Artificial Intelligence in Oncology Drug Discovery and Development

There exists a profound conflict at the heart of oncology drug development. The efficiency of the drug development process is falling, leading to higher costs per approved drug, at the same time personalised medicine is limiting the target market of each new medicine. Even as the global economic burden of cancer increases, the current paradigm in drug development is unsustainable. In this book, we discuss the development of techniques in machine learning for improving the efficiency of oncology drug development and delivering cost-effective precision treatment. We consider how to structure data for drug repurposing and target identification, how to improve clinical trials and how patients may view artificial intelligence

Advancing the Science of Cancer in Latinos

This open access book gives an overview of the sessions, panel discussions, and outcomes of the Advancing the Science of Cancer in Latinos conference, held in February 2018 in San Antonio, Texas, USA, and hosted by the Mays Cancer Center and the Institute for Health Promotion Research at UT Health San Antonio. Latinos – the largest, youngest, and fastest-growing minority group in the United States – are expected to face a 142% rise in cancer cases in coming years. Although there has been substantial advancement in cancer prevention, screening, diagnosis, and treatment over the past few decades, addressing Latino cancer health disparities has not nearly kept pace with progress. The diverse and dynamic group of speakers and panelists brought together at the Advancing the Science of Cancer in Latinos conference provided in-depth insights as well as progress and actionable goals for Latino-focused basic science research, clinical best practices, community interventions, and what can be done by way of prevention, screening, diagnosis, and treatment of cancer in Latinos. These insights have been translated into the chapters included in this compendium; the chapters summarize the presentations and include current knowledge in the specific topic areas, identified gaps, and top priority areas for future cancer research in Latinos. Topics included among the chapters: Colorectal cancer disparities in Latinos: Genes vs. Environment Breast cancer risk and mortality in women of Latin American origin Differential cancer risk in Latinos: The role of diet Overcoming barriers for Latinos on cancer clinical trials Es tiempo: Engaging Latinas in cervical cancer research Emerging policies in U.S. health care Advancing the Science of Cancer in Latinos proves to be an indispensable resource offering key insights into actionable targets for basic science research, suggestions for clinical best practices and community interventions, and novel strategies and advocacy opportunities to reduce health disparities in Latino communities. It will find an engaged audience among researchers, academics, physicians and other healthcare professionals, patient advocates, students, and others with an interest in the broad field of Latino cancer

Clinical decisions in breast cancer, a heterogenous disease

RESUMO: Introdução: Tratamento do carcinoma da mama Este trabalho inicia-se com a história do tratamento do carcinoma da mama, desde os primeiros documentos que descrevem doentes com carcinoma da mama até 1950. Desde 1950 até 2000 o diagnóstico, risco e as modalidades terapêuticas usadas no tratamento das doentes são mais detalhadas com ênfase nas terapêuticas locais, regionais e sistémicas. Parte 1:Quem tratar com terapêutica sistémica adjuvante Capítulo 1: A classificação TNM não está morta no carcinoma da mama Tem sido dito que a classificação TNM não é adequada para usar como ferramenta de prognóstico e decisão terapêutica no carcinoma da mama, especialmente em doentes com carcinoma detectado através de rastreio, que tem geralmente menores dimensões. A razão desta classificação não ser adequada prendese com o facto de não estarem incluidos parâmetros biológicos na classificação TNM atual. Pusemos a hipótese de que numa população com alta percentagem de carcinoma da mama não detectado em exames de rastreio, com uma mediana de idade baixa e com alta percentagem de estadios II e III, o estadiamento clássico, pela classificação TNM, é mais descriminatório que as características biológicas na determinação do prognóstico. Para isto analisámos uma população de doentes com carcinoma da mama tratados consecutivamente na mesma instituição, durante 10 anos. Caracterizámos os fatores de prognóstico do estadiamento clássico incluídos na classificação TNM e as variantes biológicas, presentemente não incluídas na classificação TNM. Quantificámos a capacidade de cada um dos factores de prognóstico para para prever a sobrevivência. A população é de 1699 doentes com carcinoma da mama que foram tratádos com terapêutica sistémica adjuvante. Individualmente, cada um dos fatores de prognostico, clássicos ou biológicos, diferem significativamente entre doentes que sobrevivem e que não sobrevivem. Explicitamente, como previsto, doentes com tumores maiores, envolvimento dos gânglios axilares, estadios TNM mais avançados, que não expressam recetor de esrogéneo, com amplificação do gene Her2, triplos negativos ou de menor diferenciação têm menor sobrevida. Na análise multivariada, só os fatores de prognostico da classificação TNM, o grau histológico e a amplificação do gene Her2, esta última com menos significância estatistica são preditores independentes de sobrevivência. Capítulo 2: Em busca de novos factores de prognostico: Poder preditivo e mecanismo das alterações de centrossomas em carcinoma da mama Compilámos inúmeros grupos de experiências de genómica feitas em tumores primários de doentes com carcinoma da mama para as quais existe informação prognóstica. Estas experiências são feitas com o objectivo de descobrir novos factores de prognóstico. Reanalisámos os dados, repetindo a mesma pergunta: Quais são os genes com expressão diferencial estatisticamente significativa entre doentes que recaíram e doentes que não recaíram. Identificámos 65 genes nestas condições e o MKI67, o gene que codifica a proteina Ki67, estava nesse grupo. Identificámos vários genes que se sabe estarem envolvidos no processo de agregação de centrossomas. O gene que considerámos mais promissor foi a kinesina KiFC1, que já tinha sido identificada como regulador da agregação de centrossomas. Anomalias cetrossomais numéricas e estruturais têm sido observadas em neoplasias. Há dados correlacionando anolmalias centrossomais estruturais e e numéricas com o grau de malignidade e os eventos precoces da carcinogénese. Mas estas anomalias centrossomais têm um peso para a célula que deve adapatar-se ou entrará em apoptose. Os nossos resultados sugerem que existe um mecanismo adaptativo, a agregação de centrossomas, com impacto prognóstico negativo. O nosso objetivo foi quantificar o valor prognóstico das anomalias centrossomais no carcinoma da mama. Para isto usámos material de doentes dos quais sabemos a história natural. Avaliámos os genes de agregação de centrossomas, KIFC1 e TACC3, nas amostras tumorais arquivadas em parafina: primeiro com PCR (polymerase chain reaction) quantitativa e depois com imunohistoquímica (IHQ). Apenas a proteína KIFC1 foi discriminatória em IHQ, não se tendo conseguido otimizar o anticorpo da TACC3. Os níveis proteicos de KIFC1 correlacionam-se com mau prognóstico. Nas doentes que recaíram observámos, no tumor primário, maior abundância desta proteína com localização nuclear. Em seguida, demonstrámos que a agregação de centrossomas é um fenómeno que ocorre in vivo. Identificámos centrossomas agregados em amostras de tumores primários de doentes que recaíram. Tecnicamente usámos microscopia de fluorescência e IHQ contra proteínas centrossomais que avaliámos nos tumores primários arquivados em blocos de parafina. Observámos agregação de centrossomas num pequeno número de doentes que recaíram, não validámos, ainda, este fenótipo celular em larga escala. Parte 2: Como tratar com terapêutica sistémica os vários subtipos de carcinoma da mama Capítulo 3: Quantas doenças estão englobadas na definição carcinoma da mama triplo negativo? (revisão) O carcinoma da mama triplo negativo é um tumor que não expressa três proteínas: recetor de estrogénio, recetor de progesterona e o recetor do fator de crescimento epidermico tipo 2 (Her2). As doentes com estes tumores não são ainda tratadas com terapêutica dirigida, possivelmente porque esta definição negativa não tem ajudado. Sabemos apenas as alterações genéticas que estes tumores não têm, não as que eles têm. Talvez por esta razão, estes tumores são o subtipo mais agressivo de carcinoma da mama. No entanto, na prática clínica observamos que estas doentes não têm sempre mau prognóstico, além de que dados de histopatologia e epidemiologia sugerem que esta definição negativa não está a capturar um único subtipo de carcinoma da mama, mas vários. Avaliámos criticamente esta evidência, clínica, histopatológica, epidemiológica e molecular. Há evidência de heterogeneidade, mas não é claro quantos subtipos estão englobados nesta definição de carcinoma da mama triplo negativo. A resposta a esta pergunta, e a identificação do fundamento molecular desta heterogeneidade vai ajudar a melhor definir o prognóstico e eventualmente a definir novos alvos terapêuticos nesta população difícil. Capítulo 4: Terapêuica sistémica em carcinoma da mama triplo negativo (revisão) A quimioterapia é a única terapêutica sistémica disponível para as doentes com carcinoma da mama triplo negativo, ao contrário dos outros dois subtipo de carcinoma da mama que têm com a terapêutica antiestrogénica e anti Her2, importantes benefícios. Apesar de terem surgido várias opções terapêuticas para estes doentes nennhuma terapêutica dirigida foi validada pelos ensaios clínicos conduzidos, possivelmente porque a biologia deste carcinoma ainda não foi elucidada. Muitos ensaios demonstram que os tumores triplos negativos beneficiam com quimioterapia e que as mais altas taxas de resposta patológica completa à terapêutica neoadjuvante são observadas precisamente nestes tumors. A resposta patológica completa correlaciona-se com a sobrevivência. Estamos a estudar regimes adjuvantes específicos para doentes com estes tumors, mas, neste momento, regimes de terceira geração com taxanos e antraciclinas são os mais promissores. O papel de subgrupos de fármacos específicos, como os sais de platina, mantémse mal definido. Quanto às antraciclinas e taxanos, estes grupos não mostraram beneficio específico em carcinoma da mama triplo negativo quando comparado com os outros subtipos. Os próprios carcinomas da mama triplos negativos são heterogéneos e carcinomas da mama basais triplos negativos com elevada taxa de proliferação e carcinomas da mama triplos negativos surgidos em doentes com mutação germinal BRCA1 poderão ser mais sensíveis a sais de platino e menos sensíveis a taxanos. Como a definição molecular ainda não foi explicada a busca de terapêutica dirigida vai continuar. Capítulo 5: Ensaio randomizado de fase II do anticorpo monoclonal contra o recetor do fator de crescimento epidérmico tipo 1 combinado com cisplatino versus cisplatino em monoterapia em doentes com carcinoma da mama triplo negativo metastizado O recetor do fator de crescimento epidérmico tipo 1 está sobre expresso nos tumores das doentes com carcinoma da mama triplo negativo metastizado, um subtipo agressivo de carcinoma da mama. Este ensaio investigou a combinação de cetuximab e cisplatino versus cisplatino isolado em doentes deste tipo. Doentes em primeira ou segunda linha de terapêutica para doença metastizada foram randomizadas, num sistema de 2 para 1, para receber até 6 ciclos da combinação de cisplatino e cetuximab ou cisplatino isolado. Às doentes randomizadas para o braço de monoterapia podiamos, após progressão, acrescentar cetuximab ou tratá-las com cetuximab isolado. O objetivo primário foi a taxa de resposta global. Os objetivos secundários foram a sobrevivência livre de doença, a sobrevivência global e o perfil de segurança dos fármacos. A população em análise foram 115 doentes tratadas com a combinação e 58 doentes tratadas com cisplatino em monoterapia, 31 destas em quem se documentou progressão passaram a ser tratadas com um regime que incluía cetuximab, isolado ou em combinação. A taxa de resposta global foi de 20% no braço da combinaçao e de 10% no braço da monoterapia (odds ratio, 2.13). A sobrevivência livre de doença foi de 3.7 meses no braço da combinação e de 1.5 meses no braço em monoterapia (hazard ratio, 0.67). A sobrevivência global foi de 12.9 meses no braço da combinação versus 9.4 meses no braço de cisplatino. Conclui-se que, apesar de não ter sido alcançado o objectivo primário, acrescentar cetuximab, duplica a resposta e prolonga tanto a sobrevivência livre de doença como a sobrevivência global. Capítulo 6: Bloquear a angiogénese para tratar o carcinoma da mama (revisão) A angiogénese é uma característica que define a neoplasia, porque tumores com mais de 1mm precisam de formar novos vasos para poderem crescer. Desde que se descobriram as moléculas que orquestram esta transformação, que se têm procurado desenvolver e testar fármacos que interfiram com este processo. No carcinoma da mama o bevacizumab foi o primeiro fármaco aprovado pela FDA em primeira linha para tratar doença metastática. Depois foram estudados um grupo de inibidores de tirosina cinase associados aos recetores transmembranares envolvidos na angiogénese como o VEGFR, PDGFR, KIT, RET, BRAF e Flt3: sunitinib, sorafenib, pazopanib e axitinib Neste capítulo, analisaram-se e resumiram-se os dados dos ensaios clínicos das drogas anti-angiogénicas no tratamaneto do carcinoma da mama. Os ensaios de fase III do bevacizumab em carcinoma da mama mostraram uma redução na progressão de doença de 22 a 52% e aumento da sobrevivência livre de doença de 1.2 a 5.5 meses mas nunca foi demonstrado prolongamento de sobrevivência. Os ensaios de fase III em carcinoma da mama adjuvante com bevacizumab são dois e foram ambos negativos. O ensaio de fase III com o inibidor da tirosina cinase, sunitinib foi negativo, enquanto que os ensaios de fase II com os inibidores da tirosina cinase sorafenib e pazopanib melhoraram alguns indicadores de resposta e sobrevivência. A endostatina foi testada no contexto neoadjuvante com antraciclinas e melhorou a taxa de resposta, mas, mais ensaios são necessários para estabelecer este fármaco. A maioria dos ensaios clínicos dos agentes antiangiogénicos em carcinoma da mama reportaram aumento da taxa de resposta e de sobrevivência livre de doença mas nunca aumento da sobrevivência global quando comparado com quimioterapia isolada o que levou ao cepticismo a que assistimos atualmente em relação ao bloqueio da angiogénese. Ensaios clínicos selecionados em doentes específicas com objetivos translacionais relacionados com material biológico colhido, preferefencialmente em diferentes intervalos da terapêutica, serão cruciais para o bloqueio da angiogénese sobreviver como estratégia terapêutica em carcinoma da mama. Capítulo 7: A resposta à hipoxia medeia a resistência primária ao sunitinib em carcinoma da mama localmente avançado O sunitinib é um fármaco antiangiogénico que nunca foi avaliado isolado em doentes com carcinoma da mama não tratadas. O nosso objetivo foi caracaterizar a atividade do sunitinib isolado e em combinação com o docetaxel em carcinoma da mama não tratado, localmente avançado ou operável, mas de dimensão superior a 2 cm, para compreender os mecanismos de resposta. Doze doentes foram tratadas com duas semanas iniciais de sunitinib seguido de quatro ciclos de combinação de sunitinib e docetaxel. A resposta, a reistência e a toxicidade foram avaliadas de acordo com parametros clínicos, ressonância magnética nuclear, tomografia de emissão de positrões, histopatologia e perfis de expressão genómica. Detetámos resistência primária ao sunitinib na janela inicial de duas semanas, evidenciada em quatro doentes que não responderam. À data da cirurgia, cinco doentes tinham tumor viável na mama e axila, quatro tinahm tumor viável na mama e três foram retiradas do ensaio. Não houve respostas patológicas completas. A comparação dos perfis de expressão genómica entre os respondedores e os não respondedores, aos quinze dias iniciais, permitiu-nos identificar sobre expressão de VEGF e outras vias angiogénicas nos não respondedores. Especificamente, em tumores resistentes ao sunitinib isolado detectámos uma resposta transcricional à hipoxia caracterizada por sobre expressão de vários dos genes alvo do HIF1α. Neste ensaio de sunitinib isolado em doentes não tratadas com carcinoma da mama localmente avançado, encontrámos evidência molecular de resistência primária ao sunitinib possivelmente mediada por sobre expressão de genes que respondem à hipoxia. Parte 3: Quando parar a terapêutica sistémica às doentes com carcinoma da mama Capítulo 8: Agressividade terapêutica ns últimos três meses de vida num estudo retrospetivo dum centro único Incluímos todos os adultos que morreram com tumores sólidos na instituição em 2003 e foram tratados com quimioterapia para tratar neoplaias metastizadas. Colhemos dados detalhados relacionados com quimioterapia e toxicidade nos últimos três meses de vida a partir do processo clínico. Trezentas e dezanove doentes foram incluídos, a mediana de idade foi 61 anos. A mediana de sobrevivência de doença metastática foi de 11 meses. 66% (211) dos doentes foram tratados com QT nos últimos 3 meses de vida, 37% foram tratados com QT no úlimo mês de vida e 21% nas últimas duas semanas. Nos doentes que foram tratados com QT nos últimos três meses de vida, 50% começaram um novo regime terapêutico neste período e 14% começaram um novo regime no último mês. Identificámos como determinantes de tratamento com QT no fim de vida a idade jovem, o carcinoma da mama, do ovário e do pâncreas. Concluímos que administrámos QT no fim de vida frequentemente e iniciámos novos regimes terapêuticos no último mês de vida em 14% dos casos. Precisamos de aprofundar este trabalho para compreender se esta atitude agressiva resulta em melhor paliação de sintomas e qualidade de vida no fim de vida dos doentes com neoplasias disseminadas. Capítulo 9: O tratamento do carcinoma da mama no fim de vida está a mudar? Quisémos caracterizar a modificação da tendência no uso de QT e de estratégias paliativas no fim de vida das doentes com carcinoma da mama em diferentes instituições e em intervalos de tempo diferentes. Para isto selecionámos doentes que morreram de carcinoma da mama durante 6 anos, entre 2007 e 2012, num hospital geral e comparámos com as doentes que morreram de carcinoma da mama em 2003 num centro oncológico. Avaliámos um total de 232 doentes. O grupo mais recente tem 114 doentes e o grupo anterior tem 118 doentes. Usámos estatística descritiva para caracterizar QT no fim de vida e o uso de estratégias paliativas. Ambas as coortes são comparáveis em termos das características do carcinoma da mama. Observámos aumento do uso de estatégias paliativas: consulta da dor, consulta de cuidados paliativos e radioterapia paliativa no cuidado das doentes com carcinoma da mama metastizado. Evidenciámos aumento do número de mortes em serviços de cuidados paliativos. No entanto, a QT paliativa continua a ser prolongada até aos últimos meses de vida, embora tenhamos mostrado uma diminuição desta prática. Outros indicadores de agressividade como a admissão hospitalar também mostraram diminuição. Confirmámos a nossa hipótese de que há maior integração da medicina paliativa multidisciplinar e menos agressividade na terapêutica sistémica das doentes com carcinoma da mama nos últimos meses de vida. Chapter 10: Porque é que os nossos doentes são tratados com quimioterapia até ao fim da vida? (editorial) Este capítulo começa por dar o exmeplo duma jovem de 22 anos que viveu três meses após começar QT paliatva. Este caso epitomiza a futilidade terapêutica e é usado como ponto de partida para explorar as razões pelas quais administramos QT no fim de vida aos doentes quando é inútil, tóxica, logisticamente complexa e cara. Será que estamos a prescrever QT até tarde demais? Os oncologistas fazem previsões excessivamente otimistas e têm uma atitude pró terapêutica excessiva e são criticados por outros intervenientes nas instituições de saúde por isto. Crescentemente doentes, familiares, associações de doentes, definidores de políticas de saúde, jornalistas e a sociedade em geral afloram este tema mas tornam-se inconsistentes quando se trata dum doente próximo em que se modifica o discurso para que se façam terapêuticas sitémicas agressivas. Há uma crescente cultura de preservação da qualidade de vida, paliação, abordagem sintomática, referenciação a unidades de cuidados paliativos e outros temas do fim de vida dos doentes oncológicos terminais. Infelizmente, este tema tem ganhado momentum não porque os oncologistas estejam a refletir criticamente sobre a sua prática, mas porque os custos dos cuidados de saúde são crescentes e incomportáveis. Seja qual fôr o motivo, as razões que levam os oncologistas a administrar QT no fim de vida devem ser criticamente elucidadas. Mas há poucos dados para nos guiar nesta fase delicada da vida dos doentes e os que existem são por vezes irreconciliáveis, é uma revisão destes dados que foi feita neste capítulo. Conclusão: A abordagem do carcinoma da mama no futuro? Na conclusão, tenta-se olhar para o futuro e prever como será a tomada a cargo dum doente com carcioma da mama amanhã. Faz-se uma avaliação das várias àreas desde prevenção, rastreio, suscetibilidade genética e comportamental e terapêutica. Na terapêutica separa-se a terapêutica locoregional, sistémica adjuvante e da doença metastizada. Nos três últimos parágrafos a história duma mulher com um carcinoma localmente avançado que sobre expressa o recetor Her2, serve como ilustração de como devemos estar preparados para incorporar evolução, heterogeneidade e dinamismo no cuidado de doentes com carcinoma da mama. -------------------------------------------------------------------------------------------------- ABSTRACT: Introduction: Breast cancer care in the past This work starts with an overview of the treatment of breast cancer (BC). From the first reports of patients ill with BC until 1950. From 1950 until 2000, there is a more detailed account on how BC patients were treated with emphasis on the different modalities, local, regional and systemic treatments and their evolution. Part 1: Who to treat with adjuvant systemic therapy? Chapter 1: TNM is not dead in breast cancer It has been said that the current TNM staging system might not be suitable for predicting breast cancer (BC) outcomes and for making therapeutic decisions, especially for patients with screen detected BC which is smaller. The reason for this is also due to the non inclusion of tumor biology parameters in the current TNM system. We hypothesize that in a population where there is still a large abundance of non screen detected BC, with a low median age of incidence and abundance of high TNM staged lesions, biology is still second to classical staging in predicting prognosis. We analyzed a population of consecutive BC patients from a single institution during ten years. We characterized current established prognostic factors, classical staging variables included in the current TNM staging system and biological variables, currently not included in the TNM system. We quantified the capacity of individual prognostic factors to predict survival. We analyzed a population of 1699 consecutive BC patients. We found that individually both the TNM system prognostic factors and the biological prognostic factors are differing among BC survivors and dead patients in a statistically significant distribution. Explicitly, patients with larger tumors, positive nodes, higher stage lesions, ER negative, HER2 positive, TN or lower differentiation tumors show decreased survival. In the multivariate analysis we can conclude that in a population such as ours classical TNM staging variables, irrespective of tumor biological features, are still the most powerful outcome predictors. Chapter 2: Defining breast cancer prognosis: The predictive power and mechanism of centrosome alterations in breast cancer We performed a systematic analysis of the literature and compiled an extensive data set of gene expression data originated in primary tumours of BC patients with prognostic information. We analysed this data seeking for genes consistently up or down regulated in

Designing Rational Combination Strategies for Overcoming Drug Resistance in Breast Cancer

Drug resistance is a ubiquitous problem in the therapeutic management of breast cancer, even in the context of next-generation targeted therapies where only modest clinical improvements have been observed despite a tumors mutational load for a given target pathway or intrinsic subtype. To devise effective anti-cancer treatment strategies, new systems-based methods are needed to fully interpret factors underlying drug responses encompassing both genetic and non-genetic mechanisms. Here we developed two approaches towards designing novel combination strategies for overcoming drug resistance. First, using an unbiased chemoproteomics approach, we profiled kinome dynamics across breast cancer cells in response to various targeted therapies and identified signaling changes that correlate with drug sensitivity. This signaling map identified survival factors whose presence limits the efficacy of targeted therapies and revealed AURKA as a new co-targeting opportunity to enhance the therapeutic efficacy of PI3K-pathway inhibitors in breast cancer. Second, we used single-cell transcriptomics data and pharmacogenomic modeling as a way to inform upfront drug combinations based on systematic analysis of tumor subpopulation architectures. Using in silico and experimental approaches, our study provides an effective new framework to discover drug combinations capable of counteracting intrinsic cell variability by predicting drug responses of single cells within tumor cell subpopulations and systematically links transcriptional heterogeneity with drug actionability to optimize therapy combinations

Improving treatment of glioblastoma: new insights in targeting cancer stem cells effectively

Glioblastoma is the most common primary malignant brain tumour in the adult population. Despite multimodality treatment with surgery, radiotherapy and chemotherapy, outcomes are very poor, with less than 15% of patients alive after two years. Increasing evidence suggests that glioblastoma stem cells (GSCs) are likely to play an important role in the biology of this disease and are involved in treatment resistance and tumour recurrence following standard therapy. My thesis aims to address two main aspects of this research area: 1) optimization of methods to evaluate treatment responses of GSCs and their differentiated counterparts (non-GSCs), with a particular focus on a tissue culture model that resembles more closely the tumoral niche; 2) characterization of cell division and centrosome cycle of GSCs, investigating possible differences between these cells and non-GSCs, that would allow the identification of targets for new therapeutic strategies against glioblastomas. In the first part of my project, I optimized a clonogenic survival assay, to compare sensitivity of GSCs and non-GSCs to various treatments, and I developed the use of a 3-dimentional tissue culture system, that allows analysis of features and radiation responses of these two subpopulations in the presence of specific microenvironmental factors from the tumoral niche. In the second part, I show that GSCs display mitotic spindle abnormalities more frequently than non-GSCs and that they have distinctive features with regards to the centrosome cycle. I also demonstrate that GSCs are more sensitive than non-GSCs to subtle changes in Aurora kinase A activity, which result in a rapid increase in polyploidy and subsequently in senescence, with a consistent reduction in clonogenic survival. Based on these findings, I propose that kinases involved in the centrosome cycle need to be explored as a novel strategy to target GSCs effectively and improve outcomes of glioblastoma patients

Precision Medicine in Solid Tumors

In the era of precision medicine, the use of molecularly targeted therapies in selected patients has led to a paradigm change in cancer treatment. Multiple studies have demonstrated the benefits of therapies that are chosen based on the molecular profile of the tumor and also from the liquid biopsy. With genomics' increasing ability, a routine transcriptomics analysis of advanced/metastatic cancers is now feasible in most cancer hospitals, including community cancer centers. This is an unprecedented shift in the management of cancers irrespective of their organ types, which not only improved the outcome but also opened several new avenues in research and practice, such as immune-check-point inhibitors, tumor-TME co-evolution in the development of resistance, longitudinal liquid biopsies, biomarkers screening and the management of electronic medical records.This book brings together these crucial areas of investigation. The research presented here attempts to address the current issues to provoke thoughts for the future. The future of precision medicine will have to embrace a shift from in vitro, in vivo/PDX models for the mechanistic study to a more functional test based on the scientific interrogation of genomic data, in the form of functional precision medicine. We will also have to combat the element of noise in the multitudes of data and impart the regulatory structure to make judicious use of the data. The expectations for functional precision medicine are high. We aspire to witness a tremendous improvement in patient outcomes, from better to best, down the road that will match the clinical guidelines

Tumorspheres as an in vitro model for cancer stem-like cell characterization in non-small cell lung cancer. Prognostic implications

[ES] El cáncer de pulmón es el tipo de cáncer más frecuentemente diagnosticado y la principal causa de muerte debida a cáncer en el mundo, con sólo un 15% de pacientes con una supervivencia mayor a 5 años tras el diagnóstico. La resección quirúrgica es el tratamiento estándar para los pacientes en estadios tempranos con un buen ECOG, pero el 75% de los pacientes son diagnosticados en estadios avanzados, cuando la intervención quirúrgica no es posible y entre un 35% y un 50% de los pacientes operados recaen tras una cirugía aparentemente exitosa. En los últimos años, se han logrado importantes avances en el desarrollo de la inmunoterapia y de tratamientos contra mutaciones conductoras, pero muchos pacientes todavía desarrollan resistencia, progresan y mueren. Esta resistencia terapéutica ha sido asociada a las células madre tumorales (CMTs), una población tumoral con propiedades de célula madre capaz de sobrevivir a las terapias convencionales y regenerar el tumor incluso cuando son indetectables. En esta tesis doctoral, se establecieron cultivos primarios de pacientes de cáncer de pulmón no microcítico (CPNM) resecados, usando ensayos de formación de tumoresferas para el enriquecimiento en CMTs y condiciones de adherencia para los controles. Las tumoresferas derivadas de pacientes mostraron capacidad de autorenovación y crecimiento exponencial ilimitado, alta resistencia a agentes quimioterápicos, capacidad de invasión y diferenciación in vitro y un elevado potencial tumorigénico in vivo. Usando PCR cuantitativa, se analizaron los perfiles de expresión de los cultivos y se determinó que NANOG, NOTCH3, CD44, CDKN1A, SNAI1 e ITGA6 eran los genes más diferencialmente expresados entre tumoresferas y células adherentes. Los análisis de inmunoblot e inmunofluorescencia confirmaron que las proteínas codificadas por estos genes se encuentran aumentadas en tumoresferas de los pacientes con adenocarcinoma y mostraron patrones de expresión y localización diferencial entre éstas y los controles en adherencia. El valor pronóstico de los genes significativamente sobreexpresados en tumoresferas fue evaluado in silico en una cohorte de 661 pacientes con CPNM procedente del TCGA. De todos ellos, CDKN1A, SNAI1 y ITGA6 mostraron estar relacionados con el pronóstico de los pacientes de acuerdo a un análisis de regresión de Cox y fueron seleccionados para construir una firma de expresión génica, denominada firma de CMTs. Los análisis de supervivencia por Kaplan-Meier mostraron que los pacientes con valores elevados de la firma tienen una supervivencia global (SG) menor para la cohorte completa de CPNM [37,7 vs. 60,40 meses, p = 0,001] y para la subcohorte de adenocarcinoma (ADC) [36,6 vs. 53,5 meses, p = 0,003], pero no para la de los epidermoides. Además, el análisis multivariante mostró que la firma de CMTs es un marcador pronóstico independiente para la SG de los pacientes en la cohorte completa [hazard ratio (HR): 1,498; intervalo de confianza (IC) 95%, 1,167-1,922; p = 0,001] y la subcohorte de ADC [HR: 1,869; IC 95%, 1,275-2,738; p = 0,001]. Esta firma fue también analizada en un grupo independiente de 245 pacientes procedentes del Consorci Hospital General Universitari de València, confirmando su valor pronóstico en los pacientes con ADC [42,90 vs. no alcanzado (NA) meses, p = 0,020]. En resumen, nuestros hallazgos aportan información pronóstica relevante para los pacientes con ADC de pulmón y establecen las bases para el desarrollo de nuevos tratamientos.[CA] El càncer de pulmó és el tipus de càncer més diagnosticat i la principal causa de mort deguda a càncer en el món, amb només un 15% de pacients amb una supervivència major a 5 anys després del diagnòstic. La resecció quirúrgica és el tractament estàndard per als pacients en estadis primaris amb un bon ECOG, però el 75% dels pacients són diagnosticats en estadis avançats, quan la intervenció quirúrgica no és possible i entre un 35% i un 50% dels pacients operats recauen després d'una cirurgia aparentment satisfactòria. En els últims anys, s'han aconseguit importants avanços en el desenvolupament de la immunoteràpia i de tractaments contra mutacions conductores, però molts pacients encara desenvolupen resistència, progressen i moren. Aquesta resistència a les teràpies ha estat relacionada amb les cèl·lules mare tumorals (CMTs), una població tumoral amb propietats de cèl·lula mare capaç de sobreviure a les teràpies convencionals i regenerar el tumor fins i tot quan són indetectables. En aquesta tesi doctoral, es van establir cultius primaris de pacients de càncer de pulmó no microcític (CPNM) ressecats, usant assajos de formació de tumoresferes per a l'enriquiment en CMTs i condicions d'adherència per als controls. Les tumoresferes derivades de pacients van mostrar capacitat d'autorenovació, creixement exponencial il·limitat, alta resistència a agents quimioteràpics, capacitat d'invasió i diferenciació in vitro i un elevat potencial tumorigènic in vivo. Usant PCR quantitativa, es van analitzar els perfils d'expressió dels cultius i es va determinar que NANOG, NOTCH3, CD44, CDKN1A, SNAI1 i ITGA6 eren els gens més diferencialment expressats entre tumoresferes i cèl·lules adherents. Les anàlisis de immunoblot i immunofluorescència van confirmar que les proteïnes codificades per aquests gens es troben augmentades en tumoresferes dels pacients amb adenocarcinoma i van mostrar patrons d'expressió i localització diferencial entre aquestes i els controls en adherència. El valor pronòstic dels gens significativament sobreexpressats en tumoresferes va ser avaluat in silico en una cohort de 661 pacients amb CPNM procedent del TCGA. De tots ells, CDKN1A, SNAI1 i ITGA6 van mostrar estar relacionats amb el pronòstic dels pacients d'acord a una anàlisi de regressió de Cox i van ser seleccionats per a construir una signatura d'expressió gènica, denominada signatura de CMTs. Les anàlisis de supervivència per Kaplan-Meier van mostrar que els pacients amb valors elevats de la signatura tenen una supervivència global (SG) menor per a la cohort completa de CPNM [37,7 vs. 60,40 mesos, p = 0,001] i per a la subcohort d'adenocarcinoma (ADC) [36,6 vs. 53,5 mesos, p = 0,003], però no per a la dels escamosos. A més, l'anàlisi multivariant va mostrar que la signatura de CMTs és un marcador pronòstic independent per a la SG dels pacients en la cohort completa [hazard ratio, (HR): 1,498; interval de confiança (IC) 95%, 1,167-1,922; p = 0,001] i la subcohort d'ADC [HR: 1,869; IC 95%, 1,275-2,738; p = 0,001]. Aquesta signatura va ser també analitzada en un grup independent de 245 pacients procedents del Consorci Hospital General Universitari de València, confirmant el seu valor pronòstic en els pacients amb ADC [42,90 vs. no arribat (NA) mesos, p = 0,020]. En resum, els nostres resultats aporten informació pronòstica rellevant per als pacients amb ADC de pulmó i estableixen les bases per al desenvolupament de nous tractaments.[EN] Lung cancer is the most commonly diagnosed type of cancer and the leading cause of cancer-related death worldwide, with approximately 15% of patients surviving 5 years after diagnosis. Curative surgery is the standard of care for early-stage patients with a good performance status, but 75% are diagnosed at advances stages, when surgery is not possible, and 35-50% of the resected patients relapse after an apparently successful surgical treatment. Significant advances in the development of therapies against driver mutations and immune-based treatments for these patients have been achieved in recent years, but many patients still develop treatment resistance, progress, and die. The high resistance against these therapies has been associated to cancer stem-like cells (CSCs), a population with stem properties which is able to survive after conventional treatments and regenerate tumor even when are undetectable. In this thesis, primary cultures from early-stage non-small cell lung cancer (NSCLC) patients were established, using sphere-forming assays for CSCs enrichment and adherent conditions for the control counterparts. Patient-derived tumorspheres showed self-renewal and unlimited exponential growth potentials, resistance against chemotherapeutic agents, invasion and differentiation capacities in vitro, and superior tumorigenic potential in vivo. Using RTqPCR, gene expression profiles were analyzed, and NANOG, NOTCH3, CD44, CDKN1A, SNAI1, and ITGA6 were selected as the best contributors to distinguish tumorspheres from adherent cells. Immunoblot and immunofluorescence analyses confirmed that proteins encoded by these genes were consistently increased in tumorspheres from adenocarcinoma patients and showed differential localization and expression patterns. The prognostic role of genes significantly overexpressed in tumorspheres was evaluated in silico in a cohort of 661 NSCLC patients from TCGA. Based on a Cox regression analysis, CDKN1A, SNAI1 and ITGA6 were found to be associated with prognosis and used to calculate a gene expression score, named CSCs score. Kaplan-Meier survival analysis showed that patients with high CSCs score have shorter overall survival (OS) in the entire cohort [37.7 vs. 60.4 months, p = 0.001] and in the adenocarcinoma (ADC) subcohort [36.6 vs. 53.5 months, p = 0.003], but not in the squamous cell carcinoma one. Multivariate analysis indicated that this gene expression score is an independent biomarker of prognosis for OS in both, the entire cohort [hazard ratio (HR): 1.498; 95% confidence interval (CI), 1.167-1.922; p = 0.001], and the ADC subcohort [HR: 1.869; 95% CI, 1.275-2.738; p = 0.001]. This score was also analyzed in an independent group of 245 patients from Consorci Hospital General Universitari de València, confirming its prognostic value in the ADC subtype [42.90 vs. not reached (NR) months, p = 0.020]. In conclusion, our findings provide relevant prognostic information for lung ADC patients and the basis for developing novel therapies.Herreros Pomares, A. (2020). Tumorspheres as an in vitro model for cancer stem-like cell characterization in non-small cell lung cancer. Prognostic implications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137036TESI

Genomic and machine-learning analysis of germline variants in cancer

Cancer often develops from specific DNA alterations, and these cancer-associated mutations influence precision cancer treatment. These alterations can be specific to the tumor DNA (somatic mutations) or they can be heritable and present in normal and tumor DNA (germline mutations). Germline variants can affect how patients respond to therapy and can influence clinical surveillance of patients and their families. While identifying cancer-associated germline variants traditionally required studying families with inherited cancer predispositions, large-scale cancer sequencing cohorts enable alternative analysis of germline variants. In this dissertation, we develop and apply multiple strategies for analyzing germline DNA from cancer sequencing cohorts. First, we develop the Tumor-Only Boosting Identification framework (TOBI) to learn biological features of true somatic mutations and generate a classification model that identifies DNA variants with somatic characteristics. TOBI has high sensitivity in identifying true somatic variants across several cancer types, particularly in known driver genes. After predicting somatic variants with TOBI, we assess the identified somatic-like germline variants for known oncogenic germline variants and enrichment in biological pathways. We find germline and somatic variants inactivating the Fanconi anemia pathway in 11% of patients with bladder cancer. Finally, we investigate germline, diagnosis, and relapse variants in a large cohort of patients with pediatric acute lymphoblastic leukemia (ALL). Our somatic analysis captures known ALL driver genes, and we describe the sequential order of diagnosis and relapse mutations, including late events in NT5C2. We apply both the TOBI framework and guidelines American College of Medical Genetics and Genomics to identify potentially cancer-associated germline variants, and nominate nonsynonymous variants in TERT and ATM