Ultrasensitive Assays for Targeted Breast Cancer Treatment

Abstract

Den avgjørende rollen til østrogen i østrogenreseptor-positiv (ER+) brystkreft er veletablert, hvor aromatasehemmere som hemmer østrogensyntesen er sentral i behandlingen av brystkreft. Imidlertid er kvantifiseringen av østrogener i klinisk relevante sub-pikomolære nivåer i serum en utfordring, noe som ofte begrenser presisjonen i terapeutisk overvåking, optimalisering og forskning. I denne avhandlingen presenteres en serie studier som samlet fremmer feltet for østrogenanalyser, med fokus på å forbedre sensitivitet og spesifisitet til analysemetoder for å forbedre behandling av pasienter med ER+ brystkreft. I den første artikkelen introduserer vi en rutinetilpasset ultrasensitiv væskekromatografi-tandem massespektrometri (LC-MS/MS)-metode som er i stand til å detektere østradiol (E2) og østron (E1) i sub-pikomolært område. Dette metodologiske gjennombruddet muliggjør nøyaktig overvåking av serumnivåer av østrogener hos pasienter som gjennomgår behandling med aromatasehemmere. Metoden oppnådde kvantifiseringsgrenser på 0.6 pmol/L for E2 og 0.3 pmol/L for E1. Referanseområder for E2 og E1 hos friske, postmenopausale kvinner ble etablert, og metoden viste seg å være egnet for rutinemessig vurdering av serum E2- og E1-nivåer hos pasienter under østrogensuppresjonsterapi. Den andre artikkelen utvider bruken av LC-MS/MS for samtidig å kvantifisere serumnivåer av tredje generasjons aromatasehemmere og ultra-lave nivåer av østrogener. Denne metoden gir et robust verktøy for å vurdere medikamenteffekt og pasientetterlevelse, og gir innsikt i individualiserte behandlingsregimer for postmenopausale brystkreftpasienter, hvor østrogennivåer både før og etter behandling er udetekterbart med konvensjonelle analyser. Metoden er i stand til å måle letrozol, anastrozol, eksemestan og 17-hydroksyeksemestan sammen med sub-pikomolære nivåer av E2 og E1. I den tredje artikkelen presenterer vi den første direkte intra-pasient crossover-sammenligningen mellom de to aromatasehemmerne, letrozol og eksemestan, for å evaluere deres evne til å supprimere serum-østrogennivåer. Ved å bruke metoden presentert i artikkel II, viser resultatene våre at letrozol gir en bedre supprimering av både E1 og E2 sammenlignet med eksemestan. Funnene understreker også at det observerte fenomenet med ufullstendig kryssresistens mellom disse to legemidlene ikke skyldes forskjeller i østrogensuppresjon, noe som indikerer involveringen av tilleggsmekanismer som foreløpig er ukjente.

The pivotal role of estrogen in estrogen receptor-positive (ER+) breast cancer is well-established, with aromatase inhibitors targeting estrogen synthesis being central to the treatment of breast cancer. However, the quantification of estrogen at clinically relevant sub-picomolar levels in serum remains a challenge, limiting the precision of therapeutic monitoring, optimization and research. This dissertation presents a series of studies that collectively advance the field of estrogen assays, with a focus on enhancing sensitivity and selectivity to improve patient outcomes in ER+ breast cancer. In the first paper, we introduce an ultrasensitive routine liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method capable of detecting estradiol (E2) and estrone (E1) in the sub-picomolar range. This methodological breakthrough enables accurate monitoring of serum estrogen levels in patients undergoing aromatase inhibitor therapy. The method achieved limits of quantification of 0.6 pmol/L for E2 and 0.3 pmol/L for E1. Reference ranges for E2 and E1 in healthy, postmenopausal women were established, and the method proved suitable for routine assessment of serum E2 and E1 levels in patients undergoing estrogen suppression therapy. The second paper expands the utility of LC-MS/MS to simultaneously quantify serum levels of third-generation aromatase inhibitors and ultra-low levels of estrogens. This assay provides a robust tool for assessing drug efficacy and patient compliance, offering insights into individualized treatment regimens for postmenopausal breast cancer patients, whose both pretreatment and on treatment estrogen levels are undetectable by conventional assays. The method is capable of measuring letrozole, anastrozole, exemestane, and 17-hydroxyexemestane, alongside sub-picomolar levels of E2 and E1. In the third paper, we present the first direct head-to-head intra-patient crossover comparison between the two aromatase inhibitors, letrozole and exemestane, to evaluate their serum estrogen suppression capabilities. Using the assay presented in paper II, our results shows that letrozole provides superior suppression of both E1 and E2 levels compared to exemestane. Additionally, the findings highlight that the observed phenomenon of incomplete cross-resistance between these two drugs is not due to differences in estrogen suppression, indicating the involvement of additional, currently unknown mechanisms.