Μελέτη της διαγνωστικής αξίας των microRNAs στην προκαλούμενη από τη χημειοθεραπεία καρδιοτοξικότητα σε γυναίκες με καρκίνο του μαστού και υπερέκφραση του HER2 υποδοχέα

Abstract

Background: Human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)-positive breast cancer patients receive as adjuvant treatment chemotherapy and targeted therapy, including anthracyclines and trastuzumab. At the same time, they face an increased risk of cardiotoxicity, which may lead to long-term cardiovascular complications. Identifying biomarkers that predict cardiotoxicity is crucial for implementation of cardioprotective therapies. MicroRNAs have emerged as potential predictive factor of cardiotoxicity, due to their role in gene expression and cardiovascular homeostasis. Aim: This study aimed to evaluate the differential expression of circulating miRNAs in HER2-positive breast cancer patients undergoing anthracyclines and trastuzumab and explore their predictive value for anticancer therapy-induced cardiotoxicity. Methods: A total of 50 HER2-positive (group A), 23 HER2-negative breast cancer patients (group B) and 104 controls (group C) were included between May 2017 and August 2024. Groups A and B received epirubicin for 3 months after the baseline assessment, but only group A continued with trastuzumab for one year. Groups A and B were evaluated prospectively before (T0) and at 3 (T1), 6 (T2), 9, 12 and 15 (T3) months after the baseline assessment, while group C at T0, T1 and T3 respectively. Demographic, clinical and pathological data were collected. Left ventricle ejection fraction (LVEF) was performed at every visit, while blood samples for N-terminal prohormone of brain natriuretic peptide (NT-proBNP), high sensitivity troponin (hsTnI) and microRNAs, pulse wave velocity (PVW), augmentation index (AIx) and flow-mediated dilation (FMD) were assessed at T0, T1, T2 and T3. MicroRNAs’ expression profiling was performed using the miRCURY LNA miRNA PCR Panel, and differential expression was assessed using the 2−∆∆Ct method between two groups: cardiotoxicity and no cardiotoxicity. Additionally, five machine learning models (decision tree, random forest, SVM, GBM, kNN) were developed to classify cardiotoxicity based on miRNA expression levels. Results: 21.7% of breast cancer patients (A+B) developed symptomatic or asymptomatic cardiotoxicity. LVEF was statistically significantly reduced at 3 months and this reduction was preserved at 6 and 15 months of follow up (Τ0: 60.1 ± 4.4%, Τ1: 57.7 ± 5.0%, Τ2: 57.0 ± 4.8%, T3 57.1 ± 4.25%, p<0.001). PWV increase and FMD reduction were significant between T0 and T3 (PWV: p = 0.01 / FMD: p = 0.006), but not between T0 and T1 (PWV: p = 0.43 / FMD: p = 0.27). Additionally, treatment with trastuzumab did not change PWV and FMD (p-interaction= 0.74 and 0.91 respectively). Subjects with cardiotoxicity showed initially higher levels of ΝΤ-proBNP (122.0 ± 93.2pg/ml vs. 96.7 ± 71.3pg/ml, p=0.01), but not of hsTnI 3.43 ± 3.23pg/ml vs. 3.06 ± 2.06, p=0.26). Differential expression analysis of 84 microRNAs at T0 identified 24 microRNAs (hsa-miR-17-5p, hsa-miR-22-3p, hsa-miR-145-5p and hsa-miR-143-3p), which were significantly upregulated in the cardiotoxicity group and 21 (hsa-miR-155-5p, hsa-miR-124-3p και hsa-miR-133a-3p), which were respectively downregulated with at least a 2-fold difference between groups. The decision tree model used hsa-miR-17-5p as the primary decision node, classifying samples with an expression level of ≥27 ΔCT as non-cardiotoxic with 100% certainty. In cases where hsa-miR-17-5p was <27 ΔCT, hsa-miR-185-5p served as a secondary classifier, further distinguishing cardiotoxic and non-cardiotoxic cases with high accuracy. According to SVM, hsa-miR-143-3p, hsa-miR-133b, hsa-miR-145-5p and hsa-miR-185-5p were associated with cardiotoxicity. According to the random forest, hsa-miR-185-5p, hsa-miR-145-5p, hsa-miR-17-5p, and hsa-miR-133a-3p were associated with cardiotoxicity. Conclusion: This study underscores the potential of circulating miRNAs as biomarkers for predicting cardiotoxicity in HER2-positive breast cancer patients undergoing treatment with anthracyclines and trastuzumab. Machine learning models could provide valuable insights into miRNA-based risk stratification, paving the way for personalized cardiotoxicity monitoring and intervention strategies.

Εισαγωγή: Η καρδιοτοξικότητα της αντινεοπλασματικής θεραπείας (ανθρακυκλίνες και trastuzumab) στον πρώιμο με υποδοχέα ανθρώπινου επιδερμικού αυξητικού παράγοντα 2 (HER2)-θετικό καρκίνο μαστού αποτελεί ακόμα σημαντική ανεπιθύμητη ενέργεια με πιθανές μακροχρόνιες επιπλοκές. Η αναζήτηση βιοδεικτών για την πρώιμη διάγνωσή της αποτελεί μεγάλο ερευνητικό πεδίο. Τα MicroRNAs έχουν συμμετοχή στην πρώιμη διάγνωση της καρδιοτοξικότητας λόγω του ρόλου τους στη γονιδιακή έκφραση και την καρδιαγγειακή ομοιόσταση. Σκοπός: Σκοπός της συγκεκριμένης μελέτης είναι η διερεύνηση της προγνωστικής αξίας της έκφρασης των microRNAs στην προκαλούμενη από τη χημειοθεραπεία και το trastuzumab καρδιοτοξικότητα σε γυναίκες με πρώιμο HER2-θετικό καρκίνο μαστού που έλαβαν ανθρακυκλίνη και trastuzumab. Υλικό και μέθοδος: Στη μελέτη συμμετείχαν 50 ασθενείς με πρώιμο HER2-θετικό καρκίνο μαστού (ομάδα Α), 23 ασθενείς με πρώιμο HER2-αρνητικό καρκίνο μαστού (ομάδα Β) και 104 υγιείς μάρτυρες (ομάδα Γ) από τον Μάιο του 2017 έως τον Αύγουστο του 2024. Οι ομάδες Α+Β έλαβαν επιρουβικίνη το πρώτο τρίμηνο της θεραπείας τους, ενώ εν συνεχεία μόνο η ομάδα Α έλαβε trastuzumab για ένα χρόνο. Όλοι οι ασθενείς παρακολουθήθηκαν προοπτικά πριν την έναρξη της χημειοθεραπείας (Τ0) και κατόπιν στους 3 (Τ1), στους 6 (Τ2), στους 9, στους 12 και στους 15 μήνες (Τ3), ενώ οι υγιείς μάρτυρες (ομάδα Γ) στους Τ0, Τ1, Τ3 αντίστοιχα. Πέρα από τα κλινικά και δημογραφικά στοιχεία που αξιολογήθηκαν στην αρχική εκτίμηση, πραγματοποιήθηκε σε όλες τις επισκέψεις εκτίμηση του κλάσματος εξώθησης της αριστερής κοιλίας (LVEF), ενώ στις επισκέψεις Τ0, Τ1, Τ2 και Τ3 αξιολογήθηκαν οι βιοδείκτες Ν-τελικό άκρο του προ-Β-τύπου νατριουρητικού πεπτίδιο (ΝΤ-pro-BNP), τροπονίνη υψηλής ευαισθησίας (hsTnI) και microRNAs, η αρτηριακή σκληρία μέσω της καρωτιδο-μηριαία ταχύτητα σφυγμικού κύματος (PWV) και του δείκτη ενίσχυσης ανακλώμενων κυμάτων (Alx) και η ενδοθηλιακή λειτουργία με τη βοήθεια της αγγειοδιαστολής μέσω ροής της βραχιόνιας αρτηρίας (FMD). Η αξιολόγηση των microRNAs σε Τ0 έγινε με βάση τον διαχωρισμό σε δύο ομάδες: καρδιοτοξικότητα και μη καρδιοτοξικότητα, με τη χρήση του miRCURY LNA miRNA PCR Panel και της 2−∆∆Ct μεθόδου, ενώ αναλύθηκαν 5 διαφορετικά μοντέλα μηχανικής μάθησης (δέντρου αποφάσεων, random forest, γραμμικό SVM, GBM, kNN). Αποτελέσματα: 21.7% των ασθενών (Α+Β) παρουσίασαν συμπτωματική ή ασυμπτωματική καρδιοτοξικότητα. Το LVEF των ασθενών μειώθηκε στατιστικά σημαντικά ήδη στους 3 μήνες συγκριτικά με τις αρχικές τιμές, διαφορά που διατηρήθηκε και στους 6 και 15 μήνες παρακολούθησης (Τ0: 60.1 ± 4.4%, Τ1: 57.7 ± 5.0%, Τ2: 57.0 ± 4.8%, T3 57.1 ± 4.25%, p<0.001). Η αύξηση του PWV και η μείωση του FMD ήταν στατιστικά σημαντικές ανάμεσα στο Τ0 και στο Τ3 (PWV: p = 0.01 / FMD: p = 0.006), αλλά όχι ανάμεσα σε T0 και T1 (PWV: p = 0.43 / FMD: p = 0.27). Επιπλέον, η αλληλεπίδραση της θεραπείας με trastuzumab με τις μεταβολές του PWV και του FMD δεν ήταν στατιστικά σημαντική (p-αλληλεπίδρασης= 0.74 και 0.91 αντίστοιχα). Οι ασθενείς που παρουσίασαν καρδιοτοξικότητα είχαν αρχικά υψηλότερα επίπεδα ΝΤ-proBNP (122.0 ± 93.2pg/ml έναντι 96.7 ± 71.3pg/ml, p=0.01), ενώ δεν υπήρχε αντίστοιχη διαφορά στα επίπεδα hsTnI (3.43 ± 3.23pg/ml έναντι 3.06 ± 2.06, p=0.26). Από την αξιολόγηση 84 microRNAs πριν την έναρξη της θεραπείας, 24 (hsa-miR-17-5p, hsa-miR-22-3p, hsa-miR-145-5p και hsa-miR-143-3p) υπέρ-εκφράζονταν στην ομάδα της καρδιοτοξικότητας και τα υπόλοιπα 21 (hsa-miR-155-5p, hsa-miR-124-3p και hsa-miR-133a-3p) υπό-εκφράζονταν με τουλάχιστον 2-πλάσια διαφορά ανάμεσα στις ομάδες. Στο μοντέλο δέντρου αποφάσεων χρησιμοποιήθηκε το hsa-miR-17-5p ως πρώτο κομβικό σημείο κατηγοριοποιώντας τα δείγματα με βάση τα επίπεδα έκφρασης ≥27 ΔCT ως μη καρδιοτοξικότητα με 100% βεβαιότητα. Στις περιπτώσεις που το hsa-miR-17-5p ήταν <27 ΔCT, το hsa-miR-185-5p λειτουργούσε ως δεύτερο κομβικό σημείο, διακρίνοντας περαιτέρω τα δείγματα με υψηλή ακρίβεια. Σύμφωνα με το γραμμικό μοντέλο SVM, τα hsa-miR-143-3p, hsa-miR-133b, hsa-miR-145-5p και hsa-miR-185-5p συνδέθηκαν με την καρδιοτοξικότητα, ενώ σύμφωνα με το μοντέλο random forest τα hsa-miR-185-5p, hsa-miR-145-5p, hsa-miR-17-5p και hsa-miR-133a-3p συνδέθηκαν αντίστοιχα. Συμπέρασμα: Η συγκεκριμένη μελέτη υπογραμμίζει τη προγνωστική αξία των κυκλοφορούντων microRNAs ως βιοδείκτες για την πρώιμη διάγνωση της καρδιοτοξικότητας σε ασθενείς με HER-2 πρώιμο καρκίνο μαστού που έλαβαν ανθρακυκλίνες και trastuzumab. Τα βασισμένα στην έκφραση των microRNAs μοντέλα μηχανικής μάθησης θα μπορούσαν να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη διαστρωμάτωση κινδύνου καρδιοτοξικότητας, ανοίγοντας το δρόμο για εξατομικευμένες στρατηγικές παρακολούθησης και παρέμβασης.