Clinical implications of peripheral blood genes expression profiles in castration-resistant metastatic prostate cancer

Abstract

Objetivos: La tesis tiene como finalidad investigar la interacción entre la terapia antiandrogénica con enzalutamida, la dinámica de las células inmunitarias y los perfiles de expresión génica en pacientes con cáncer de próstata metastásico resistente a la castración (mCRPC). Se pretende identificar biomarcadores que permitan predecir la evolución de la enfermedad, comprender los mecanismos de resistencia terapéutica y establecer herramientas para la estratificación del riesgo y la personalización del tratamiento. Metodología: El estudio se desarrolló en dos fases principales. En primer lugar, se analizó la composición inmunitaria en sangre periférica de 95 pacientes del ensayo clínico de fase II denominado PREMIERE, quienes aún no habían recibido tratamiento con enzalutamida ni quimioterapia. Se empleó el algoritmo CIBERSORTx para cuantificar 22 subconjuntos de células inmunitarias a partir de perfiles transcriptómicos. Posteriormente, se validaron estos hallazgos en una cohorte independiente (IRST, 54 pacientes). Paralelamente, se desarrolló una firma pronóstica basada en perfiles de expresión génica obtenidos de sangre periférica. Mediante técnicas de Machine Learning (incluyendo LASSO, Ridge y Elastic Net), se seleccionó un panel reducido de 22 genes con alto poder predictivo. La firma se validó en ambas cohortes mediante análisis de curvas ROC dependientes del tiempo, lo que permitió evaluar su capacidad discriminativa en relación con la supervivencia global. Además, se realizó un análisis longitudinal del transcriptoma en muestras de sangre tomadas en tres momentos clave: antes del tratamiento, a las 12 semanas y en el momento de la progresión de la enfermedad. Esto permitió identificar cambios en la expresión génica asociados a la modulación del microambiente inmunitario. Por último, se llevaron a cabo estudios in vitro en líneas celulares inmunitarias (líneas T: Jurkat y MOLT-4; monocitos: THP-1; y células B: Raji) para evaluar el efecto directo de enzalutamida sobre la viabilidad celular y la inducción de apoptosis, comparando además su acción con la de otros antiandrogénicos. Resultados/Conclusiones: Los análisis inmunitarios demostraron que niveles elevados de monocitos se asocian con un peor pronóstico, mientras que mayores proporciones de células T CD8+ se correlacionan con una supervivencia prolongada. Estos resultados, validados en la cohorte IRST, sugieren que la composición inmunitaria periférica es un marcador de alto valor pronóstico que complementa los factores clínicos tradicionales. La firma pronóstica de 22 genes mostró un rendimiento predictivo superior al de modelos previos, permitiendo calcular un puntaje de riesgo individual y facilitando la personalización del tratamiento en mCRPC. Los análisis de curvas ROC a lo largo de distintos intervalos temporales confirmaron la robustez del modelo para estratificar el riesgo de muerte.

El análisis longitudinal del transcriptoma evidenció una supresión significativa de las vías relacionadas con la inmunidad adaptativa (especialmente la activación y función de las células T CD8+) y un aumento en la proporción de monocitos, tanto a las 12 semanas de tratamiento como en la progresión. Estos cambios indican que la enzalutamida induce un entorno inmunosupresor, lo que podría contribuir al desarrollo de mecanismos de resistencia.

Los estudios in vitro demostraron que enzalutamida reduce de forma significativa la viabilidad de las células T, induciendo apoptosis a través de mecanismos independientes del receptor androgénico. Además, la comparación con otros antiandrogénicos reveló que, a concentraciones plasmáticas equivalentes, enzalutamida y darolutamida afectan más intensamente la viabilidad de las células T que bicalutamida, apalutamida o abiraterona.

En conjunto, estos hallazgos indican que la integración del fenotipo inmunitario y los perfiles de expresión génica en sangre periférica ofrece una herramienta prometedora para la estratificación del riesgo y la personalización del tratamiento en mCRPC. La capacidad para identificar biomarcadores que predigan la evolución clínica y detecten tempranamente la aparición de resistencia abre nuevas perspectivas para la incorporación de terapias combinadas, como la integración de antiandrogénicos con agentes inmunomoduladores, con el objetivo de mejorar la respuesta antitumoral y la supervivencia de los pacientes.

Objectives: This thesis aims to investigate the interaction between antiandrogen therapy with enzalutamide, immune cell dynamics, and gene expression profiles in patients with metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC). The goal is to identify biomarkers that not only predict disease progression but also elucidate the mechanisms underlying therapeutic resistance, thereby providing tools for risk stratification and personalized treatment planning. Methodology: The study was developed in two main phases. First, the immune cell composition in peripheral blood from 95 patients enrolled in the phase II clinical trial PREMIERE (prior to receiving enzalutamide or chemotherapy) was analyzed using the CIBERSORTx algorithm. This method quantified 22 immune cell subtypes from transcriptomic profiles. The findings were later validated in an independent cohort (IRST, 54 patients).

Simultaneously, a prognostic gene expression signature was developed using peripheral blood samples. Machine Learning techniques (including LASSO, Ridge, and Elastic Net) were applied to select a robust panel of 22 genes with high predictive power. The signature was validated in both cohorts through time-dependent ROC curve analyses, assessing its discriminative ability regarding overall survival.

Additionally, a longitudinal transcriptomic analysis was conducted on blood samples collected at three key time points: before treatment, at 12 weeks, and at disease progression. This allowed for the identification of gene expression changes associated with modulation of the immune microenvironment. Finally, in vitro experiments were performed on immune cell lines (T cells: Jurkat and MOLT-4; monocytes: THP-1; and B cells: Raji) to evaluate the direct effects of enzalutamide on cell viability and apoptosis, comparing its action with that of other antiandrogens. Results/Conclusions: Immunological analyses revealed that elevated monocyte levels are strongly associated with poorer prognosis, while higher proportions of CD8+ T cells correlate with prolonged survival. These results, validated in the IRST cohort, indicate that peripheral immune cell composition is a valuable prognostic marker complementing traditional clinical factors.

The 22-gene prognostic signature demonstrated superior predictive performance compared to previous models, enabling the calculation of an individual risk score that facilitates treatment personalization in mCRPC. Time-dependent ROC analyses confirmed the model's robustness in stratifying the risk of death over clinically relevant intervals.

Longitudinal transcriptomic analyses showed significant suppression of pathways related to adaptive immunity (notably CD8+ T cell activation and function) and an increase in monocyte proportions at both 12 weeks and disease progression. These changes suggest that enzalutamide induces an immunosuppressive environment that may contribute to the development of resistance mechanisms. In vitro studies further confirmed that enzalutamide significantly reduces T cell viability by inducing apoptosis through mechanisms independent of the androgen receptor. Moreover, comparisons with other antiandrogens revealed that, at equivalent plasma concentrations, enzalutamide and darolutamide have a more pronounced effect on T cell viability than bicalutamide, apalutamide, or abiraterone. Overall, these findings indicate that integrating immune phenotyping with gene expression profiling in peripheral blood provides a promising tool for risk stratification and personalized treatment in mCRPC. The ability to identify predictive biomarkers and detect early resistance opens new avenues for combining therapies, such as integrating antiandrogens with immunomodulatory agents, ultimately aiming to enhance antitumor responses and improve patient survival