Characterization of the Tumor Micro Environment in Upper Urinary Tract Carcinomas

Abstract

Objectives:In recent years, the tumor immune microenvironment [TIME] has become a central element of cancer research. The TIME significantly influences the expression of immune checkpoints as well as anti-tumor reaction and clinical survival. To date there are only few data available on the TIME in upper urinary tract carcinoma [UTUC], representing a minority (5-10%) of the urothelial carcinoma in general.

The aim of this study was the further characterization of the TIME in UTUCs. First, we investigated the association between infiltrating immune cells and clinical-pathological characteristics as well as their impact on survival. Second, we asked whether identification of different immune cell phenotypes associates with distinct clinical- pathological characteristics and survival rates.

Materials and Methods:A variety of immunohistochemical stainings (Cluster of Differentiation [CD] CD8, CD3, CD45, PD-1, PD-L1) was performed on a study cohort of 201 UTUC patients of all tumor stages from the centers in Erlangen and Marburg. Quantitative immunohistochemical analysis was performed using QuPath software for the CD8, CD3, CD45 and PD-1 stainings. PD-L1 quantification was performed using the established algorithms for PD-L1 analysis.Results were interpreted by descriptive statistical methods. Survival rates were estimated by the Kaplan-Meier method. The cohort of UTUCs was subdivided into different immune cell phenotypes by cluster analysis.

Results:We found that a higher tumor stage coincides with an increased rate of infiltrating immune cells. There was no significant difference in infiltrating immune cells between male and female UTUC patients. However, higher immune cell infiltrates were associated with high grade tumors, lymph node involvement and metastases. Survival analyses revealed a positive correlation between increased immune cell infiltration and reduced disease specific survival. We performed a subclassification of the UTUC cohort into four different immune cell phenotypes (`uninflamed ́, `inflamed low ́, `inflamed high ́, `evasion ́) in similarity to the classification in muscle invasive bladder cancer. The `uninflamed ́ phenotype with low immune cell infiltration was associated with the best survival rate. In contrast, the `inflamed high ́ and the `evasion ́ phenotype, 1 characterized by a high PD-L1 expression and mostly invasive tumor stage, were associated with the least favorable survival rates.

Conclusion:High numbers of infiltrating immune cells in UTUCs are associated with unfavorable survival. UTUCs can be subclassified into different immune cell phenotypes with the `inflamed high ́ and the `evasion ́ phenotype with high PD-L1 expression displaying a worse survival. These biomarkers might be useful for prognostication of the course of disease as well as prediction of response to immune therapy. Additionally, our findings might contribute to the search for an individualized anti-cancer therapy stratified by TIME characteristics for UTUC patients.

Alternate abstract:

Hintergrund und Ziele: In den letzten Jahren rückte das immunologische Tumormikromilieu (engl. Tumor immune microenvironment [TIME]) zunehmend in den Fokus der Krebsforschung. Das TIME beeinflusst maßgeblich die Expression von Immuncheckpoints und somit die Antitumorreaktion sowie das klinische Überleben von Patienten. Bis dato existieren jedoch kaum Daten zum TIME beim Urothelkarzinom des oberen Harntraktes (engl. upper urinary tract carcinoma[UTUC]), welches mit nur 5-10% eine seltene Unterform des Urothelkarzinoms darstellt.

Das Ziel dieser Arbeit liegt daher in einer genaueren Charakterisierung des TIME beim UTUC. Einerseits soll die Assoziation von Immunzellinfiltraten mit klinisch- pathologischen Charakteristika sowie deren Einfluss auf die Überlebensrate beleuchtet werden. Andererseits soll geprüft werden, ob auch bei UTUCs verschiedene Immunzellphänotypen mit unterschiedlichen klinisch-pathologischen Charakteristika sowie unterschiedlich guten Prognoseraten nachzuweisen sind.

Methoden: Eine Studienkohorte von 201 UTUC-Patienten (pTa-pT4) aus Erlangen und Marburg wurde mittels immunhistochemischer Färbungen für verschiedene Komponenten des TIME aufgearbeitet (engl. Cluster of Differentiation[CD] 8, CD3, CD45, PD-1, PD-L1). Die quantitative immunhistochemische Analyse erfolgte mit Hilfe der Auswertungssoftware Qupath sowie mit den etablierten PD-L1 Auswertungsalgorithmen. Zur Bewertung der Ergebnisse dienten deskriptive statistische Methoden. Für die Überlebenszeitanalysen wurden uni- und multivariable Überlebenszeitmodelle angefertigt. Durch eine hierarchische Clusteranalyse wurden die UTUCs in unterschiedliche Immunzellphänotypen eingeteilt.

Ergebnisse und Beobachtungen:Zunächst zeigte sich, dass ein höheres pT-Stadium auch mit einer erhöhten Zahl an infiltrierenden Immunzellen einherging. Zwischen männlichen und weiblichen UTUC-Patienten bestand hierbei kein signifikanter Unterschied in der Anzahl der infiltrierenden Immunzellen. Signifikant höhere Immunzellinfiltrate waren jedoch mit high grade Tumoren, Lymphknotenbefall sowie einer Metastasierungstendenz assoziiert. Die Überlebenszeitanalyse zeigte eine positive Korrelation zwischen einer erhöhten Immunzellinfiltration und schlechterem krankheitsspezifischem Überleben. Analog der Immunzellphänotypen beim 3 muskelinvasiven Harnblasenkarzinom konnten auch die UTUCs in dieser Studie in vier verschiedene Immunzellphänotypen eingeteilt werden (`Uninflamed ́, `Inflamed low ́, `Inflamed high ́, `Evasion ́). Ein `Uninflamed ́ Phänotyp mit geringer Immunzellinfiltration zeigte dabei die beste Prognose. Hingegen präsentierten sich der `Inflamed high ́ und der `Evasion ́ Phänotyp, der sich vor allem durch eine hohe PD- L1 Expression auszeichnete, und meist in einem invasiven Stadium vorlag, mit den ungünstigsten Prognosen.

Schlussfolgerung:Erhöhte Immunzellinfiltrate im TIME des UTUC gingen mit ungünstigen Überlebensraten einher. Auch beim UTUC können verschiedene Immunzellphänotypen unterschieden werden. Ein `Inflamed high ́ sowie ein `Evasion ́ Phänotyp mit erhöhter PD-L1 Expression zeigten dabei die schlechtesten Prognosen. Diese Biomarker könnten dazu dienen, den Erkrankungsverlauf beziehungsweise das Ansprechen auf eine Immuntherapie genauer vorherzusagen. Zudem könnten die Erkenntnisse einen Beitrag dazu leisten, eine individualisierte Immuntherapie, stratifiziert nach den beschriebenen Veränderungen des TIME, für diese Patienten zu ermöglichen.