Umeå University's logo

Colorectal cancer (CRC) remains a significant healthcare problem worldwide, being the third most common cancer and the fourth most frequent cause of cancer death. Environmental and dietary factors such as alcohol abuse, cigarette smoking, and genetic predisposition seem to constitute the main aetiologies.

Two major distinct molecular genetic pathways have been recognised as models of transition from normal epithelium to adenoma and carcinoma. The first involves chromosomal instability (CIN) and the second involves microsatellite instability (MSI). The MSI pathway constitutes 2-4% of CRCs with a hereditary Mismatch Repair (MMR) defect (dMMR) and approximately 15% of sporadic MMR defects due to epigenetic silencing of the MutL homologue 1 (MLH1) promoter. Extracellular factors and spontaneous copy errors necessitate molecular systems to survey and repair human genetic information, and to protect it from chemical disruption. A complicated and entangled network of DNA damage response mechanisms, including multiple DNA repair pathways, damage tolerance processes, and cell cycle checkpoints safeguard genomic integrity. It has recently become apparent that key proteins contributing tocellular survival by taking part in DNA repair become executioners in the face of excess DNA damage. All prokaryotic and eukaryotic organisms have major DNA repair pathways. In each of these DNA repair pathways there are key proteins that have dual functions in DNA damage sensing/repair and apoptosis, taking advantage of the fact that DNA is a double helix with the same information present on both strands. Damages that affect one strand can easily be repaired by excision and replacement with newly synthesised DNA using the complementary strand as a template. MMR plays a critical role in the repair of errors that occur spontaneously during DNA replication, such as single base mismatches. dMMR increases the mutation frequency in an affected cell by approximately 1000 times, leading to MSI through the accumulation of short repetitive DNA sequences called microsatellites. Carcinogenesis in dMMR cases can present as hereditary cases (Lynch syndrome) due to germline mutation inin one of the main MMR genes – MLH1, MSH2, MSH6, and PMS2 or somatic/sporadic cases (epigenetic silencing or somatic inactivation of MLH1promoter. dMMR seems to have a favourable prognosis as these CRCs seems to be less prone to metastasising. This phenomenon is much more obvious for tumour stages II and III, while in advanced disease dMMR seems to lose its positive prognostic effect. Even if the underlying mechanism is not fully understood, some studies attribute the positive effect of dMMR tumours to their increased immunogenicity leading to a stronger more effective immune response. On the other hand, the predictive value of the dMMR mechanism isless well understood and has only gained attention in recent years. In general, dMMR seems to predict a poor response to 5-FU, the basis of gastrointestinal chemotherapy.

The aims of this thesis were: 1. To review the latest publications on the role of MSI status as prognostic factor in stage II colon cancer (CC) patients (Study I); 2. To validate MMR status as a prognostic factor in patients with CC Stage II (Study II); 3. To verify MMR status as a predictive factor in relation to the administration of adjuvant chemotherapy in patients with stage II CC (Study III); 4. To investigate the potential role of MMR status as a risk factor for acute CC surgery (Study IV); and finally 5. To investigate the association between CRC with sporadic dMMR and non-colorectal malignancy (Study V).

Study I, a meta-analysis reviewing recently published papers, revealed that MSI status in stage II CC patients does not seem to affect overall survival (OS)and disease-free survival (DFS). This lack of impact could be explained by selection bias and the extremely high proportion of patients receiving adjuvant chemotherapy in the studies included. This was the first meta-analysis specifically evaluating patients with colon cancer stage II. The optimal treatment algorithm for these patients remains unclear, and approximately 20% experience relapse and finally die from disseminated disease.

Study II verified the prognostic role of MMR status in patients with stage II CC. Patients with a dMMR tumour have a significantly lower risk for cancer recurrence, a finding that is particularly important for CC treatment. This relationship does not correlate to a better OS since these patients are older and often die from other causes. Debate on the best postoperative strategy in stage II CC continues. What this study contributes is the idea that determination of MMR status can have prognostic value in these patients.

Study III also verified the predictive role of MMR status in patients with stageII CC, only this time in relation to treatment with adjuvant chemotherapy. Patients with proficient MMR (pMMR) status receiving adjuvant chemotherapy have a significantly better OS than those not receiving adjuvant treatment. This relationship was not seen in patients with a dMMR tumour. Furthermore, patients with a pMMR tumour receiving adjuvant treatment have a significantly longer survival time after the first relapse compared to those not receiving adjuvant treatment.

Study IV revealed the higher probability of dMMR tumours to present as a surgical emergency. Stage III and IV tumours were also associated with acute surgery. This association was significant regardless of the potential bias due toretrospective methodology and possible heterogeneity between the differentcohorts. Further research is required before our conclusions can be applied in clinical practice due to the multicomplex relationship and interactions between variables that influence the oncologic outcome of acute CC surgery.

Study V revealed that patients with sporadic, non-hereditary dMMR CRC run a greater risk for having non-colorectal cancer prior to or after the diagnosis ofCRC. This implies that patients with a dMMR tumour should be screened for other non-colorectal cancer, more so than in the the general population.

Conclusion: CRC continues to be a significant healthcare problem worldwide, and treatment algorithms for patients with different genomic backgrounds can vary significantly. This thesis supports the idea of using MMR status as a prognostic and predictive factor in everyday clinical practice, especially in stage II CC and acute cases.

Kolorektalcancer (CRC) utgör, som den tredje vanligaste cancerformen och den fjärde vanligaste orsaken till cancerdöd, fortfarande ett viktigt hälsoproblem över hela världen. Defekt Mismatch repair system (dMMR) är genom felaktig DNAreparation en av de viktigaste orsakerna till utveckling av CRC. Mismatch repair (MMR) spelar en avgörande roll vid reparation av fel som uppträder spontant under DNA-replikation såsom enkla basmatchningar, korta insertioner eller deletioner. dMMR ökar mutationsfrekvensen i en drabbad cell cirka 1000 gånger, vilket leder till mikrosatellit-instabilitet (MSI) genom ackumulering av korta repetitiva DNA-sekvenser som kallas mikrosatelliter. Tumörer med dMMR karakteriseras av hög mutationshastighet vilket leder till förekomst av neoantigener på cellmembranet. Detta möjliggör för kroppens immunsystem att utveckla ett effektivt immunologiskt svar. Upptäckten av dMMR är grunden förnya behandlingar vilka kan påverka immunologiska kontrollpunkter. dMMR förekommer i cirka 20 % av all CRC och utgörs dels av en ärftlig typ, som finns hos familjer med Lynch syndrom eller Hereditary Non-polyposis Colorectal Cancer (HNPCC), och en sporadisk typ utan ärftlighet. För närvarande finns huvudsakligen två metoder för att fastställa MMR-status. Den första och mest använda bygger på Polymerase Chain Reaction (PCR) som kan utföras på färsk, fryst eller paraffinbäddad tumörvävnad. Analysen bygger på en granskning av fem definierade mikrosatellite markörer. Dessa markörer har valts ut vid en konsensuskonferens i Bethesda (1997). MSI graderas som MSI high (MSI-H) där två eller flera av markörerna identifieras, MSI low (MSI-L) om en markör identifieras och stabil (MSS) om ingen av dessa markörer återfinns. Graderingen MSI-L och MSS slås ofta samman till en grupp, det vill säga stabila tumörer. Den andra metoden utgörs av immunohistokemi (IHC) där man använder monoklonala antikroppar mot fyra riktade proteiner (MLH1, MSH2, PMS2, MSH6). Idag används IHC oftare då denna teknik är enklare och billigare. Flera publicerade studier med syfte att jämföra dessa båda metoder har påvisat sammstämighet i mer än 94 % av tumörerna.

Avhandlingen undersöker följande aspekter av MMR status vid kolorektal cancer:

• Betydelsen i de senast publicerade studierna av MSI-status somprognostisk faktor för patienter med CC stadium II (studie I).
• Möjligheten att MMR-status utgör en signifikant prognostisk faktor förpatienter med CC stadium II (studie II).
• Möjligheten att MMR-status utgör en signifikant prediktiv faktor förpatienter med CC stadium II som behandlas med adjuvant kemoterapi(studie III).
• Möjligheten att dMMR-status utgör en riskfaktor för behov av akutkirurgi vid CC (studie IV).
• Möjligheten att sporadiska tumörer med dMMR-status löper en högrerisk för utvecklingen av andra cancertyper före eller efter CRC (studieV).

Resultat och diskussion:

Delarbete 1: I denna meta-analys utgjordes 20.8% av CC i stadium II av MSI/dMMR. Det fanns ingen signifikant skillnad i total överlevnad (OS) mellan MSI/dMMR och MSS/pMMR grupperna. Hazard ratio (HR) för OS var 0.73 (95% konfidenceintervall (CI); 0.33-1.65). Sjukdomsfri överlevnad (DFS) för ovanstående grupper uppvisade inte heller någon signifikant skillnad. HR för DFS var 0.60 (95% CI; 0.27-1.32). Ingen signifikant skillnad identifierades heller när studier som använde genotypning (MG) eller IHC testades separat (MG vs IHC: HR OS 0.45,95% CI; 0.10-2.05 vs 0.95, 95%CI; 0.57-1.58. HR DFS 0.51, 95% CI: 0.14-1.85 vs. 0.67, 95% CI 0.26-1.70). I 8 av 19 studier ingick även fall av rektalcancer och i 3 av dessa var andelen rektalcancer inte angiven. Vid analys av studier inkluderande endast koloncancerpatienter var HR för OS 0.72 (95% CI: 0.31-1.71); och HR för DFS 0.60 (95% CI: 0.27-1.31).

Vår metaanalys, den första som endast utvärderar patienter med CC stadium II, påvisades inget signifikant samband mellan MSI/dMMR och OS eller DFS.Huvudorsaken till resultatet är de motstridiga resultat som studierna presenterar. Dessutom har vi i metaanalysen upptäckt att 47.3% av patienterna fått adjuvant kemoterapi, jämfört med cirka 25% som numera behandlas i modern onkologisk kontext. Detta resulterar i en dubbelt så lång överlevnad igruppen med MSS/pMMR jämfört med MSI/dMMR. Den senare gruppen har betydlig sämre respons på klassisk kemoterapi.

Delarbete 2: I denna retrospektiva studie fanns 93 dMMR fall bland 452koloncancerfall (20.6%). Det förelåg inget signifikant samband mellan dMMR och OS (Log-Rank, p=0·583, 95% CI 0.76 – 1.67). Däremot konstaterades en höggradigt signifikant skillnad för tid till progress (TTP) med halverad hazard ratio för dMMR (TTP: HR 0·50, 95% CI 0.28 – 0.87, p = 0·012). Således har dessa patienter en betydligt mindre risk för återfall och cancerrelaterad död. Detta fynd korrelerar inte med bättre OS. En trolig förklaring är att koloncancer i detta stadium har en generellt god prognos efter kirurgi. I och med att dMMR-patienter är äldre än de med pMMR drabbas de oftare av andra dödsorsaker än cancerrelaterade. TTP-analys visar att dMMR-status utgör en prognostisk faktor avseende återfall och koloncancerrelaterade dödsfall för patienter med koloncancer stadium II. Som en följd av detta bör MMR-status användas i klinisk xiiipraxis som grund för beslut om adjuvant terapi, även om de flesta studier visar att vikten av MMR-status påverkas även av andra faktorer.

Delarbete 3: I denna retrospektiva multicenterstudie som inkluderar 451 patienter med CC stadium II förelåg dMMR i 20.4%. Denna patientgrupp fick ingen överlevnadsvinst av adjuvant kemoterapi (HR 1.05; 95% CI 0.47-2.38, p=0.897). Å andra sidan visade sig patienter med pMMR-status som fått adjuvant kemoterapi ha en signifikant bättre OS jämfört med de som endast behandlades med kirurgi (HR 0.54; 95% CI 0.35-0.82, p=0.004). Detta förhållande bibehöllsvid multivariabel analys (HR 0.42; 95% CI 0.22-0.78, p=0.007). Patienter tillhörande pMMR gruppen som drabbades av återfall efter adjuvant kemoterapi hade en signifikant bättre överlevnad jämfört med de som inte fick adjuvant postoperativ behandling (HR 0.55; 95% CI 0.32-0.96, p=0.033). Detta varsignifikant även i den multivariabla modellen (HR 0.49; 95% CI 0.26-0.93, p=0.030). Fynden är mycket intressanta gällande beslut om behandlingsstrategi för CC stadium II, då de visar en tydlig relation mellan MMR-status och respons på adjuvant kemoterapi.

Delarbete 4: I denna retrospektiva multicenterstudie som inkluderar 870 koloncancer-patienter från tre olika länder (Sverige, Finland och Tjeckien) var 399 patienter kvinnor (46%), medianålder vid kirurgi var 69 år och dMMR status förelåg hos 190 patienter (22%). Akut kirurgi, dvs kirurgi vid samma vårdtillfällesom när CC diagnosen ställdes, genomfördes hos 179 patienter (21%). dMMR status förelåg i 57 fall (32%) (p=0.001). Patienterna delades in i en skandinavisk undersökningsgrupp (Sverige och Finland) som inkluderade 412 patienter och en tjeckisk valideringsgrupp som utgjordes av 458 patienter. I den skandinaviska gruppen förelåg ett signifikant samband mellan dMMR-status och akut kirurgi i såväl uni- (Odds Ratio (OR) 1.82, 95% CI 1.11-3.02, p=0.017) som multivariabel (OR=2.21, 95% CI 1.28-3.95, p=0.005) analys. Detta samband bekräftades i den tjeckiska valideringsgruppen vid såväl uni- (OR=1.94, 95% CI 1.09-3.26, p=0.022) som multivariabel (OR=1.77, 95% CI 1.15-3.18, p=0.021) analys. Dessa fynd är intressanta då det rör sig om variabler som påverkar utfallet vid akut insjuknande i CC.

Delarbete 5: I denna retrospektiva multicenterstudie som inkluderar 1753 CRCpatienter från tre olika länder (Sverige, Finland och Tjeckien) var 838 patienter kvinnor (48%), medianåldern vid kirurgi var 67 år och sporadisk dMMR status förelåg hos 236 patienter (13%). Av dessa hade 327 patienter (19%) diagnostiserats med minst en annan icke-kolorektal malignitet innan eller efterdiagnosen av CRC. Det förelåg ett signifikant högre incidence rate ratio (IRR) för förekomst av icke kolorektal malignitet 20 år innan och efter (fram till stoppdatum för uppföljning) debuten av CRC, såväl i den uni- (IRR=1.45, 95% CI 1.10-1.92, p=0.009) som i den multivariabla (IRR=1.46, 95% CI 1.09-1.95, xivp=0.011) modellen för patienter med sporadiska dMMR jämfört med pMMR fall. Detta fenomen var ännu mer uppenbart för icke kolorektal malignitet som uppträdde efter den primära diagnosen för CRC både i den uni- (IRR=1.64, 95% CI 1.15-2.36, p=0.007) och multivariabla (IRR=1.61, 95% CI 1.10-2.35, p=0.014) modellen. Dessa fynd behöver verifieras men skulle kunna vara betydelsefulla vid utformning av framtida uppföljningsprogram vid CRC riktad mot patienter med icke ärftlig dMMR tumör.