Mécanismes de résistance aux inhibiteurs de tyrosine kinase ALK dans le cancer bronchique non à petites cellules

The molecular study and classification of lung adenocarcinomas has led to the development of selective targeted therapies aiming to improve disease control and survival in patients. The anaplastic lymphoma kinase (ALK) is a tyrosine kinase receptor from the insulin tyrosine kinase receptor family, with a physiologic role in neural development. Gene rearrangements involving the ALK kinase domain occur in ~3-6% of patients with lung adenocarcinoma. The fusion protein dimerizes leading to transactivation of the ALK kinase domain in a ligand-independent and constitutive manner. Lorlatinib is a third generation ALK inhibitor with high potency and selectivity for this kinase in vitro and in vivo, and elevated penetrance in the central nervous system. Lorlatinib can overcome resistance mediated by over 16 secondary kinase domain mutations occurring in 13 residues upon progression to first - and second - generation ALK TKI. In addition, treatment with lorlatinib is effective for patients who have been previously treated with a first and a second generation or a second generation ALK TKI upfront and is currently approved for this indication. The full spectrum of biological mechanisms driving lorlatinib resistance in patients remains to be elucidated. It has been recently reported that the sequential acquisition of two or more mutations in the kinase domain, also referred as compound mutations, is responsible for disease progression in about 35% of patients treated with lorlatinib, mainly by impairing its binding to the ALK kinase domain. However, the effect of these compound mutations on the sensitivity to the repertoire of ALK inhibitors can vary, and other resistance mechanisms occurring in most patients are unknown. My PhD thesis aimed at exploring resistance to lorlatinib in patients with ALK-rearranged lung cancer through spatial and temporal tumor biopsies and development of patient-derived models. Within the institutional MATCH-R study (NCT02517892), we performed high-throughput whole exome, RNA and targeted next-generation sequencing, together with plasma sequencing to identify putative genomic and bypass mechanisms of resistance. We developed patient-derived cell lines and characterized novel mechanisms of resistance and personalized treatment strategies in vitro and in vivo. We characterized three mechanisms of resistance in four patients with paired biopsies. We studied the induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT) by SRC activation in a patient-derived cell line exposed to lorlatinib. Mesenchymal cells were sensitive to combined SRC and ALK co-inhibition, showing that even in the presence of an aggressive and challenging phenotype, combination strategies can overcome ALK resistance. We identified two novel ALK kinase domain compound mutations, F1174L/G1202R, C1156Y/G1269A, occurring in two patients treated with lorlatinib. We developed Ba/F3 cell models harboring single and compound mutations to study the differential effect of these mutations on lorlatinib resistance. Finally, we characterized a novel mechanism of resistance caused by NF2 loss of function at the time of lorlatinib progression through the development of patients derived PDX and cell lines, and in vitro validation of NF2 knock-out with CRISPR/CAS9 gene editing. Downstream activation of mTOR was found to drive lorlatinib resistance by NF2 loss of function and was overcome by providing treatment with mTOR inhibitors.This study shows that mechanisms of resistance to lorlatinib are more diverse and complex than anticipated. Our findings also emphasize how longitudinal studies of tumor dynamics allow deciphering TKI resistance and identifying reversing strategies.Les analyses moléculaires et la classification des adénocarcinomes bronchiques ont conduit au développement de thérapies ciblées sélectives visant à améliorer le contrôle de la maladie et la survie des patients. ALK (anaplastic lymphoma kinase) est un récepteur tyrosine kinase de la famille des récepteurs de l'insuline. Des réarrangements chromosomiques impliquant le domaine kinase d’ALK sont présents dans environ 3 à 6% des patients atteints d'un adénocarcinome bronchique. La protéine de fusion provoque une activation du domaine kinase de manière constitutive et indépendante du ligand. Lorlatinib est un inhibiteur d’ALK de troisième génération avec une efficacité et une sélectivité optimale, ainsi qu’une pénétration élevée vers le système nerveux central. Lorlatinib peut vaincre la résistance induite par plus de 16 mutations secondaires dans le domaine kinase d’ALK acquises lors de la progression aux ALK TKI de première et deuxième générations. Le traitement par lorlatinib est donc efficace chez les patients préalablement traités par un ALK TKI de première ou deuxième génération, et est actuellement approuvé pour cette indication. Le spectre complet de mécanismes de résistance au lorlatinib chez les patients reste à élucider. Il a récemment été rapporté que l'acquisition séquentielle de deux mutations ou plus dans le domaine kinase, également appelées mutations composées, est responsable de la progression de la maladie chez environ 35% des patients traités par le lorlatinib, principalement en altérant sa liaison au domaine kinase d’ALK. Cependant, l’effet de ces mutations sur la sensibilité aux différents inhibiteurs d’ALK peut varier, et les autres mécanismes de résistance survenant chez la plupart des patients restent inconnus. Mon travail de thèse avait pour but d’explorer la résistance au lorlatinib chez des patients atteints d'un cancer du poumon ALK réarrangé par la mise en œuvre de biopsies spatiales et temporelles et le développement de modèles dérivés de patients. Dans le cadre de l’étude institutionnelle MATCH-R (NCT02517892), nous avons effectué un séquençage à haut débit de l’exome, de l’ARN et ciblé, ainsi qu’un séquençage des ctDNA afin d’identifier les mécanismes de résistance. Nous avons établi des lignées cellulaires dérivées de patients et caractérisé de nouveaux mécanismes de résistance et identifiés de nouvelles stratégies thérapeutiques in vitro et in vivo. Nous avons identifié trois mécanismes de résistance chez quatre patients avec des biopsies appariées. Nous avons étudié l'induction de la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) par l'activation de SRC dans une lignée cellulaire, dérivée d’un patient, exposée au lorlatinib. Les cellules mésenchymateuses étaient sensibles à l’inhibition combinée de SRC et d'ALK, montrant que même en présence d'un phénotype agressif, des stratégies de combinaison peuvent surmonter la résistance aux ALK TKI. Nous avons identifié deux nouvelles mutations composées du domaine kinase d’ALK, F1174L / G1202R, C1156Y / G1269A survenues chez deux patients traités par le lorlatinib. Nous avons développé des modèles de cellules Ba / F3 exprimant les mutations simples et composées pour étudier leur effet sur la résistance au lorlatinib. Enfin, nous avons caractérisé un nouveau mécanisme de résistance provoqué par la perte de fonction de NF2 au moment de la progression du lorlatinib par l’utilisation de PDX et de lignées cellulaires dérivées de patients, et par CRISPR / CAS9 knock-out de NF2. Nous avons constaté que l'activation de mTOR par la perte de fonction de NF2 provoquait la résistance au lorlatinib et qu'elle pouvait être surmontée par le traitement avec des inhibiteurs de mTOR.Cette étude montre que les mécanismes de résistance au lorlatinib sont plus divers et complexes que prévu. Nos résultats démontrent également comment les études longitudinales de la dynamique tumorale permettent de déchiffrer la résistance aux TKI et d'identifier des stratégies thérapeutiques