Epigenetische Mechanismen bei der Brustkrebsbehandlung und Therapieresistenz

Krebs umfasst sowohl genetische als auch epigenetische Erkrankungen (siehe Was ist Krebs?). Epigenetische Mechanismen regulieren viele Aspekte der Krebsbiologie, von der Karzinogenese bis zur Modulation der Immunantwort in der Tumormikroumgebung. Anders als schwer korrigierbare genetische Mutationen lassen sich fehlregulierte epigenetische Mechanismen mit niedermolekularen Verbindungen gezielt beeinflussen. Darüber hinaus erhöht die Modulation des Epigenoms bei verschiedenen soliden (Organ-)Tumoren die Empfindlichkeit gegenüber der Immuntherapie, indem Krebszellen Angriffen des Immunsystems ausgesetzt werden. Diese Vorteile haben im vergangenen Jahrzehnt zur Entwicklung epigenetischer Strategien in der Krebsbehandlung beigetragen.

Epigenetische Therapien bei Krebs

Epigenetisch basierte diagnostische und prognostische Instrumente leisten einen großen Beitrag zur Onkologie. Insbesondere mehrere „DNA-Methylierungsanalysen“ und diagnostische Bildgebungsverfahren durchlaufen klinische Studien oder werden bereits eingesetzt. Die Bemühungen der Onkologie, fehlregulierte epigenetische Mechanismen zu bekämpfen, haben zudem zur Entwicklung von Epi-Medikamenten geführt, also Arzneimitteln, die auf epigenetische Modulationen abzielen.

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Zur Behandlung solider und hämatologischer Tumoren stehen derzeit unter anderem Histondeacetylase-Inhibitoren (HDACis), DNA-Methyltransferasen (DNMTs), EZH2- und IDH-Inhibitoren als 8 von der FDA zugelassene epigenetische Therapien sowie zahlreiche in klinischen Studien erprobte Epi-Medikamente zur Verfügung.

Bei ER+ (östrogenrezeptorpositivem) Brustkrebs erprobte Epi-Medikamente, die inzwischen Phase II erreicht haben, spiegeln in Kombination mit herkömmlichen Behandlungen die jüngsten Fortschritte unseres Verständnisses der epigenetischen Mechanismen wider, die Wachstum von ER+ Brustkrebs, Metastasierung und Therapieresistenz steuern.

Die Inzidenz (Häufigkeit) von invasivem Brustkrebs steigt seit 2004 weiter an. 2018 wurden weltweit mehr als 2 Millionen Fälle gemeldet. Etwa 80% aller Brustkrebsfälle werden aufgrund der Expression des ERα-Rezeptors als ER+ eingeordnet; die 5-Jahres-Gesamtüberlebensrate dieser Patienten beträgt etwa 90%.

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Da ERα der wichtigste onkogene Treiber der meisten ER+ Krebserkrankungen ist, umfassen aktuelle endokrin basierte Behandlungsoptionen die Blockade von ERα, die Hemmung der Östrogensynthese und den selektiven Abbau von ERα. Obwohl endokrine Therapien das Gesamtüberleben verlängern, zeigt ein Drittel aller Patienten mit frühem ER+ Brustkrebs eine Therapieresistenz. Werden Chromatinregulatoren mit kleinen Verbindungen angegriffen, um das Krebsepigenom neu zu strukturieren, könnten resistente Zellen erneut für endokrine oder neue Therapien empfindlich werden.

Östrogensubtypen und Mechanismen der ERα-Signalgebung

Östrogen regt zahlreiche Entwicklungsprozesse an, darunter reproduktive Reifung und Knochenwachstum sowie die Energiehomöostase des Körpers, indem es über Thermoregulation die Insulinempfindlichkeit, Nahrungsaufnahme und den Energieverbrauch moduliert. Außerdem koordiniert Östrogen mitogene und epigenetische Mechanismen zur Regulation der Brustdrüsenentwicklung.

Es gibt fünf wesentliche Östrogensubtypen:

• Estron (E1),
• 17-β-Estradiol (E2),
• Estriol (E3),
• Estetrol (E4),
• Estronsulfat (E1s)

E1 wird reversibel in die biologisch aktivere Form E2 umgewandelt; beide stellen die wichtigsten Östrogene des Körpers dar. E3 und E4 sind hingegen nur während der Schwangerschaft nachweisbar, wobei E3 überwiegt. E1 dient hauptsächlich als Östrogenreservoir, da es durch Steroidsulfatasen in seinem natürlichen Zustand leicht in die aktiven Formen E1 und E2 überführt wird.

Abbildung 1: ERα vermittelt epigenetische Veränderungen, indem es mit Pionierfaktoren und Koregulatoren interagiert und kommuniziert.

a. Schematische Darstellung verschiedener struktureller Domänen von ERα. Die LBD (Ligandenbindungsdomäne) enthält eine Oberfläche für Dimerisierung und Koaktivatorbindung. Nach Bindung von E2 nimmt Helix-12 in der LBD eine aktive Konformation an, die die Interaktion von ERα mit Koaktivatoren fördert.

b. Pionierfaktoren wie FOXA1, GATA3, PBX1 und AP-2γ binden bevorzugt an hypomethylierte genomische Regionen mit den entsprechenden Motiven. Wichtig ist, dass diese Regionen häufig durch niedrige H3K4me1/2-Spiegel gekennzeichnet sind, die durch Rekrutierung von Pionierfaktoren wie FOXA1 zunehmen. Nach Stimulation mit dem Liganden E2 erleichtern Pionierfaktoren die Lokalisierung von ligandengebundenem Erα am Chromatin. Dies aktiviert die Genexpression, da ERα epigenetische Aktivatoren wie P300 / CBP, den SWI / SNF-Komplex, PRMTs und EZH2 rekrutiert, direkt oder über Koaktivatoren wie SRC-1/2/3 und Mediator, um aktivierende epigenetische Markierungen wie H4R3me1 und H3K27Ac (kräftige Farben) anzureichern. Durch Interaktion mit Korepressoren wie LCOR und NCoR1/2 können ligandengebundenes ERα und tamoxifengebundenes ERα jedoch auch epigenetische Repressoren wie HDACs und den NuRD-Komplex einsetzen, um durch Entfernung aktiver epigenetischer Markierungen (blasse Farben) die Genrepression zu vermitteln.

ERα begleitet auch nichtgenomische E2-Signalwege. Es unterstützt direkt die Vermehrung von ER+ Brustkrebszellen. Die genomisch vermittelten Mechanismen nach E2-Stimulation beginnen mit der Homodimerisierung von ERα; alternativ wird es durch direkte Bindung an EREs (Östrogen-Response-Elemente) oder indirekt über AF-Domänen (Aktivierungsfunktion) durch Bindung an Transkriptionsfaktoren (TFs) am Chromatin rekrutiert. Schätzungsweise bis zu 75% der östrogenresponsiven Gene benötigen für ihre Expression die Bindung von ERα an EREs oder ERE-ähnliche Sequenzen. Bei ER+ Brustkrebs binden Pionier-TFs wie FOXA1, GATA3, PBX1 und AP-2γ an spezifische DNA-Zielsequenzen in kondensiertem Chromatin und erleichtern als Reaktion auf E2-Stimulation die Bindung von ERα an Chromatin. Aktiviertes ERα kann außerdem eine Gruppe von Koaktivatoren oder Korepressoren einsetzen, um Gentranskription oder -repression zu vermitteln (Abbildung 1b).

Epigenetische Mechanismen der ERα-Signalgebung

Zu den wichtigen Korepressoren der Transkriptionsaktivität von ERα (Substanzen, die die Enzymsynthese verhindern) zählen NCoR1, NCoR2 und LCoR (Abbildung 1b). BRCA1 ist der bekannteste ERα-Korepressor. Nach Bindung an die AF2-Domäne markiert BRCA1 Erα zum Abbau und reguliert dadurch die Transkriptionsaktivität von ERα herunter.

Pionier-TFs sind für die E2-abhängige Rekrutierung von ERα am Chromatin erforderlich. Sie binden unabhängig von E2 an Chromatin, und ihre Depletion vermindert die E2-induzierte Chromatinbindung von ERα erheblich. Die epigenetischen und onkogenen Rollen von Pionier-TFs bei ER+ Brustkrebs wurden untersucht. Obwohl GRHL2 noch nicht als Pionier-TF gilt, weist es viele funktionelle Ähnlichkeiten mit FOXA1 und GATA3 auf, etwa die E2-unabhängige Rekrutierung am Chromatin und die Regulation von ERα-Zielgenen; deshalb wird eine mögliche Rolle als Pionier-TF angenommen. Schließlich wurde festgestellt, dass die Komponenten von PRC1 und PRC2 eine E2-abhängige Chromatinrekrutierung zeigen und die durch E2 induzierte Expression von ERα-Zielgenen in Brustkrebszellen fördern.

Epigenetische Prozesse der normalen Brustdrüsenentwicklung entgleisen bei Brustkrebs

An der Brustdrüsenentwicklung sind neben hormonellen Faktoren zahlreiche Signalwege und Chromatinregulatoren beteiligt, die das Gleichgewicht zwischen Selbsterneuerung, Differenzierung und Gewebeintegrität koordinieren. Die Brustdrüse entwickelt sich in drei Hauptphasen: embryonal, pubertär und reproduktiv. Während die embryonale Brustdrüsenentwicklung durch Signalwege wie WNT und Hedgehog (HH) koordiniert wird, stehen die pubertären und reproduktiven Phasen unter hormoneller Kontrolle.

Die Reaktivierung von Entwicklungswegen ist ein gemeinsames Merkmal verschiedener Krebsarten und bei Brustkrebs eng mit der Erhaltung der Stammzellpopulation der Brustdrüse verbunden (Abbildung 2). Im vergangenen Jahrzehnt zeigten Untersuchungen mit neuen technologischen Entwicklungen wie der Sequenzierung der nächsten Generation, dass auch die Entgleisung epigenetischer Prozesse, die während der Brustentwicklung wichtig sind, wesentlich zur Brustkrebsprogression beiträgt. Daraufhin wurden die funktionellen Querverbindungen zwischen epigenetischen Prozessen und den Brustkrebs verursachenden Entwicklungssignalwegen untersucht.

Abbildung 2: Entwicklung embryonaler Brustdrüsen

Im normalen Brustepithel bindet DKK3 an LRP, einen WNT-Signalweg-Koaktivator von Frizzled, der bei vorhandenem WNT-Liganden die Aktivierung des Signalwegs verhindert. E-Cadherin bindet an zytoplasmatisches β-Catenin, das ohne WNT-Aktivierung durch GSK3β abgebaut wird. Der SHH-Promotor, der den Hedgehog-Liganden SHH kodiert, ist hypermethyliert und der Hedgehog-Signalweg stillgelegt. Bei Brustkrebs wird dagegen der DKK3-Promotor hypermethyliert und dadurch herunterreguliert. Ohne DKK3 koaktiviert LRP Frizzled bei vorhandenem WNT-Liganden, was zur Phosphorylierung von DSH und dadurch zur Hemmung des Kateninabbaus durch GSK3β führt. E-Cadherin wird ebenfalls durch Promotormethylierung herunterreguliert. Zusätzlich wird der SHH-Promotor hypomethyliert; dies reguliert die SHH-Expression hoch und aktiviert über GLI1 den Hedgehog-Signalweg. Die Aktivierung von WNT- und Hedgehog-Signalwegen führt zu Stammzellerneuerung, EMT, Metastasierung und Tamoxifenresistenz.

Epigenetische Modulation der WNT-Signalgebung bei ER+ Brustkrebs

Eine abnorme Aktivierung der WNT-Signalgebung führt zur Entstehung und Progression verschiedener Krebsarten einschließlich Brustkrebs. Die epigenetische Stilllegung von WNT-Antagonistengenen wie SFRP und DKK verursacht die Brusttumorbildung. Mechanistisch ist die Stilllegung dieser Gene durch DNA-Methylierung die Hauptursache anhaltender WNT-Signale bei Brustkrebs und mit einer schlechten Prognose verbunden. Diese Veränderungen aktivieren β-Catenin konstitutiv und steigern dadurch die mit Stammzellerneuerung und Krankheitsrückfall verbundene Proliferation (Abbildung 2).

Interessanterweise war in einer Studie mit 96 Brustkrebspatienten die Promotormethylierung von DKK3, einem Mitglied der DKK-Familie, in Tumoren von Patienten mit fortgeschrittener Erkrankung, Lymphknotenmetastasen und positivem ERα erhöht (von 47 Patienten waren 42 ER+). Da WNT- und ERα-Signalwege insbesondere über das Polycomb-Protein EZH2 verbunden sind, wird angenommen, dass die fehlende WNT-Hemmung durch DKK in den ERα-Signalweg hineinwirken und Wachstum und Überleben auslösen könnte; dies könnte die DKK3-Promotormethylierung mit positivem ERα verknüpfen. Versuche, die ERα-Expression klinisch mit hypomethylierenden Wirkstoffen wiederherzustellen, waren dennoch erfolglos. Weiterhin wird jedoch untersucht, wie sich entgleiste epigenetische Regelkreise angreifen lassen, die Entwicklungsprogramme wie die WNT-Signalgebung aktivieren.

HH-Signalgebung und Polycomb-Komplexe

Die HH-Signalgebung ist ein weiterer wichtiger Entwicklungsweg, der bei der Brusttumorbildung durch epigenetische Mechanismen fehlreguliert wird. Die Promotorhypomethylierung des HH-Liganden SHH oder des nachgeschalteten (downstream) Rezeptors steigert die ligandenabhängige Aktivierung des Signalwegs und führt zu unkontrollierter Zellteilung, die die Krebsprogression antreibt (Abbildung 2). Außerdem induziert die HH-Signalgebung die Expression von PCGF4 (BMI1), einem Bestandteil des PRC1-Komplexes, um die Selbsterneuerung normaler und tumorigener Bruststammzellen zu fördern. Brustkrebsstammzellen sind mit Resistenz gegen endokrine Therapien verbunden. Umstritten bleibt jedoch, ob stammzellähnliche Eigenschaften resistenter Zellen aus der Ausweitung bereits vorhandener eingebetteter Tumorzellen oder aus einer dynamischen, durch epigenetische Veränderungen vermittelten Reprogrammierung entstehen. Es wird angenommen, dass die gezielte Beeinflussung epigenetischer Wirkstoffe wie DNMTs zur Wiederherstellung der antagonistischen HH-Regulation, kombiniert mit direkt gegen die HH-Signalgebung gerichteten Medikamenten, möglicherweise Überleben und Differenzierung von Krebsstammzellen modulieren könnte.

Neuere Daten zeigen, dass Inhibitoren gegen EZH2, den enzymatischen Kern des PRC2-Komplexes, in fortgeschrittenen klinischen Studien bei vielen Tumorarten einschließlich dreifach negativem Brustkrebs geprüft werden und die Unterdrückung des GATA3-ERα-Signalwegs vermitteln, die einen luminalähnlichen, gegenüber endokrinen Wirkstoffen wie Fulvestrant empfindlichen Phänotyp induziert. Diese Ergebnisse weisen auf eine therapeutische Entsprechung hin: Polycomb-Proteine, besonders PCGF4, könnten angegriffen werden, um in endokrin resistenten Brustkrebsstammzellen einen Phänotypwechsel hin zu einem für endokrine Therapien empfindlichen Zustand zu bewirken.

Zusammengefasst zeigen diese Beobachtungen, dass epigenetische Mechanismen, die bei der normalen Entwicklung lebenswichtig sind, in neoplastischem Gewebe verändert sind und deshalb attraktive Kandidaten als Biomarker und therapeutische Ziele darstellen.

Endokrine Therapien zielen auf den onkogenen E2-ERα-Signalweg

Steroidhormonsignale wurden erstmals 1896 mit dem Fortschreiten von Brustkrebs in Verbindung gebracht, als die chirurgische Entfernung beider Eierstöcke bei Brustkrebspatientinnen einen Tumorrückgang bewirkte. Die bei ER+ Brustkrebs standardmäßige endokrine Therapie umfasst Maßnahmen zur Unterdrückung der Östrogenproduktion sowie direkt gegen ERα gerichtete Strategien und hat drei Hauptkategorien: selektive Östrogenrezeptormodulatoren (SERMs), selektive Östrogenrezeptor-Degrader (SERDs) und Aromatasehemmer (AIs).

Tamoxifen ist der erste klinisch zugelassene, gegen ERα gerichtete Wirkstoff und seit über dreißig Jahren eine grundlegende Behandlungsoption sowohl bei frühem als auch fortgeschrittenem Brustkrebs. Tamoxifen ist ein SERM, der mit E2 um die Bindung an ERα konkurriert und die durch die LBD von ERα vermittelte Rekrutierung von Koaktivatoren verhindert. Trotz des Erfolgs der Tamoxifenbehandlung wird erwartet, dass bei einem Drittel der Frauen, die 5 Jahre lang Tamoxifen erhalten, die Erkrankung innerhalb von 15 Jahren wiederkehrt. Da die meisten dieser Patienten jedoch die ERα-Expression behalten, bleiben sie gegenüber SERDs wie Fulvestrant empfindlich.

Bei Frauen nach der Menopause wird E2 nicht mehr in den Eierstöcken synthetisiert. Stattdessen entsteht es durch Aromatisierung von Testosteron und Androstendion in verschiedenen Geweben, darunter Leber, Unterhautfett und das Stroma um normale Brustzellen, sowie in Brustepithelzellen und Fibroblasten primärer Brusttumoren. AIs senken durch Hemmung der Aromataseaktivität erhöhte E2-Spiegel im Brustkrebsgewebe und werden in steroidale und nichtsteroidale Wirkstoffe eingeteilt. Steroidale AIs binden irreversibel an Aromatase, nichtsteroidale dagegen kompetitiv und reversibel. Im Gegensatz zu Tamoxifen, das im Allgemeinen Brustkrebspatientinnen vor der Menopause verschrieben wird, sind Fulvestrant und AIs vorwiegend für Fälle nach der Menopause vorgesehen, allein oder kombiniert mit anderen endokrinen oder zielgerichteten Wirkstoffen wie CDK4/6-Inhibitoren.

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ERα ist der wichtigste onkogene Treiber bei ER+ Brustkrebs. Andere genetische Veränderungen wie eine Überexpression von Cyclin D1 bei 50% der Brustkrebserkrankungen (Abbildung 3a) und der Verlust von CDKN2A tragen zur Krankheitsprogression und zum Therapieansprechen bei. Die Überexpression von Cyclin D1 führt beispielsweise zu einer verstärkten Aktivierung von CDK4/6 sowie zur Phosphorylierung von RB und treibt dadurch den Zellzyklus über G1 / S voran. Nach Jahren endokriner Monotherapie führte die Zulassung zielgerichteter Therapien gegen mTOR (Everolimus), PI3K (Alpelisib) und CDK4/6 (Palbociclib, Ribociclib, Abemaciclib) zu erheblichen Fortschritten beim Krankheitsmanagement. Zahlreiche klinische Studien belegten die Wirksamkeit der CDK4/6-Hemmung. Infolgedessen wurden CDK4/6-Inhibitoren allein oder kombiniert mit AIs oder Fulvestrant als Standardbehandlungsoptionen bei endokrin empfindlichem wie endokrin resistentem ER+/HER2- metastasiertem Brustkrebs etabliert.

Abbildung 3: Ausgewählte genomische Veränderungen, die Therapieresistenz bei ER+ Brustkrebs vermitteln

a. NF1 ist eine GTPase, die die RAS-Aktivierung des MAPK-Signalwegs hemmt (1) und als Korepressor von ERα am Cyclin D1 kodierenden Gen CCND1 wirkt (2). Der Verlust von NF1 in therapieresistenten Zellen steigert die Aktivierung des MAPK-Signalwegs und die Überexpression von Cyclin D1, das durch Aktivierung von CDK4/6 den G1 / S-Übergang fördert. MEK-Inhibitoren und CDK4/6-Inhibitoren können jeweils die Überexpression von MAPK beziehungsweise CDK4/6 überwinden. Fulvestrant kann auch bei einem Verlust von NF1 eingesetzt werden.

b. Bei therapieempfindlichem ER+ Brustkrebs dimerisiert ERα nach Bindung von E2 und wird durch CDK7 phosphoryliert. ESR1-Mutationen treten häufig in der LBD resistenter Zellen auf und führen zu konstitutiv aktiven ERα-Mutationen, die durch E2-unabhängige Koaktivatorinteraktionen die Genexpression vermitteln. Vorgeschlagene therapeutische Strategien umfassen die Hemmung von CDK7 durch THZ1 und die Hemmung von SRC-Koaktivatoren.

c. CYP19A1 kodiert Aromatase, das Enzym zur Umwandlung von Testosteron in Östrogen. Patienten mit einem Rückfall nach AI-Therapie erwerben häufig eine CYP19A1-Überexpression, die Östrogen und Therapieresistenz erhöht. Patienten mit CYP19A1-Überexpression können neben Fulvestrant mit irreversiblen steroidalen AIs anstelle reversibler AIs behandelt werden.

d. FOXA1 ist bei therapieresistentem ER+ Brustkrebs häufig amplifiziert oder mutiert. Dies erhöht die Aktivität von FOXA1 und verteilt FOXA1 erneut auf wiederholte Enhancer um. Diese Wiederholungsregionen sind in der Nähe von TF-Motiven wie AP-1, STAT5 und SOX9 verstärkt und fördern eine metastatische Transkription. FOXA1 direkt anzugreifen ist schwierig; spezifische Inhibitoren können jedoch nachgeschaltete, Metastasen vermittelnde FOXA1-Gene wie HIF-2α angreifen.

Mechanismen endokriner Therapieresistenz und mögliche alternative Strategien

Trotz der Wirksamkeit endokriner Therapien bei ER+ Brustkrebs entwickelt sich bei etwa 25% der Patienten im Frühstadium und nahezu allen Patienten mit Metastasen eine Resistenz, die zu ungünstigen klinischen Ergebnissen führt. Endokrine Therapieresistenz kann als intrinsisch (de novo – neu) oder erworben eingeordnet werden. Patienten mit fortgeschrittenem Brustkrebs zeigen im Allgemeinen eine Progression an verschiedenen Stellen mit klonalen Unterschieden, die aus der Selektion genetischer Veränderungen unter therapeutischem Druck entsteht. Dieser Selektionsdruck erweitert Klone mit Mutationen im Arzneimittelziel selbst sowie in mitogenen Signalwegen und Genen, die epigenetische Faktoren kodieren. Auch Bedingungen der Mikroumgebung wie Hypoxie können die epigenetische Landschaft verändern und zur Krankheitsentwicklung beitragen, insbesondere da epigenetische Enzyme zugleich Nährstoff- und Sauerstoffsensoren sind. Klone mit Mutationen epigenetischer Abläufe weisen insbesondere Defekte bei Transkription sowie DNA-Reparatur und -Replikation auf. Dies führt zur Selbsterneuerung des malignen Tumors, einer Differenzierungsblockade und dem Entgehen des Zelltods; all dies erhöht die Gewebeinvasion. Diese Folgen zu überwinden, ist eine große Herausforderung im therapeutischen Bereich des ER+ Brustkrebses.

Zellzyklusveränderungen bei endokrin resistentem Brustkrebs

Veränderungen der Zellzykluskontrolle sind häufig mit Arzneimittelresistenz verbunden. Auch eine CCND1-Amplifikation und hohe CDK4-Spiegel in Tumoren hängen mit endokriner Resistenz zusammen. Trotz der Wirksamkeit der CDK4/6-Hemmung sprechen 10-20% der Krebserkrankungen nicht an; ein großer Anteil (70-80%) wird nach 12-36 Behandlungsmonaten resistent.

Resistenz gegen CDK4/6-Hemmung ist durch den Verlust von Tumorsuppressoren wie RB und FAT1 gekennzeichnet. Funktionsverlustmutationen von FAT1, einem Rezeptor des Hippo-Signalwegs, werden insbesondere bei 2% der primären und 6% der metastatischen Tumoren beobachtet. Außerdem stellen die Hyperaktivierung der RTK-RAS-Signalgebung und die abnorme Aktivierung von CCNE1-CDK2, einem nachgeschalteten Effektor von CDK4/6, die RB-Phosphorylierung wieder her und treiben die Resistenz an; sie vermindern auch das Ansprechen auf Palbociclib.

Mehr als 100 aktive klinische Studien prüfen die Wirksamkeit von CDK4/6-Inhibitoren bei vielen Krebsarten und Behandlungsstrategien; sie gelten als Kandidaten für die künftige Krebsbehandlung. Insbesondere bei Brustkrebs wird der Einsatz von CDK4/6-Inhibitoren allein oder kombiniert mit endokrinen Therapien oder Immuntherapien aktiv untersucht.

Veränderungen der ERα-Koregulatoren

Genetische Veränderungen können das Gleichgewicht zwischen ERα-Koaktivatoren und -Korepressoren stören und sind mit schlechter Prognose sowie endokriner Therapieresistenz verbunden. Tamoxifen verändert die Konformation von ERα, blockiert dadurch die Rekrutierung von Koaktivatoren und fördert die Verstärkung von Korepressoren wie NCoR1 und NF1 (Neurofibromin). Inaktivierende Mutationen oder Deletionen von NCoR1 und NF1 gehören zu den häufigsten genetischen Veränderungen bei metastasiertem ER+ Brustkrebs. NF1 treibt beispielsweise durch den kombinierten Verlust seiner GTPase-Aktivität und seiner Rolle als transkriptioneller Korepressor von ERα die endokrine Therapieresistenz an. Ihre Spiegel hängen mit dem Ansprechen auf endokrine Wirkstoffe allein oder kombiniert mit CDK4/6- oder MEK-Inhibitoren zusammen (Abbildung 3a).

Epigenetische Faktoren, die endokrin resistenten Brustkrebs verursachen

Gesamtgenom-Sequenzierungsstudien zeigten, dass epigenetische Faktoren zu den bei menschlichen Krebserkrankungen am häufigsten mutierten Genen gehören. Darunter zählen inaktivierende Mutationen und der Verlust von Untereinheiten des SWI / SNF-Komplexes bei vielen Krebsarten zu den häufigsten genetischen Veränderungen. Bei Brustkrebs sind bei ARID1A Funktionsverlust verursachende Mutationen in der endokrin resistenten metastatischen Situation vermehrt. Dies äußert sich bei Patienten mit ARID1A-Mutation in einem schlechten Ansprechen auf SERDs und legt nahe, dass diese Veränderungen endokrine Resistenz vermitteln könnten. Mechanistisch vermindert der Verlust von ARID1A die Chromatinzugänglichkeit und die Bindung von TFs, die das luminale Zellschicksal kontrollieren, sowie die Chromatinbindung von ERα und FOXA1 (Abbildung 4). Es wird angenommen, dass eine langfristige Unterdrückung von ERα das Auftreten von Klonen mit inaktivierenden ARID1A-Mutationen bewirken könnte, die einen Wechsel vom luminalen zum basalen Phänotyp auslösen. Die zunehmende Häufigkeit von ARID1A-Mutationen bei endokrin resistentem Brustkrebs und ihre Verbreitung bei anderen Krebsarten erhöhen somit den Bedarf an gezielten therapeutischen Strategien gegen ARID1A-mutierte Tumoren.

Bei Eierstockkrebs sind ARID1A-Mutationen und EZH2-Hemmung synthetisch letal; dieser Effekt wird durch HDAC2-Hemmung weiter verstärkt (Abbildung 4). In Zellen mit fehlendem ARID1A wird HDAC2 an gemeinsame Zielgene von ARID1A / EZH2 rekrutiert, die die PI3K/AKT-Signalgebung hemmen, wodurch dieser mitogene Signalweg abnorm aktiviert wird. Beide Ereignisse, der Funktionsverlust von ARID1A und die aktivierte PI3K/AKT-Signalgebung, werden häufig in endokrin resistenten Brustkrebszellen beobachtet. Deshalb wird vorgeschlagen, dass die gezielte Beeinflussung von EZH2 bei ARID1A-mutiertem Brustkrebs eine untersuchenswerte therapeutische Option sein könnte (Abbildung 4).

Abbildung 4: Verschiedene fehlregulierte epigenetische Signalwege bei therapieresistentem ER+ Brustkrebs als mögliche Ziele neuer epigenetischer Therapeutika

Blaue und gelbe Felder: Der PI3K/AKT-Signalweg kann DNMT1 phosphorylieren und es dadurch am Chromatin stabilisieren, was die DNA-Hypermethylierung aufrechterhält. Auch EZH2 wird durch PI3K/AKT phosphoryliert, wodurch das Genom an H3K27me3 verarmt. Zusätzlich führt die Phosphorylierung von KMT2D durch PI3K/AKT zur Resistenz gegen Hormontherapie, indem H3K4me1 / 2 vermindert und dadurch die Chromatinbindung von FOXA1 und somit ERα reduziert wird. Diese abnormen epigenetischen Signalwege lassen sich mit PI3K-Inhibitoren angreifen. Die Stabilisierung von DNMT1 beziehungsweise die Hemmung von EZH2 können außerdem durch DNA-hypomethylierende Wirkstoffe beziehungsweise HDAC-Inhibitoren angegriffen werden.

Violettes Feld: Die Rekrutierung von HDAC an den ESR1-Promotor vermindert H3K27ac. Dies führt zur DNMT1-vermittelten Promotorhypermethylierung und durch Herunterregulation von ESR1 zur Arzneimittelresistenz. HDAC-Hemmung (Entinostat) kann eingesetzt werden, um die HDAC-vermittelte Herunterregulation von ESR1 umzukehren.

Oranges Feld: KDM5 (KDM5A / B) ist eine Familie von Histon-H3-Lysin-4-Demethylasen, die bei verschiedenen Krebsarten mit Therapieresistenz verbunden ist. Eine gesteigerte Aktivität der KDM5-Enzyme senkt die H3K4me3-Spiegel und erhöht dadurch die transkriptionelle Heterogenität. Insbesondere hohe KDM5B-Expressionsspiegel sind bei ER+ Brustkrebs mit schlechter Prognose verbunden. Inhibitoren zur Modulation der Aktivität von Mitgliedern der KDM5-Familie könnten das Ansprechen auf endokrine Wirkstoffe wie Fulvestrant verbessern.

Grünes Feld: Der Verlust von KMT2C verteilt ERα auf AP-1-regulierte Gene um und fördert dadurch eine hormonunabhängige, aber von Erα abhängige Transkription. Dies legt nahe, dass SERDs (Fulvestrant) und die CDK4/6-Hemmung praktikable therapeutische Optionen sein könnten.

Rotes Feld: ARID1A ist ein Bestandteil des SWI / SNF-Komplexes. Seine Mutation begrenzt die Chromatinzugänglichkeit für ERαα und FOXA1 an Genen, die das luminale Zellschicksal regulieren, und fördert gleichzeitig den Wechsel von einem luminalen zu einem basalähnlichen Phänotyp. ARID1A-Mutationen können mit EZH2-, HDAC-, BET- und PI3K/AKT-Inhibitoren angegriffen werden.

Epigenetische Wege auf dem Weg zur endokrinen Therapie

Epigenetische Fehlregulation ist ein wichtiger Faktor für Tumorentstehung und Arzneimittelresistenz. Bis heute blieben Epi-Medikamente im Wesentlichen auf hämatologische Malignome beschränkt und waren bei soliden Tumoren nur wenig erfolgreich. Die mit epigenetischer Reprogrammierung verbundene Plastizität steigert die allgemeine Fitness von Krebszellen und erschwert eine individuell zugeschnittene Krebsbehandlung. Verschiedene präklinische und klinische Belege unterstützen synergistische Wirkungen von Epi-Medikamenten mit unterschiedlichen Behandlungsformen einschließlich Immun-, Strahlen- und endokriner Therapie. Tatsächlich ist die Entwicklung kleiner Moleküle gegen Chromatinregulatoren eines der aktivsten Gebiete der heutigen Arzneimittelforschung. Interessanterweise legen jüngste Arbeiten nahe, dass RNA-Modifikationswerkzeuge für Krebsprogression und Therapieresistenz wichtig sind; dabei wird ihr Potenzial als mögliche Ziele neuer Therapien aufgezeigt.

Epigenetische Fehlregulation ist außerdem bei endokrin resistentem Brustkrebs verbreitet. Beispielsweise verursacht die Promotorhypermethylierung von ESR1 bei ungefähr 20% der Patienten mit Progression unter Tamoxifen einen Verlust der ERα-Expression. Entinostat (HDACi) und Letrozol (AI) können die Expression von ERα und Aromatase in ER− Brustkrebszelllinien wiederherstellen und dadurch das Wachstum hemmen. Dies zeigt die Wirksamkeit epigenetischer Eingriffe zur Induktion endokriner Therapieempfindlichkeit (Abbildung 4). Allerdings wurde eine wiederhergestellte ERα-Expression im klinischen Umfeld nie beobachtet; dies deutet darauf hin, dass bei der Stilllegung von ESR1 weitere unterdrückende Mechanismen eine Rolle spielen.

Tamoxifenresistente Zellen sind außerdem durch eine gesteigerte Acetylierung von Histonen, TFs und Hitzeschockproteinen (heat shock proteins) gekennzeichnet, die von HATs wie P300 / CBP katalysiert wird. Interessanterweise hemmt A-485, ein selektiver katalytischer p300 / CBP-Inhibitor, bei kastrationsresistentem Prostatakrebs das Transkriptionsprogramm des Androgenrezeptors. Es muss geprüft werden, ob die gezielte Beeinflussung des Gleichgewichts zwischen HAT- und HDAC-Aktivität bei Brustkrebs ähnlich wirksam gegen die von ERα vermittelte Transkription ist.

Epigenetische Wirkstoffe aktivieren als Reaktion auf endokrine Therapie auch Mechanismen des Zelltods. Die Tamoxifenbehandlung induziert in ER+ Brustkrebszellen Autophagie, die das Überleben unterstützt und zum Auftreten tamoxifenresistenter Brustkrebszellen führt. Diesem Phänotyp lässt sich mit einer Kombination von HDACi und Tamoxifen entgegenwirken. Sie lenkt diese Zellen erneut zur Apoptose, indem sie BCL2 herunterreguliert und die Expression der proapoptotischen Proteine BAX und BAK induziert. Darüber hinaus zeigen epigenetische Therapien wie HDACis in Kombination mit Tamoxifen vielversprechende Ergebnisse zur Wiederherstellung endokriner Empfindlichkeit und befinden sich derzeit in klinischen Studien zusammen mit CDK4/6-Inhibitoren und AIs.

Neue Belege zeigen zudem, dass Mutationen in epigenetischen Faktoren wie Histonmethyltransferasen häufig vorkommen und das Interesse an weiteren Epi-Medikamenten gegen verschiedenste Chromatinregulatoren wächst. Die Histonmethyltransferase KMT2C gilt beispielsweise als eines der neun am häufigsten mutierten Treibergene bei hormonrezeptorpositivem metastasiertem Brustkrebs. Der Verlust von KMT2C reguliert die von ERa abhängige Genexpression herunter und lokalisiert ERα erneut an AP-1-regulierte Gene, um hormonunabhängiges Wachstum aufrechtzuerhalten (Abbildung 4).

Die über PI3K/AKT vermittelte onkogene Signalgebung wirkt direkt auf das epigenetische Gleichgewicht. Dies legt nahe, dass eine Kombination von PI3K/AKT-Inhibitoren mit epigenetischen Medikamenten eine mögliche therapeutische Strategie ist.

Jüngste Fortschritte der Zelltechnologien ermöglichen es, wichtige Fragen zu untersuchen, etwa den Beitrag der Variabilität zwischen einzelnen Zellen zur Resistenz. Bei ER+ Brustkrebs reguliert KDM5B, eine H3K4me3-Demethylase, die zelluläre transkriptomische Heterogenität. KDM5B ist in luminalen ER+ Brusttumoren häufig amplifiziert und überexprimiert; dies erhöht die transkriptomische Heterogenität, die endokrine Therapieresistenz verursacht. Inhibitoren dieses Enzyms steigerten zudem die Empfindlichkeit gegenüber Fulvestrant in hormonsensitiven und endokrin resistenten Zelllinien. Dies deutet auf eine mögliche Wirksamkeit im klinischen Umfeld hin.

Endokrine Therapie vermindert Mortalität und Rückfälle bei ER+ Brustkrebs, doch leider schreitet die Erkrankung in den meisten Fällen in einen nicht behandelbaren Zustand fort. Die nach endokriner Therapie zunehmenden genetischen Veränderungen unterstützen den Einsatz von Kombinationsstrategien mit Wirkstoffen wie CDK4/6- oder mTOR-Inhibitoren, was in Resistenz mündet. Epi-Medikamente bieten die Möglichkeit, ruhende Zellen wieder in einen proliferativen und therapeutisch empfindlichen Zustand zu versetzen. Obwohl mit dem Einsatz dieser Wirkstoffe große Hoffnungen verbunden sind, bestehen auf dem Weg zur klinischen Anwendung noch mehrere Hindernisse. Leider erfüllen die klinischen Ergebnisse hinsichtlich Wirksamkeit und Toxizität nicht die im präklinischen Szenario entstandenen Erwartungen. Dies lässt sich epigenetischen Regulatoren mit vielen Substraten, einschließlich Histon- und Nichthistonproteinen, zuschreiben. Um den Nutzen kombinierter Therapieansätze zu steigern und die Toxizität zu senken, müssen Regulation und Dosierung der Epi-Medikamente eingehend untersucht werden. Auch die Umkehrbarkeit epigenetischer Veränderungen bleibt eine wesentliche Sorge, weil die erneute Expression von Tumorsuppressorgenen bei Abwesenheit von Epi-Medikamenten oder bei einem Übermaß der Mechanismen auftreten kann.

Zusammenfassung und offene Fragen

Es ist unbestreitbar belegt, dass endokrine Therapie eine unverzichtbare Option zur Behandlung hormonsensitiver Brustkrebserkrankungen ist. Es besteht jedoch weiterhin ein dringender Bedarf an Ansätzen gegen den scheinbar unvermeidlichen resistenten Phänotyp. Die jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Epi-Medikamente belegen den Beginn einer neuen Ära epigenetisch basierter Therapien zum Screening und zur Behandlung verschiedener Erkrankungen einschließlich Brustkrebs. Wie bei jeder neuen Forschung brachten auch die Arbeiten auf diesem Gebiet neben neuen Entdeckungen neue Fragen hervor. Einige wichtige offene Punkte sind:

1. Welche Eigenschaften hat die Zelle, aus der der Brusttumor hervorgeht?
2. Vermitteln epigenetische Mechanismen die klonale Selektion an verschiedenen metastatischen Orten?
3. Welche Rolle spielt der mesenchymale Raum bei der Brustkrebsprogression? Welche epigenetischen Mechanismen erhalten die Mikroumgebung des Brusttumors?
4. Können wir die dynamische Natur epigenetischer Veränderungen nutzen, um kurzfristige therapeutische Strategien zur Vermeidung der Selektion eines resistenten Phänotyps zu entwickeln, oder verursachen auch die Epi-Medikamenten zugrunde liegenden Mechanismen die Entstehung von Resistenz?
5. Können wir epigenetische Signaturen nutzen, um Krankheitsprogression und Therapieansprechen zu überwachen?