunhistokemisk färgning och med molekylärgenetiska tekniker i syfte att kartlägga vilka genetiska förändringar som lett till tumöruppkomst. Studien visade att ärftlighet fanns hos 8 av patienterna och att tumörerna hos 3 fall sannolikt uppkommit pga av det ärftliga syndromet hereditär nonpolyposis colorektal cancer (HNPCC).



Sammanfattning



Sammanfattningsvis har vi i dessa studier funnit att:



§ Halterna av faktorerna suPAR och TIMP-1 i blodprov från patienter med ändtarmscancer ger prognostisk information. Patienter med höga halter hade kortare överlevnad.



§ Vänadsmikroarraymetoden kan användas för immunhistokemisk färgning vid ändtarmscancer. Analys av flera olika faktorer i en stor serie av ändtarmscancrar visade att förändrade uttryck av dessa proteiner är vanligt förekommande. Förändrade uttryck av proteinerna ß-catenin och E-cadherin samvarierade med risken för metastas.



§ Ändtarmcancer hos unga utvecklas liksom tumörerna hos äldre genom en ansamling av genetiska skador. Endast ca 1/10 ändtarmscancrar hos unga tycks bero på det ärftliga syndromet HNPCC.

• author: Fernebro, Eva
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Sjödahl, Rune, Dept of Surgery, Linköping University
• organization: Breastcancer-genetics
• alternative title: Tumörbiologi och prognostiska markörer i ändtarmscancer
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: prognostic markers, Cytology, oncology, cancerology, Cytologi, onkologi, cancer, immunohistochemistry (IHC), chromosomal instability (CIN), microsatellite instability (MSI), tissue microarray (TMA), tissue inhibitor of metalloproteinase 1 (TIMP-1), Rectal cancer, soluble urokinase plasminogen activator receptor (suPAR)
• pages: 75 pages
• defense location: Lecture Hall, Dept of Oncology
• defense date: 2003-09-26 09:00:00
• ISBN: 91-974444-1-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Fernebro E, Madsen RR, Fernö M, Brünner N, Bendahl P-O, Christensen IJ, Johnson A, Nilbert M. Prognostic importance of the soluble plasminogen activator receptor, suPAR, in plasma from rectal cancer patients. Eur J Cancer 2001;37:486-491. Article: II. Holten-Andersen M, Christensen IJ, Nilbert M, Bendahl P-O, Nielsen HJ, Brünner N, Fernebro E. Association between preoperative plasma levels of tissue inhibitor of metalloproteinase 1 and rectal cancer patient survival: a validation study. 2003. Submitted. Article: III. Fernebro E, Dictor M, Bendahl P-O, Fernö M, Nilbert M. Evaluation of the tissue microarray technique for immunohistochemical analysis in rectal cancer. Arch Pathol Lab Med 2002;126:702-705. Article: IV. Fernebro E, Bendahl P-O, Dictor M, Persson A, Fernö M, Nilbert M. Immunohistochemical patterns in rectal cancer; application of tissue microarray with prognostic correlations. 2003. Submitted. Article: V. Fernebro E, Halvarsson B, Baldetorp B, Nilbert M. Predominance of CIN versus MSI in the development of rectal cancer at young age. BMC Cancer 2002;2:25.
• id: d0dee592-769c-4a12-a7b5-87565dcdbf03 (old id 466105)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:02:39
• date last changed: 2018-11-21 20:56:23