Skreddersydd medisin: DNA-sekvensering av kreftceller

Gunhild M. Mælandsmo Kjersti Flatmark

13.6.2018

Frokostmøte 13. juni 2018Bioteknologirådet, Kreftforeningen, Oslo Cancer Cluster

DNA-sekvensering av kreftcellerPersontilpasset medisin:

Primærsvulst

Dattersvulst

Erfaringer fra den første norske studien der detbenyttes bredspektret DNA-sekvensering for

bestemmelse av behandling

Persontilpasset medisin: DNA-sekvensering av kreftceller

På vegne av prosjektgruppen

Gunhild M. Mælandsmo og Kjersti FlatmarkSeksjon for tumorbiologi og Seksjon for gastrokirurgi

Oslo University Hospital

Disposisjon• Begreper og teknologier

– Kreft - Diagnostisering og valg av behandling – Persontilpasset kreftbehandling– Bakgrunn for MetAction-studien

• MetAction-studien (Kjersti)– Planlegging og gjennomføring– Hva har vi oppnådd og hva har vi lært?– Hvor går vegen videre?

• Tid for teknologiskifte?– MetAction i et internasjonalt perspektiv– Kommersielle aktører vs offentlig helsevesen

Introduksjon:begreper og teknologier

Friske celler

Design: TE Rusten

Genfeil i kreftsvulster

ca NOK 20.000/genome

Teknologiutvikling -> Økt kunnskapsnivå

Kjente genfeil

Vogelstein, Science, 2013

Melanom: NSCLC:

Tarmkreft:

Molekylærpatologiske analyser rekvireres ut fra diagnose:

Økende antall biomarkører• Diagnostiske biomarkører

• Fusjonsgener, EWSR, SSX, BCR-ABL• KIT.... mutasjoner

• Prognostiske biomarkører• FLT3, TP53, KRAS.... mutasjoner• Ekspresjonssignaturer

• Prediktive biomarkører• EGFR, BRAF, FGFR, KIT.... mutasjoner• ALK, RET, NTRK fusjoner• ERBB2 amplifikasjoner• MSI, BRACAness, mutasjonsbyrde

Behov for teknologi som kan takle det økende antall biomarkører: Mer sikker diagnose Bedre stratefisering av pasienter

Moderne patologi – et fag i utvikling

1621 1660 1800 1940 1980 1990 2001 2005 2017

Deebèle & Forssoncredited with dis-covering the firstmicroscope.

Malphigi discovers capillarymicrocirculation usingmicroscope techniques.

Virchow estab-lishes the cellularbasis of disease.

First publications on theuse of an immuno-chemistry technique tostain cells.

Development of polymerase chainreaction (PCR) leads to a change in DNA analysis due to the ability to amplify DNA.

Investigation of many genesat once (using microarrays)rather than single-geneinvestigations.

First draft of thehuman genomesequence ispublished.

Development of massive parallel sequencing (NGS). Sequencing thousands or millions of molecules in a single reaction.

Multidisiplinær diagnostikk integrerer:• Morfologi• Histologi• Fenotype data /proteinuttrykk• Molekylære data

Mutasjoner

RNA ekspresjon

Fenotype

FISHImmuno

Nivå av informasjon ??- Genpaneler..?- Alle kodende gener…?- All DNA..?

Representativt for biologisk aktivitet..?

5. april 2013 3. april 2018 7. Juni 2018

Den første norske studien der behandling er bestemt på grunnlag avDNA-sekvensering av kreftsvulsten

Bakgrunn• Utlysning fra Forskningsrådet april 2012:

– “Program for offentlig initierte kliniske studier”– “Rett behandling til rett pasient til rett tid og på rett sted”

• Persontilpasset behandling– Tar høyde for heterogenitet mellom pasienter....– Utfordres av heterogenitet mellom celler……– Forventer

• Bedre effekt• Reduserte kostnader / bivirkninger

• Ledergruppe:

Gunhild M. Mælandsmobiolog

Anne Hansen Reekreftlege

Kjersti Flatmarkkirurg

Anne-Lise Børresen-Dalebiolog

Hege G. Russnespatolog

MetAction hypotesen

1. Målrettet persontilpasset behandling- klinisk utprøving – endestadium av sykdom – kreft med sperdning

2. Må baseres på: - molekylær karakterisering av spredningssvulst (metastase)- rettes mot proteiner med regulatorisk funksjon i aktuell svulst

3. Dagens praksis: behandling bestemmes ut fra funn i primærtumor

Hva regulerer kreftutvikling

Hanahan and Weinberg, 2011

Unngå vekst-

hemmere

Unngå angrep fra immunsystemet

Uendelig celledeling

Invasjon og spredning

Dannelse av nyeblodårer

Unngå celledød

Oppretthold vekst-

stimulering

Vekst-fremmendeinflammasjon

Endret energibehov

Akkumulering av genfeil

Alle disse egenskapene kan hemmes i form av ulike behandlinger mot kreft

Det finnes mange signalveger....

Det finnes mange signalveger....Hvor skal vi stanse trafikken?

Det finnes mange signalveger.... .....noen er funnet aktivert i mange ulike typer kreft....

.... og noen finnes det målsøkende medikamenter imot....

Hva har vi gjort i MetAction?

Primærsvulst

Dattersvulst

Pasient med spredning Analysert DNA Valgt behandling pågrunnlag av funn i DNA

Mål for studien:– Tilby skreddersydd behandling på grunnlag av

analyse av DNA

Klinisk studie

Behandling:

Hvem kunne inkluderes:– 50 pasienter med spredning (alle solide kreftformer)– Ikke lenger effekt av behandling– Mulig å ta vevsprøve av spredningssvulsten

– Hvis funn av “genfeil” som tilsier effekt– Medikamenter som er godkjente for

kreftbehandling i Norge

Endepunkt:– Responstid– Bivirkninger

Forberedelser – første gang i Norge

valg av terapimolekylærbiologi

+

Prøvetaking – analyser....??

bioinformatikk

+

Tolking av data....??

Tverrfaglige team / ”tumor boards” nødvendig for å hanskes med all informasjon

radiologi patologi

+

Intergrert diagnostikk

OnkologRadiologCyt./mol.patologStudiesykepleier

Patolog Lab.tek.Mol.biol.

BioinfoMol.biolMol.patolog

BioinfoMol.biolMol.patologOnkologStudiesyepl

Onkolog Mol.biol Radiolog StudiesyeplMol.patolog. BioinfoCytolog

Ree et al., ESMO Open, 2017

Prelim. pat.rapport(cytologi)

Prelim. variantrapport Endelig variantrapport Endelig pat.rapport

Endelig patologirapport: cytologi, FISH og molekylære data

Data og rapport presenteres på TB (videolink OUS-AHUS) – ferdigstilles og signeres etter konsensus

Behandlingsanbefaling rapporteres i klinisk journal

Tumor Boards - behandlingsbeslutning

Tid fra biopsi til behandlingsbeslutning: gjennomsnitt 18 dager (range 8-57)

Klinisk studie – første del: Etablering av diagnostikk, men ingen pasienter fikk

behandling

Klinisk studie – andre del Tre viktige justeringer av protokoll godkjent av SLV og REK

Mer omfattende diagnostisk panelIon AmpliSeq™ Cancer Hotspot Panel ->Ion Oncomine™ Comprehensive Panel

Tolking av sekvensdataSikker biomarkør -> større frihet

BehandlingKombinasjonsbehandling mulig

(forutsatt kjent bivirkningsprofil og dose for kombinasjonen)

ID Prim. tumor Major mutations Therapy

AR-020 Paranasal sinus NKX2-1 loss, NKX2-8 loss None

AA-520 Oral cavity ALK-unknown partner, PIK3CA, FBXW7 Everolimus

AR-015 Thoracic wall FGFR1, MYC NoneAR-018 Breast FGFR1, CCND1 Ponatinib

AR-012 Pancreas CCDC6-BICC1, KRAS, TP53 Olaparib (not commenced)

AA-524 Liver ALK-unknown partner, PIK3CA, BAP1, PTCH1, TP53, RB1 Crizotinib

AA-526 Right colon Embargoed Pembrolizumab

AA-523 Right colon BRAF, PTEN, CCDC6-BICC1, TP53 Vemurafenib andPanitumumab

AR-021 Right colon KRAS, ERBB2, PIK3CA, SMAD4, APC, TP53 None

AR-022 Right colon KRAS, SMAD4, APC, TP53 None

AA-522 Left colon BRAF, EGFR, BRCA2, TSC1, PTEN, APC, ZNF217, GATA3, RHOA, FBXW7 Pembrolizumab

AA-515 Left colon PIK3R1, NF1, APC, TP53Panitumumab and Irinotecan/Fluorouracil

AA-517 Left colon ATM, KRAS, PIK3CA, APC OlaparibAA-521 Left colon ATM, KRAS, PIK3CA, APC NoneAA-514 Left colon KRAS, PIK3CA, APC, TP53 NoneAA-516 Left colon KRAS, MSH2, APC NoneAA-525 Left colon KRAS, DDR2 NoneAR-023 Left colon KRAS, APC None

AR-016 Rectum GOPC-ROS1, KRAS, SMAD4, APC, TP53 Crizotinib

AA-519 Rectum ALK-EML4, KDR, APC, TP53 Crizotinib

AR-019 Rectum KRAS, PIK3CA, NOTCH1, FBXW7, APC, TP53 None

AA-527 Rectum KRAS, PIK3CA, APC None

AR-017 Kidney None None

AA-518 Urinary bladder MSH2, BRCA1, PIK3CA, CDH1, MYC, TP53, RB1

Pembrolizumab(discont. after first cycle)

AR-014 Retroperitoneum PTEN loss Everolimus (not commenced)

AR-013 Bone NF1, PTCH1, CDKN2A, RB1 None

Resultater – andre del:

• Funn av “genfeil” som ledet tilbehandlingsbeslutning hos 13 av 26 pasienter

ID Prim. tumor Major mutations Therapy CTCAE toxic. Period-B/Period-A

AA-520 Oral cavity ALK-unknown partner, PIK3CA, FBXW7 Everolimus None <1.3

AR-018 Breast FGFR1, CCND1 Ponatinib None <1.3

AR-012 Pancreas CCDC6-BICC1, KRAS, TP53 Olaparib (not commenced) o o

AA-524 LiverALK-unknown partner, PIK3CA, BAP1, PTCH1, TP53, RB1

Crizotinib None 1.41

AA-526 Right colon Embargoed Pembrolizumab None Period-B not reached at 57 weeks

AA-523 Right colon BRAF, PTEN, CCDC6-BICC1, TP53

Vemurafenib andPanitumumab None 2.65

AA-522 Left colonBRAF, EGFR, BRCA2, TSC1, PTEN, APC, ZNF217, GATA3, RHOA, FBXW7

Pembrolizumab Grade 3 colitis Period-B not reached at 66 weeks

AA-515 Left colon PIK3R1, NF1, APC, TP53 Panitumumab and Irinotecan/Fluorouracil None 2.40

AA-517 Left colon ATM, KRAS, PIK3CA, APC Olaparib None <1.3

AR-016 Rectum GOPC-ROS1, KRAS, SMAD4, APC, TP53 Crizotinib None 1.34

AA-519 Rectum ALK-EML4, KDR, APC, TP53 Crizotinib None <1.3

AA-518 Urinary bladder MSH2, BRCA1, PIK3CA, CDH1, MYC, TP53, RB1

Pembrolizumab(discont. after first cycle)

None o

AR-014 Retroperitoneum PTEN loss Everolimus (not commenced) o o

Resultater - andre del: Behandlingsresponser

• 10 av 13 pasienter startet behandling• Behandlingseffekt hos 6 av 13 pasienter• Langtidseffekter: 2 pasienter fortsatt på behandling uten sykdomsaktivitet (immunterapi)

Hva gjør disse medikamentene?1) Hemmer vekst og reparasjon av DNA 2) Aktiverer immunsystemet

Ikke alle kan få behandling

• Vi finner ingen genfeil• Det finnes ingen medikamenter som passer for de

genfeilene som finnes• Noen ganger er bildet for komplekst til at det er mulig å

finne god behandling

Ikke alle kan få behandlingPasient AR-021: spredning til leverPrimærtumor: tykktarmkreft

P P

RAS

RAF

MEK

ERK

EGFR

PI3K

AKT

Gene expression

mTOR

ERBB3

PP

ERBB2

PTEN

ERBB2

TGFBR

SMAD2/3

SMAD4

Proliferation Survival

P PP

EGFR EGFR

Gain-of-function mutationLoss-of-function mutation

Hemming av en signalvei vil føre til at en annen signalvei vil overta

Hemming av flere signalveier gir for mye bivirkninger

Konklusjon: Ingen behandling

MARKER %READS RESULT ASS THERAPIESFDA Clin trials

KRAS 45% G12C NO YESPIK3CA 47% E542K NO YESERBB2 44% G776V YES YESAPC 22% Q767X NO NOAPC 46% I1524fs NO NOTP53 59% E298X NO NOSMAD4 61% D415N NO NO

Konklusjoner

• DNA sekvensdata kan brukes til å guide behandlingsbeslutninger– Vi har vist at dette er gjennomførbart i norsk spesialisthelsetjeneste

• Diagnostisk arbeidsflyt er etablert og funnet å fungere– Behandlingsbeslutning innen akseptabel tidsramme

• Multidisiplinære team / Tumor boards essensielt– Tolking av molekylære data er utfordrende– Kompetanse innen alle ledd, inkl. molekylærbiologi/bioinformatikk, er nødvendig!

– MetAction diagnostisk pipeline og pasientbehandling• Uten alvorlige komplikasjoner• Vi har vist at persontilpasning av kreftbehandling kan være nyttig for enkeltpasienter

– Reversert sykdomsutvikling i pasienter med endestadium kreft

Bør tilbys selekterte pasientgrupper

Utfordringer

• Økonomi– Ikke mulig å finansiere innenfor dagens helsebudsjetter

• Tilgang på medikamenter– Kostnader– Mangel på medikament mot detektert genfeil

• Genfeil er bare en del av bildet– Komplekse signalnettverk– Biologisk aktivitet reflekterer ikke alltid genfeilene

Proteome≈ 2.000.000

Transcriptome≈ 100.000

Genome≈ 30.000

Videre planer – MetAction-II• Manglende finansiering – fortsatt forskningsbasert aktivitet nødvendig• Flytte diagnostikken fram i behandlingsforløpet i håp om at den skal

være mer effektiv • Kontakt med legemiddelindustrien• Avventer søknadsbehandling i Forskningsrådet

Moderne patologi – et fag i utvikling

1621 1660 1800 1940 1980 1990 2001 2005 2017

Deebèle & Forssoncredited with dis-covering the firstmicroscope.

Malphigi discovers capillarymicrocirculation usingmicroscope techniques.

Virchow estab-lishes the cellularbasis of disease.

First publications on theuse of an immuno-chemistry technique tostain cells.

Development of polymerase chainreaction (PCR) leads to a change in DNA analysis due to the ability to amplify DNA.

Investigation of many genesat once (using microarrays)rather than single-geneinvestigations.

First draft of thehuman genomesequence ispublished.

Development of massive parallel sequencing (NGS). Sequencing thousands or millions of molecules in a single reaction.

Multidisiplinær diagnostikk integrerer:• Morfologi• Histologi• Fenotype data /proteinuttrykk• Molekylære data

Mutasjoner

RNA ekspresjon

Fenotype

FISHImmuno

Nivå av informasjon ??- Genpaneler..?- Alle kodende gener…?- All DNA..?

Representativt for biologisk aktivitet..?

Morfologi / Histologi vs DNA-analyser

Lin et al, Exp Rev of Mol Diag, 2014

Mange analyser samtidig: - Kostnadsbesparende- Tidsbesparende

Muligheten for persontilpasset behandling begrenses ved at et fåtall proteiner undersøkes

Normalt brystvev Brystkreft Hormonreseptor HER2Spesialanalyser for solide kreftformer: totalt 12-15

Persontilpasset medisin i Norge – hva skjer..?

• Utarbeidet av Helsedirektoratet på opdrag fra HOD• Fokus på

• Arvelige sykdommer, kreft, infeksjonsmedisin

• Minimalt med friske midler• Budsjett 2017-18: 19 mill

• Etablering av:• Nasjonalt nettverk av regionale kompetansesentre• Nasjonal frekvensregister for arvelige genvarianter

Nasjonal strategi for persontilpasset medisin 2017-2021

PCM: Hva skjer i Norden?• Offentlige initiativer vs sykehus-spesifikke initiativer

• Danmark: – Nasjonal strategi for persontilpasset medisin (2017-20) -> DKK 100 mill 2017..– Etablering av Danish National Genome Center

• Bygge kompetanse, nasjonalt genomsenter (analyser), kliniske studier– Copenhagen Prospective Personalized Oncology (CoPPO)

• > 1000 patienter for guiding til klinisk utprøving (start 2014)• Egne studier eller sender til andre steder -> 20% har hatt effekt av behandling

– Herlov Hospital, Ålborg... +++

• Sverige: – Genomic Medicine Sweden (nystartet høsten 2017)– Etablerer nasjonal teknologiplatform for implementering av presisjonsmedisin

Hva skjer internasjonalt

MSK-IMPACT™ Is the First Tumor-Profiling Multiplex Panel Authorized by the FDA, Setting a New Pathway to Market for Future New York, NY, Wednesday, November 15, 2017The US Food and Drug Administration (FDA) announced today the authorization of MSK-IMPACT™ (which stands for integrated mutation profiling of actionable cancer targets), a high throughput, targeted-DNA-sequencing panel for somatic mutations. Created by the Department of Pathology at Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK), MSK-IMPACT is a 468-gene oncopanel intended to detect gene mutations and other critical genetic aberrations in both rare and common cancers. While MSK-IMPACT had previously been approved by the New York State Department of Health as a clinical test, it is now the first tumor-profiling laboratory-developed test (LDT) to receive authorization through the FDA. This decision will help create a new pathway to market for these types of tests

MSK - IMPACT

Zehir A et al. 2017, Nat Med 23; 703-713

10.000 pasienter -> 11% hadde actionable targets og ble inkludert kliniske studier

26 pasienter -> 50 % hadde actionable targets og tilbydd behandling.......!!

Kommersielle aktører• DNA analyser – definerte genpaneler• Prøvemateriale: innstøpt vevsmateriale • Prøvesvar: 2 uker• Genvarianter / medikament listes i rapport• Pris: NOK ??

• DNA, RNA og protein – definerte paneler (n=600)• Prøvemateriale: ferskt og innstøpt vev• Prøvesvar: 2-3 uker• Rapport: Genvariant – medikament - kliniske studier• Pris: NOK ??

Flere kommersielle aktører. Kan benyttes mot privat finansiering.Utfordringer: tolking av sekvensdata – få behandlingsalternativ

Kompetanse i alle ledd nødvendig for å utnytte potensialet i PCM!!

ProsjektgruppenManagement TeamGunhild M. Mælandsmo – Molecular BiologistAnne-Lise Børresen-Dale – Molecular BiologistKjersti Flatmark – Oncology SurgeonAnne Hansen Ree – Med.-Rad. OncologistHege G. Russnes – Molecular PathologistOle Christian Lingjærde – BioinformaticianGry Aa. Geitvik – Lab. Engineer

Eivind Hovig – BioinformaticianVivi A. Flørenes – Molecular BiologistVessela Kristensen – Molecular BiologistInger Riise Bergheim – Lab. EngineerVeronica Skarpeteig – Lab. EngineerMenaka Sathermugathevan – Lab. EngineerMarius Lund-Iversen – PathologistTorill Sauer – PathologistKlaus Beiske – PathologistSalah Nasser – RadiologistEspen Ruud – RadiologistLars Julsrud – RadiologistClaudius Reisse – RadiologistKirsten T. Hagene – Study Protocol Designer

Clinical Trial TeamDaniel Heinrich – Med.-Rad. OncologistSvein Dueland – Med.-Rad. OncologistKjetil Boye – Med.-Rad. OncologistVigdis Nygaard – Molecular BiologistLaxmi Silwal-Pandit – Molecular BiologistOlga Østrup – Molecular BiologistVegard Nygaard – BioinformaticianEinar Rødland – BioinformaticianSigve Nakken – BioinformaticianJanne-Merete Torset Øien – Study NurseChristin Johansen – Study NurseEline Aas – Health EconometricianHilde Lurås – Health Econometrician

acknowledgments

Kommende arrangementer: Arendal, 15. august: Åpent møte om GMO Oslo 16. oktober (Litteraturhuset): GMO i Afrika

Mer info og påmelding på www.bioteknologiradet.no

Noe du syns Bioteknologirådet bør ta opp?

post@bioteknologiradet.no