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 kreftceller

Persontilpasset 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 capillary

microcirculation using

microscope techniques.

Virchow estab-

lishes the cellular

basis of disease.

First publications on the

use of an immuno-

chemistry technique to

stain cells.

Development of polymerase chain

reaction (PCR) leads to a

change in DNA analysis

due to the ability to amplify DNA.

Investigation of many genes

at once (using microarrays)

rather than single-gene

investigations.

First draft of the

human genome

sequence is

published.

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

FISH

Immuno

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 None

AR-018 Breast FGFR1, CCND1 Ponatinib

AR-012 Pancreas CCDC6-BICC1, KRAS, TP53Olaparib (not commenced)

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

Crizotinib

AA-526 Right colon Embargoed Pembrolizumab

AA-523 Right colon BRAF, PTEN, CCDC6-BICC1, TP53Vemurafenib andPanitumumab

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

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

AA-522 Left colonBRAF, 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 Olaparib

AA-521 Left colon ATM, KRAS, PIK3CA, APC None

AA-514 Left colon KRAS, PIK3CA, APC, TP53 None

AA-516 Left colon KRAS, MSH2, APC None

AA-525 Left colon KRAS, DDR2 None

AR-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 bladderMSH2, BRCA1, PIK3CA, CDH1, MYC, TP53, RB1

Pembrolizumab(discont. after first cycle)

AR-014 Retroperitoneum PTEN lossEverolimus (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 cavityALK-unknown partner, PIK3CA, FBXW7

Everolimus None <1.3

AR-018 Breast FGFR1, CCND1 Ponatinib None <1.3

AR-012 Pancreas CCDC6-BICC1, KRAS, TP53Olaparib (not commenced)

o o

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

Crizotinib None 1.41

AA-526 Right colon Embargoed Pembrolizumab NonePeriod-B not reached at

57 weeks

AA-523 Right colonBRAF, 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 colitisPeriod-B not reached at

66 weeks

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

None 2.40

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

AR-016 RectumGOPC-ROS1, KRAS, SMAD4, APC, TP53

Crizotinib None 1.34

AA-519 RectumALK-EML4, KDR, APC, TP53

Crizotinib None <1.3

AA-518 Urinary bladderMSH2, BRCA1, PIK3CA, CDH1, MYC, TP53, RB1

Pembrolizumab(discont. after first cycle)

None o

AR-014 Retroperitoneum PTEN lossEverolimus (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 mutation

Loss-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 THERAPIES

FDA Clin trials

KRAS 45% G12C NO YES

PIK3CA 47% E542K NO YES

ERBB2 44% G776V YES YES

APC 22% Q767X NO NO

APC 46% I1524fs NO NO

TP53 59% E298X NO NO

SMAD4 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

Moderne patologi – et fag i utvikling

1621 1660 1800 1940 1980 1990 2001 2005 2017

Deebèle & Forssoncredited with dis-covering the firstmicroscope.

Malphigi discovers capillary

microcirculation using

microscope techniques.

Virchow estab-

lishes the cellular

basis of disease.

First publications on the

use of an immuno-

chemistry technique to

stain cells.

Development of polymerase chain

reaction (PCR) leads to a

change in DNA analysis

due to the ability to amplify DNA.

Investigation of many genes

at once (using microarrays)

rather than single-gene

investigations.

First draft of the

human genome

sequence is

published.

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

FISH

Immuno

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!!

Prosjektgruppen

Management TeamGunhild M. Mælandsmo – Molecular Biologist

Anne-Lise Børresen-Dale – Molecular Biologist

Kjersti Flatmark – Oncology Surgeon

Anne Hansen Ree – Med.-Rad. Oncologist

Hege G. Russnes – Molecular Pathologist

Ole Christian Lingjærde – Bioinformatician

Gry Aa. Geitvik – Lab. Engineer

Eivind Hovig – Bioinformatician

Vivi A. Flørenes – Molecular Biologist

Vessela Kristensen – Molecular Biologist

Inger Riise Bergheim – Lab. Engineer

Veronica Skarpeteig – Lab. Engineer

Menaka Sathermugathevan – Lab. Engineer

Marius Lund-Iversen – Pathologist

Torill Sauer – Pathologist

Klaus Beiske – Pathologist

Salah Nasser – Radiologist

Espen Ruud – Radiologist

Lars Julsrud – Radiologist

Claudius Reisse – Radiologist

Kirsten T. Hagene – Study Protocol Designer

Clinical Trial TeamDaniel Heinrich – Med.-Rad. Oncologist

Svein Dueland – Med.-Rad. Oncologist

Kjetil Boye – Med.-Rad. Oncologist

Vigdis Nygaard – Molecular Biologist

Laxmi Silwal-Pandit – Molecular Biologist

Olga Østrup – Molecular Biologist

Vegard Nygaard – Bioinformatician

Einar Rødland – Bioinformatician

Sigve Nakken – Bioinformatician

Janne-Merete Torset Øien – Study Nurse

Christin Johansen – Study Nurse

Eline Aas – Health Econometrician

Hilde Lurås – Health Econometrician

acknowledgments