MTT2012-Dikomey2 - Universitätsklinikum Hamburg

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

3. Kursus für Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-Hals-Tumoren Hamburg; 2. – 3. Februar 2012

Prinzipen der Tumorbiologie als Basis für medikamentöse Tumortherapie bei Kopf-Hals-Tumoren E. Dikomey Labor für Strahlenbiologie & Experimentelle Radioonkologie Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf

E. Dikomey Lab. für Strahlenbiologie & Exp. Radioonkologie

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

Ziel einer Tumortherapie: • Heilung – Inaktivierung aller Tumorzellen – Welche Dosis wird benötigt?

• Schonung des Normalgewebes – möglichst geringe Schädigung des Normalgewebes

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Zellkultur unbestrahlt 100 Zellen 33 Kolonien

Bestrahlung

Monolayer Zellkultur

Zellvereinzelung Trypsin

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Aussaat (Kolonien) ZellSuspension

bestrahlt 100 Zellen 15 Kolonien

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Zellkultur unbestrahlt 100 Zellen 33 Kolonien

(Überlebensrate)

Koloniebildungsrate (%)

100

10

bestrahlt 100 Zellen 15 Kolonien

1

0.1 0

1

2

3 4 5 6 7 Strahlendosis (Gy)

8

9

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

10

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor • Klinische Studien!! • Präklinische Untersuchungen

33 Gy

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

sehr viele überlebende Tumorzellen

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor • Klinische Studien!! • Präklinische Untersuchungen

42 Gy 33 Gy

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

sehr viele überlebende Tumorzellen

viele überlebende Tumorzellen

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor • Klinische Studien!! • Präklinische Untersuchungen 50 Gy 42 Gy 33 Gy

eine einzige überlebende Tumorzelle = Rezidiv (keine Heilung)

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

sehr viele überlebende Tumorzellen

viele überlebende Tumorzellen

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor • Klinische Studien!! • Präklinische Untersuchungen 60 Gy 50 Gy 42 Gy 33 Gy

eine einzige überlebende Tumorzelle = Rezidiv (keine Heilung)

alle Tumorzellen wurden abgetötet = Heilung

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

sehr viele überlebende Tumorzellen

viele überlebende Tumorzellen

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor

10000

60 Gy

Klone pro Tumor

1000

50 Gy

100

42 Gy 33 Gy

10

1

0 0

eine einzige überlebende Tumorzelle = Rezidiv (keine Heilung)

Tumorkontrolle 10

20

30 40 Gesamtdosis (Gy)

50

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

60

70

alle Tumorzellen wurden abgetötet = Heilung

sehr viele überlebende Tumorzellen

viele überlebende Tumorzellen

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor 100

10000

berechnet aus Anzahl der Klone gemessen

80 Lokale Kontrolle (%)

Klone pro Tumor

1000

100

10

1

60

40

20 0 0

Tumorkontrolle 10

20

30 40 Gesamtdosis (Gy)

50

60

70

0 0

10

20

30 40 Gesamtdosis (Gy)

50

60

 Tumorkontrolle: wenn die letzte klonogene Tumorzelle inaktiviert wurde! (Tumorstammzellen) Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

70

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen: Welche Dosis wird benötigt? – Tumor

Baumann et al. Nat Rev Cancer 2008, 8:545-554

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Heilungen – – – –

Inaktivierung aller Tumorzellen Welche Dosis wird benötigt? Wie bewirkt Bestrahlung eine Abtötung der Tumorzellen? Abtötung = Verlust der Teilungsfähigkeit

unbestrahlt

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

bestrahlt

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit Bestrahlung

DNA Schäden

p53

p53

Nicht - und falschreparierte DSBs Letale Chromosomenaberrationen

p21

G1-Arrest

Apoptose

Mitotischer

Zelltod

Verlust der Teilungsfähigkeit Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit Bestrahlung

DNA Schäden

Tumorzellen (p53 wt) nach 4Gy p53

p53

Letale Chromosomenaberrationen

p21

G1-Arrest

Nicht - und falschreparierte DSBs

Apoptose

Mitotischer Zelltod

Verlust der Teilungsfähigkeit Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

- Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose 5%

ca. 30%

65%

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit Bestrahlung

DNA Schäden

Tumorzellen (p53 mut) nach 4Gy p53

p53

- Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose ca. 0-1%

3%

Letale Chromosomenaberrationen

p21

G1-Arrest

Nicht - und falschreparierte DSBs

Apoptose

Mitotischer Zelltod

Verlust der Teilungsfähigkeit Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

97%

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

Röntgenstrahlung (Photon)

!!!

Ionisation Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

DNA-PK

P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P LigaseIV P P P KU70 P

Nachweis von DNA-Doppelstrangbrüchen

P KU80 P P P P XRCC4 P P P P P P P P P P P P P P P P P P P

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

P-H2AX-Foci

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

DNA-PK

P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P LigaseIV P P P KU70 P P KU80 P P P P XRCC4 P P P P P P P P P P P P P P P P P P P

Nachweis von DNA-Doppelstrangbrüchen

P-H2AX-Foci 

Doppelstrangbruch-Reparatur ist sehr effektiv

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

- 96-99% werden repariert - 1-4% werden nicht bzw. falsch repariert

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

Falschreparatur von 2 Doppelstrangbrüchen Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod Mitose

G01-Phase

S-Phase

azentrisches Fragment

Falschreparatur von 2 Doppelstrangbrüchen Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Mikronuklei - Verlust an DNA - Verlust an Proteinen

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod

mit Mikronuklei

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

ohne Mikronuklei

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Verlust der Teilungsfähigkeit – Mitotischer Zelltod + Cis-Platin + EGFR-Inhibitor + HPV

Bestrahlung

DNA Schäden

Tumorzellen (p53 wt) nach 4Gy - Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose 5%

ca. 30% 65%

p53

p53

Letale Chromosomenaberrationen

p21

G1-Arrest

Nicht - und falschreparierte DSBs

Apoptose

Mitotischer Zelltod

Verlust der Teilungsfähigkeit Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Tumorzellen (p53 mut) nach 4Gy - Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose ca. 0-1%

3%

97%

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• EGFR-Inhibition und Bestrahlung normal

Tumor

Tumor

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• EGFR-Inhibition und Bestrahlung normal

Tumor

Tumor

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• EGFR-Inhibition und Bestrahlung

Bonner et al. 2006 NEJM advanced head&neck tumor n=424

Fragen:  Mechanismen  Heterogenität  Normalgewebereaktion

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• EGFR-Inhibition und Bestrahlung

Bonner et al. 2006 NEJM advanced head&neck tumor n=424

Fragen:  Mechanismen  Heterogenität  Normalgewebereaktion

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• EGFR-Inhibition und Bestrahlung 10 7

10 7 Control Cetuximab (30nmol)

A549

Number of cells per ml

10 6

Number of cells per ml

Erlotinib (5µmol)

Tumor

Addition of drug

10 5

10 4

0

1

2

3

4

5

6

7

Time (days)

8

9

FaDu

Control Cetuximab (30nmol) Erlotinib (5µmol)

10

Tumor

10 6

Addition of drug 10 5

10 4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Time (days)

 Heterogenität bezüglich der Inhibitoren  je mehr EGFR desto stärkere Hemmung der Proliferation  aber nur bei Tumoren ohne Mutation im KRas-Gen Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

9

10

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• EGFR-Inhibition und Bestrahlung

1

FaDu

Tumor

Surviving fraction

Surviving fraction

Tumor

1

A549

0.1

0.1

X Cetuximab  X Erlotinib  X

X Cetuximab  X Erlotinib  X

0

2 4 X-ray dose (Gy)

6

0

 Heterogenität bezüglich der Inhibitoren  Heterogenität bezüglich der Tumoren/Zelllinien - Parameter unklar Medikamentöse

-EGFR-Amplifikation ? -KRas Mutation ? Tumortherapie -P53wt der ? Kopf-, Hals-Tumoren

2

4

X-ray dose, Gy

6

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• EGFR-Inhibition und Bestrahlung – EGFR-Amplifikation SAS

CEP7

EGFR

XT XT + erlot. XT + cetuxim.

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Gurtner et al. R&O 2011

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Strahlentherapie und HPV

J Clin Oncol 24:736-747. © 2006

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Strahlentherapie und HPV

J Clin Oncol 27:1992-1998. 2009 Rieckmann et al. IJROBP in prep.

Surving fraction at 6Gy, SF6

1

0.1

0.01

HPV-, p16-

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

HPV+, p16+

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

• Fragestellungen / Zukunft – … – EGFR-Inhibition • Ursachen der Heterogenität identifizieren • Molekulare Marker identifizieren • Therapie stratifizieren!!!

– HPV • • • •

Molekularen Ursachen identifizieren Marker für die heterogene Wirkung Ziel: Therapie stratifizieren …

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

Zellkultur: EGFR-Inhibition und Strahlenempfindlichkeit Tumorzellen (p53 wt) nach 4Gy

1 A549

Surviving fraction at 6Gy

0.8

- Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose 5%

0.6 0.4

ca. 30%

0.2

Mitot. Zelltod

Mitot. Zelltod

G1Arrest

p53 mut

65% KRas wt + p53 mut Tumorzellen (p53 mut) nach 4Gy

0.1 6Gy + Erlotinib

+

+ +

+ +

+ +

 Heterogenität bezüglich der Inhibitoren  Heterogenität bezüglich der Zelllinien • P53 abhängig • KRas-Mutation abhängig Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

- Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose ca. 0-1%

3%

97%

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

Tumor: EGFR-Inhibition und Strahlenempfindlichkeit

Tumor ○ Control

○ 40Gy

 BIBX(TKI)

FaDu

○ Control  Cetuximab

FaDu

 BIBX(TKI) + 40Gy

○ 40Gy  Cetuximab + 40Gy

○X 

X+BIBX(TKI)

○X  X+Cetux

 großer Effekt auf Proliferation aber keine Verbesserung bezgl. Heilung  zusätzlich Gewebe-abhängige Effekte (Tumorstammzellen) Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

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EGFR-Inhibition und Bestrahlung

Bonner et al. 2006 NEJM advanced head&neck tumor n=424

Fragen:  Mechanismen  Heterogenität  zellulär  geweblich

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

Zellkultur: EGFR-Inhibition und Strahlenempfindlichkeit Tumorzellen (p53 wt) nach 4Gy - Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose 5% KRas mut

APR

ca. 30% 65%

Tumorzellen (p53 mut) nach 4Gy - Mitotischer Zelltod - G1-Arrest - Apoptose ca. 0-1%

 Heterogenität bezüglich der Inhibitoren  Heterogenität bezüglich der Zelllinien • P53 abhängig • KRas-Mutation abhängig Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren

3%

97%

Kopf-Hals-Tumorzentrum des Universitären Cancer Center Hamburg

EGFR-Inhibition und Bestrahlung normal

KRasmut

APR

Tumor

Tumor

Medikamentöse Tumortherapie der Kopf-, Hals-Tumoren