Nutzung der chemischen Modifikationen von RNA-Molekülen zur Diagnose und Behandlung von Hirntumoren (EPIGLIO)

Diffuse Gliome gehören zu den häufigsten Tumoren des Zentralnervensystems mit hoher Morbidität und Mortalität und sehr begrenzten therapeutischen Möglichkeiten. Diffuse Gliome zeichnen sich durch eine große Variabilität hinsichtlich des Diagnosealters, der histologischen und molekularen Merkmale, der Klassifizierung, der Fähigkeit zur Progression zu einem höheren Grad und/oder zur Ausbreitung im Gehirn, dem Ansprechen auf die Behandlung und dem Patientenergebnis aus. Eine der größten Herausforderungen bei der Behandlung diffuser Gliome hängt mit der Heterogenität des Tumorverhaltens innerhalb derselben Tumoruntergruppe zusammen. Obwohl in den letzten Jahrzehnten Anstrengungen unternommen wurden, die Tumorcharakterisierung und -klassifizierung zu verbessern, ist durch die Integration molekularer Marker (z. B. Aufgrund der Mutation der Isocitrat-Dehydrogenase (IDH) ist es weiterhin schwierig, das Ansprechen auf die Behandlung und das Ergebnis für den Patienten auf individueller Ebene vorherzusagen. Dennoch ist eine genaue Tumorklassifizierung von größter Bedeutung, um eine personalisierte Therapie auszuwählen oder unnötige Behandlungen zu vermeiden. Derzeit basieren die wichtigsten diagnostischen Methoden zum Nachweis von Gliomen auf histopathologischen Merkmalen, dem Nachweis von Mutationen oder der Variation der Chromosomenkopienzahl.

Allerdings bleiben insbesondere bei der Tumorklassifizierung aufgrund der Tumorheterogenität und der Stichprobenverzerrung bei Tumoren, die aus kleinen Biopsien gewonnen wurden, weiterhin Schwierigkeiten bestehen. Insbesondere können Gliome vom Grad 2 („low-grade“) und Grad 3 („high-grade“) nicht einfach unterschieden werden, da intratumorale Heterogenität des Tumorgrades bei Patienten, die mit ausgedehnter chirurgischer Resektion behandelt werden, nicht ungewöhnlich ist. Eine weitere Herausforderung bei Gliomen ist die Längsschnittüberwachung des Krankheitsverlaufs, die derzeit hauptsächlich auf wiederholten MRT-Scans des Gehirns beruht, ohne dass eine Rückkehr zum Tumor selbst erfolgt, da es in diesem Umfeld schwierig ist, neue Tumorproben zu gewinnen. Neue Instrumente zur Erkennung von Tumorveränderungen im Plasma, bevor bildgebende Veränderungen auftreten, wären nützlich. Allerdings stellen zirkulierende Marker eine echte Herausforderung dar, da der Nachweis von Markern, die bei anderen Krebsarten (z. B. zirkulierende freie DNA und zirkulierende Tumorzellen) wird durch mangelnde Empfindlichkeit bei Gliomen beeinträchtigt.

Für Gliome wurden mehrere genetische, epigenetische, metabolische und immunologische Profile erstellt, die das Wissen über die biologischen Eigenschaften dieser Tumoren erheblich erweitern und bei der Identifizierung möglicher Behandlungen helfen. In jüngster Zeit hat sich die Welt der RNA zu einem vielversprechenden Forschungsgebiet für die Krebstherapie entwickelt, insbesondere seit der (Wieder-)Entdeckung chemischer Modifikationen der RNA (Epitranskriptomik). Bisher wurden über 150 Arten posttranskriptioneller Modifikationen an verschiedenen RNA-Molekülen beschrieben. Dieser Landschaftskomplex chemischer Markierungen verkörpert einen neuen, unsichtbaren Code, der das posttranskriptionelle Schicksal der RNA regelt: Stabilität, Spleißen, Speicherung, Übersetzung. Wichtig ist, dass sich die RNA-Epigenetik als eine neue Ebene der Genexpressionsregulation in gesunden Geweben sowie bei anderen Pathologien wie Krebs herausgestellt hat.

Chemische Marker werden mit der Entstehung und Anpassung von Krebs sowie mit der Reaktion auf konventionelle Therapien in Verbindung gebracht. Basierend auf diesen Beobachtungen wird angenommen, dass: (1) sich die epigenetische RNA-Landschaft mit dem Fortschreiten des Krebses weiterentwickelt und eine „chemische Signatur“ etabliert, die für diagnostische, prognostische und behandlungsbezogene Vorhersagezwecke genutzt werden könnte; (2) Bei mehreren chemischen Markierungen handelt es sich nicht um bloße „vorübergehende“ Veränderungen, sondern vielmehr um „treibende“ Veränderungen des Tumorentstehungsprozesses. (3) Im Gegensatz zu unmodifizierten Nukleosiden werden modifizierte Nukleoside nach der Zirkulation im Blut bevorzugt als Stoffwechselendprodukte im Urin ausgeschieden. Dadurch können veränderte RNA-Marker in Krebsgewebe im Urin und Blut nachgewiesen und für diagnostische Zwecke genutzt werden. Ein kürzlich veröffentlichter origineller Ansatz kombiniert die Multiplex-Analyse von RNA-Markierungen mittels Massenspektrometrie mit Bioinformatik und maschinellem Lernen. Unter Verwendung von Gesamt-RNA-Proben, die aus einer bestehenden Patientenkohorte (59 Gliome Grad 2, 3 und 4; 19 nicht krebsartige Kontrollproben) extrahiert wurden, wurde eine erste „chemische Signatur“ erstellt, die den Grad des Glioms mit bemerkenswerter Effizienz und Genauigkeit vorhersagen kann.

N6, 2'-O-Dimethyladenosin (m6Am), der am stärksten hochregulierte Marker beim Glioblastom (GBM), ist ein Treiber für die Aggressivität von Darmkrebs. m6Am befindet sich am 5'-Ende der Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) und kann die Stabilität und Translationseffizienz der mRNA beeinflussen. Diese chemische Markierung wird durch den Phosphorylated Carboxyl Terminal Domain Interacting Factor 1 (PCIF1), auch bekannt als CAPAM (PCIF1/CAPAM) Methyltransferase (Writer), abgelagert und durch die Fat Mass and Obesity-associated Protein (FTO) Demethylase (Eraser) entfernt. FTO ist in kolorektalen Krebsstammzellen (CSCs) herunterreguliert, was mit einer Anreicherung von m6Am vereinbar ist. Hohe Mengen an m6Am verbessern die CSC-Eigenschaften wie die In-vivo-Tumorinitiierung und Chemoresistenz erheblich, ohne dass sich das Transkriptom wesentlich verändert. Dieser aggressive Phänotyp kann durch die Hemmung von PCIF1 umgekehrt werden, was das Potenzial der gezielten Bekämpfung epigenetischer RNA-Effektoren zeigt. Die vorläufigen Daten zu von Patienten stammenden Gliomzelllinien deuten auf einen ähnlichen Mechanismus bei Gliomen hin, bei dem eine Herunterregulierung von FTO die Fähigkeit zur Kugelbildung in Suspensionskulturen von GBM-Stammzellen fördert.

(3) Es wurde eine Methode zum Nachweis von RNA-Markern in Plasmaproben entwickelt, die nach der Analyse von Plasmaproben aus einer Darmkrebskohorte günstige Ergebnisse lieferte. Das gleiche Verfahren wurde verwendet, um vorläufige Daten durch die Analyse von Plasmaproben von Gliompatienten 2. Grades im Vergleich zu gesunden Spendern zu erhalten. Dieses Experiment bestätigte die Möglichkeit, 20 zirkulierende Nukleoside im Blut nachzuweisen und zu quantifizieren. Für einige der zirkulierenden Nukleoside wurden signifikante Veränderungen zwischen gesunden Spendern und Gliompatientenproben nachgewiesen. Einige wurden hochreguliert (z. B. n6,2'-O-Dimethyladenosin (m6Am), 1-Methylguanosin (m1G)), während andere herunterreguliert wurden (z. B. Adenosin (A), 5-Methoxycarbonylmethyl-2-thiouridin (mcm5s2U)). Wichtig ist, dass nicht alle erkannten markierten RNAs verändert waren (z. B. N1-Methyladenosin (m1A); 5-Methylcytosin (m5C)). Wenn diese Änderungen von einer größeren Kohorte bestätigt werden, könnten sie eine auf Epitranskriptomik basierende zirkulierende Signatur zur Früherkennung von Krankheiten darstellen. Diese Vorerfahrung verstärkt das Interesse an m6Am.

Schließlich wurden auch Veränderungen im Serum derselben Patienten im Vergleich zu gesunden Spenderpersonen beobachtet, jedoch von anderen Nukleosiden. Dies unterstreicht die Bedeutung der Untersuchung zirkulierender Marker im Blut für die Diagnose von Gliomen.