Clinical, morphological and molecular characterization of cancer phenotypes associated with chronic obstructive pulmonary disease (COPD): new prospective of target therapies

BACKGROUND Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and lung cancer are two catastrophic diseases, representing leading causes of morbidity and mortality worldwide. Although the treatment has greatly improved both diseases continue to show increasing frequency and above all an unpredictable progression. Several studies have firmly established a strict connection between COPD and lung cancer highlighting also the importance of the inflammatory response as a risk factor for both diseases. The inflammatory paradigm is undoubtedly one of the most fascinating theories to connect COPD and lung cancer and it has acquired new impetus by the recent discoveries in the COPD pathogenesis. Emerging evidence in this context has emphasized the role of adaptive immune responses, possibly with an autoimmune component due to the recognition of pulmonary selfantigens modified by cigarette smoking and to the failure of mechanisms regulating immunological tolerance. In this context, COPD-associated cancers might have specific pathogenetic and morphological features, differently from tumours arising in non-COPD patients, due to the synergic effect of cigarette smoke and chronic inflammation. AIM OF THE RESEARCH This research project focuses on the study of lung cancer in patients with COPD compared to smokers without COPD and never smoker patients in order to identify eventual distinct clinical, morphological and molecular phenotypes. MATERIALS AND METHODS From 2010 to 2012, we prospectively enrolled patients with peripheral non small lung cancer submitted to anatomical lung resection (lobectomy, bilobectomy or pneumonectomy) associated with systematic lymphadenectomy. Patients with central airway cancer, secondary lung tumours or previously submitted to inductive treatment were excluded from the study. According to respiratory functional tests and smoking history patients were then divided in 3 groups: COPD patients, smokers without COPD and never-smoker subjects with normal lung function (FEV1/FVC ratio >70%). Each patient underwent a full clinical and instrumental assessment. Morphological studies included detailed analysis of growth pattern (according to the latest revision of adenocarcinoma classification), cell proliferation (Ki67/MIB1 expression), parameters of intra-and peri-tumoral remodelling (inflammation, fibrosis and necrosis) and tumoural detection of interleukin-17 (IL-17) cytokine. Genetic analysis of EGFR and KRAS mutations was also performed in all cases. RESULTS In the study period, 66 patients who met the inclusion/exclusion criteria were initially enrolled:16 COPD, 32 smokers without COPD and 18 never smokers. As the selection criteria affected the predominant histologic profile with a clear predominance of the adenocarcinoma histotype (63% in COPD patients, 71% in smokers and 56% in neversmokers), we performed our investigations only in patients with this histology to obtain results not affected by different histotypes. Therefore the study group was composed of 43 patients (10 COPD, 23 smokers and 10 never-smokers), whose main demographic and functional parameters were comparable except for male/female ratio, reversed in never-smokers, and for lung function, reduced in COPD patients, as expected. Given the specific aim the comparison of different clinical, morphological and molecular data was mainly performed within the category of smoking patients (COPD patients and smokers without COPD), while never smokers represented control group. From a clinical point of view the most important differences concern the number of peripheral blood basophils and standard uptake value of positron emission tomography–computed tomography (SUV of PET-CT). COPD patients showed a significant higher number of basophils and lower SUV of PET-CT than smokers without COPD. Concerning the histological evaluation adenocarcinoma of COPD patients showed a more frequent lepid pattern, less evident solid aspect and lower MIB1/Ki67 index than adenocarcinoma of smokers without COPD. A significant more extensive necrosis was found in adenocarcinoma of COPD and smokers without COPD compared to never-smokers. Finally although not statistically significant a stronger IL17 tissue expression was observed in COPD cases compared to smokers without COPD. As regards molecular data the most interesting finding was a trend of less frequency of KRAS mutation in adenocarcinoma of COPD patients. CONCLUSIONS Adenocarcinoma in COPD patients presents clinical, molecular and morphological features of lower aggressiveness (higher number of basophils, low SUV of PET-CT, increased lepidic component, reduced solid pattern, lower cell proliferation and less frequent K-RAS mutation) compared to that of smokers without COPD. Alternative mechanisms of carcinogenesis may be involved in the development/progression of lung cancer in COPD patients. Given the importance of inflammation in the pathogenesis of the disease other mechanisms, such as IL-17 pathway, mainly driving inflammatory mediated carcinogenesis might be crucial. Additional knowledge of these mechanisms would be of considerable help in the fight against lung cancer especially concerning therapeutic perspectives, providing a rational basis for the development of targeted and more effective treatments.

INTRODUZIONE La BPCO e il tumore polmonare sono due malattie catastrofiche e rappresentano alcune tra le principali cause di morbilità e mortalità in tutto il mondo. Sebbene il trattamento di queste patologie è notevolmente migliorato negli ultimi anni, esse continuano a presentare una crescente incidenza e soprattutto un andamento clinico non prevedibile a priori. Lo stesso termine "tumore polmonare non a piccole cellule (NSCLC)" comprende un gruppo di malattie neoplastiche con caratteristiche cliniche e molecolari estremamente eterogenee. Diversi studi hanno ormai fermamente stabilito la stretta connessione tra la BPCO e il cancro del polmone evidenziando anche l'importanza della risposta infiammatoria agli stimoli nocivi, in particolare il fumo di sigaretta, come fattore di rischio fondamentale per entrambe le malattie. La teoria infiammatoria è senza dubbio uno dei paradigmi più affascinanti per collegare la BPCO e il tumore polmonare e ha acquisito un nuovo impulso dalle più recenti scoperte nella patogenesi della BPCO. Infatti, sono emerse in questo campo evidenze importanti che hanno sottolineato il ruolo fondamentale di risposte immunitarie adattative, anche con una componente autoimmune dovuta sia al riconoscimento di auto-antigeni polmonari modificati dal fumo di sigaretta sia al fallimento dei meccanismi che regolano la tolleranza immunologica. In questo contesto, le neoplasie a insorgenza in pazienti con BPCO, per effetto sinergico del fumo e di una specifica infiammazione cronica, potrebbero possedere specifiche caratteristiche patogenetiche e morfologiche, differenti da tumori di altre popolazioni non affette da BPCO. SCOPO DELLA RICERCA Questo progetto di ricerca si concentra sullo studio del cancro del polmone nei pazienti con BPCO comparandolo a due gruppi di controllo, composti da fumatori sani e pazienti non fumatori, al fine di individuare distinti fenotipi neoplastici dal punto di vista bioumorale, morfologico e molecolare. MATERIALI E METODI Dal 2010 al 2012, sono stati arruolati nello studio pazienti con NSCLC in sede periferica sottoposti a resezione polmonare anatomica (lobectomia, bilobectomia o pneumonectomia) associata a linfadenectomia sistematica. I pazienti con neoplasia a carico delle vie aeree centrali, con tumore polmonare secondario o precedentemente sottoposti a trattamento chemioradioterapico sono stati esclusi dal progetto. Ogni paziente è stato sottoposto ad una completa valutazione clinica e strumentale, che ha compreso i test di funzionalità polmonare polmonari (i criteri GOLD sono stati utilizzati per identificare i pazienti con BPCO), radiografia del torace/TAC torace/18FDG PET-TC analisi del sangue. I pazienti sono stati poi divisi in 3 gruppi in base alle prove funzionali respiratorie e alla storia di fumo: pazienti con BPCO, soggetti fumatori e pazienti non fumatori con funzione polmonare normale (rapporto FEV1/FVC> 70%). Lo studio istologico della neoplasia è stato caratterizzato da: stadiazione pTNM, analisi morfometrica del pattern di crescita (secondo l'ultima revisione della classificazione del cancro del polmone), proliferazione cellulare (mediante valutazione dell’espressione di Ki67/MIB1), i parametri di rimodellamento intra-e peri-tumorale (infiammazione, fibrosi, necrosi) e la caratterizzazione del pattern citochinico di IL-17 a livello peri-e intra-tumorale. Infine è stata eseguita l'analisi genetica delle mutazioni dei geni EGFR e KRAS. RISULTATI Nel periodo di studio sono stati inizialmente arruolati 66 pazienti che rispettavano i criteri di inclusione/esclusione, di cui 16 BPCO, 32 fumatori senza BPCO e 18 non fumatori. Poiché i criteri di selezione hanno profondamente condizionato il profilo istologico predominante, con una netta prevalenza dell’istotipo adenocarcinoma (63% nella BPCO, 71% nei fumatori e 56% nei non fumatori), abbiamo deciso di condurre la valutazione neoplastica funzionale, morfologica, molecolare solo nell’ istologia prevalente. Pertanto, il gruppo di studio è risultato composto da 43 pazienti (10 BPCO, 23 fumatori, 10 non fumatori), che presentavano comparabili dati demografici e funzionali ad eccezione del rapporto maschio/ femmina, invertito nei non fumatori, per la funzione polmonare, ridotta nei pazienti con BPCO. Dato l'obiettivo specifico, il confronto dei differenti dati clinici, morfologici e molecolari è stato svolto prevalentemente all'interno della categoria dei soggetti fumatori (pazienti affetti da BPCO e fumatori senza BPCO), mentre i pazienti con storia negativa di fumo hanno rappresentato il gruppo di controllo.Da un punto di vista clinico, le più rimarcabili differenze sono emerse a livello del numero di basofili nel sangue periferico e del valore di standard uptake value (SUV) all’indagine PET-TC. Infatti i pazienti con BPCO hanno mostrato un numero significativamente superiore di basofili e un SUV inferiore rispetto ai soggetti fumatori senza BPCO. Per quanto riguarda la valutazione istologica, gli adenocarcinomi nei pazienti con BPCO hanno presentato un aumento del pattern lepidico, con riduzione della componente solida e una più bassa espressione del Ki67/MIB1 rispetto ai tumori dello stesso istotipo insorti in soggetti fumatori senza BPCO. Si è evidenziata una maggiore rappresentazione della componente necrotica negli adenocarcinomi dei pazienti fumatori, con o senza BPCO, rispetto al gruppo dei non fumatori. Infine un forte ma non significativo aumento di IL-17 è stato osservata nei casi con BPCO rispetto ai fumatori. L’analisi molecolare ha permesso di osservare, come dato più rilevante, un trend di ridotta frequenza di mutazione di KRAS negli adenocarcinomi dei pazienti con BPCO rispetto alle neoplasie del gruppo dei fumatori. CONCLUSIONI Gli adenocarcinomi correlati alla BPCO sono emersi presentare caratteristiche cliniche, morfologiche e molecolari di minore aggressività (aumento del numero di basofili, ridotto SUVmax alla PET-TC, aumento della componente lepidica, ridotti pattern solido e proliferazione cellulare e meno frequente mutazione di K-RAS) rispetto alle neoplasie insorte in pazienti fumatori senza BPCO. Vie alternative di carcinogenesi potrebbero essere coinvolte nello sviluppo/progressione del tumore polmonare dei pazienti con BPCO. Data l'importanza dell'infiammazione nella patogenesi di questa malattia polmonare, altri meccanismi, quale il pathway di IL-17, potrebbero essere cruciali per lo sviluppo cancerogenetico principalmente mediato dall’infiammazione. La conoscenza di questi meccanismi potrebbe essere di notevole aiuto nella lotta contro il tumore polmonare soprattutto per quanto riguarda nuove prospettive terapeutiche, fornendo le basi per sviluppare trattamenti mirati e con maggiore efficacia.