Precision Oncology Strategy and Personalized Medicine for the Treatment of Malignant Peripheral Nerve Sheath Tumor

Abstract

[eng] INTRODUCTION: Malignant peripheral nerve sheath tumors (MPNSTs) are aggressive soft tissue sarcomas with an unfavorable prognosis and a low five-year survival rate. Approximately 50% of cases occur in patients with Neurofibromatosis type 1 (NF1), while the rest are sporadic or related to prior radiation exposure. Currently, there are no effective treatments, highlighting the urgent need for new therapeutic strategies. The pathogenesis of MPNSTs is driven by the inactivation of key tumor suppressor genes, such as NF1, CDKN2A, and EED/SUZ12 (components of the Polycomb Repressive Complex 2, PRC2). This doctoral thesis focuses on three main objectives: (i) Expanding the preclinical MPNST platform developed by our research group by characterizing new in vitro and in vivo models; (ii) Identifying a novel therapeutic combination based on a precision medicine strategy targeting the loss of NF1, CDKN2A, and PRC2; (iii) Implementing a feedback system based on tumor genomic analysis and preclinical drug testing to inform tumor molecular boards (MTBs) in clinical decision-making and treatment personalization in MPNST patients. METHODS: Patient-derived models, including cell lines and orthotopic xenografts (PDOX), were developed and validated through in-depth characterization at multiple levels. A high- throughput screening of 28 inhibitors targeting MEK, CDK, and BET was performed, evaluating 147 drug combinations. The most promising combinations were validated in vitro and subsequently tested in vivo. Additionally, a personalized medicine strategy was implemented, which included comprehensive genomic analysis of patient tumors to guide precision oncology treatments using PDOX models. RESULTS: The generated models faithfully reproduced the main genomic and histological features of the original tumors. Functional characterization of the cell lines revealed differences in proliferation, colony formation capacity, migration, and tumorigenic potential. Notably, the NF1-18B cell line displayed two distinct subpopulations with different ploidy states (<3n and 4n) and differential functional behavior in vitro. Moreover, the SP-10 cell line represents one of the few documented sporadic MPNST models with classic genomic and histological features. Among the evaluated co-treatments, the combination of Arry-162 (MEK inhibitor) and I- BET151 (BET inhibitor) was the most effective, achieving a 65% reduction in tumor volume in the sporadic model and completely halting tumor growth in the NF1-related model.

Furthermore, the triple combination of Arry-162 + I-BET151 + Ribociclib (CDK inhibitor) enhanced this effect, achieving an average tumor reduction of 85% in the sporadic model. The personalized medicine strategy illustrated two clinical cases: one NF1 patient who developed two independent MPNSTs, and one sporadic case with multiple metastatic relapses. In the latter, the combination of MEK and BET inhibitors showed the highest efficacy, achieving a 60% tumor reduction. As a result, the MTB decided to administer this treatment to the patient to prevent further relapses. Moreover, genomic analysis of samples at different stages of MPNST progression revealed genomic stability across primary tumors, relapses, and metastases. CONCLUSIONS: We successfully expanded the preclinical MPNST platform, which enabled the identification of a promising triple therapeutic combination (MEK-BET-CDK) and the development of a personalized medicine strategy that supports clinical decision-making based on functional models and molecular analysis. These advances pave the way for more targeted and effective treatments for MPNST patients.

[cat] INTRODUCCIÓ: Els tumors malignes de la beina del nervi perifèric (MPNST) són sarcomes agressius de teixits tous amb un pronòstic desfavorable i una baixa taxa de supervivència a cinc anys. Aproximadament el 50% dels casos es presenten en pacients amb Neurofibromatosi tipus 1 (NF1), mentre que la resta són esporàdics o estan relacionats amb l'exposició prèvia a radioteràpia. Actualment no existeixen tractaments efectius, el que subratlla la necessitat urgent de noves estratègies terapèutiques. La patogènesi dels MPNST està impulsada per la inactivació de gens supressors tumorals clau, com NF1, CDKN2A i EED/SUZ12 (components del complex repressiu de Polycomb 2, PRC2). Aquesta tesi doctoral es centra en tres objectius principals: (i) Ampliar la plataforma preclínica de MPNST desenvolupada pel nostre grup mitjançant la caracterització de nous models in vitro i in vivo; (ii) Identificar una nova combinació terapèutica basada en una estratègia de medicina de precisió dirigida a la pèrdua de NF1, CDKN2A i PRC2; (iii) Implementar un sistema de retroalimentació basat en l'anàlisi genòmic tumoral i l'avaluació preclínica de fàrmacs per informar els comitès moleculars de tumors (MTB) en la presa de decisions clíniques i la personalització de tractaments en pacients amb MPNST. MÈTODES: Es van desenvolupar models derivats de pacients, incloent línies cel·lulars i xenoinjerts ortotòpics (PDOX), que es van validar i caracteritzar profundament a diferents nivells. Es va realitzar un cribratge d'alt rendiment de 28 inhibidors dirigits a MEK, CDK i BET, avaluant 147 combinacions. Les combinacions més prometedores es van validar in vitro i posteriorment in vivo. A més, es va implementar una estratègia de medicina personalitzada que incloïa un anàlisi genòmic exhaustiu dels tumors dels pacients per guiar els tractaments d'oncologia de precisió utilitzant models PDOX. RESULTATS: Els models generats van reproduir les principals característiques genòmiques i histològiques dels tumors originals. A més, la caracterització funcional de les línies cel·lulars va revelar diferències en proliferació, capacitat de formació de colònies, migració i potencial tumorigènic. Cal destacar que la línia cel·lular NF1-18B va presentar dues subpoblacions distintes amb diferents estats de ploïdia (< 3n i 4n) i comportament funcional diferencial in vitro. D'altra banda, la línia cel·lular SP-10 representa un dels pocs models esporàdics de MPNST documentats amb característiques genòmiques i histològiques clàssiques. Entre els co- tractaments avaluats, la combinació de Arry-162 (inhibidor de MEK) i I-BET151 (inhibidor de BET) va ser la més eficaç, aconseguint una reducció del volum tumoral del 65% en el model esporàdic i aturant completament el creixement tumoral en el model relacionat amb NF1. A

més, la combinació triple de Arry-162 + I-BET151 + Ribociclib (inhibidor de CDK) va potenciar aquest efecte, aconseguint una reducció tumoral mitjana del 85% en el model esporàdic. L'estratègia de medicina personalitzada va il·lustrar dos casos clínics: un pacient amb NF1 que va desenvolupar dos MPNST independents i un cas esporàdic amb múltiples recaigudes metastàtiques. En aquest últim, la combinació d'inhibidors de MEK i BET va mostrar la major eficàcia, aconseguint una reducció tumoral del 60%. Com a resultat, el MTB va decidir administrar aquest tractament al pacient per prevenir possibles recaigudes. A més, l'anàlisi genòmic de les mostres en diferents etapes de la progressió dels MPNST va revelar estabilitat genòmica entre el tumor primari, les recaigudes i les metàstasis. CONCLUSIONS: S’ha ampliat amb èxit la plataforma preclínica d’MPNSTs, el que ha permès identificar una combinació terapèutica triple prometedora (MEK-BET-CDK) i desenvolupar una estratègia de medicina personalitzada que dona suport a la presa de decisions clíniques basades en models funcionals i anàlisis moleculars. Aquests avenços obren el camí per a tractaments més dirigits i eficaços per als pacients amb MPNST.

[spa] INTRODUCCIÓN: Los tumores malignos de la vaina del nervio periférico (MPNST, por sus siglas en inglés) son sarcomas agresivos de tejidos blandos con pronóstico desfavorable y una baja tasa de supervivencia a cinco años. Alrededor del 50% de los casos se presentan en pacientes con Neurofibromatosis tipo 1 (NF1), mientras que el resto son esporádicos o están relacionados con exposición previa a radioterapia. Actualmente no existen tratamientos efectivos, lo que subraya la necesidad urgente de nuevas estrategias terapéuticas. La patogénesis de los MPNST está impulsada por la inactivación de genes supresores tumorales clave, como NF1, CDKN2A y EED/SUZ12 (componentes del complejo represivo de Polycomb 2, PRC2).

Esta tesis doctoral se centra en tres objetivos principales: (i) Ampliar la plataforma preclínica de MPNST que ha generado nuestro grupo mediante la caracterización de nuevos modelos in vitro e in vivo; (ii) identificar una nueva combinación terapéutica basada en una estrategia de medicina de precisión dirigida a la pérdida de NF1, CDKN2A y PRC2; (iii) implementar un sistema de retroalimentación basado en el análisis genómico tumoral y la evaluación preclínica de fármacos para informar a los comités moleculares de tumores (MTB, por sus siglas en inglés) en la toma de decisiones clínicas y la personalización de tratamientos en pacientes con MPNST.

MÉTODOS: Se desarrollaron modelos derivados de pacientes, incluyendo líneas celulares y xenoinjertos ortotópicos (PDOX) a partir de pacientes, que fueron validados y caracterizados con profundidad a diferentes niveles. Se realizó un cribado de alto rendimiento de 28 inhibidores dirigidos a MEK, CDK y BET, evaluando 147 combinaciones. Las combinaciones más prometedoras se validaron in vitro y posteriormente in vivo. Además, se implementó una estrategia de medicina personalizada que incluyó un análisis genómico exhaustivo de los tumores de los pacientes para guiar tratamientos de oncología de precisión utilizando modelos PDOX.

RESULTADOS: Los modelos generados reprodujeron las principales características genómicas e histológicas de los tumores originales. Además, la caracterización funcional de las líneas celulares reveló diferencias en proliferación, capacidad de formación de colonias, migración y potencial tumorigénico. Cabe destacar que la línea celular NF1-18B presentó dos subpoblaciones distintas con diferente estado de ploidia (< 3n y 4n) y comportamiento funcional diferencial in vitro. Por otro lado, la línea celular SP-10 representa uno de los pocos

modelos esporádicos de MPNST documentados con características genómicas e histológicas clásicas. Entre los co-tratamientos evaluados, la combinación de Arry-162 (inhibidor de MEK) e I- BET151 (inhibidor de BET) fue la más eficaz, logrando una reducción del volumen tumoral del 65% en el modelo esporádico y deteniendo completamente el crecimiento tumoral en el modelo relacionado con NF1. Además, la combinación triple de Arry-162 + I-BET151 + Ribociclib (inhibidor de CDK), potenció este efecto, logrando una reducción tumoral promedio del 85% en el modelo esporádico. La estrategia de medicina personalizada ilustró dos casos clínicos: un paciente con NF1 que desarrolló dos MPNST independientes y un caso esporádico con múltiples recaídas metastásicas. En este último, la combinación de inhibidores de MEK y BET mostró la mayor eficacia, logrando una reducción tumoral del 60%. En consecuencia, el MTB decidió administrar este tratamiento al paciente para prevenir posibles recaídas. Además, el análisis genómico de las muestras en distintas etapas de la progresión de los MPNSTs reveló estabilidad genómica entre el tumor primario, las recaídas y las metástasis.

CONCLUSIONES: Se amplió con éxito la plataforma preclínica de MPNST, lo que permitió identificar una combinación terapéutica triple prometedora (MEK-BET-CDK) y desarrollar una estrategia de medicina personalizada que apoya decisiones clínicas basadas en modelos funcionales y análisis moleculares. Estos avances abren el camino hacia tratamientos más dirigidos y eficaces para pacientes con MPNST.