Development of immunohistochemistry based molecular classification of colorectal carcinomas : a correlation between transcriptome analysis and immunohistochemical study

Abstract

The current standard treatment of stage III colorectal cancers involves adjuvant chemotherapy with FOLFOX after curative resection; however, the clinical outcomes of this therapy are variable. For personalized therapeutic strategy after curative resection, identification of eligible biomarkers and subsequent molecular classification to predict the outcomes of the FOLFOX regimen is warrented. In this study, I aimed to investigate the practical molecular subtype by analyzing the mRNA expression profile of stage III CRC followed by FOLFOX, searching subtype classifying genes, and establishing algorithms for the immunohistochemical assessment of each subtype. I developed non-negative matrix factorization (NMF) based four molecular subtypes using a training cohort (n = 101, stage III CRCs with FOLFOX treatment). I found that these four subtypes have many similarities to the consensus molecular subtypes (CMS) of CRCs. I selected thirteen markers available for IHC that overexpressed by >1.5 fold relative in one group to that of the other three groups and normal mucosa and included other 19 previously proposed immunohistochemical, molecular markers for the classification of molecular subtypes. I finally selected nine IHC factors that showed a significant difference in expression between groups. To predict CMS, I selected SNAI1, MUC2, SPINK4, KIT, CDX2, ZMYND8, TFF3, MUC5AC, and MSI status using MMR markers (accuracy: 0.825, 95% CI = 0.737 - 0.825, AIC: 134.771, 95% CI = 134.507 - 160.549). As expected, application of the validation cohort (n = 401) revealed subtype-specific characteristics and poor prognosis of CMS4. Using the IHC classifier, I found that CMS3 and CMS4 are the groups that have a bad prognosis in FOLFOX chemotherapy. My study proposes the practical IHC classifier predicting a prognosis of CRCs after standard therapy in stage III CRCs.

대장 직장암 환자에서 진행된 대장직장암 환자를 대상으로 수술적 제거 이후 FOLFOX 항암화학요법을 주로 시행하고 있으나 임상적인 효과는 다양하게 나타난다. 개인맞춤형 치료전략을 수행하기 위해서는 적합한 바이오마커를 발굴하여 치료반응을 예측할 수 있는 분자아형을 분류하는 것이 요구된다. 본 연구는 FOLFOX 항암화학요법을 시행한 3기 대장암을 대상으로 유전자발현 정보를 분석하여 분자아형을 분류하였으며 면역조직화학염색을 통하여 분자아형을 재연할 수 있는 알고리즘를 개발하는 것을 목적으로 하였다. 트레이닝 코호트 (101 개의 FOLFOX 항암화학요법을 시행한 3기 대장암)의 전사체 발현을 이용하여 NMF (Non-negative Matrix Factorization) 기반의 4개의 분자아형을 나누었으며 이는 기존 연구에서 제시된 콘센서스 분자아형(CMS)과 79% 의 유사성을 보이는 것으로 나타났으며 서로 관련성을 보이는 아형의 임상병리학적 특징이 유사하였다. 면역조직화학염색 분류 알고리즘을 위한 마커를 선정하기 위하여 다른 그룹들이나 정상점막보다 1.5배 이상의 발현증가를 보이는 13개의 면역화학염색이 가능한 표지자를 선별하였으며, 이에 추가로 이전 연구에서 분자아형의 마커로 제시된 19개의 표지자를 선택하였다. 면역조직화학염색의 결과를 평가하여 그룹간에 현저하게 다른 표현을 보여주는 9개의 인자를 선정했다. SNAI1, MUC2, SPINK4, KIT, CDX2, ZMYND8, TFF3, MUC5AC, 그리고 MSI status 를 마커로 사용하였을 때 콘센서스 분자아형(CMS)을 효과적으로 분류하였다 (accuracy: 0.825, 95% CI=0.737-0.825, AIC: 134.771, 95% CI = 134.507-160.549). 이들 인자에서 KIT를 HTR2B으로 변경함으로 NMF 기반 분자아형의 예측을 최적화 할 수 있었다 (accuracy: 0.702, 95% CI=0.643-0.702, AIC: 226.576, 95% CI = 226.576-237.358). 면역조직화학염색 알고리즘을 검증 코호트에 적용하여 분류된 분자아형은 기존의 분자아형의 특성을 유의하게 보였으며 CMS4의 나쁜 예후를 나타냈다. 또한 CMS3와 CMS4가 FOLFOX 화학요법에 나쁜 예후를 보이는 것을 관찰하였다. 종양의 중심부와 주변 침윤부의 분자아형을 비교하였을 때 406 개의 케이스에서 약 8.1% 가 중심부와 주변 침윤부의 분자아형이 다르게 분류되었다. 이러한 면역조직화학염색 알고리즘을 이용한 분자아형분류를 통하여 효율적이고 낮은 비용으로 분자아형을 예측할 수 있으며, 치료반응을 예측하는데 도움을 얻을 수 있고, 종양세포자체의 단백질 발현으로 분류하기 때문에 기존의 전사체 발현을 통한 분류에서 섬유아세포 및 기질에 의해 영향을 받던 단점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.