Mismatch Repair Deficient Cancer Diagnostic Aspects in Colorectal Cancer and the Role of Urological Cancer in Lynch Syndrome

Abstract

Mismatch repair (MMR) deficiency is carcinogenic and can either have somatic/sporadic causes (i.e. epigenetic silencing or somatic inactivation) or hereditary causes (Lynch syndrome due to a germline mutation in one of the MMR genes ¬- MLH1, MSH2, MSH6, PMS2). The identification of MMR defective colon cancer is clinically relevant for diagnostic, prognostic and potentially also for treatment-predictive purposes.

The aims of this thesis were to validate the application of the MMR index for the prediction of MMR deficiency in colon cancer (study I), to investigate heterogeneous MMR protein expression in colorectal cancer (study II) and to study urological cancers in Lynch Syndrome (studies III-V). The most common cancers in Lynch syndrome are colorectal cancer and endometrial cancer, but also other tumour types are linked to the syndrome. We investigated the roles of bladder cancer (study III), prostate cancer (study IV) and renal cell cancer (study V) in Lynch syndrome.

Study I confirmed that the MMR index is easy to apply and identifies MMR defective colon cancers with high sensitivity (93%) and specificity (76%). The MMR index evaluates features such as expanding growth pattern, lack of dirty necrosis, mucinous differentiation and presence of tumour-infiltrating lymphocytes. Study II showed that heterogeneous (retained/lost) MMR protein expression occurred in three distinct patterns, i.e. as intraglandular, clonal and compartmental protein expression. These patterns co-existed in 9/14 tumours and correlated to differences in the MMR status. Attention to this phenomenon is recommended to prevent false-positive or false-negative evaluations of MMR protein immunostaining. Studies III-V linked urinary bladder cancer, prostate cancer and renal cell cancer to Lynch syndrome families. The cancers frequently showed MMR defects in line with the underlying disease-predisposing mutation, indicating that these cancer types should be considered part of the Lynch syndrome tumour spectrum. Urothelial cancer development was predominantly linked to MSH2 mutations. These findings should be considered in risk estimates and surveillance recommendations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Populärvetenskaplig sammanfattning



Felaktig DNA-reparation av typen mismatch repair (MMR) uppkommer i 15-17% av cancer i tjock- och ändtarm (kolorektalcancer). MMR defekter är av betydelse i tre situationer:

• MMR defekta tumörer har en bättre prognos än övrig tjock- och ändtarmscancer, vilket kan användas för att avgöra huruvida en patient skall erbjudas sk. adjuvant cytostatikabehandling i syfte att minska risken för tumöråterfall.

• Tumörerna har en sk. ”mutationsprofil” med en hög grad av små genetiska skador, vilket har visat sig vara av betydelse för svaret på behandling med immunterapi (sk. PD-1 hämmare).

• Tumörerna är starkt associerade med det ärftliga cancersyndromet Lynch syndrom som beräknas utgöra 2-4% av alla tjock- och ändtarmscancrar. Identifiering av dessa individer och familjer är av stor betydelse för att genom kontrollprogram med hög grad av kostnadseffektivitet kunna minska sjuklighet och dödlighet i cancer.



Avhandlingen studerar tre aspekter av MMR defekt cancer:

• Möjligheten att identifiera MMR defekt tjocktarmscancer genom noggrann analys och klassificering av tumörens histopatologiska egenskaper (studie I).

• Betydelsen av ett variabelt uttryck av MMR proteiner inom samma tumör bedömt med immunhistokemisk färgning (studie II).

• Kopplingen mellan MMR defekta tumörer och Lynch syndrom i urologiska tumörer, inkluderande urotelial cancer i njurbäcken, urinledare och urinblåsa (Studie III), prostatacancer (studie IV) och njurcancer (studie V).

 

De metoder som har använts innefattar:

• Histopatologisk kartläggning med hjälp av standardfärgning (Hematoxylin & Eosin) samt kartläggning av tumörinfiltrerande lymfocyter, ”dirty nekros”, tumörens växtsätt (rundat versus infiltrativt) och slembildning

• Immunhistokemisk MMR-proteinfärgning för MLH1, PMS2, MSH2 och MSH6

• Mikrodissektion för analys av MMR status i ett fåtal tumörkryptor

• DNA-extraktion

• Analys av mikrosatellitinstabilitet

• Riskberäkningar i relation till olika mutationsgrupper och i jämförelse med en matchad kontrollbefolkning

• Statistiska metoder



Resultat och diskussion

Studie I

MMR defekter påvisades i 108/474 (22.8%) av tumörerna och var vanligare hos kvinnor, i högre ålder och i tumörer från högra delen av tjocktarmen. Flera histopatologiska egenskaper var överrepresenterade i MMR defekta tumörer; expanderande växtsätt (73.8% versus 7.6%), avsaknad av “dirty” nekros (80.6% versus 26.1%), mucinös/signet-ring cell differentiering (67.6% versus 26.3%) and tumör-infiltrerande lymfocyter (66.7% versus 16.9%). Dessa faktorer användes för att skapa ett MMR index för identifiering av MMR defekta tumörer. MMR index användes i 438 patienter och ≥4 faktorer identifierade MMR defekta tumörer med 93% känslighet och 76% specificitet. Reproducerbarhetsanalys visade ett kappa-värde 0.88.

Jämförelse med andra MMR-prediktionsmodeller utfördes i 200 tumörer. MMR index med gräns ≥4 faktorer föll väl ut med en yta under kurvan (AUC) på 0.94 för MMR index jämfört med 0.81 för modellerna PREDICT, 0.80 för RERtest6, 0.70 for MsPath and 0.77 för MSI probability score. Sensitiviten varierade från 60-100% och specificiteten från 41-99%. MMR index var likvärdigt med modellerna PREDICT/simplified PREDICT (p=0.38/p=0.27) och med ReRtest6 (p=0.42) och significant bättre än MsPath (p<0.0001) och MSI probability score >1 (p<0.0001).

 

Sammanfattningsvis var

• ett expanderande växtsätt, tumörinfiltrerande lymfocyter, avsaknad av ”dirty nekros” och mucinös/signet ring-cellsdifferentiering de starkaste prediktorerna för en MMR defekt tjocktarmcancer

• MMR index reproducerbart och användbart med resultat jämförbara med eller bättre än andra modeller

• MMR index ett säkert sätt att identifiera 39/40 MMR defekta tumörer



Studie II

Immunhistokemisk färgning används i ökande omfattning för att identifiera MMR defekta tumörer. I vissa tumörer har en heterogen färgning med varierande bild noterats. I studien undersöktes 14 tjock- och ändtarmscancrar med variabel färgning för att kartlägga hur varierande färgningar uttrycks och huruvida dessa kopplas till mikrosatellitinstabilitet (MSI).

Immunohistochemisk variabel färgning definierades i tre mönster; “intraglandulär” (bevarad/förlorad färgning i eller mellan körtlar), “klonal” (bevarad/förlorad färgning i hela körtlar eller körtelgrupper) och “kompartmentell” (bevarad/förlorad färgning i större tumörområden). Dessa olika mönster samvarierade i 9/14 tumörer. MSI identifierades i 13/14 tumörer och var delvis i överensstämmelse med färgningsmönstret. I vissa tumörer kunde den variabla färgningen kopplas till skillnader i differentiering.

Sammanfattingsvis är heterogen immunfärgning för MMR proteiner

• ovanligt, men viktigt att notera då det kan kopplas till skillnader i tumörens MMR status

• ett färgmönster som riskerar att ge såväl falskt positiva som falskt negativa tolkningar av immunhistokemiska färgningar

• ett fynd som kan uppträda i tre definierade mönster



Studie III

Cancer i urinvägarna kan uppkomma såväl i de övre urinvägarna (njurbäcken och urinledare) som i de nedre urinvägarna (urinblåsan och urinröret). Vi undersökte urinvägscancer i alla de 288 familjer i Danmark som diagnostiserats med Lynch syndrom. Studien undersökte frekvensen av dessa tumörer och kartlade vilka sjukdomsorsakande gener som låg bakom och hur stor andel av tumörerna som uppvisar MMR defekter. Därutöver bestämdes risken för urinvägscancer i relation till de olika gener som associerats med Lynch syndrom.

Totalt analyserades 48 uretärcancrar, 34 njurbäckencancar och 54 urinblåsecancrar från 97 patienter i 75 familjer. Av de 136 cancrarna uppkom 106 (78%) i familjer som inte tidigare hade drabbats av sjukdomen. Hos 16 av patienterna uppkom flera tumörer samtidigt och hos 12 diagnosticerades fler urinvägscancrar över tiden.

Utveckling av urinvägscancer kunde kopplas till mutationer i genen MSH2, vilket återfanns i 73% av fallen. Cancer i de övre urinvägarna diagnostierads i medelålder 62 år och 55% av patienterna var kvinnor. Urinblåsecancer diagnostiserades i en medelålder av 61 år och bland patienterna var 58% män och MSH2 mutationer fanns hos 69%.

Förlust av immunhistokemiskt uttryck för MMR proteiner påvisades i 93% av övre urinvägscancer och i 86% av urinblåsecancer. MSI var däremot mindre vanligt med fynd av MSI i 32% av tumörerna i de övre urinvägarna och i 20% av urinblåsecancer.

Risken för urinvägscancer studerades i relation till en ålders- och könsmatchad dansk population med användande av data från de nordiska cancerregistren. Risken för urinvägscancer vid 70 års ålder var 6.7%. De högsta riskerna noterades för individer med mutationer i MSH2.

Sammanfattningsvis visade studien att

• urinvägscancer diagnostiseras i 26% av alla Lynch syndrom familjer i Danmark med 40% av tumörerna i urinblåsan, 35% i urinledare och 25% i njurbäcken

• förlust av immunhistokemiskt uttryck för det muterade MMR proteinet identifieras i 93% av tumörerna i de övre urinvägarna och i 86% av urinblåsecancer

• immunohistokemi är betydligt mer känslig än MSI analys för identifiering av dessa tumörer

• tumörer såväl i de övre som i de nedre urinvägarna kan genom MMR defekter tydligt kopplas till Lynch syndrom med en risk på 6.7%

• urinvägscancer är starkt kopplad till MSH2 mutation, vilket återfanns i 73% av fallen



Studie IV

Betydelsen av prostatacancer vid Lynch syndrom är oklar, vilket motiverade analys av prostatacancer i familjer med Lynch syndrom. Bland 1609 män (677 mutationsbärare och 932 förstagradssläktingar) från 288 Lynch syndrom familjer identifierades 28 prostatacancrar. Medelåldern vid diagnos var 63 år och Gleason graden var 6-10 (med Gleason score ≥8 i 7/10 MMR defekta cancrar). Prostatacancer uppkom hos individer med mutationer såväl i MLH1 som MSH2 och MSH6. MMR-analys kunde utföras på 16 tumörer med immunhistokemisk förlust i 69%, medan MSI endast påvisades i 2 tumörer. Risken för prostatacancer vid 70 års ålder beräknades till 3.7%.

Sammanfattningsvis visade studien att

• två tredjedelar av prostatacancrar hos mutationsbärare och förstagradssläktingar med Lynch syndrom bär MMR defekter som indikerar att tumörerna utvecklats inom syndromet

• MSH2 var den vanligaste (46%) bakomliggande genetiska avvikelsen

• MSI analys visade svag korrelation med MMR-defekten i prostatacancer

• en stor andel av tumörerna visade hög malignitetsgrad, låg differentiering och tumör-infiltrerande lymfocyter

• prostatacancer ingår i det spektrum av tumörsjukdomar som associeras med Lynch syndrom



Studie V

Njurcancer kan utvecklas inom ramen för en rad ärftliga cancersyndrom, men sjukdomen har inte kopplats till Lynch syndrom. I studien kartlades njurcancer hos mutationsbärare. Totalt identifierades 13 njurcancrar som diagnostiserats vid en medelålder av 62 år med koppling till de 3 MMR generna MSH2, MLH1 och - MSH6. Incidensen beräknades i Lynch kohorten i relation till en köns och åldersmatchad kohort från normalbefolkningen. Förhöjd incidens noterades i åldersgrupperna 30-49, 50-69 och >70 år med den högsta incidens ration (7.7) i gruppen 50-69 år.

Sammanfattningsvis visar studien att:

• njurcancer är ovanligt vid Lynch syndrom, men en ökad incidens ratio kan påvisas jämfört med normalbefolkningen

• njurcancer kan utvecklas inom ramen för tumörspektrum vid Lynch syndrom

• author: Joost, Patrick
• supervisor: Mef Nilbert; Britta Halvarsson; Mats Jönsson
• opponent: Professor Palmqvist, Richard, Department of Pathology, Umeå University, Sweden
• organization: Breastcancer-genetics; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology; Other Clinical Medicine
• keywords: Mismatch repair, Lynch syndrome, immunohistochemistry, microsatellite instability, heterogeneity, cumulative incidence, colorectal cancer, urothelial cancer, prostate cancer, renal cell cancer
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2016:4
• pages: 203 pages
• defense location: Segerfalk Lecture Hall, Sölvegatan 19, BMC, Lund
• defense date: 2016-01-22 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-229-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 37547816-0f8f-48de-bb57-b9de370237f9 (old id 8410421)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:02:25
• date last changed: 2019-11-04 10:57:06