치료 중 소세포 폐암의 진화 과정
Abstract
![[Fig. 1] Evolutionary trajectories of small cell lung cancer under therapy](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2024/04/Fig.-1-Evolutionary-trajectories-of-small-cell-lung-cancer-under-therapy.png)
소세포 폐암(Small cell lung cancer; SCLC)은 화학요법에 대해 뚜렷한 민감성을 보이는 동시에, 빠르게 재발하는 경향이 있지만, 이와 관련된 진화적 과정은 아직 명확히 알려지지 않았습니다.
이 논문에서는 65명의 환자로부터 얻은 160개의 종양을 대상으로 multiregion sequencing을 통해 진단 시점과 화학요법 및 면역요법을 거치는 동안의 종양 계통을 확인했습니다. 치료받지 않은 SCLC는 확인된 종양 부위에서 클론 간 균질성을 보였으며, 이에 비해 플래티넘 기반 1차 치료는 종양 내 유전적 다양성과 클론의 공간적 다양성을 급격히 증가시켰습니다.
종양의 재발 과정에서는 진화 분기점과 조상 클론으로의 복귀 현상을 관찰했습니다. 효과적인 방사선 치료나 면역요법은 1차 화학요법으로 인한 유전적 손상을 가진 창시 클론의 재발를 유도했습니다. TP53 및 RB1 변이는 공통적인 조상 세포에서만 확인되었으나, MYC family의 증폭은 초기 클론의 구성 요소가 아닌 경우가 많았습니다. 재발 시, SCLC와 관련된 주요 유전자에 영향을 미치는 새로운 서브 클론 변이가 나타났고, CREBBP/EP300 변이를 가진 종양은 유전체 중복 현상을 경험했습니다. 유전자를 손상시키는 TP53 변이와 TP53 missense 변이, TP73, CREBBP/EP300 또는 FMN2와의 공변이는 화학요법 후 빠른 질병 재발과 유의미한 연관성이 있었습니다.
이 연구를 통해 SCLC의 치료 과정에서의 유전체 진화의 핵심 메커니즘을 밝혀내고, 재발 시 클론 다양성의 근원으로서 공통 조상을 식별하며, 화학요법에 대한 민감성과 저항성을 결정하는 중요한 유전체 패턴을 제시합니다.
Figures
Tumor specimens and clinical data
– 65명의 SCLC 환자로부터 160개의 종양 샘플을 추출하여 분석한 결과를 주로 소개하고 있으며, 부위가 상이하지만 환자 별 최소 2개의 종양 샘플을 추출했습니다.
[Figure 1] SCLC 환자 65명의 종양 샘플 및 임상 기록
(A) SCLC 환자 65명의 종양 지점으로부터 샘플을 추출한 뒤, mouse에 이식하여 patient-derived xenotransplant (PDX) 모델을 구축함.
(B) SCLC 환자 65명이 임상에서 겪은 변화에 대한 모식도.
(C) 다양한 치료 단계에서 짝지어진 환자 간 종양 샘플의 분석 결과.
[Fig. 1a] 환자들로부터 암 샘플이 채취된 다양한 신체 부위를 보여주며, 치료 전후로 채취된 샘플과 실험실 연구에 사용된 특별한 유형의 샘플을 나타냅니다.
[Fig. 1b] 환자들의 치료 과정에 대한 개요를 나타냅니다. 첫 번째 주요 화학요법에 어떻게 반응했는지, 이후 재발 및 치료 진행 상황과 결과는 어떻게 되는지에 대한 세부 정보를 보여줍니다. 임상 시 가이드라인에 따라 환자들이 1차 화학 항암에 반응하는 기간을 표시했으며, 이는 chemotherapy-free interval(CTFI; 화학요법 사이의 시간 간격, 회복기)를 45일, 90일 그리고 180일로 둔 경우에 따라 나누었습니다.
[Fig. 1c] 연구자들이 암이 어떻게 변화하고 치료에 반응했는지 이해하기 위해 서로 다른 시점 및 신체 부위에서 채취한 암 샘플을 어떻게 비교했는지 설명합니다. 이 연구에서는 우선 치료 전 첫 진단 시점에서 서로 다른 지점에 있는 종양 샘플들을 비교했습니다. 이후 치료를 시작하기 전과 화학요법 진행 & 진행 후 암 재발 시점에서 채취한 종양 샘플 간 비교를 진행했습니다. 이후 ICI(Immune checkpoint inhibitors)로 치료하기 전후에 채취한 종양 샘플 간의 비교도 진행했습니다.
Tumour phylogenies of metastatic SCLC
– 해당 파트는 다양한 치료 과정에서 SCLC 종양 샘플의 유전체 진화를 분석하여, 클론 다양성의 변화를 이해하려고 합니다.
– 치료 후의 종양은 공통 조상에서 유래한 서브클론의 확장으로 인해 증가된 클론 다양성과 복잡성을 보였으며, 이는 화학요법에 의해서만 발생한 것이 아닙니다.
– 해당 파트의 발견은 화학요법이 종양의 진화 경로에 영향을 미쳐 재발 시 다양한 서브클론의 발생을 촉진하고, 이로 인해 유전체 및 종양 내 이질성이 증가한다는 것을 나타냅니다.
![[Fig. 2] Evolutionary trajectories of small cell lung cancer under therapy](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2024/04/Fig.-2-Evolutionary-trajectories-of-small-cell-lung-cancer-under-therapy.png)
[Figure 2] SCLC 환자들로부터 추출한 종양의 계통 및 클론의 변화 양상
(A) 환자들 사이에 공통적으로 보이는 조상 클론에 대한 클론 계통을 그린 모식도.
(B) 클론 계통의 종류를 class로 나눈 그림.
(C) 각 class의 샘플 수 및 각 환자의 계통 class와 연관된 시점을 나타낸 그림.
(D) 각 환자의 다양한 임상 단계에서의 종양의 계통(종양 세포의 진화 과정). 시간 경과 및 치료 과정에 따라 종양의 유전적 구성이 다양하게 진화하는 양상, 그리고 개별 환자 내 세포 발달의 복잡성을 드러냄.
(E-G) 서로 다른 치료 과정에서 보이는 subclonal 변이, 종양 클론 및 계통 class.
(E) Class D & E에서 보이는 다양한 변이 양상.
(F) 치료를 받지 않은 상황에서 종양의 위치, 변이 수, 클론 수 집계.
(G) 1차 플래티넘 기반 화학요법 전/후 종양의 위치, 변이 수, 클론 수 집계.
(H) S02706 환자의 종양의 클론 다양성.
(I) 재발 종양에서 조상 세대 종양인 C0 혹은 C1의 비율.
[fig. 2a] C0이 공통적인 조상 클론이며, 그 아래로 C1, C2, C3로 분할되는 서브 클론을 분류해 놓은 그림입니다. WES data를 통해 계산한 CCF(cancer cell fraction)를 기준으로 전체 샘플에 있는 변이면 C0, 그 외는 subclone으로 분류했습니다.
[fig. 2b, c] Subclone의 발현 종류 및 개수에 따라 Class A ~ F로 나뉜 양상을 확인할 수 있습니다.
[fig. 2d] 서로 다른 환자 간 비교를 위해 paired analysis를 고려하여, 샘플들 내 발견된 clone의 특징을 모두 파악하여 모식화하였습니다.
[fig. 2e] 치료를 받지 않은 환자들에서 보다 낮은 클론 다양성을 발견했습니다. 대체로 치료를 받지 않은 환자들에서 클론 다양성이 낮고, 치료받은 환자들에게서는 클론 다양성이 높았습니다. 또한 ‘branching evolution(subclone의 다양한 발생 여부)’가 치료받은 환자들에게서 더 컸습니다.
[fig. 2g] Class D의 계통을 primary tumor와 비교했을 때 여러 clone에서 확인했습니다. 1차 치료 전과 후의 환자들에서 종양 샘플 사이에 클론 구조가 어떻게 변화하는지를 나타내고 있으며, 치료에 따른 종양의 진화와 복잡성을 비교 분석합니다.
[fig. 2h] 종양은 각각 S1(치료 전), S2(neo-adjuvant chemotherapy 후), S3(재발) 시점으로 나누어 관찰했습니다. Fig. 2d를 토대로 primary tumor site에서의 진화 과정을 살펴보았을 때, class D의 계통의 암세포 집단이 발견되었습니다. 초기 clone의 경우 항암 치료를 통해 억제되는 반면, subclone으로 변하여 재발하는 것으로 확인이 됩니다.
Mutation signatures of clonal diversity
– 항암치료에 기반한 클론 다양성 증가의 원인이 되는 과정을 정확히 파악하기 위해, 해당 파트에서는 공통 조상과 서브 클론을 정의하는 돌연변이에 대한 특징을 구체화하고자 했습니다.
![[Fig. 3] Evolutionary trajectories of small cell lung cancer under therapy](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2024/04/Fig.-3-Evolutionary-trajectories-of-small-cell-lung-cancer-under-therapy.png)
[Figure 3] Subclone들의 변이 신호
(A) 치료 전 및 치료 후 종양에서 클론(조상 클론 C0) 및 서브클론 변이에 할당된 단일 염기 치환(SBS; single base substitutions)의 돌연변이 신호
(B) 치료 전 환자의 여러 부위에서 채취한 샘플에 대한 서브클론 변이(왼쪽, 회색)와 1차 플래티넘 기반 화학요법을 받기 전과 받은 후의 종양(가운데와 오른쪽)에 대한 서브클론 변이 분석
(C) 화학치료를 받는 환자들의 치료 전후를 비교하여 확인한 변이 신호
(D) ICI 치료 시 종양 지점에 따른 반응을 나타내는 그래프(왼쪽), 서로 다른 개별적인 서브클론 변이의 수가 ICI 치료 전후로 달라짐을 나타내는 그래프(오른쪽)
(E, F) 첫 진단(치료 전), 1차 화학치료 후 재발 및 ICI 치료 후 재발하는 상황 각각에 대한 다양한 클론 변이.
(G) ICI를 받는 환자의 각 변이 신호의 상대적인 강도를 나타냄.
[Fig. 3A] 폐암에 대한 기존 연구를 뒷받침하는 결과로, 나이 및 흡연과 관련한 작용들이 common ancestor의 변이에 크게 기여하는 것으로 나타났습니다. Subclone의 경우, 흡연 빈도와 관련이 상대적으로 적었음을 확인할 수 있습니다.
[Fig. 3B] 1차 화학요법에 반응한 환자들은 재발 시 서브클론 변이가 유의미하게 증가한 반면, 화학요법에 내성을 보인 SCLC 환자들은 치료 전 환자들과 비교했을 때 서브클론 변이 수에서 유의한 차이가 없었음을 보여줍니다.
[Fig. 3C] 방사선 치료를 받았던 종양 부위를 재발 시 분석한 결과, 이전 화학요법으로 인한 유전체 손상인 백금 관련 유전체 흉터를 자주 보여줌으로써, 방사선 치료가 다양한 서브클론의 성장을 허용하는 것을 포함하여 화학요법으로 인한 손상을 입은 종양 클론의 성장을 허용할 수 있다는 것을 나타냅니다.
[Fig. 3D] 7명의 환자들이 ICI 기반의 2~3차 항암치료를 받고 있었고, 치료 경과가 Fig 1b에 나옵니다.
[Fig. 3E, 3F] 각 치료에 대한 치료 반응이 설명되어 있습니다. 클론 트리의 가지에 할당된 화살표는 조상 클론 C0과 그 하위 클론에서 돌연변이 서명이 어느 정도 기여하는지를 나타냅니다. 나아가 특정 종양 부위의 암 세포가 가지고 있는 특정 유전적 구성의 비율을 보여주며, 환자들이 ICI에 대해 어떻게 반응했는지를 나타냅니다.
Clonality of central genome alterations
– 이 파트에서는 SCLC의 치료에서 발생한 클론 다양성에서 차별적으로 발생하는 유전체 변경을 확인하고자 했습니다.
![[Fig. 4] Evolutionary trajectories of small cell lung cancer under therapy](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2024/04/Fig.-4-Evolutionary-trajectories-of-small-cell-lung-cancer-under-therapy.png)
[Figure 4] 주요 유전자 변형을 통한 클론 발생
(A) 전체 샘플에서 발생한 유전자 변형의 종류를 나타낸 그래프
(B) S02814 환자의 종양 계통도로, 첫 번째 진단에서 KRAS p.G13D를 가진 혼합 SCLC/LCNEC 조직학적 특성을 보였고, 재발 때는 SCLC 조직학적 특성과 취득된 EP300 p.Q160E를 보임
(C) 환자 내 서로 다른 종양 샘플(S1, S2, S3)에서 주요 유전자 변이의 CCF(cancer cell fraction) 변화
(D) 환자들의 종양 샘플 중 MYCL 유전자의 집중적인 증폭을 보인 부분을 표시함
(E) 환자들이 첫 진단을 받았을 때(치료 전)와 화학요법을 받은 후(화학요법 후)의 종양에서 관찰된 게놈의 배수성(ploidy)
[Fig. 4a] (*): 유의한 역할을 보이는 변이, (#): hotspots, (§) 세포 손상 관련 변이. TP53 및 RB1이 공통적으로 클론 분화에 중요한 역할을 하는 것으로 확인했습니다.
[Fig. 4b] TP53 및 RB1은 common ancestor에서부터 변이가 확인된 반면, KRAS와 같은 oncogenic mutation은 SCLC histology 내 재발하는 변이에서 크게 확인하지 못했습니다.
[Fig. 4c] 주요 유전자에 대해 첫 번째 진단, 치료 후, 그리고 재발 시에 획득된 환자의 다양한 종양 샘플에서 주요 유전자 변이의 CCF(암 세포 분획) 변화를 나타냅니다.
[Fig. 4d] MYC 가족 유전자들(MYC, MYCL1, MYCN)의 높은 수준의 초점적 증폭이 56%의 환자들(16건 중 9건)에서 한 종양 부위에만 국한된 서브클론 현상으로 자주 나타났습니다. 이런 현상은 치료 전 3건, 치료 후 6건에서 발생했으며, 반면 다른 시간이나 공간에서 채취한 종양 샘플에서는 이런 증폭 현상이 관찰되지 않았습니다.
[Fig. 4e] 연구 대상군에서, 치료받지 않은 종양 중 36%가 더 높은 배수성을 보였으나, 이는 1차 치료에 대한 임상 반응과 치료 기간 동안의 클론 다양성에 영향을 주지 않았습니다. 그러나 화학요법 전후로 채취된 42쌍의 종양 중 8명의 환자에서는 재발 시 게놈 중복 획득 사건이 나타났고, 이 종양들 대부분은 기능적으로 중요한 HAT 도메인 돌연변이나 CREBBP/EP300에서의 유해 변화를 가지고 있었으며, 이 모두는 공통 조상의 일부였습니다.
Impact of mutations on drug sensitivity
– 해당 파트에서는 SCLC의 분자생물학적 특징이 1차 플래티넘 기반 항암 치료에서의 반응에 영향을 주는지 알아보고자 합니다.
![[Fig. 5] Evolutionary trajectories of small cell lung cancer under therapy](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2024/04/Fig.-5-Evolutionary-trajectories-of-small-cell-lung-cancer-under-therapy.png)
[Figure 5] 화학요법 반응에 영향을 미치는 TP53 및 주요 공통적인 변화
(A) TP53의 체세포 내 변이이며, 단백질 구조에 point mutation이 표시됨
(B) p53 point mutation 및 기타 유전자 손상 TP53 변화 그룹을 비교한 Kaplan-Meier 생존 곡선.
(C, D) 1차 항암치료를 받은 두 그룹의 환자들(p53 point mutation group & 기타 유전자 손상 TP53 그룹)의 치료 반응
(E, F) 해당 코호트에서 1차 항암만 받고 재발을 겪지 않은 환자들의 특징
[Fig. 5a] TP53 및 RB1 유전자의 변이를 각각이 encoding하는 단백질의 기능에 미치는 영향에 따라 분류하여, 각 돌연변이가 단백질 형성에 주는 손상을 표현한 모식도입니다.
[Fig. 5b] 생존 곡선이지만, 재발 여부 및 재발까지 걸린 시간을 기반으로 모델링하여 두 그룹 간 재발의 경향에 차이가 있는지를 검정했습니다. 해당 코호트는 1차 화학 항암치료만 받은 환자들을 포함합니다.
[Fig. 5c] 화학요법에 대해 거의 또는 전혀 반응하지 않는 TP53 유전자 손상 변이는 질병 재발까지의 median 시간이 63일이었으며, 거의 모든 환자들이 6개월 내에 재발했습니다.
[Fig. 5d] TP53 유전자 손상 변이와 관련된 짧은 재발 없는 기간을 연령, 성별, 종양 단계를 조정한 후에도 유의미하게 남아있었습니다.
[Fig. 5e] TP53에서 클론의 유전자 손상 변이와 p53 point mutation를 보유한 환자 따라 그룹화되며, p53의 경우 CREBBP/EP300, TP73, FMN2의 중요한 공동 변이에 대해 추가적인 분류를 나누었습니다.
[Fig. 5f] 재발 여부를 반응 변수로 둔 Kaplan-Meier 생존 곡선. 5(b)와 마찬가지로 각 변이 상황에 따라 재발 및 재발 기간에 대해 유의미한 차이를 보입니다.
Disscussion
이 연구 결과는 SCLC가 1차 플래티넘 기반 화학치료에 초기에 높은 민감성을 보이다가 빠르게 재발하는 현상에 대한 원리를 제시합니다. 연구진들은 진단 시 종양을 지배하는 빠르게 성장하는 암세포 집단을 화학요법을 통해 효과적으로 제거하고, 이후 공통 조상으로부터 유래된 다수의 서브 클론이 확장되는 것을 보여줍니다. 1차 종양은 치료로 인한 진화적 압박을 받아 기존에 있던 조상 클론이 공통 조상에서 나와 재발을 형성하는 서브 클론을 만들어냅니다. 이러한 연구를 통해 약물 저항성에서 공통 조상의 유전체 맥락이 중요한 역할을 한다는 것을 밝히고, 주로 TP53과 RB1의 biallelic loss에 국한된 유전체 특성을 파악했습니다. TP53에서 유전자 손상 변이는 SCLC 환자, 특히 화학요법에 대한 저항성과 관련이 있으며, TP73, CREBBP/EP300, 또는 FMN2의 동시 변이가 있을 경우 TP53 missense 변이가 있는 환자들도 비슷한 저항성을 보입니다. 또한, CREBBP/EP300의 클론 변이가 유전체 복제를 동반하며 재발을 유발하는 것을 발견함으로써 약물 저항성에 대한 명확한 유전적 기제를 제시했습니다. 마지막으로, MYC 유전자 계열이 SCLC에서 중요한 역할을 하지만, 그 증폭 이벤트가 창시자 클론에 자주 포함되지 않으며 약물 저항성과의 직접적 연관성도 발견되지 않았습니다. 이로써 이들의 데이터는 SCLC에서 약물 민감도와 저항성에 중요한 영향을 미치는 주요 유전자 변이 목록을 제공합니다.
전반적으로, 이들의 발견은 최근의 공통 조상과 관련된 것이며 임상적인 의의도 가집니다. 첫째, 공통 조상에서 특별히 존재하는 변이에 초점을 맞춘 새로운 치료법이 될 수 있는 발견입니다. 이러한 변이들은 치료에 대한 반응과 저항성을 모니터링하는 마커로도 사용될 수 있습니다. 둘째, 약물 저항성을 촉진하는 클론 다양성이 크게 증가하기 때문에, 효과적인 1차 치료가 후속 치료에도 중요하다고 봅니다. 셋째, 개발 중인 약물은 1차 치료 초기에 테스트될 때 여전히 효과적일 수 있으며, 후속 치료를 복잡하게 하는 클론 다양성이 있는 재발에 영향을 받지 않을 수 있습니다.
요약하자면, 해당 연구에서는 암 유전체 진화의 중심에 최근의 공통 조상 클론을 두고, 빠른 재발과 반응이 떨어지는 유전자 변이를 밝혀냈습니다. 따라서 이 연구는 창시자 클론의 해로운 세포 구성 요소를 대상으로 하는 맞춤형 치료 전략이 SCLC 환자의 결과를 개선하기 위해 필요함을 강조합니다.