Evolutionary and transcriptomic mechanisms of EGFR-mutant non-small cell lung cancer transformation to small-cell lung cancer = EGFR 돌연변이 비소세포폐암에서 소세포폐암으로의 전환 기전 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: Histologic transformation from EGFR–mutant non–small cell lung cancer (NSCLC) to small–cell lung cancer (SCLC) constitutes a major resistance mechanism against EGFR tyrosine kinase inhibitors (TKIs). However, the transcriptional changes accompanying this transformation remain poorly characterized.

Experimental Design: Using formalin-fixed, paraffin-embedded tissue samples from 10 patients, whole-transcriptome analysis was performed on 59 distinct regions of interest to elucidate the molecular alterations underlying this transformation. Sample regions included lung adenocarcinoma (n = 22), transformed SCLC (t-SCLC; n = 30), and mixed histology comprising SCLC and NSCLC components (n = 7). Comparative analyses of transcriptomic profiles and differentially expressed genes were conducted between pre- and post-transformation samples. Transcriptomic profiling and functional validation using patient-derived t-SCLC cell lines and their corresponding organoid models were performed to identify potential therapeutic vulnerabilities.

Results: Following EGFR-TKI treatment, neuroendocrine-high subtypes (SCLC–ASCL1 or SCLC–NEUROD1) were identified in 93.7% (15/16) of all t-SCLC cases analyzed. EGFR expression was significantly reduced at both mRNA and protein levels (P < 0.001), and this reduction occurred independently of EGFR-TKI treatment state or EGFR mutation status. Pathway analyses indicated that epigenetic modifications were the primary contributors to gene expression changes during the transformation to SCLC. In vitro drug screening using various compounds revealed that histone deacetylase (HDAC) inhibitors were particularly effective in t-SCLC models. Importantly, EGFR expression could be restored in SNU–2962A t-SCLC cells and corresponding organoid models following treatment with HDAC inhibitors. Furthermore, combination treatment with the third-generation EGFR-TKI osimertinib and the HDAC inhibitor fimepinostat demonstrated synergistic antitumor efficacy in both in vitro and in vivo models.

Conclusions: Our findings revealed that most t–SCLC cases exhibited distinct neuronal subtypes characterized by diminished EGFR expression and intratumoral transcriptomic heterogeneity. Comprehensive transcriptomic analysis and supportive preclinical modeling underscore epigenetic regulation as a promising therapeutic target for treating t-SCLC.

국문 초록 (Abstract)

연구 배경: 표피성장인자수용체 돌연변이를 보유한 비소세포폐암의 치료 저항 기전 중 하나로 소세포폐암으로의 조직형 전환이 잘 알려져 있으나, 이 과정에서 발생하는 전사체 수준의 변화는 아직 충분히 규명되지 않았다.

연구 방법: 총 10명의 환자로부터 확보한 포르말린 고정 파라핀 포매 조직을 이용하여, 59개의 관심 영역에 대해 전사체 분석을 수행하였다. 분석 대상에는 비소세포폐암인 폐선암 (n=22), 전환된 소세포폐암 (n=30), 그리고 비소세포폐암 및 소세포폐암의 혼합 조직 (n=7)이 포함되었다. 전환 전후 샘플 간 전사체 프로파일 및 차등 발현 유전자 분석을 통해 분자적 변화를 규명하였다. 또한, 치료 표적 탐색을 위하여, 환자 유래 전환-소세포폐암 세포주 및 오가노이드 모델을 활용하여 전사체 분석과 기능적 검증을 병행하였다.

연구 결과: 표피성장인자수용체 티로신 키나아제 억제제 치료 후 분석된 전환-소세포폐암 사례 중 93.7% (15/16)는 소세포폐암–ASCL1 또는 소세포폐암–NEUROD1로 분류되는 신경내분비 고발현 아형이었다. 전환 과정 동안 표피성장인자수용체의 발현은 전사체 및 단백질 수준 모두에서 유의하게 감소하였으며(P < 0.001), 이러한 감소는 티로신 키나아제 억제제 치료 상태나 표피성장인자수용체 돌연변이 보유 여부와 무관하게 나타났다. 경로 분석 결과, 전환 과정 중에 발생하는 전사체 변화는 주로 후성유전학적 조절에 의해 매개되는 것으로 확인되었다. 다양한 약물을 활용한 생체 외 약물 스크리닝을 통해, 히스톤 탈아세틸화효소 억제제 처리 후, 전환-소세포폐암 모델에서 특히 효과적인 것으로 확인되었다. 히스톤 탈아세틸화효소 억제제를 처리한 SNU-2962A 전환 소세포폐암 세포주및 유래 오가노이드 모델에서 표피성장인자수용체의 발현이 회복되었으며, 3세대 키나아제 억제제인 오시머티닙과 히스톤 탈아세틸화 억제제인 피메피노스타트 (fimepinostat)의 병용 치료는 생체 외 및 마우스 모델에서 모두 상승적인 항종양 효과를 보였다.

결론: 대부분의 전환 소세포폐암 사례는 표피성장인자수용체의 발현 저하와 함께 신경내분비 특성이 뚜렷한 아형을 나타냈다. 본 연구는 전사체 수준의 광범위한 분석과 전임상 모델을 통해, 전환 소세포폐암 치료 표적으로서 후성유전학적 조절의 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• TABLE OF CONTENTS iv
• LIST OF TABLES AND FIGURES v
• INTRODUCTION 1
• MATERIALS AND METHODS 7
• RESULTS 19
• 1. Patient demographics and study design 19
• 2. Subtype classification of t-SCLC 26
• 3. Dynamic transcriptome changes occur during the transformation even EGFR-TKI-naïve settings 31
• 4. Differentially expressed genes in EGFR-mutant NSCLC 34
• 5. Characterization of patient–derived t-SCLC cell lines 41
• 6. BET inhibition in SCLC-N subtype through Myc down-regulation 46
• 7. HDAC inhibitor treatment restores EGFR expression in t-SCLC in vitro and in vivo models 49
• DISCUSSION 56
• REFERENCES 63
• ABSTRACT IN KOREAN 70
• ACKNOWLEDGEMENT 72