Leitthema Bundesgesundheitsbl 2013 · 56:1502–1508 DOI 10.1007/s00103-013-1823-1 Online publiziert: 24. Oktober 2013 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013
R. Buettner · C. Heydt Institut für Pathologie, Universitätsklinikum Köln und Centrum für Integrierte Onkologie Köln Bonn
Biomarkeranalytik aus Sicht des Pathologen Grundlage für eine rationale, personalisierte Tumortherapie am Beispiel von Lungenkrebs
In Deutschland erkranken jährlich über 50.000 Menschen an Lungenkrebs, hiervon ca. 80% am nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom (NSCLC) [1]. Etwa 80% von ihnen werden in einem fortgeschrittenen, nicht operablen und damit nicht heilbaren Stadium erstdiagnostiziert. Das mediane Überleben dieser Patienten unter einer Standardchemotherapie beträgt 8 bis 10 Monate [2, 3]. An dieser katastrophalen Prognose hat sich über Jahrzehnte nichts Wesentliches geändert. Auch konnte der Einsatz der sog. zielgerichteten Therapeutika (targeted drugs) ohne eine molekulare Vorselektion hier keinen Durchbruch erzielen [2, 4]. Ist die Effektivität der Standardchemotherapie (Platin-haltige Kombinationen) in der Erstlinie mit Ansprechraten (RR; response rate) von ca. 20% und einem progressionsfreien Überleben (PFS) von 4 bis 5 Monaten [2, 3] schon gering, so ist die der zugelassenen Zweitlinienchemotherapie (Docetaxel für alle Histologien, Pemetrexed für Adenokarzinome) marginal mit Ansprechraten von nur 9% und einem PFS von 3 Monaten [5]. Somit kann keine der zugelassenen Chemotherapien in der Zweitlinie, insbesondere aus der Perspektive des betroffenen Patienten, als effektive Therapie bezeichnet werden, und die Entwicklung neuer, wirksamer Therapieansätze ist von höchster Dringlichkeit. Das zunehmende Verständnis der genomischen Grundlagen von Krebserkrankungen hat dazu geführt, dass
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beim Lungenkrebs und auch bei anderen Krebserkrankungen molekulare Subgruppen identifiziert wurden. Insofern kann die molekulare Biomarkerdiagnostik beim Lungenkrebs als paradigmatisch für die Diagnostik und auch Therapie solider Tumoren bezeichnet werden [6]. Die der Definition einer solchen Subgruppe zugrunde liegende genetische Alteration (Mutation, Amplifikation, Deletion, Translokation) führt zur Aktivierung eines Signalwegs, der an der malignen Transformation der betroffenen Zelle maßgeblich beteiligt ist. Die spezifische Alteration bedingt die pharmakologische Vulnerabilität der Tumorzelle und definiert z. T. sehr kleine molekulare Subentitäten nichtkleinzelliger Lungenkarzinome (NSCLC), wie etwa die maximal 1% von Adenokarzinomen mit einer Translokation im Rezeptor ROS1, die sich durch einen ROS1-Tyrosinkinase-Inhibitor mit hoher Ansprechrate therapieren lassen [7]. Eine gezielte Therapie zur Blockierung dieses aktivierten Signalwegs in molekular vorselektionierten Patienten bezeichnet man als personalisierte Therapie [6]. Mit diesem Ansatz konnte in Subgruppen von malignen Erkrankungen eine zuvor nicht für möglich gehaltene therapeutische Effektivität beobachtet werden. Beispiele für bereits zugelassene personalisierte Therapien sind die Behandlung von EGFR-mutierten Lungenkarzinomen mit den EGFR (Epidermal-Growth-Factor)-Inhibitoren Erlotinib (Tarceva) und Gefitinib (Iressa). Die
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Behandlung des ALK (anaplastische Lymphomkinase)-positiven NSCLC mit dem ALK-Inhibitor Crizotinib ist ein weiteres Beispiel für die Entwicklung einer biologisch rationalen wirksamen Therapie für eine molekular definierte Subgruppe von Lungenkrebspatienten, für die es bisher keine effektive Therapie gab. Valide Biomarker, die sich zur Prädiktion effektiver, selektiver Tumortherapien eignen, sind definiert als Läsionen im Krebsgenom, die bei der Initiierung oder Aufrechterhaltung des Tumorphänotyps eine kausale Rolle spielen und sich somit als onkogene Treiberläsionen definieren. Die Bedeutung solcher prädiktiven Biomarker für die Tumortherapie erfordert es, hier eine sehr strenge Validierung und terminologische Abgrenzung sowie eine an Qualitätsstandards orientierte Diagnostik einzuhalten. Davon abzugrenzen sind Biomarker als sog. Klassifikatoren, die in der pathologischen Diagnostik benutzt werden, um Tumorphänotypen zu klassifizieren, wie etwa die c-myc-Translokation beim Burkitt- und Burkitt-like-Lymphom in der Abgrenzung zum diffus großzelligen B-Zell-Lymphom (DBLBL). Im klinischen Sprachgebrauch wird der Begriff „Biomarker“ lax und im weiteren Sinn auch für Marker benutzt, die den Verlauf einer Erkrankung im Serum markieren, die sich zur Früherkennung eignen oder die pharmakologische Eigenschaften des Patienten oder des Tumors beschreiben [8].
Lungenkrebs als paradigmatische Erkrankung für Konzepte einer personalisierten Tumortherapie Ein mechanistisches Verständnis der Pathogenese von Tumoren und der Biologie von Tumormarkern ist Voraussetzung für die Entwicklung zielgerichteter und personalisierter Krebstherapien. Die Idee, dass bestimmte Eigenschaften des Tumors zur Identifizierung von Patienten, die wahrscheinlich von einer bestimmten Therapie profitieren, genutzt werden können, ist nicht neu und hat zu einer Vielzahl von Biomarken geführt, die mit einem bestimmten klinischen Phänotyp assoziiert werden. Diese Merkmale können morphologische, immunhistochemische, transkriptionale oder genetische Eigenschaften des Tumors sein. Ihre Haupteigenschaft ist allerdings, dass sie nicht auf eine mechanistisch definierte Fraktion des jeweiligen Tumortyps hinweisen. Überwiegend lässt sich aber feststellen, dass diese Biomarker mit Blick auf den Nutzen für den Patienten erfolglos waren. Im Gegensatz hierzu steht die paradigmatische Entdeckung der EGFR-Mutationen in Lungenadenokarzinomen [9, 10, 11], die eine Subgruppe von Lungenkarzinomen definieren, bei denen das Tumorwachstum durch die genetische Aktivierung der EGFR-Kinase gesteuert wird. Die Hemmung der EGFR-Kinase-Aktivität führt zum G1-Arrest und somit zur Einleitung der Apoptose (programmierter Zelltod), durch die der Tumor bei Patienten und im Tierexperiment bei Mäusen schrumpft. Demnach repräsentieren Lungenkarzinome mit Mutationen im EGFR-Gen eine biologisch eindeutige und mechanistisch nachvollziehbare Subgruppe von Lungenadenokarzinomen. Infolgedessen haben Lungenkrebspatienten mit EGFR-Mutation [9, 10, 11] unter einer EGFR-inhibitorischen Therapie eine Ansprechrate von 80% und eine Lebenserwartung von mehr als 2 Jahren [12] – im Gegensatz zu anderen Lungenkrebspatienten, die mit Chemotherapien behandelt werden und zumeist eine Überlebensdauer von weniger als 12 Monaten haben [3, 12]. Die derzeit laufenden Bemühungen zu Genomsequenzie-
rungen werden von der Hoffnung getragen, dass weitere klinisch relevante Genomveränderungen entdeckt werden. Tatsächlich wurden weitere therapeutische Genomveränderungen in Lungenadenokarzinomen gefunden, die entweder bereits klinisch (z. B. genomische Veränderungen der ALK- und ROS-Kinase, die mit einer Sensitivität gegenüber dem MET/ALK/ROS-Inhibitor Crizotinib assoziiert sind) oder präklinisch (z. B. Veränderungen der RET-Kinase, die mit einer Sensitivität gegenüber RET-Inhibitoren assoziiert sind) validiert wurden [13, 14, 15]. Ebenso wurden in Plattenepitelkarzinomen und kleinzelligen Lungenkarzinomen Kinase-betreffende Veränderungen entdeckt, die zurzeit noch evaluiert werden (z. B. FGFR1Amplifikationen und DDR2-Mutationen) [16, 17]. Ein weiterer wichtiger Schritt zur erfolgreichen Übertragung dieser genomischen Befunde in die Klinik, ist eine sorgfältige präklinische Validierung, in der die Abhängigkeit des Tumorwachstums von der jeweiligen Veränderung getestet wird [18, 19]. Solche Validierungen können zellbasierte Assays der onkogenen Transformation, Zelllinienstudien unter Einbeziehung von RNAi-vermittelten Knockdowns des betreffenden Onkogens und seiner chemischen Inhibition, detaillierte Analysen des assoziierten Signalweges sowie Xenografts und Studien in genetischen Tiermodellen sein. Ebenso erfordern klinische Beobachtungen genetische Studien an Patientenproben und präklinische Analysen in geeigneten Modellen. Diese mechanistischen Studien haben das Potenzial, klinische Entwicklungsstrategien zu modulieren. So etwa die Erkenntnis, dass in ungefähr 50% aller EGFR-mutierten Lungentumore eine weitere Mutation im EGFRGen (T790M) auftritt, die zur Medikamentenresistenz führt [20, 21, 22], sodass das Tumorwachstum weiterhin von der onkogenen EGFR-Mutation abhängig ist [21, 23]. Folglich wurden weitere Strategien entwickelt, um die Medikamentenresistenz zu überwinden, wie Next-Generation-EGFR-Inhibitoren [21, 24, 25] oder Medikamentenkombinationen [26, 27, 28, 29], von denen einige eine klinische Aktivität zeigen [30, 31]. Aus diesem
Grund ist die sorgfältige mechanistische Analyse des Signalweges im Zusammenhang mit der Kinaseaktivität der onkogenen Treibermutationen von unmittelbarer klinischer Relevanz.
Rebiopsien und ein mechanistisches Verständnis der Resistenz gegen molekular gerichtete Therapien ermöglichen die Entwicklung weiterer rationaler Therapien Leider erleiden alle Patienten mit EGFRMutationen oder EML4-ALK-positiven Lungentumoren, die EGFR- oder ALKInhibitoren erhalten, letztendlich einen Rückfall. Im Gegensatz zur Resistenz gegenüber der nichtselektiven Chemotherapie ist die Resistenz gegenüber gezielten, molekular gerichteten Therapien auf molekularer Ebene häufig mechanistisch verstanden, was die Entwicklung neuer Therapieansätze erlaubt. Das bekannteste Beispiel ist in diesem Zusammenhang das EGFR-mutierte Adenokarzinom. Bekannte Resistenzmechanismen umfassen die T790M-Mutation des EGFR-Gens (50% aller Fälle) [21, 23], die Amplifikation der MET-Gens [32, 33], die Mutation des PIK3CA- [34] und BRAF[35] Gens, sowie die Transformation zum kleinzelligen Lungenkarzinom [34, 36] als auch die Transition von einem epithelialen zu einem mesenchymalen Phänotyp [34]. Konzeptuell können diese Mechanismen als Medikamentexpulsation des Targets (T790M) selbst kategorisiert werden, als „Bypass-Track“-Aktivierung des kritischen nachgeschalteten Signals (z. B. MET-Amplifikation) und als sog. Lineage-Transformation. Mechanistisch steigert die Mutation T790M die Affinität für ATP [37] und verhindert die Bindung der Erstgeneration EGFR-Inhibitoren (Erlotinib und Gefinitib) durch Austausch des kleinen Threonin mit dem größeren und sterisch hinderndem Methionin [20, 21, 22]. Klinisch ist es wichtig zu beachten, dass sich die T790M-mutierten Zellen aufgrund ihrer reduzierten Tyrosinkinaseaktivität langsamer vermehren und deshalb Medikamentenentzug zu einer erneuten Sensitivität des Tumors gegenüber Erlotinib führen kann. Dieses Konzept
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Leitthema wird auch als „drug holiday“ bezeichnet und ist durch klinische Beobachtungen abgesichert [38]. Um die erlangte Resistenz zu überwinden, wurden klinisch irreversible EGFR-Inhibitoren (Zweitgenerationsinhibitoren) eingeführt [21, 24, 30, 39], die eine erhöhte Wirksamkeit gegenüber dem T790M-mutierten EGFR-Gen haben. In einigen Fällen zeigen Patienten mit erlangter EGFR-Resistenz eine klinische Reaktion auf die sog. zweite Generation von EGFR-Inhibitoren [30, 31], was bestätigt, dass T790Mmutierte Tumoren weiterhin EGFR abhängig sind. Jedoch wurden Quinazo line-basierte irreversible EGFR-Inhibitoren ursprünglich nicht entwickelt, um EGFR-mutierte Tumoren zu behandeln; daher kommt es zu einer suboptimalen Target-Unterdrückung bei T790MMutationen [40]. Weiterhin wurde auch eine dritte Generation von EGFR-Inhibitoren entdeckt [25, 41]; diese selektiven Inhibitoren haben keine Aktivität gegenüber dem EGFR-Wildtyp, zeigen aber eine wirksame Inhibition gegenüber dem T790M-mutierten EGFR-Allel. Da die häufigsten Nebenwirkungen der EGFR-Inhibition, Dermatitis und Diarrhö, wahrscheinlich durch Effekte am Normalgewebe entstehen, besteht die berechtigte Hoffnung, dass diese Inhibitoren das therapeutische Fenster für Patienten mit EGFR-mutierten Lungentumoren weiter vergrößern. Im Falle der EML4-ALK-positiven Lungentumoren ist die Situation etwas anders. Während Erlotinib und Gefitinib die aktive Form des EGFR-Gens binden, bindet der ALK-Inhibitor, Crizotinib, die inaktive Form des ALK-Gens. Hinsichtlich der Resistenzentstehung sind zusätzlich zur Schlüsselmutation L1196M, die die Bindung von Crizotinib an die ATPBindungsstelle des ALK-Gens verhindert, weitere Mutationen identifiziert worden, die zur Resistenz führen [42, 43]. Einige dieser Mutationen können durch strukturell nicht zusammenhängende ALK-Inhibitoren oder durch die Kombination von ALK-Inhibitoren mit dem HSP90-Inhibitor überwunden werden [42, 44]. Da Crizotinib eine nur geringe zelluläre Wirksamkeit hat [42], werden in naher Zukunft weitere ALK-Inhibitoren auf den Markt kommen und durch diese werden
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Zusammenfassung · Abstract Bundesgesundheitsbl 2013 · 56:1502–1508 DOI 10.1007/s00103-013-1823-1 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 R. Buettner · C. Heydt
Biomarkeranalytik aus Sicht des Pathologen. Grundlage für eine rationale, personalisierte Tumortherapie am Beispiel von Lungenkrebs Zusammenfassung In der Ära der genomischen Medizin und der Sequenzierung zahlreicher Krebsgenome hat sich unser Verständnis der molekularen Mechanismen der Krebsentstehung zusehends verbessert. Die Initiierung der Krebsentstehung über genetische und epigenetische Veränderungen (pathogenetische Läsionen) und die Tumorprogression durch sog. Treibermutationen wurden erkannt. Zudem hat die schnelle Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren und hochselektiven Biologika dazu geführt, dass onkogenen Signalen, die durch Alterationen im Krebsgenom entstehen, zielgerichtet begegnet werden kann. Hierdurch ist der Pathologe nun in der Lage, die tumorverursachenden Veränderungen im Krebsgenom als molekulare Biomarker zu diagnostizieren und die Selektion von Patienten in effektive und hochsensitive Therapiemodalitäten zu steuern. Wenn onkogene Treibermutationen intensiv präklinisch validiert werden und ein entsprechender dia-
gnostischer Test zur Verfügung steht, ist es möglich, zu einem sehr frühen Zeitpunkt der klinischen Medikamentenentwicklung einen Proof-of-Concept (PoC) zu erbringen, der einen unmittelbaren persönlichen Nutzen für die Patienten in solchen Phase-I/II-Studien hat. Diese neue Vorgehensweise hat die klinischen Tests signifikant verändert und vermeidet zudem, dass die Wirksamkeit in großen klinischen Phase-III-Studien mit einer hohen Ausfallrate getestet werden muss. Daher fasst der vorliegende Beitrag neuste und paradigmatische Prozesse der Biomarkerdiagnostik am Beispiel von Lungenkrebs zusammen und definiert akademische und regulatorische Anforderungen der Biomarkeranalyse und selektiver personalisierter Therapien. Schlüsselwörter Biomarker · Personalisierte Krebstherapie · Therapeutische Zielstruktur · TyrosinkinaseInhibitoren · Proof-of-Concept (PoC)-Studien
Biomarker analysis from a pathologist’s view. Founding the rationale for personalised treatment of lung cancer Abstract The advent of genomic medicine and sequencing analysis of entire cancer genomes has rapidly improved our understanding of cancer genomics and has defined pathogenetic lesions initiating and driving cancer phenotypes in a causative manner. Moreover rapid development of small molecule inhibitors and highly selective biologicals provided effective tools to intervene with oncogenic signalling resulting from such lesions in the cancer genome. Thereby, the pathologist is now in the position to diagnose causative lesions in the cancer genome as molecular biomarkers directing the selection of patients for effective and highly selective therapies. If oncogenic driver lesions are vigorously validated preclinically and a useful diagnostic test is available, it is possible to provide a proof-of-
dann sehr wahrscheinlich weitere Resistenzmutationen entstehen. Diese Beispiele verdeutlichen nicht nur die Notwendigkeit, zum Zeitpunkt des Rückfalls eine Rebiopsie durchzuführen, um mechanistische Einblicke in die Resistenzentwicklung zu gewinnen,
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concept at a very early stage of clinical drug development with the possibility of immediate personal benefit for participants in such phase I/II studies. This approach has significantly changed clinical testing and avoids testing proof for efficacy in large stage III clinical trials at a high failure rate. Therefore, our review summarises recent and paradigmatic progress in lung cancer biomarker diagnostics and defines academic and regulatory requirements for biomarker analysis and selective personalised therapies. Keywords Biomarker · Personalised cancer therapy · Therapeutic target · Tyrosinkinase inhibitors · Proof-of-concept (PoC) studies
sondern unterstreichen auch die Leistungsfähigkeit der integrierten, multidisziplinären Forschung. Viele dieser Resistenzmechanismen wurden sowohl in Patientenproben als auch in experimentellen Modellen identifiziert und charakterisiert. Ferner ist eine detaillierte moleku-
lare, chemische und strukturelle Untersuchung der Bindung zwischen Inhibitoren und dem Targetgen wichtig, um den Patienten weitere wirksame Second- und Third-line-Therapien anbieten zu können [34]. Generell müssen Biomarker als diagnostische Marker für bestimmte Tumorentitäten zunächst 1.) funktionell und 2.) technisch validiert werden. Hierfür müssen sensitive und spezifische Assays, die reproduzierbare Ergebnisse liefern, etabliert werden: 1. Wie bereits weiter oben dargestellt, muss ein Biomarker präklinisch validiert werden, um zu zeigen, dass er für den Tumorphänotyp eine kausale Rolle spielt. Dies erfolgt mittels Zellkultur- oder siRNA-Experimenten und in Mausmodellen, in denen z. B. FGFR1-amplifizierte und nicht amplifizierte Modelle getestet werden. Anhand dieser kann dann nachgewiesen werden, ob eine Substanz spezifisch das Tumorwachstum in amplifizierten Tumormodellen blockiert. In der folgenden klinischen Validierung muss gezeigt werden, dass der präklinisch validierte Biomarker einen klinischen Nutzen hat, d. h., dass Patienten, die anhand des Biomarkers für eine spezielle Studie ausgewählt werden, eine signifikant höhere Ansprechrate zeigen als Patienten, die dieses Merkmal nicht aufweisen. Zudem sollten im Vorfeld zu jeder Studie epidemiologische Daten vorliegen, die zuverlässig abschätzen lassen, wie die Verteilung des Biomarkers in der Population ist, und wie hoch der Aufwand sein wird, Patientenkollektive für eine Studie zu rekrutieren. 2. Nach Abschluss der klinischen Studie muss ein Biomarker sorgfältig in die klinische Routinediagnostik überführt werden. Diesbezüglich unterscheiden sich die Ansätze in den USA und Europa fundamental voneinander. In den USA wird der Test mit der Zulassung von Medikamenten als In-vitro-Device (IVD) zugelassen, und es steht somit nur ein einziges und in seiner Performance validiertes Testverfahren zu Verfügung. Damit wird eine bessere Standardisie-
rung und Performance gewährleistet, allerdings erfordert jede Weiterentwicklung und Verbesserung des Tests eine neue Validierungsstudie und Zulassung dieses „companion Diagnostikums“. So wurde mit der Zulassung des BRAF-Inhibitors Vemurafinib ein PCR-basiertes COBAS-Verfahren zur Diagnostik der Mutation BRAF V600E in Melanomen zugelassen, das die selteneren Mutationen V600K und V600R nur schlecht oder gar nicht detektiert. Mittlerweise ist bekannt, dass auch diese selteneren Mutationen von der VemurafinibTherapie profitieren, der Assay als solcher ist aber ohne neue Zulassung nicht mehr veränderbar. In Europa werden Biomarkerdiagnostika als Medizinprodukte angesehen und sind als solche im Verfahren offen. Das ermöglicht methodisch offene Ansätze, die dann aber im klinischen Einsatz kontrolliert werden müssen. Es ist zu fordern, dass sie nur in solchen Laboratorien verwendet werden dürfen, die den strengen Regularien einer Akkreditierung unterliegen und die mindestens einmal jährlich in Ringversuchen belegen, dass sie die von den Fachgesellschaften als zulässig angesehenen Grenzwerte für die Sensitivität und Spezifität dieser Marker erfüllen. Im Moment gibt es aber hierfür im Bereich der Pathologie in vielen europäischen Ländern noch kein verbindliches Regulatorium.
Eine genomisch basierte personalisierte Krebsmedizin erfordert zur effizienten klinischen Translation neue Strategien bei klinischen Studien Konventionelle, randomisierte klinische Phase-III-Studien mit ausgewählten Patientengruppen mit der Zielsetzung einer retrospektiven Biomarker-basierten Definition für ein neues Medikament haben sich als erfolglose Strategie herausgestellt. Eine aktuelle Analyse berichtet, dass bei der Beurteilung systemischer Studien mit adulten Krebspatienten 158 von 253 (62,5%) im Zeitraum von 2005 bis 2009
statistisch negativ waren [45]. Darüber hinaus liefern sogar statistisch positive randomisierte klinische Studien oft nur einen geringfügigen Nutzen von fraglich klinischer Relevanz. In der Tat sind bereits Proof-of-Concept-Studien (PoCStudien), die auf einem genauen biologischen Verständnis des Wirkmechanismus basieren, effektiver für die Übertragung präklinischer Modelle in die klinische Anwendung. POC verschiebt sich in der personalisierten klinischen Medikamentenentwicklung somit zunehmend von Phase-III-Studien zu frühen Studien, die idealerweise direkt nach Einschätzung der maximal tolerierten Dosis (MTD) in First-in-Men-Studien (FIMStudien) getestet werden. Dieses wird eindrucksvoll durch die klinische Entwicklung des ALK-Inhibitors Crizotinib bei EML4-ALK-Fusionen [46] und des met/ALK-Inhibitors Crizotinib bei Veränderungen des ROS1-Gens veranschaulicht ([47], . Abb. 1). Zur Beurteilung der klinischen Wirksamkeit gewinnt die objektive Ansprechrate an Bedeutung, da eine Schrumpfung des Tumors mit der Inhibitor-induzierten Tumorzellapoptose korreliert. Folglich basieren Studiendesigns zunehmend auf vorgegebenen Ansprechraten, die in frühen Studienphasen an einer begrenzten Anzahl von Patienten erhoben wurden [48]. Aber auch in Studien mit den besten Rationalen variieren die Ansprechraten von 40–80%. Daher ist es eine andere wichtige Frage, ob das Medikament auch sein Target im Tumorgewebe des Patienten hemmt. Daher sollten Rebiopsien vor und nach Beginn der Behandlung inhärente Bestandteile der Studienprotokolle früher Studienphasen in der personalisierten Medizin sein. Zudem sollte Tumorgewebe sequenziell analysiert werden. Dies könnte bei der Separierung von On- und Off-Target-Effekten helfen [49]. Zusätzlich sollten stellvertretende pharmakodynamische Parameter für die intratumorale Targetmodulation etabliert und validiert werden, zusammen mit den obligatorischen pharmakokinetischen Analysen. Die molekulare Bildgebung ist ein weiteres wichtiges Hilfsmittel für pharmakodynamische Analysen, wie präklinisch und klinisch schon z. B. anhand des G1-
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Leitthema Adenocarcinoma PIK3CA
HER2
MET
RET ROS
BRAF ALK
EGFR mut
ph l (FIM) 3rd gen EGFR-TKI AZD9291, open 2013
ALK fusion
ph l (FIM) LDK, open ph l (ext): everolimus + sorafenib, open
unknown
EGFR
KRAS mut ph l (ext): MEK162 + Pi3Kinib, in prep PIK3CA mut KRAS BRAF activ. Sqamous cell carcinoma KRASmut
ph ll: vemurafenib, open
BRAF inact. DDR2mut
PIK3CAmut
ph ll: dasatinib, open DDR2 mut HER2 amp
ph ll: AUY922 + trastuzumab, open
RET transl
ph ll: vandetanib, under discussion with AstraZeneca
ROS transl
ph ll: crizotinib, under discussion with Pfizer
FGFR amp
ph l (FIM): BGJ 398, open, AZD4547, open
P53 wt
ph1 (FIM): CGM097, open
PTENIoss unknown PTENmut FGFR1amp
Abb. 1 8 Übersicht über frühe klinische, Biomarker-basierte Studien für Lungenkrebspatienten am Centrum für Integrierte Onkologie (CIO) Köln Bonn. Alle diese Studien basieren auf einer präklinisch validierten Hypothese und werden an selektionierten Patientengruppen durchgeführt, die vor Studieneinschluss mit einem Biomarker hinsichtlich eines hohen Therapieansprechens ausgewählt werden. Die linke Spalte der Tabelle zeigt die im Tumor vorliegende genetische Alteration, die rechte das in der Studie eingesetzte Therapeutikum sowie den Stand der jeweiligen Studie. EGFR Rezeptor für den EpidermalGrowth-Factor, ALK anaplastische Lymphom-Kinase, KRAS k-Ras Onkogen, PIK3CA Phosphatidylinositolkinase-3-Ca, BRAF BRaf Onkogen, DDR2 Discoidin-Domain-Rezeptor 2 (Kolon-Karzinom-Kinase), HER2 Human Epidermal Growth Factor Receptor 2, RET Tyrosinkinase-Rezeptor RET, ROS ROS1-Onkogen, FGFR epithelialer Wachstumsfaktor-Rezeptor (Fibroblast Growth Factor Receptor), p53 p53-Tumorsuppressor, MET hepatozytärer Wachstumsfaktor-Rezeptor, PTEN PTEN-Tumorsuppressor, mut mutiert, fusion fusioniert, activ. Aktiviert, inact inaktiviert, amp amplifiziert, trans transloziert, wt Wildtyp, loss Verlust, Ph I Phase-I-Studie, ph II Phase-II-Studie, FIM First-in Man, ext extension study, Erweiterungsstudie/Anschlussstudie, TKI Tyrosin kinase-Inhibitor, gen Generation
Arrests gezeigt wurde. Trotz des zunehmenden Einsatzes der PET-Bildgebung in klinischen Studien [50] könnten funktionelle Bildgebungsnachweise ein Mittel sein, um nichtinvasive pharmakodynamische Messungen durchzuführen und zu bewerten. Weiterhin erscheint es sinnvoll, dass eine Einschätzung der maximal tolerierten Dosis (MTD) ein vorrangiges Ziel im Rahmen einer personalisierten PODPhase-I-Studie sein sollte, um die Chance für eine ausreichende Unterdrückung
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des Targets zu maximieren (POD: point of departure, Ausgangspunkt). Im Gegensatz dazu, addiert die biologische optimale Dosis (BOD) eine andere Variable zur risikobehafteten Beurteilung der Wirksamkeit von Medikamenten in frühen klinischen Studien. Zusammenfassend kann man sagen, dass eine korrekte präklinische Hypothese, ein potenter und selektiver Inhibitor, die Entwicklung akkurater molekularer Test, die Verifizierung der Targetunterdrückung im Tumor oder in einem validen Ersatzgewebe und
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eine gründliche PK-Beurteilung Grundvoraussetzungen für die erfolgreiche klinische Umsetzung von personalisierten Behandlungsansätzen in frühen Studienphasen sind. Ein zunehmendes Dilemma der klinischen Studien besteht darin, dass der wissenschaftlich eigentlich saubere Endpunkt „Gesamtzeit des Überlebens“ (overall survival) häufig ethisch nicht mehr korrekt messbar ist. Wenn aufgrund eines sehr sorgfältig präklinisch validierten Konzepts (z. B. hohes An-
sprechen der ALK-Translokation gegenüber Crozotinib in Maustumormodellen und Zelllinien) eine Studie gestartet wird, die bereits in einer sehr frühen Phase eine sehr hohe Ansprechrate mit massiven Tumorregressionen erkennen lässt, dann ist es ethisch nicht vertretbar, Patienten im Kontrollarm dieses Medikament dauerhaft vorzuhalten, nur um saubere Messergebnisse zu generieren. Vielmehr wird eine ethisch gut durchdachte Studie auch diesen Patienten die Möglichkeit geben, nach Beendigung der Studienmesszeit bis zum Progress zu „switchen“ und im Anschluss ebenfalls das wirksame, molekular gerichtete Therapeutikum zu erhalten. Daher stehen in diesen Studien nur noch Surrogatmarker der Wirksamkeit zur Verfügung, wie z. B. das progressionsfreie Überleben (PFS). Überlebensdaten können dann nur noch mit reduzierter wissenschaftlicher Präzision generiert werden, z. B. durch Vergleich mit sorgfältig gematchten, historischen Kohorten unter Standardtherapie.
Fazit Eine genomisch basierte, rational an onkogenen Treiberläsionen von Tumoren orientierte selektive und personalisierte Krebsmedizin bietet große Chancen für hocheffektive und nebenwirkungsärmere Therapien. Voraussetzungen hierfür sind das Vorliegen präklinisch validierter und kausal in ihrer Tumorbiologie verstandener Zielstrukturen in malignen Tumoren, eine effiziente und präzise Biomarkerdiagnostik und eine neue Strategie, um klinische Innovationen in Studien zu prüfen, die bereits bei kleinen Patientengruppen früh einen Wirksamkeitsnachweis liefern können. Hierfür ist es allerdings notwendig, die Biomarker in diesen Studien hinsichtlich ihrer Prädiktion des Therapieansprechens mit zu validieren und die Biomarkerdiagnostik nicht im Sinne eines Medizinproduktegesetzes bereits a priori vorzudefinieren. Zudem macht die hohe Effektivität personalisierter Ansätze vergleichende Studien mit dem Endpunkt „Überleben“ (overall survival) ethisch nicht akzeptabel, da Patienten im konventionellen (ineffektiven) Therapiearm immer die Chance eines Cross-
overs haben müssen. Dies wird in frühen Proof-of-Concept-Studien (PoC-Studien) wie der ALK-Studie deutlich. Hier wird es Patienten ermöglicht, in den wirksamen Therapiearm zu wechseln, wenn es zwischen den Therapiearmen erhebliche Unterschiede in der Ansprechrate, Krankheitskontrolle und Überlebensdauer gibt. Damit wird am Ende auch der Endpunkt „Überleben“ verlängert und Patienten, die in den falschen Arm randomisiert wurden, wird ein hochwirksames Medikament nicht bis zum Tod vorenthalten. Daher sollten regulatorische Behörden wie das IQWIQ neue Endpunkte, wie z. B. das „progressionsfreie Überleben“ bei sorgfältiger Dokumentation des Ansprechens akzeptieren und in ihre Bewertungen mit einbeziehen. Insgesamt ist es wünschenswert, einen Proof-of-Concept bereits in frühen klinischen Studien zu zeigen, um teure und für die Patienten belastende PhaseIII-Studien einzusparen bzw. effektiver zu gestalten.
Korrespondenzadresse Prof. Dr. med. R. Buettner Institut für Pathologie, Universität zu Köln Kerpener Str. 62, 50937 Köln [email protected]
Einhaltung ethischer Richtlinien Interessenkonflikt. R. Büttner erhält Berater- und Referentenhonorar von den Firmen Roche, Novartis Boehringer Ingelheim, Lilly, AstraZeneca und Pfizer und Forschungsunterstützung von den Firmen Roche und Novartis. R. Büttner ist Gründer und Besitzer von Targos Molecular Diagnostics Ltd., Kassel und Köln, Deutschland. C. Heydt gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren.
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R. Buettner · C. Heydt Institut für Pathologie, Universitätsklinikum Köln und Centrum für Integrierte Onkologie Köln Bonn
Biomarkeranalytik aus Sicht des Pathologen Grundlage für eine rationale, personalisierte Tumortherapie am Beispiel von Lungenkrebs
In Deutschland erkranken jährlich über 50.000 Menschen an Lungenkrebs, hiervon ca. 80% am nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom (NSCLC) [1]. Etwa 80% von ihnen werden in einem fortgeschrittenen, nicht operablen und damit nicht heilbaren Stadium erstdiagnostiziert. Das mediane Überleben dieser Patienten unter einer Standardchemotherapie beträgt 8 bis 10 Monate [2, 3]. An dieser katastrophalen Prognose hat sich über Jahrzehnte nichts Wesentliches geändert. Auch konnte der Einsatz der sog. zielgerichteten Therapeutika (targeted drugs) ohne eine molekulare Vorselektion hier keinen Durchbruch erzielen [2, 4]. Ist die Effektivität der Standardchemotherapie (Platin-haltige Kombinationen) in der Erstlinie mit Ansprechraten (RR; response rate) von ca. 20% und einem progressionsfreien Überleben (PFS) von 4 bis 5 Monaten [2, 3] schon gering, so ist die der zugelassenen Zweitlinienchemotherapie (Docetaxel für alle Histologien, Pemetrexed für Adenokarzinome) marginal mit Ansprechraten von nur 9% und einem PFS von 3 Monaten [5]. Somit kann keine der zugelassenen Chemotherapien in der Zweitlinie, insbesondere aus der Perspektive des betroffenen Patienten, als effektive Therapie bezeichnet werden, und die Entwicklung neuer, wirksamer Therapieansätze ist von höchster Dringlichkeit. Das zunehmende Verständnis der genomischen Grundlagen von Krebserkrankungen hat dazu geführt, dass
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beim Lungenkrebs und auch bei anderen Krebserkrankungen molekulare Subgruppen identifiziert wurden. Insofern kann die molekulare Biomarkerdiagnostik beim Lungenkrebs als paradigmatisch für die Diagnostik und auch Therapie solider Tumoren bezeichnet werden [6]. Die der Definition einer solchen Subgruppe zugrunde liegende genetische Alteration (Mutation, Amplifikation, Deletion, Translokation) führt zur Aktivierung eines Signalwegs, der an der malignen Transformation der betroffenen Zelle maßgeblich beteiligt ist. Die spezifische Alteration bedingt die pharmakologische Vulnerabilität der Tumorzelle und definiert z. T. sehr kleine molekulare Subentitäten nichtkleinzelliger Lungenkarzinome (NSCLC), wie etwa die maximal 1% von Adenokarzinomen mit einer Translokation im Rezeptor ROS1, die sich durch einen ROS1-Tyrosinkinase-Inhibitor mit hoher Ansprechrate therapieren lassen [7]. Eine gezielte Therapie zur Blockierung dieses aktivierten Signalwegs in molekular vorselektionierten Patienten bezeichnet man als personalisierte Therapie [6]. Mit diesem Ansatz konnte in Subgruppen von malignen Erkrankungen eine zuvor nicht für möglich gehaltene therapeutische Effektivität beobachtet werden. Beispiele für bereits zugelassene personalisierte Therapien sind die Behandlung von EGFR-mutierten Lungenkarzinomen mit den EGFR (Epidermal-Growth-Factor)-Inhibitoren Erlotinib (Tarceva) und Gefitinib (Iressa). Die
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Behandlung des ALK (anaplastische Lymphomkinase)-positiven NSCLC mit dem ALK-Inhibitor Crizotinib ist ein weiteres Beispiel für die Entwicklung einer biologisch rationalen wirksamen Therapie für eine molekular definierte Subgruppe von Lungenkrebspatienten, für die es bisher keine effektive Therapie gab. Valide Biomarker, die sich zur Prädiktion effektiver, selektiver Tumortherapien eignen, sind definiert als Läsionen im Krebsgenom, die bei der Initiierung oder Aufrechterhaltung des Tumorphänotyps eine kausale Rolle spielen und sich somit als onkogene Treiberläsionen definieren. Die Bedeutung solcher prädiktiven Biomarker für die Tumortherapie erfordert es, hier eine sehr strenge Validierung und terminologische Abgrenzung sowie eine an Qualitätsstandards orientierte Diagnostik einzuhalten. Davon abzugrenzen sind Biomarker als sog. Klassifikatoren, die in der pathologischen Diagnostik benutzt werden, um Tumorphänotypen zu klassifizieren, wie etwa die c-myc-Translokation beim Burkitt- und Burkitt-like-Lymphom in der Abgrenzung zum diffus großzelligen B-Zell-Lymphom (DBLBL). Im klinischen Sprachgebrauch wird der Begriff „Biomarker“ lax und im weiteren Sinn auch für Marker benutzt, die den Verlauf einer Erkrankung im Serum markieren, die sich zur Früherkennung eignen oder die pharmakologische Eigenschaften des Patienten oder des Tumors beschreiben [8].
Lungenkrebs als paradigmatische Erkrankung für Konzepte einer personalisierten Tumortherapie Ein mechanistisches Verständnis der Pathogenese von Tumoren und der Biologie von Tumormarkern ist Voraussetzung für die Entwicklung zielgerichteter und personalisierter Krebstherapien. Die Idee, dass bestimmte Eigenschaften des Tumors zur Identifizierung von Patienten, die wahrscheinlich von einer bestimmten Therapie profitieren, genutzt werden können, ist nicht neu und hat zu einer Vielzahl von Biomarken geführt, die mit einem bestimmten klinischen Phänotyp assoziiert werden. Diese Merkmale können morphologische, immunhistochemische, transkriptionale oder genetische Eigenschaften des Tumors sein. Ihre Haupteigenschaft ist allerdings, dass sie nicht auf eine mechanistisch definierte Fraktion des jeweiligen Tumortyps hinweisen. Überwiegend lässt sich aber feststellen, dass diese Biomarker mit Blick auf den Nutzen für den Patienten erfolglos waren. Im Gegensatz hierzu steht die paradigmatische Entdeckung der EGFR-Mutationen in Lungenadenokarzinomen [9, 10, 11], die eine Subgruppe von Lungenkarzinomen definieren, bei denen das Tumorwachstum durch die genetische Aktivierung der EGFR-Kinase gesteuert wird. Die Hemmung der EGFR-Kinase-Aktivität führt zum G1-Arrest und somit zur Einleitung der Apoptose (programmierter Zelltod), durch die der Tumor bei Patienten und im Tierexperiment bei Mäusen schrumpft. Demnach repräsentieren Lungenkarzinome mit Mutationen im EGFR-Gen eine biologisch eindeutige und mechanistisch nachvollziehbare Subgruppe von Lungenadenokarzinomen. Infolgedessen haben Lungenkrebspatienten mit EGFR-Mutation [9, 10, 11] unter einer EGFR-inhibitorischen Therapie eine Ansprechrate von 80% und eine Lebenserwartung von mehr als 2 Jahren [12] – im Gegensatz zu anderen Lungenkrebspatienten, die mit Chemotherapien behandelt werden und zumeist eine Überlebensdauer von weniger als 12 Monaten haben [3, 12]. Die derzeit laufenden Bemühungen zu Genomsequenzie-
rungen werden von der Hoffnung getragen, dass weitere klinisch relevante Genomveränderungen entdeckt werden. Tatsächlich wurden weitere therapeutische Genomveränderungen in Lungenadenokarzinomen gefunden, die entweder bereits klinisch (z. B. genomische Veränderungen der ALK- und ROS-Kinase, die mit einer Sensitivität gegenüber dem MET/ALK/ROS-Inhibitor Crizotinib assoziiert sind) oder präklinisch (z. B. Veränderungen der RET-Kinase, die mit einer Sensitivität gegenüber RET-Inhibitoren assoziiert sind) validiert wurden [13, 14, 15]. Ebenso wurden in Plattenepitelkarzinomen und kleinzelligen Lungenkarzinomen Kinase-betreffende Veränderungen entdeckt, die zurzeit noch evaluiert werden (z. B. FGFR1Amplifikationen und DDR2-Mutationen) [16, 17]. Ein weiterer wichtiger Schritt zur erfolgreichen Übertragung dieser genomischen Befunde in die Klinik, ist eine sorgfältige präklinische Validierung, in der die Abhängigkeit des Tumorwachstums von der jeweiligen Veränderung getestet wird [18, 19]. Solche Validierungen können zellbasierte Assays der onkogenen Transformation, Zelllinienstudien unter Einbeziehung von RNAi-vermittelten Knockdowns des betreffenden Onkogens und seiner chemischen Inhibition, detaillierte Analysen des assoziierten Signalweges sowie Xenografts und Studien in genetischen Tiermodellen sein. Ebenso erfordern klinische Beobachtungen genetische Studien an Patientenproben und präklinische Analysen in geeigneten Modellen. Diese mechanistischen Studien haben das Potenzial, klinische Entwicklungsstrategien zu modulieren. So etwa die Erkenntnis, dass in ungefähr 50% aller EGFR-mutierten Lungentumore eine weitere Mutation im EGFRGen (T790M) auftritt, die zur Medikamentenresistenz führt [20, 21, 22], sodass das Tumorwachstum weiterhin von der onkogenen EGFR-Mutation abhängig ist [21, 23]. Folglich wurden weitere Strategien entwickelt, um die Medikamentenresistenz zu überwinden, wie Next-Generation-EGFR-Inhibitoren [21, 24, 25] oder Medikamentenkombinationen [26, 27, 28, 29], von denen einige eine klinische Aktivität zeigen [30, 31]. Aus diesem
Grund ist die sorgfältige mechanistische Analyse des Signalweges im Zusammenhang mit der Kinaseaktivität der onkogenen Treibermutationen von unmittelbarer klinischer Relevanz.
Rebiopsien und ein mechanistisches Verständnis der Resistenz gegen molekular gerichtete Therapien ermöglichen die Entwicklung weiterer rationaler Therapien Leider erleiden alle Patienten mit EGFRMutationen oder EML4-ALK-positiven Lungentumoren, die EGFR- oder ALKInhibitoren erhalten, letztendlich einen Rückfall. Im Gegensatz zur Resistenz gegenüber der nichtselektiven Chemotherapie ist die Resistenz gegenüber gezielten, molekular gerichteten Therapien auf molekularer Ebene häufig mechanistisch verstanden, was die Entwicklung neuer Therapieansätze erlaubt. Das bekannteste Beispiel ist in diesem Zusammenhang das EGFR-mutierte Adenokarzinom. Bekannte Resistenzmechanismen umfassen die T790M-Mutation des EGFR-Gens (50% aller Fälle) [21, 23], die Amplifikation der MET-Gens [32, 33], die Mutation des PIK3CA- [34] und BRAF[35] Gens, sowie die Transformation zum kleinzelligen Lungenkarzinom [34, 36] als auch die Transition von einem epithelialen zu einem mesenchymalen Phänotyp [34]. Konzeptuell können diese Mechanismen als Medikamentexpulsation des Targets (T790M) selbst kategorisiert werden, als „Bypass-Track“-Aktivierung des kritischen nachgeschalteten Signals (z. B. MET-Amplifikation) und als sog. Lineage-Transformation. Mechanistisch steigert die Mutation T790M die Affinität für ATP [37] und verhindert die Bindung der Erstgeneration EGFR-Inhibitoren (Erlotinib und Gefinitib) durch Austausch des kleinen Threonin mit dem größeren und sterisch hinderndem Methionin [20, 21, 22]. Klinisch ist es wichtig zu beachten, dass sich die T790M-mutierten Zellen aufgrund ihrer reduzierten Tyrosinkinaseaktivität langsamer vermehren und deshalb Medikamentenentzug zu einer erneuten Sensitivität des Tumors gegenüber Erlotinib führen kann. Dieses Konzept
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Leitthema wird auch als „drug holiday“ bezeichnet und ist durch klinische Beobachtungen abgesichert [38]. Um die erlangte Resistenz zu überwinden, wurden klinisch irreversible EGFR-Inhibitoren (Zweitgenerationsinhibitoren) eingeführt [21, 24, 30, 39], die eine erhöhte Wirksamkeit gegenüber dem T790M-mutierten EGFR-Gen haben. In einigen Fällen zeigen Patienten mit erlangter EGFR-Resistenz eine klinische Reaktion auf die sog. zweite Generation von EGFR-Inhibitoren [30, 31], was bestätigt, dass T790Mmutierte Tumoren weiterhin EGFR abhängig sind. Jedoch wurden Quinazo line-basierte irreversible EGFR-Inhibitoren ursprünglich nicht entwickelt, um EGFR-mutierte Tumoren zu behandeln; daher kommt es zu einer suboptimalen Target-Unterdrückung bei T790MMutationen [40]. Weiterhin wurde auch eine dritte Generation von EGFR-Inhibitoren entdeckt [25, 41]; diese selektiven Inhibitoren haben keine Aktivität gegenüber dem EGFR-Wildtyp, zeigen aber eine wirksame Inhibition gegenüber dem T790M-mutierten EGFR-Allel. Da die häufigsten Nebenwirkungen der EGFR-Inhibition, Dermatitis und Diarrhö, wahrscheinlich durch Effekte am Normalgewebe entstehen, besteht die berechtigte Hoffnung, dass diese Inhibitoren das therapeutische Fenster für Patienten mit EGFR-mutierten Lungentumoren weiter vergrößern. Im Falle der EML4-ALK-positiven Lungentumoren ist die Situation etwas anders. Während Erlotinib und Gefitinib die aktive Form des EGFR-Gens binden, bindet der ALK-Inhibitor, Crizotinib, die inaktive Form des ALK-Gens. Hinsichtlich der Resistenzentstehung sind zusätzlich zur Schlüsselmutation L1196M, die die Bindung von Crizotinib an die ATPBindungsstelle des ALK-Gens verhindert, weitere Mutationen identifiziert worden, die zur Resistenz führen [42, 43]. Einige dieser Mutationen können durch strukturell nicht zusammenhängende ALK-Inhibitoren oder durch die Kombination von ALK-Inhibitoren mit dem HSP90-Inhibitor überwunden werden [42, 44]. Da Crizotinib eine nur geringe zelluläre Wirksamkeit hat [42], werden in naher Zukunft weitere ALK-Inhibitoren auf den Markt kommen und durch diese werden
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Zusammenfassung · Abstract Bundesgesundheitsbl 2013 · 56:1502–1508 DOI 10.1007/s00103-013-1823-1 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 R. Buettner · C. Heydt
Biomarkeranalytik aus Sicht des Pathologen. Grundlage für eine rationale, personalisierte Tumortherapie am Beispiel von Lungenkrebs Zusammenfassung In der Ära der genomischen Medizin und der Sequenzierung zahlreicher Krebsgenome hat sich unser Verständnis der molekularen Mechanismen der Krebsentstehung zusehends verbessert. Die Initiierung der Krebsentstehung über genetische und epigenetische Veränderungen (pathogenetische Läsionen) und die Tumorprogression durch sog. Treibermutationen wurden erkannt. Zudem hat die schnelle Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren und hochselektiven Biologika dazu geführt, dass onkogenen Signalen, die durch Alterationen im Krebsgenom entstehen, zielgerichtet begegnet werden kann. Hierdurch ist der Pathologe nun in der Lage, die tumorverursachenden Veränderungen im Krebsgenom als molekulare Biomarker zu diagnostizieren und die Selektion von Patienten in effektive und hochsensitive Therapiemodalitäten zu steuern. Wenn onkogene Treibermutationen intensiv präklinisch validiert werden und ein entsprechender dia-
gnostischer Test zur Verfügung steht, ist es möglich, zu einem sehr frühen Zeitpunkt der klinischen Medikamentenentwicklung einen Proof-of-Concept (PoC) zu erbringen, der einen unmittelbaren persönlichen Nutzen für die Patienten in solchen Phase-I/II-Studien hat. Diese neue Vorgehensweise hat die klinischen Tests signifikant verändert und vermeidet zudem, dass die Wirksamkeit in großen klinischen Phase-III-Studien mit einer hohen Ausfallrate getestet werden muss. Daher fasst der vorliegende Beitrag neuste und paradigmatische Prozesse der Biomarkerdiagnostik am Beispiel von Lungenkrebs zusammen und definiert akademische und regulatorische Anforderungen der Biomarkeranalyse und selektiver personalisierter Therapien. Schlüsselwörter Biomarker · Personalisierte Krebstherapie · Therapeutische Zielstruktur · TyrosinkinaseInhibitoren · Proof-of-Concept (PoC)-Studien
Biomarker analysis from a pathologist’s view. Founding the rationale for personalised treatment of lung cancer Abstract The advent of genomic medicine and sequencing analysis of entire cancer genomes has rapidly improved our understanding of cancer genomics and has defined pathogenetic lesions initiating and driving cancer phenotypes in a causative manner. Moreover rapid development of small molecule inhibitors and highly selective biologicals provided effective tools to intervene with oncogenic signalling resulting from such lesions in the cancer genome. Thereby, the pathologist is now in the position to diagnose causative lesions in the cancer genome as molecular biomarkers directing the selection of patients for effective and highly selective therapies. If oncogenic driver lesions are vigorously validated preclinically and a useful diagnostic test is available, it is possible to provide a proof-of-
dann sehr wahrscheinlich weitere Resistenzmutationen entstehen. Diese Beispiele verdeutlichen nicht nur die Notwendigkeit, zum Zeitpunkt des Rückfalls eine Rebiopsie durchzuführen, um mechanistische Einblicke in die Resistenzentwicklung zu gewinnen,
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concept at a very early stage of clinical drug development with the possibility of immediate personal benefit for participants in such phase I/II studies. This approach has significantly changed clinical testing and avoids testing proof for efficacy in large stage III clinical trials at a high failure rate. Therefore, our review summarises recent and paradigmatic progress in lung cancer biomarker diagnostics and defines academic and regulatory requirements for biomarker analysis and selective personalised therapies. Keywords Biomarker · Personalised cancer therapy · Therapeutic target · Tyrosinkinase inhibitors · Proof-of-concept (PoC) studies
sondern unterstreichen auch die Leistungsfähigkeit der integrierten, multidisziplinären Forschung. Viele dieser Resistenzmechanismen wurden sowohl in Patientenproben als auch in experimentellen Modellen identifiziert und charakterisiert. Ferner ist eine detaillierte moleku-
lare, chemische und strukturelle Untersuchung der Bindung zwischen Inhibitoren und dem Targetgen wichtig, um den Patienten weitere wirksame Second- und Third-line-Therapien anbieten zu können [34]. Generell müssen Biomarker als diagnostische Marker für bestimmte Tumorentitäten zunächst 1.) funktionell und 2.) technisch validiert werden. Hierfür müssen sensitive und spezifische Assays, die reproduzierbare Ergebnisse liefern, etabliert werden: 1. Wie bereits weiter oben dargestellt, muss ein Biomarker präklinisch validiert werden, um zu zeigen, dass er für den Tumorphänotyp eine kausale Rolle spielt. Dies erfolgt mittels Zellkultur- oder siRNA-Experimenten und in Mausmodellen, in denen z. B. FGFR1-amplifizierte und nicht amplifizierte Modelle getestet werden. Anhand dieser kann dann nachgewiesen werden, ob eine Substanz spezifisch das Tumorwachstum in amplifizierten Tumormodellen blockiert. In der folgenden klinischen Validierung muss gezeigt werden, dass der präklinisch validierte Biomarker einen klinischen Nutzen hat, d. h., dass Patienten, die anhand des Biomarkers für eine spezielle Studie ausgewählt werden, eine signifikant höhere Ansprechrate zeigen als Patienten, die dieses Merkmal nicht aufweisen. Zudem sollten im Vorfeld zu jeder Studie epidemiologische Daten vorliegen, die zuverlässig abschätzen lassen, wie die Verteilung des Biomarkers in der Population ist, und wie hoch der Aufwand sein wird, Patientenkollektive für eine Studie zu rekrutieren. 2. Nach Abschluss der klinischen Studie muss ein Biomarker sorgfältig in die klinische Routinediagnostik überführt werden. Diesbezüglich unterscheiden sich die Ansätze in den USA und Europa fundamental voneinander. In den USA wird der Test mit der Zulassung von Medikamenten als In-vitro-Device (IVD) zugelassen, und es steht somit nur ein einziges und in seiner Performance validiertes Testverfahren zu Verfügung. Damit wird eine bessere Standardisie-
rung und Performance gewährleistet, allerdings erfordert jede Weiterentwicklung und Verbesserung des Tests eine neue Validierungsstudie und Zulassung dieses „companion Diagnostikums“. So wurde mit der Zulassung des BRAF-Inhibitors Vemurafinib ein PCR-basiertes COBAS-Verfahren zur Diagnostik der Mutation BRAF V600E in Melanomen zugelassen, das die selteneren Mutationen V600K und V600R nur schlecht oder gar nicht detektiert. Mittlerweise ist bekannt, dass auch diese selteneren Mutationen von der VemurafinibTherapie profitieren, der Assay als solcher ist aber ohne neue Zulassung nicht mehr veränderbar. In Europa werden Biomarkerdiagnostika als Medizinprodukte angesehen und sind als solche im Verfahren offen. Das ermöglicht methodisch offene Ansätze, die dann aber im klinischen Einsatz kontrolliert werden müssen. Es ist zu fordern, dass sie nur in solchen Laboratorien verwendet werden dürfen, die den strengen Regularien einer Akkreditierung unterliegen und die mindestens einmal jährlich in Ringversuchen belegen, dass sie die von den Fachgesellschaften als zulässig angesehenen Grenzwerte für die Sensitivität und Spezifität dieser Marker erfüllen. Im Moment gibt es aber hierfür im Bereich der Pathologie in vielen europäischen Ländern noch kein verbindliches Regulatorium.
Eine genomisch basierte personalisierte Krebsmedizin erfordert zur effizienten klinischen Translation neue Strategien bei klinischen Studien Konventionelle, randomisierte klinische Phase-III-Studien mit ausgewählten Patientengruppen mit der Zielsetzung einer retrospektiven Biomarker-basierten Definition für ein neues Medikament haben sich als erfolglose Strategie herausgestellt. Eine aktuelle Analyse berichtet, dass bei der Beurteilung systemischer Studien mit adulten Krebspatienten 158 von 253 (62,5%) im Zeitraum von 2005 bis 2009
statistisch negativ waren [45]. Darüber hinaus liefern sogar statistisch positive randomisierte klinische Studien oft nur einen geringfügigen Nutzen von fraglich klinischer Relevanz. In der Tat sind bereits Proof-of-Concept-Studien (PoCStudien), die auf einem genauen biologischen Verständnis des Wirkmechanismus basieren, effektiver für die Übertragung präklinischer Modelle in die klinische Anwendung. POC verschiebt sich in der personalisierten klinischen Medikamentenentwicklung somit zunehmend von Phase-III-Studien zu frühen Studien, die idealerweise direkt nach Einschätzung der maximal tolerierten Dosis (MTD) in First-in-Men-Studien (FIMStudien) getestet werden. Dieses wird eindrucksvoll durch die klinische Entwicklung des ALK-Inhibitors Crizotinib bei EML4-ALK-Fusionen [46] und des met/ALK-Inhibitors Crizotinib bei Veränderungen des ROS1-Gens veranschaulicht ([47], . Abb. 1). Zur Beurteilung der klinischen Wirksamkeit gewinnt die objektive Ansprechrate an Bedeutung, da eine Schrumpfung des Tumors mit der Inhibitor-induzierten Tumorzellapoptose korreliert. Folglich basieren Studiendesigns zunehmend auf vorgegebenen Ansprechraten, die in frühen Studienphasen an einer begrenzten Anzahl von Patienten erhoben wurden [48]. Aber auch in Studien mit den besten Rationalen variieren die Ansprechraten von 40–80%. Daher ist es eine andere wichtige Frage, ob das Medikament auch sein Target im Tumorgewebe des Patienten hemmt. Daher sollten Rebiopsien vor und nach Beginn der Behandlung inhärente Bestandteile der Studienprotokolle früher Studienphasen in der personalisierten Medizin sein. Zudem sollte Tumorgewebe sequenziell analysiert werden. Dies könnte bei der Separierung von On- und Off-Target-Effekten helfen [49]. Zusätzlich sollten stellvertretende pharmakodynamische Parameter für die intratumorale Targetmodulation etabliert und validiert werden, zusammen mit den obligatorischen pharmakokinetischen Analysen. Die molekulare Bildgebung ist ein weiteres wichtiges Hilfsmittel für pharmakodynamische Analysen, wie präklinisch und klinisch schon z. B. anhand des G1-
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Leitthema Adenocarcinoma PIK3CA
HER2
MET
RET ROS
BRAF ALK
EGFR mut
ph l (FIM) 3rd gen EGFR-TKI AZD9291, open 2013
ALK fusion
ph l (FIM) LDK, open ph l (ext): everolimus + sorafenib, open
unknown
EGFR
KRAS mut ph l (ext): MEK162 + Pi3Kinib, in prep PIK3CA mut KRAS BRAF activ. Sqamous cell carcinoma KRASmut
ph ll: vemurafenib, open
BRAF inact. DDR2mut
PIK3CAmut
ph ll: dasatinib, open DDR2 mut HER2 amp
ph ll: AUY922 + trastuzumab, open
RET transl
ph ll: vandetanib, under discussion with AstraZeneca
ROS transl
ph ll: crizotinib, under discussion with Pfizer
FGFR amp
ph l (FIM): BGJ 398, open, AZD4547, open
P53 wt
ph1 (FIM): CGM097, open
PTENIoss unknown PTENmut FGFR1amp
Abb. 1 8 Übersicht über frühe klinische, Biomarker-basierte Studien für Lungenkrebspatienten am Centrum für Integrierte Onkologie (CIO) Köln Bonn. Alle diese Studien basieren auf einer präklinisch validierten Hypothese und werden an selektionierten Patientengruppen durchgeführt, die vor Studieneinschluss mit einem Biomarker hinsichtlich eines hohen Therapieansprechens ausgewählt werden. Die linke Spalte der Tabelle zeigt die im Tumor vorliegende genetische Alteration, die rechte das in der Studie eingesetzte Therapeutikum sowie den Stand der jeweiligen Studie. EGFR Rezeptor für den EpidermalGrowth-Factor, ALK anaplastische Lymphom-Kinase, KRAS k-Ras Onkogen, PIK3CA Phosphatidylinositolkinase-3-Ca, BRAF BRaf Onkogen, DDR2 Discoidin-Domain-Rezeptor 2 (Kolon-Karzinom-Kinase), HER2 Human Epidermal Growth Factor Receptor 2, RET Tyrosinkinase-Rezeptor RET, ROS ROS1-Onkogen, FGFR epithelialer Wachstumsfaktor-Rezeptor (Fibroblast Growth Factor Receptor), p53 p53-Tumorsuppressor, MET hepatozytärer Wachstumsfaktor-Rezeptor, PTEN PTEN-Tumorsuppressor, mut mutiert, fusion fusioniert, activ. Aktiviert, inact inaktiviert, amp amplifiziert, trans transloziert, wt Wildtyp, loss Verlust, Ph I Phase-I-Studie, ph II Phase-II-Studie, FIM First-in Man, ext extension study, Erweiterungsstudie/Anschlussstudie, TKI Tyrosin kinase-Inhibitor, gen Generation
Arrests gezeigt wurde. Trotz des zunehmenden Einsatzes der PET-Bildgebung in klinischen Studien [50] könnten funktionelle Bildgebungsnachweise ein Mittel sein, um nichtinvasive pharmakodynamische Messungen durchzuführen und zu bewerten. Weiterhin erscheint es sinnvoll, dass eine Einschätzung der maximal tolerierten Dosis (MTD) ein vorrangiges Ziel im Rahmen einer personalisierten PODPhase-I-Studie sein sollte, um die Chance für eine ausreichende Unterdrückung
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des Targets zu maximieren (POD: point of departure, Ausgangspunkt). Im Gegensatz dazu, addiert die biologische optimale Dosis (BOD) eine andere Variable zur risikobehafteten Beurteilung der Wirksamkeit von Medikamenten in frühen klinischen Studien. Zusammenfassend kann man sagen, dass eine korrekte präklinische Hypothese, ein potenter und selektiver Inhibitor, die Entwicklung akkurater molekularer Test, die Verifizierung der Targetunterdrückung im Tumor oder in einem validen Ersatzgewebe und
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eine gründliche PK-Beurteilung Grundvoraussetzungen für die erfolgreiche klinische Umsetzung von personalisierten Behandlungsansätzen in frühen Studienphasen sind. Ein zunehmendes Dilemma der klinischen Studien besteht darin, dass der wissenschaftlich eigentlich saubere Endpunkt „Gesamtzeit des Überlebens“ (overall survival) häufig ethisch nicht mehr korrekt messbar ist. Wenn aufgrund eines sehr sorgfältig präklinisch validierten Konzepts (z. B. hohes An-
sprechen der ALK-Translokation gegenüber Crozotinib in Maustumormodellen und Zelllinien) eine Studie gestartet wird, die bereits in einer sehr frühen Phase eine sehr hohe Ansprechrate mit massiven Tumorregressionen erkennen lässt, dann ist es ethisch nicht vertretbar, Patienten im Kontrollarm dieses Medikament dauerhaft vorzuhalten, nur um saubere Messergebnisse zu generieren. Vielmehr wird eine ethisch gut durchdachte Studie auch diesen Patienten die Möglichkeit geben, nach Beendigung der Studienmesszeit bis zum Progress zu „switchen“ und im Anschluss ebenfalls das wirksame, molekular gerichtete Therapeutikum zu erhalten. Daher stehen in diesen Studien nur noch Surrogatmarker der Wirksamkeit zur Verfügung, wie z. B. das progressionsfreie Überleben (PFS). Überlebensdaten können dann nur noch mit reduzierter wissenschaftlicher Präzision generiert werden, z. B. durch Vergleich mit sorgfältig gematchten, historischen Kohorten unter Standardtherapie.
Fazit Eine genomisch basierte, rational an onkogenen Treiberläsionen von Tumoren orientierte selektive und personalisierte Krebsmedizin bietet große Chancen für hocheffektive und nebenwirkungsärmere Therapien. Voraussetzungen hierfür sind das Vorliegen präklinisch validierter und kausal in ihrer Tumorbiologie verstandener Zielstrukturen in malignen Tumoren, eine effiziente und präzise Biomarkerdiagnostik und eine neue Strategie, um klinische Innovationen in Studien zu prüfen, die bereits bei kleinen Patientengruppen früh einen Wirksamkeitsnachweis liefern können. Hierfür ist es allerdings notwendig, die Biomarker in diesen Studien hinsichtlich ihrer Prädiktion des Therapieansprechens mit zu validieren und die Biomarkerdiagnostik nicht im Sinne eines Medizinproduktegesetzes bereits a priori vorzudefinieren. Zudem macht die hohe Effektivität personalisierter Ansätze vergleichende Studien mit dem Endpunkt „Überleben“ (overall survival) ethisch nicht akzeptabel, da Patienten im konventionellen (ineffektiven) Therapiearm immer die Chance eines Cross-
overs haben müssen. Dies wird in frühen Proof-of-Concept-Studien (PoC-Studien) wie der ALK-Studie deutlich. Hier wird es Patienten ermöglicht, in den wirksamen Therapiearm zu wechseln, wenn es zwischen den Therapiearmen erhebliche Unterschiede in der Ansprechrate, Krankheitskontrolle und Überlebensdauer gibt. Damit wird am Ende auch der Endpunkt „Überleben“ verlängert und Patienten, die in den falschen Arm randomisiert wurden, wird ein hochwirksames Medikament nicht bis zum Tod vorenthalten. Daher sollten regulatorische Behörden wie das IQWIQ neue Endpunkte, wie z. B. das „progressionsfreie Überleben“ bei sorgfältiger Dokumentation des Ansprechens akzeptieren und in ihre Bewertungen mit einbeziehen. Insgesamt ist es wünschenswert, einen Proof-of-Concept bereits in frühen klinischen Studien zu zeigen, um teure und für die Patienten belastende PhaseIII-Studien einzusparen bzw. effektiver zu gestalten.
Korrespondenzadresse Prof. Dr. med. R. Buettner Institut für Pathologie, Universität zu Köln Kerpener Str. 62, 50937 Köln [email protected]
Einhaltung ethischer Richtlinien Interessenkonflikt. R. Büttner erhält Berater- und Referentenhonorar von den Firmen Roche, Novartis Boehringer Ingelheim, Lilly, AstraZeneca und Pfizer und Forschungsunterstützung von den Firmen Roche und Novartis. R. Büttner ist Gründer und Besitzer von Targos Molecular Diagnostics Ltd., Kassel und Köln, Deutschland. C. Heydt gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren.
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