No description available.

Hintergrund und Fragestellung/Hypothese Trotz verbesserter Diagnose und Therapiestrategien in der Behandlung von Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereichs (HNSCC) in den letzten Jahrzehnten liegt das 5-Jahres-Überleben der Patienten bei nur etwa 60 %. Die hohe Mortalität ist zurückzuführen auf eine hohe Rezidivrate nach Radio- und Radiochemotherapie. Experimentelle und klinische Daten zeigen in dieser Tumorentität eine häufige Dysregulation des PI3K/AKT-Signalweges, der an verschiedenen Resistenzmechanismen beteiligt ist. Die Zielmoleküle des Signalweges sind involviert in DNA-Reparatur, Reoxygenierung und Repopulierung. Aufgrund der bekannten Beteiligung des PI3K/AKT-Signalweges an diesen wichtigen radiobiologischen Resistenzmechanismen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit folgenden Fragestellungen: 1. Charakterisierung des Aktivierungsstatus des PI3K/AKT-Signalweges in Korrelation mit radiobiologischen Parametern in HNSCC-Experimentaltumoren 2. Bestimmung der Wirksamkeit des selektiven PI3K-Inhibitors Bay 80-6946 in HNSCC-Zelllinien in vitro 3. Untersuchung der Wirksamkeit von Bay 80-6946 in einem Panel von HNSCC-Experimentaltumoren in vivo mit und ohne Bestrahlung sowie des Einflusses der PI3K-Inhibition auf radiobiologische Parameter Material und Methode/Ergebnisse 1. Charakterisierung des Aktivierungsstatus des PI3K/AKT-Signalweges in Korrelation mit radiobiologischen Parametern in HNSCC-Experimentaltumoren Für die vorliegende Untersuchung wurde auf Tumormaterial von sechs verschiedenen Plattenepithelkarzinomzelllinien (FaDu, SAS, XF354, UT-SCC-5, UT-SCC-14, UT-SCC-15) aus einer Biobank zurückgegriffen. Analysiert wurden Xenografttumoren, die mit 0, 3, 5 oder 10 Fraktionen bestrahlt worden waren. Die Aktivierung des PI3K/AKT-Signalweges wurde mittels Western Blot-Analyse untersucht. Die publizierten Daten der lokalen Tumorkontrolle nach 30 Fraktionen in sechs Wochen, der Pimonidazol hypoxischen Fraktion und der HIF-1α-Proteinexpression wurden mit der pAKT-Expression korreliert. In allen unbehandelten Tumoren konnte pAKT nachgewiesen werden, wobei sich eine intratumorale Heterogenität in der Expression zeigte. Unter fraktionierter Strahlentherapie konnte in dem Panel von sechs Tumorlinien keine einheitliche Aktivierung des PI3K/AKT-Signalweges nachgewiesen werden. Die Expression des endogenen Hypoxiemarkers HIF 1α korrelierte in unbehandelten Tumoren mit der pAKT-Proteinexpression. Kein Zusammenhang wurde zwischen dem Gehalt von pAKT und der Pimonidazol hypoxischen Fraktion sowie der lokalen Tumorkontrolle nach 30 Fraktionen in sechs Wochen gefunden. 2. Bestimmung der Wirksamkeit des selektiven PI3K-Inhibitors Bay 80-6946 in HNSCC-Zelllinien in vitro Die Experimente wurden an den humanen Plattenepithelkarzinomzelllinien Cal33, FaDu, UT-SCC-5 und UT-SCC-14 durchgeführt. In Proliferationsassays und weiteren Zellkultur-experimenten wurde der Effekt des selektiven PI3K-Inhibitors Bay 80-6946 auf die Proliferation, die Phosphorylierung von AKT sowie die Dauer des inhibitorischen Effektes untersucht. Das klonogene Zellüberleben wurde bestimmt, indem die Tumorzellen mit 0, 2, 4, 6 oder 8 Gy bestrahlt, 24 Stunden mit dem Inhibitor inkubiert und die entstandenen Kolonien nach 14 Tagen ausgezählt wurden. Eine deutliche Hemmung der Proliferation konnte an den Plattenepithelkarzinomzelllinien schon bei geringen Konzentrationen von Bay 80-6946 gezeigt werden. Die Zelllinie Cal33, welche eine bekannte PI3K Mutation besitzt, reagierte am empfindlichsten auf die Inhibition von PI3K, gefolgt von UT-SCC-14 und FaDu. Nach Inkubation mit 1 µM Bay 80 6946 konnte in keiner der drei Tumorlinien phosphoryliertes AKT nachgewiesen werden. Die Dauer der Inhibition hielt allerdings nur für die Dauer der Inkubation mit Bay 80-6946 an. Das klonogene Zellüberleben nach Bestrahlung wurde durch die Behandlung mit dem Inhibitor nicht signifikant verändert. 3. Untersuchung der Wirksamkeit von Bay 80-6946 in einem Panel von HNSCC-Experimentaltumoren in vivo mit und ohne Bestrahlung sowie des Einflusses der PI3K-Inhibition auf radiobiologische Parameter Die Wirksamkeit von Bay 80-6946 wurde in einer Gruppe von neun verschiedenen Kopf-Hals-Tumorlinien sowie zwei NSCLC-Tumorlinien untersucht (A549, Cal33, FaDu, GLF, H460, SAS, SAT, UT-SCC-5, UT-SCC-8, UT-SCC-14 und XF354). Experimenteller Endpunkt war die Tumorwachstumsverzögerung. Bay 80-6946 wurde insgesamt fünfmal im Abstand von 48 Stunden in einer Konzentration von 20 mg/kg KG intravenös injiziert. Die Behandlung begann bei einem Tumordurchmesser von 7 mm. In den drei Tumorlinien Cal33, FaDu und UT-SCC-5 wurde Bay 80-6946 zusätzlich zur Monotherapie auch in Kombination mit fraktionierter Bestrahlung untersucht. Diese Tumormodelle wurden ausgewählt, da sie die intertumorale Heterogenität im Ansprechen auf die alleinige PI3K-Inhibition widerspiegeln. Die Tiere wurden mit 5 x 2 Gy täglich (Gesamtdosis 10 Gy) bestrahlt. Bay 80-6946 wurde einmal wöchentlich in einer Konzentration von 20 mg/kg KG über einen Zeitraum von 29 Tagen verabreicht. Die Behandlung begann eine Woche vor der ersten Bestrahlungsfraktion. Aufgrund des verlängerten Gesamtbehandlungs-zeitraums begann die Behandlung bereits bei einem Tumordurchmesser von 4 mm. In allen Experimentalarmen wurden zu verschiedenen Zeitpunkten Tumoren entnommen und immunhistochemisch auf die radiobiologischen Parameter Hypoxie, Anzahl der Gefäße und Perfusion untersucht. Hinsichtlich der Wirksamkeit von Bay 80-6946 auf unbehandelte Plattenepithelkarzinome lassen sich drei Gruppen abgrenzen: starkes Ansprechen bei Cal33, intermediäres Ansprechen (SAS, UT-SCC-8, SAT, FaDu) und fehlendes Ansprechen (XF354, GLF, UT SCC-5, UT-SCC-14). Die NSCLC-Modelle A549 und H460 sprachen moderat auf Bay 80 6946 an. Bei der Kombinationstherapie von Bay 80-6946 mit fraktionierter Bestrahlung deutet sich bei Cal33 ein additiver und bei FaDu ein supraadditiver Effekt an. Bei UT-SCC-5 war in der Kombinationstherapie kein signifikanter Effekt auf das Tumorwachstum nachweisbar. Die immunhistochemischen Analysen zeigten in allen drei Tumorlinien weder bei der Mono- noch bei der Kombinationstherapie einen Einfluss des Inhibitors auf die Parameter Hypoxie, Anzahl der Gefäße und Perfusion im Vergleich zur Kontrolle. Schlussfolgerung Die in einem Panel von Experimentaltumoren gewonnen Daten unterstützen derzeit nicht den Einsatz von pAKT als Biomarker, um das Ansprechen auf eine fraktionierte Strahlentherapie vorherzusagen. Vielmehr scheinen die gewonnenen Ergebnisse im Einklang zu den kontroversen und teilweise inkonsistenten Daten anderer Arbeitsgruppen zu stehen. Somit sind trotz klarer radiobiologischer Rationale weitere methodische und translationale Untersuchungen zum potenziellen Stellenwert des AKT-Signalweges als prognostischer Biomarker für die Strahlentherapie von Kopf-Hals-Tumoren notwendig. Durch die Kombination einer fraktionierten Strahlentherapie mit einem selektiven PI3K-Inhibitior konnte in der vorliegenden experimentellen Arbeit ein deutlicher Effekt auf die Tumorwachstumsverzögerung von Kopf-Hals-Tumoren gezeigt werden. Das Ausmaß des Ansprechens unterschied sich jedoch zwischen den drei untersuchten Tumorlinien und wirft die Frage nach der Ursache dieser Variabilität auf. Vor dem Einsatz eines PI3K-Inhibitors unter fraktionierter Strahlentherapie sollte in weiteren Experimenten der zugrundeliegende Mechanismus der Strahlensensibilisierung geklärt werden. Als zentrale Mechanismen sollten dabei vertiefend der Einfluss der selektiven PI3K-Inhibition auf das Tumormikromilieu sowie die Beteiligung des PI3K-Inhibitors an der Reparatur strahleninduzierter Schäden untersucht werden.

Cancer treatment personalisation is a major objective in radiation oncology, e.g., in order to move from population-based approaches towards tailored interventions such as dose escalation or de-escalation for specific patients or subgroups. HNSCC is a tumour entity that might particularly benefit from such an approach due to survival rates remaining relatively uniform over time even with multimodal treatment. A personalised approach requires biomarker identification to precisely characterize the tumour phenotype and thus prognosticate patient outcome and response to treatment. Biomarkers can be derived from a wide range of sources: clinical records of patients with semantic features, omics data from tumour biopsies indicating patient gene expression and routinely-taken imaging data from which radiomics features might be extracted. Such data can be then be leveraged alongside machine learning algorithms for modelling of various endpoints. The present thesis was dedicated not only towards establishing prognostic models within locally-advanced HNSCC but also towards a radiogenomic study of the relationship and interplay between image-level information and transcriptome-level information. First, two prognostic signatures for LRC within locally-advanced HNSCC were developed and externally validated through specific feature selection and modelling algorithms suggested through previous work (Leger et al, 2020). As biomarkers should take into account various sources of data, such signatures were built around a highly-prognostic clinical feature: the tumour volume. The selected features supplied statistical or textural information related to tumour heterogeneity and were chosen to provide non-redundant information to the tumour volume. Such an approach is aimed at providing added value to already-validated biomarkers and avoids susceptibilities within radiomics signature development (Welch et al.,2019) such as unspecified dependencies and multi-collinearity within models. One longstanding question within radiomics is the relationship between macroscopic-level image features and underlying biological processes (Aerts et al., 2014). In order to answer this question within the context of locally-advanced HNSCC and CT-based radiomics, surrogacy models were developed for six different gene signatures representing different tumour characteristics such as hypoxia or EMT. All modelling approaches showed low to no relationship between expression of such gene signatures and whole-tumour macroscopic imaging features. This might suggest that while whole-tumour radiomics has shown potential for prognostic endpoint modelling, such features may lack potential to serve as surrogates for local assessments of hypoxia or other microscopic tumour characteristics from a biopsy. While whole-tumour radiomics features may not be able to serve as surrogates for specific, microscopic-level tumour characteristics, they might still be used as surrogates for molecular subtyping within HNSCC as has been done in other tumour entities. Models for the classification of the four HNSCC subtypes (atypical, basal, classical and mesenchymal) were developed. Models differentiating the atypical subtype from the others and the atypical from the mesenchymal subtype were externally validated. As not all four subtypes could be properly classified, this might imply that some subtypes are more similar than others on a CT-level and that the atypical subtype would be the most differentiable subtype. As radiomics features showed low association with individual gene expressions, such omics features might be used to bolster radiomics features for LRC prognosis. However, due to the extremely high dimensionality of omics datasets in comparison to sample size, three methods for expression aggregation were leveraged to find either prognostic regulator genes with VIPER, prognostic coregulated gene modules (WCGNA) or prognostic pathway-level metagenes (GSVA). Enhancement of prognostic performance and stratification for LRC was found with the GSVA approach, through metagenes signifying E2F target activity and hedgehog pathway activity, and one WCGNA network module related to histone regulation. This result not only demonstrates the potential of transcriptomics to bolster radiomics but also of specific omics expression aggregation algorithms to synthesise new prognostic features. Finally, radiomics features were leveraged in order to create and externally validate radiophenotypes for HNSCC, creating five radiophenotypes that showed not only different imaging patterns but also different pathway-level expressions and prognosis for LRC and OS. Of those five radiophenotypes, three were able to be translated into an external validation cohort. However, not all translatable radiophenotypes showed similar stratification between cohorts for all endpoints. This, alongside with different expression levels between cohorts, might signify that one radiophenotype points to different levels of expression of different pathways, thus resulting in significantly different stratification for patients with similar imaging patterns. The field of radiogenomics analysis is, however, still in its infancy and offers a fascinating variety of open research questions for further consideration and study, e.g., promising deep-learning architectures such as transformers combining both image and tabular data (Park et al., 2022), multiomics biomarkers incorporating already-existing mechanistic knowledge (Yoo et al., 2022) or region-based radiomics risk assessments (Leger et al., 2020). While individualised treatment of patients is a daunting enterprise requiring a multidisciplinary approach, in this thesis we went a step closer to this goal for locally-advanced HNSCC:Contents iii List of Figures vii List of Tables ix 1 Introduction 1 2 Theoretical background 5 2.1 Head and neck squamous cell carcinoma 5 2.1.1 Diagnosis and treatment 5 2.1.2 Tumorigenesis 6 2.1.3 Molecular characteristics of HNSCC 7 2.1.4 Biomarkers in HNSCC 7 2.2 Physical principles of computerised tomography 10 2.3 Radiomics data 11 2.3.1 Feature extraction 12 2.3.2 Feature computation 12 2.3.3 Laplacian of Gaussian (LoG) 18 2.3.4 Image perturbations and stability 18 2.4 Transcriptomics data analysis 20 2.4.1 Weighted correlation gene network analysis 21 2.4.2 Virtual inference of protein-activity enriched by regulon 22 2.4.3 Gene Set Enrichment Analysis 24 2.4.4 Gene Set Variation Analysis 25 2.5 Fundamentals of survival analysis 27 2.5.1 Cox proportional hazards model 28 2.5.2 Assessing the proportional hazards assumption 29 2.5.3 Performance of survival models 30 2.6 Machine learning framework 32 2.6.1 Data preprocessing 34 2.6.2 Data resampling 36 2.6.3 Feature selection 36 2.6.4 Hyperparameter optimisation 38 2.6.5 Model building 39 2.6.6 Validation 41 3 Definition and validation of a radiomics signature for LRC prognosis in HNSCC 43 3.1 Motivation 43 3.2 Data and experimental design 44 3.2.1 Patient cohort 44 3.2.2 Clinical data 45 3.2.3 Radiomics features extraction and preprocessing 45 3.2.4 Modelling approach 46 3.3 Results 47 3.3.1 Clinical signature 47 3.3.2 Unwindowed signature 48 3.3.3 Windowed signature 50 3.3.4 Windowing effect comparison 52 3.4 Summary and discussion 52 4 CT radiomics surrogacy of gene signatures 55 4.1 Motivation 55 4.2 Data and experimental methods 55 4.2.1 Patient cohort 56 4.2.2 Transcriptome feature extraction 56 4.2.3 Radiomics features extraction and preprocessing 57 4.2.4 Selected gene signatures and class assignment 57 4.2.5 Modelling approach and metrics 58 4.3 Results 59 4.3.1 Cluster classes 59 4.3.2 Surrogate model performance 59 4.4 Summary and discussion 62 5 Radiomics signatures for HNSCC subtype classification 65 5.1 Motivation 65 5.2 Data and experimental design 66 5.2.1 Patient cohort 66 5.2.2 Radiomics image feature extraction 67 5.2.3 Subtype assignment and characterisation 67 5.2.4 Modelling approach 68 5.3 Results 68 5.3.1 Subtype assignment and characterisation 68 5.3.2 OVA model results 70 5.3.3 OVO model results 72 5.3.4 Multiclass model results 73 5.4 Summary and discussion 74 6 Enhancing radiomics using transcriptome-level information 77 6.1 Motivation 77 6.2 Data and experimental design 78 6.2.1 Patient cohort 78 6.2.2 WCGNA module extraction 79 6.2.3 VIPER regulon extraction 79 6.2.4 GSVA pathway feature creation 79 6.2.5 Radiomics image feature extraction 80 6.2.6 Modelling approach and metrics 80 6.3 Results 81 6.3.1 Radiomics signature 81 6.3.2 WCGNA results 82 6.3.3 VIPER results 85 6.3.4 GSVA results 86 6.4 Summary and discussion 87 7 Radiophenotype discovery through corrected consensus clustering in locally ad-vanced HNSCC 89 7.1 Motivation 89 7.2 Data and experimental design90 7.2.1 Patient cohort 91 7.2.2 Radiomics image feature extraction 91 7.2.3 Reduction and clustering of radiomics features 91 7.2.4 Candidate configuration pruning 92 7.2.5 Radiophenotype characterisation 92 7.2.6 Validation of subtypes 93 7.3 Results 93 7.3.1 M3C clustering results and survival-based pruning 93 7.3.2 Radiophenotype characterisation 95 7.3.3 Radiophenotype validation 100 7.4 Summary and discussion 102 8 Summary 105 9 Zusammenfassung 107 Bibliography 111 Appendix 131 Erklärungen 173 / Die Personalisierung der Krebsbehandlung ist ein wichtiges Ziel in der Radioonkologie, z.B. um von populationsbasierten Ansätzen zu maßgeschneiderten Interventionen wie einer Dosiseskalation oder Deeskalation für bestimmte Patienten oder Patientengruppen überzugehen. HNSCC ist eine Tumorentität, die von einem solchen Ansatz besonders profitieren könnte, da die Überlebensraten auch bei multimodaler Behandlung über der Zeit relativ konstant geblieben sind. Ein personalisierter Ansatz erfordert die Identifizierung von Biomarkern, um den Tumorphänotyp genau zu charakterisieren und somit den Behandlungserfolg vorherzusagen. Biomarker können aus einer Vielzahl von Quellen stammen: klinische Charakteristika von Patienten, Omics-Daten aus Tumorbiopsien, oder routinemäßig aufgenommene Bildgebungsdaten, aus denen Radiomics-Variablen extrahiert werden können. Diese Daten werden dann zusammen mit maschinellen Lernalgorithmen zur Modellierung verschiedener Endpunkte genutzt. Die vorliegende Dissertation widmet sich nicht nur der Etablierung prognostischer Modelle für lokal fortgeschrittene HNSCC, sondern auch einer radiogenomischen Untersuchung der Beziehung zwischen Informationen auf Bildebene und Informationen auf Transkriptomebene. Zunächst wurden zwei prognostische Signaturen für die LRC bei lokal fortgeschrittenem HNSCC entwickelt und extern validiert, unter Verwendung spezifischer Methoden zur Variablenselektion und Modellierungsalgorithmen, die durch frühere Arbeiten von Leger et al. (Leger et al., 2019) vorgeschlagen wurden. Die Signaturen wurden unter Berücksichtigung eines hochgradig prognostischen klinischen Merkmals, dem Tumorvolumen, entwickelt. Die ausgewählten Variablen beschreiben statistische oder strukturelle Informationen in Bezug auf die Tumorheterogenität und wurden so ausgewählt, dass sie zusammen mit dem Tumorvolumen nicht-redundante Informationen liefern. Ein solcher Ansatz zielt darauf ab, bereits validierten Biomarkern einen Mehrwert zu bieten und Anfälligkeiten bei der Entwicklung von Radiomics-Signaturen zu vermeiden (Welch et al., 2019), wie nicht-spezifizierte Abhängigkeiten und Multikollinearität innerhalb von Modellen. Eine langjährige Frage im Feld der Radiomics ist die Beziehung zwischen Bildvariablen auf makroskopischer Ebene und den zugrunde liegenden biologischen Prozessen (Aerts et al., 2014). Um diese Frage für lokal fortgeschrittene HNSCC und CT-basierte Radiomics zu beantworten, wurden Radiomics-basierte Vorhersagemodelle für sechs verschiedene Gensignaturen entwickelt, die unterschiedliche Tumorvariablen wie Hypoxie oder EMT repräsentieren. Alle Modellierungsansätze zeigten eine geringe Korrelation zwischen der Expression solcher Gensignaturen und makroskopischen Variablen der CT-Bildgebung des gesamten Tumors. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Radiomics-Parameter zwar Potenzial für die prognostische Outcomemodellierung zeigen, jedoch möglicherweise nicht als Ersatz für die Beurteilungen von Hypoxie oder anderen mikroskopischen Tumoreigenschaften dienen können. Möglicherweise können Radiomics-Parameter jedoch als Ersatz für die molekulare Subtypisierung von HNSCC verwendet werden, wie dies bei anderen Tumorentitäten der Fall ist. Daher wurden Modelle für die Klassifikation der vier HNSCC-Subtypen (atypisch, basal, klassisch und mesenchymal) entwickelt. Erfolgreich validiert werden konnte die Unterscheidung zwischen dem atypischen Subtyp von den anderen sowie zwischen dem atypischen und mesenchymalen Subtyp. Dass jedoch nicht alle vier Subtypen richtig klassifiziert werden konnten, könnte bedeuten, dass einige Subtypen auf CT-Ebene ähnlicher sind als andere und dass der atypische Subtyp der am besten unterscheidbare ist. Da Radiomics-Variablen eine geringe Assoziation mit individuellen Genexpressionen zeigten, könnten solche Omics-Variablen verwendet werden, um Radiomics-Variablen für die LRC-Prognose zu ergänzen. Aufgrund der hohen Dimensionalität der vorliegenden Transkriptom-daten im Vergleich zur Stichprobengröße wurden drei Methoden zur Expressionsaggregation genutzt, um entweder prognostische Regulatorgene mit dem VIPER-Algorithmus, prognostische koregulierte Genmodule mit dem WCGNA-Algorithmus oder prognostische Pathway-Level-Metagene mit dem GSVA-Algorithmus zu finden. Eine Verbesserung der prognostischen Leistung und Stratifizierung für LRC wurde mit dem GSVA-Ansatz anhand von Metagenen, die E2F-Zielaktivität und Hedgehog-Pathway-Aktivität beschreiben, sowie für ein WCGNA-Netzwerkmodul, das sich auf die Histonregulation bezieht, beobachtet. Dieses Ergebnis zeigt nicht nur das Potenzial der Kombination von Transkriptomics und Radiomics, sondern auch von spezifischen Omics-Expressionsaggregationsalgorithmen zur Synthese neuer prognostischer Variablen. In der abschließenden Studie wurden Radiomics-Variablen genutzt, um Radiophänotypen für HNSCC zu erstellen und extern zu validieren. Fünf Radiophänotypen wurden definiert, die nicht nur unterschiedliche Bildgebungsmuster, sondern auch unterschiedliche Genexpressionen auf Pathway-Ebene sowie Unterschiede in LRC und OS zeigten. Von diesen fünf Radiophänotypen konnten drei in eine externe Validierungskohorte überführt werden, die dort jedoch teilweise eine andere Patientenstratifizierung für die betrachteten Endpunkte zeigten. Dies könnte, zusammen mit unterschiedlichen Expressionsniveaus zwischen den Kohorten, bedeuten, dass ein Radiophänotyp mit unterschiedlichen Expressionsniveaus verschiedener Signalwege assoziiert ist, was zu einer signifikant unterschiedlichen Stratifizierung für Patienten mit ähnlichen Bildgebungsmustern führt. Das Gebiet der radiogenomischen Analyse befindet sich noch in den Anfängen und bietet vielfältige offene Forschungsfragen für zukünftige Studien. Beispielsweise können vielversprechende Deep-Learning-Architekturen wie Transformer untersucht werden, die sowohl Bilddaten als auch tabellierte Daten kombinieren (Park et al., 2022). Weiterhin könnte die Multiomics-Biomarker-Entwicklung unter Einbeziehung bereits vorhandener mechanistischer Erkenntnisse untersucht (Yoo et al., 2022) oder die Radiomics-Risikobewertung basierend auf verschiedenen Tumorregionen (Leger et al., 2020) durchgeführt werden. Während die individualisierte Behandlung von Patienten ein langfristiges Ziel darstellt, das einen multidisziplinären Ansatz erfordert, sind wir diesem Ziel mit dieser Arbeit für lokal fortgeschrittene HNSCC einen Schritt näher gekommen.:Contents iii List of Figures vii List of Tables ix 1 Introduction 1 2 Theoretical background 5 2.1 Head and neck squamous cell carcinoma 5 2.1.1 Diagnosis and treatment 5 2.1.2 Tumorigenesis 6 2.1.3 Molecular characteristics of HNSCC 7 2.1.4 Biomarkers in HNSCC 7 2.2 Physical principles of computerised tomography 10 2.3 Radiomics data 11 2.3.1 Feature extraction 12 2.3.2 Feature computation 12 2.3.3 Laplacian of Gaussian (LoG) 18 2.3.4 Image perturbations and stability 18 2.4 Transcriptomics data analysis 20 2.4.1 Weighted correlation gene network analysis 21 2.4.2 Virtual inference of protein-activity enriched by regulon 22 2.4.3 Gene Set Enrichment Analysis 24 2.4.4 Gene Set Variation Analysis 25 2.5 Fundamentals of survival analysis 27 2.5.1 Cox proportional hazards model 28 2.5.2 Assessing the proportional hazards assumption 29 2.5.3 Performance of survival models 30 2.6 Machine learning framework 32 2.6.1 Data preprocessing 34 2.6.2 Data resampling 36 2.6.3 Feature selection 36 2.6.4 Hyperparameter optimisation 38 2.6.5 Model building 39 2.6.6 Validation 41 3 Definition and validation of a radiomics signature for LRC prognosis in HNSCC 43 3.1 Motivation 43 3.2 Data and experimental design 44 3.2.1 Patient cohort 44 3.2.2 Clinical data 45 3.2.3 Radiomics features extraction and preprocessing 45 3.2.4 Modelling approach 46 3.3 Results 47 3.3.1 Clinical signature 47 3.3.2 Unwindowed signature 48 3.3.3 Windowed signature 50 3.3.4 Windowing effect comparison 52 3.4 Summary and discussion 52 4 CT radiomics surrogacy of gene signatures 55 4.1 Motivation 55 4.2 Data and experimental methods 55 4.2.1 Patient cohort 56 4.2.2 Transcriptome feature extraction 56 4.2.3 Radiomics features extraction and preprocessing 57 4.2.4 Selected gene signatures and class assignment 57 4.2.5 Modelling approach and metrics 58 4.3 Results 59 4.3.1 Cluster classes 59 4.3.2 Surrogate model performance 59 4.4 Summary and discussion 62 5 Radiomics signatures for HNSCC subtype classification 65 5.1 Motivation 65 5.2 Data and experimental design 66 5.2.1 Patient cohort 66 5.2.2 Radiomics image feature extraction 67 5.2.3 Subtype assignment and characterisation 67 5.2.4 Modelling approach 68 5.3 Results 68 5.3.1 Subtype assignment and characterisation 68 5.3.2 OVA model results 70 5.3.3 OVO model results 72 5.3.4 Multiclass model results 73 5.4 Summary and discussion 74 6 Enhancing radiomics using transcriptome-level information 77 6.1 Motivation 77 6.2 Data and experimental design 78 6.2.1 Patient cohort 78 6.2.2 WCGNA module extraction 79 6.2.3 VIPER regulon extraction 79 6.2.4 GSVA pathway feature creation 79 6.2.5 Radiomics image feature extraction 80 6.2.6 Modelling approach and metrics 80 6.3 Results 81 6.3.1 Radiomics signature 81 6.3.2 WCGNA results 82 6.3.3 VIPER results 85 6.3.4 GSVA results 86 6.4 Summary and discussion 87 7 Radiophenotype discovery through corrected consensus clustering in locally ad-vanced HNSCC 89 7.1 Motivation 89 7.2 Data and experimental design90 7.2.1 Patient cohort 91 7.2.2 Radiomics image feature extraction 91 7.2.3 Reduction and clustering of radiomics features 91 7.2.4 Candidate configuration pruning 92 7.2.5 Radiophenotype characterisation 92 7.2.6 Validation of subtypes 93 7.3 Results 93 7.3.1 M3C clustering results and survival-based pruning 93 7.3.2 Radiophenotype characterisation 95 7.3.3 Radiophenotype validation 100 7.4 Summary and discussion 102 8 Summary 105 9 Zusammenfassung 107 Bibliography 111 Appendix 131 Erklärungen 173

Problématique : Bien que le tabac et l’alcool soient les facteurs causaux principaux des cancers épidermoïdes de l’oropharynx, le virus du papillome humain (VPH) serait responsable de l’augmentation récente de l’incidence de ces cancers, particulièrement chez les patients jeunes et/ou non-fumeurs. La prévalence du VPH à haut risque, essentiellement de type 16, est passée de 20% à plus de 60% au cours des vingt dernières années. Certaines études indiquent que les cancers VPH-positifs ont un meilleur pronostic que les VPH- négatifs, mais des données prospectives à cet égard sont rares dans la littérature, surtout pour les études de phase III avec stratification basée sur les risques. Hypothèses et objectifs : Il est présumé que la présence du VPH est un facteur de bon pronostic. L’étude vise à documenter la prévalence du VPH dans les cancers de l’oropharynx, et à établir son impact sur le pronostic, chez des patients traités avec un schéma thérapeutique incluant la chimio-radiothérapie. Méthodologie : Les tumeurs proviennent de cas traités au CHUM pour des cancers épidermoïdes de la sphère ORL à un stade localement avancé (III, IVA et IVB). Elles sont conservées dans une banque tumorale, et les données cliniques sur l’efficacité du traitement et les effets secondaires, recueillies prospectivement. La présence du VPH est établie par biologie moléculaire déterminant la présence du génome VPH et son génotype. Résultats: 255 spécimens ont été soumis au test de génotypage Linear Array HPV. Après amplification par PCR, de l’ADN viral a été détecté dans 175 (68.6%) échantillons tumoraux ; le VPH de type 16 était impliqué dans 133 cas (52.25 %). Conclusion: Une proportion grandissante de cancers ORL est liée au VPH. Notre étude confirme que la présence du VPH est fortement associée à une amélioration du pronostic chez les patients atteints de cancers ORL traités par chimio-radiothérapie, et devrait être un facteur de stratification dans les essais cliniques comprenant des cas de cancers ORL. / Background: HPV is recognised as a good prognostic factor in head and neck (H&N) cancer. However, most of the data is derived from randomised trials with different treatment options or small heterogeneous cohorts. This trial aims to determine the prevalence and prognostic impact of HPV on overall survival (OS), disease-free survival (DFS), local regional control (LRC) and treatment toxicity, in patients with locally advanced SCCHN treated with concomitant platinum-based chemoradiation therapy (CRT) and followed prospectively. Methods: Prospective data on efficacy and toxicity was available for 560 patients treated with CRT. Of these, 270 fixed and paraffin embedded specimens were collected. DNA was extracted from specimens and HPV detection was performed as previously described (Coutlée, J Clin Microbiol, 2006). Analysis was performed using Kaplan-Meier survival curves, Fisher's test for categorical data and log-rank statistics for failure times. Results: Median follow-up was 4.7 years. DNA extraction was successful in 255 cases. HPV prevalence was 68.6%, and 53.3% for HPV-16 specifically. For HPV+ and HPV- respectively, median LRC were 8.9 and 2.2 years (log-rank p = 0.0002), median DFS were 8.9 and 2.1 years (log-rank p=0.0014) and median OS were 8.9 and 3.1 years (log-rank p=0.0002). Survival was statistically significantly different based on HPV genotype, stage, treatment period and chemotherapy regimen. COX adjusted analysis for T, N, age, and treatment remained significant (HR 0.45, p=0.004). Subgroup analysis for genotype, TNM, primary site and chemotherapy regimen will be presented at the meeting. Conclusions: An increasing proportion of oropharyngeal cancer is linked to HPV. This large study with confirms that HPV status is strongly associated with improved prognosis among H&N cancer patients receiving CRT, and should be a stratification factor for clinical trials including H&N cases. Toxicity of CRT is not modified for the HPV population.

La surexpression du récepteur EGFR a un rôle majeur dans le développement des carcinomes des voies aérodigestives supérieures (VADS) et son inhibition par les anticorps anti-EGFR (cetuximab) induit un effet anti-tumoral mais pourrait également avoir un effet anti-angiogénique. Cependant, les effets de ces agents sur l'angiogenèse et les cellules endothéliales (CE) n'ont pas réellement été évalués. L'objectif de ce travail est d'étudier l'angiogenèse induite par les molécules libérées par les cellules tumorales des VADS (Cal27, FaDu) dans les milieux de culture en présence ou non de cetuximab, appelés milieux conditionnés (CM). Le cetuximab n'a pas d'effet direct significatif sur les CE. Il induit une diminution de la sécrétion de VEGF par les cellules tumorales mais paradoxalement, les CM obtenus induisent un effet pro-angiogénique. L'analyse de la composition des CM ne permet pas d'identifier de molécule clé responsable de cet effet, le cetuximab diminuant à la fois la sécrétion tumorale des facteurs pro- et anti-angiogéniques. Pour expliquer ce paradoxe et en accord avec la littérature, nous avons mis en évidence une libération de microvésicules par nos cellules tumorales (TMV), TMV exprimant EGFR et TF, et une régulation de cette libération et de leur contenu par le cetuximab. Ces TMV peuvent interagir avec les CE et le cetuximab favoriserait cette interaction. La caractérisation de ces TMV et leur rôle dans le processus angiogénique en réponse ou non au cetuximab permettront dans le futur de comprendre la réelle activité des anticorps anti-EGFR sur l'angiogenèse / Overexpression of EGFR has a major role in the development of head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) and its inhibition by anti-EGFR antibodies (cetuximab) induced an anti-tumor effect but could also induce an anti-angiogenic effect. However, the effects of these agents onto angiogenesis and endothelial cells (EC) have not really been evaluated. The objective of this work is to study angiogenesis induced by mediators released by head and neck squamous carcinoma cells (Cal27, FaDu) in culture media with or without cetuximab exposure, known as conditioned media (CM). Cetuximab has no significant direct effect on EC. It induces a decrease in the secretion of VEGF by tumor cells but, paradoxically, the CM induces a pro-angiogenic effect. The analysis of the composition of the CM does not allow us to identify a key molecule responsible for this effect because cetuximab decreases the secretion of both pro- and anti-angiogenic factors by tumor cells. To explain this paradox and in agreement with the literature, we highlighted the release of microvesicles by our tumor cells (TMV), TMV which express EGFR and TF, and regulation of this release and the content of TMV after cetuximab exposure. These TMV may interact with the EC and cetuximab increases this interaction. Further characterization of TMV and studying their role in the angiogenic process in response to cetuximab will allow us in the future to understand the real activity of anti-EGFR antibodies onto angiogenesis

Problématique : Bien que le tabac et l’alcool soient les facteurs causaux principaux des cancers épidermoïdes de l’oropharynx, le virus du papillome humain (VPH) serait responsable de l’augmentation récente de l’incidence de ces cancers, particulièrement chez les patients jeunes et/ou non-fumeurs. La prévalence du VPH à haut risque, essentiellement de type 16, est passée de 20% à plus de 60% au cours des vingt dernières années. Certaines études indiquent que les cancers VPH-positifs ont un meilleur pronostic que les VPH- négatifs, mais des données prospectives à cet égard sont rares dans la littérature, surtout pour les études de phase III avec stratification basée sur les risques. Hypothèses et objectifs : Il est présumé que la présence du VPH est un facteur de bon pronostic. L’étude vise à documenter la prévalence du VPH dans les cancers de l’oropharynx, et à établir son impact sur le pronostic, chez des patients traités avec un schéma thérapeutique incluant la chimio-radiothérapie. Méthodologie : Les tumeurs proviennent de cas traités au CHUM pour des cancers épidermoïdes de la sphère ORL à un stade localement avancé (III, IVA et IVB). Elles sont conservées dans une banque tumorale, et les données cliniques sur l’efficacité du traitement et les effets secondaires, recueillies prospectivement. La présence du VPH est établie par biologie moléculaire déterminant la présence du génome VPH et son génotype. Résultats: 255 spécimens ont été soumis au test de génotypage Linear Array HPV. Après amplification par PCR, de l’ADN viral a été détecté dans 175 (68.6%) échantillons tumoraux ; le VPH de type 16 était impliqué dans 133 cas (52.25 %). Conclusion: Une proportion grandissante de cancers ORL est liée au VPH. Notre étude confirme que la présence du VPH est fortement associée à une amélioration du pronostic chez les patients atteints de cancers ORL traités par chimio-radiothérapie, et devrait être un facteur de stratification dans les essais cliniques comprenant des cas de cancers ORL. / Background: HPV is recognised as a good prognostic factor in head and neck (H&N) cancer. However, most of the data is derived from randomised trials with different treatment options or small heterogeneous cohorts. This trial aims to determine the prevalence and prognostic impact of HPV on overall survival (OS), disease-free survival (DFS), local regional control (LRC) and treatment toxicity, in patients with locally advanced SCCHN treated with concomitant platinum-based chemoradiation therapy (CRT) and followed prospectively. Methods: Prospective data on efficacy and toxicity was available for 560 patients treated with CRT. Of these, 270 fixed and paraffin embedded specimens were collected. DNA was extracted from specimens and HPV detection was performed as previously described (Coutlée, J Clin Microbiol, 2006). Analysis was performed using Kaplan-Meier survival curves, Fisher's test for categorical data and log-rank statistics for failure times. Results: Median follow-up was 4.7 years. DNA extraction was successful in 255 cases. HPV prevalence was 68.6%, and 53.3% for HPV-16 specifically. For HPV+ and HPV- respectively, median LRC were 8.9 and 2.2 years (log-rank p = 0.0002), median DFS were 8.9 and 2.1 years (log-rank p=0.0014) and median OS were 8.9 and 3.1 years (log-rank p=0.0002). Survival was statistically significantly different based on HPV genotype, stage, treatment period and chemotherapy regimen. COX adjusted analysis for T, N, age, and treatment remained significant (HR 0.45, p=0.004). Subgroup analysis for genotype, TNM, primary site and chemotherapy regimen will be presented at the meeting. Conclusions: An increasing proportion of oropharyngeal cancer is linked to HPV. This large study with confirms that HPV status is strongly associated with improved prognosis among H&N cancer patients receiving CRT, and should be a stratification factor for clinical trials including H&N cases. Toxicity of CRT is not modified for the HPV population.

Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is the 6th most common type of cancer in the western hemisphere with a five-year survival rate of only 50% for patients with a localized tumor, which decreases significantly to as low as 5% for those patients with tumors that have metastasized to distant sites of the body. It has been found that both mutant p53 and epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling pathways function to increase the expression of CXCL5, which has been identified as a key mediator in the process of tumor metastasis. Previous data from our lab suggested that the p53 homolog, p63, may function as a negative regulator of CXCL5 and that mutant p53 may inhibit this molecule to elevate CXCL5 expression levels. In the current study we utilized an model system in which the H179L p53 mutant was expressed in HN4 cells to investigate the hypothesis that mutant p53 enhances expression of CXCL5 by both interfering with p63 function and cooperating with EGFR/EPS8 signaling, leading to increased cell proliferation and motility. The results of the current study indicate a role for mutant p53 in head and neck squamous cell carcinoma proliferation, migration and tumorigenicity, possibly through enhancement of CXCL5 expression. We were able to show that mutant p53 expression caused an increase in the expression of this chemokine in addition to increasing proliferation and migration of the cells compared to the vector control. Additionally, we showed that p63 protein is a negative regulator of CXCL5 that is downregulated in the cells expressing mutant p53, which suggests that through direct interaction, mutant p53 may function to inhibit p63 function as well as target it for degradation. These results support the hypothesis that GOF mutant p53 enhances expression of CXCL5 by interfering with p63 function in cancer cells. The results of the current study results also showed that upon treatment with EGF, HN4 cells expressing mutant p53 express elevated levels of CXCL5; and that the mutant p53-expressing HN4 cells cooperate with EGFR/EPS8 signaling to further deregulate chemokine expression. These data taken together suggest there are complex interactions taking place between mutant p53, p63, EGFR signaling, and CXCL5 to regulate the biological processes that promote tumor progression that could lead to metastasis. Additional studies are needed to further elucidate the molecules involved in the mutant p53 mechanism that promotes tumorigenesis.

To personalize treatment for cancer, correct staging of the primary tumor, nodal disease and metastatic disease is of essence. By targeting tumor specific receptors with radiolabeled antibodies, specificity and accuracy of imaging may be improved. Radio-immunodiagnostics can potentially detect small volume disease, occult metastasis and recurrent cancer in treated tissue. This thesis focuses on evaluation of radio-immunoconjugates directed towards CD44v6, which is a surface receptor overexpressed in many head and neck squamous cell carcinomas. At the outset, the monoclonal chimeric antibody cMab U36 and its cleavage products Fab’ and F(ab’)2 were labeled with 125I and assessed in vitro and in vivo (paper I). The best distribution pattern and tumor to organ ratio was achieved with F(ab’)2. Due to the immunological responses humans can develop towards chimeric antibodies, they are not optimal for clinical use, and subsequently fully human antibody fragments were developed. AbD15179, which is a monovalent fragment, was labeled with 111In and 125I and evaluated in vitro and in mice bearing CD44v6-expressing tumors. Tumor to organ ratios were improved compared to cMab U36 derived fragments, and 111In-AbD15179 displayed a more favorable distribution compared to 125I-AbD15179 (Paper II). A bivalent Fab-dHXL, AbD19384 derived from AbD15179, was then constructed and labeled with 125I and evaluated in cell- and biodistribution studies. Furthermore, an imaging study in a small animal PET was performed with 124I-AbD19384 (Paper III). Uptake in kidneys was reduced and liver uptake increased compared to AbD15179 reflecting the larger molecule. The high CD44v6 expressing tumor was clearly visualized with maximum uptake at 48 hours post injection.In paper IV human single chain fragments towards CD44v6v were selected, and the top candidates A11 and H12 were further evaluated in vitro and in vivo. Single chain fragments are small molecules exhibiting fast clearance and high affinity to the target. The study proved this by demonstrating superior tumor to blood ratios of radiolabeled A11 and H12 compared to previously studied molecules.

Le cetuximab est indiqué, en monothérapie pour les carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou récurrents et/ou métastatiques. Cependant sur les tumeurs primaires, il s'est révélé d'une efficacité modeste. Dans divers types tumoraux, il a été montré que la perte d'expression de PTEN est associée à une résistance aux thérapies anti-EGFR, il s'agit d'un évènement relativement fréquent dans les carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou.Cette étude est la première à investiguer directement le rôle de la perte d'expression de PTEN dans la réponse au cetuximab des carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou. Aussi, la mise au point d'un modèle PTEN déficient montre que la perte d'expression de PTEN dans les cellules Cal 27 conduit à une suractivation des voies de la survie et de prolifération cellulaire qui n'aboutit cependant pas à une résistance au cetuximab. Ces travaux montrent que les cellules Cal 27 sont plus dépendantes de l'activation de la voie PI3K/AKT que de l'activité de l'EGFR pour leur croissance, expliquant l'effet modeste du cetuximab.Notre étude de l'angiogenèse par un modèle d'anneaux aortiques cultivé en milieux conditionnés, montre que le bourgeonnement endothélial n'est pas dépendant du VEGF. Le silencing de PTEN dans ces cellules, régule positivement les facteurs anti-angiogéniques TSP1 et IGFBP 3 et diminue la capacité d'induction du bourgeonnement endothélial.Dans les carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou, la perte d'expression de PTEN ne semble pas être un évènement important dans la tumorigenèse mais avoir un impact déterminant en tant qu'évènement tardif. L'ensemble des données fournies par notre modèle permet de proposer, pour la perte d'expression de PTEN, un rôle d'initiation du processus métastatique dans les carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou / Cetuximab has been recently accepted as a single agent to treat recurrent and/or metastatic head and neck squamous cell carcinoma. However, modest efficacy of cetuximab used as a single agent has been reported on primary tumor. In many tumor types, loss of PTEN expression has been described to be associated to resistance to anti-EGFR therapies. Loss of PTEN expression is a frequent event in head and neck squamous cell carcinoma.This study is the first one to directly investigate the role of PTEN loss of expression in response of head and neck squamous cell carcinoma to cetuximab. PTEN-deficient cellular model shows that loss of PTEN expression leads to an overactivation of the signaling pathways ruling cell survival and proliferation but do not impact on cetuximab efficacy. According to our data, Cal 27 cells growth rather depends on PI3K/AKT activation than on EGFR.Observation of angiogenesis, using an aortic ring assay cultured in conditioned media, shows that endothelial sprouting is not dependent on VEGF. PTEN silencing in Cal 27 cells induces anti-angiogenic TSP1 and IGFBP 3 levels in the conditioned medium and reduces the sprouting induction ability by Cal 27 cells.Finally, it is likely that loss of PTEN expression is not a key event in head and neck squamous cell carcinoma tumorigenesis, but might be determinant when occurring as a late event. Taken together, our data suggest that loss of PTEN expression could be involved in initiating metastasis process in head and neck squamous cell carcinomas

A ribonucleoproteína heterogênea nuclear K (hnRNP K) é uma proteína envolvida em processos de expressão gênica e tem sido proposta como ligante de RNAs mensageiros mitocondriais. Apesar de ser considerada um marcador de pior prognóstico no câncer de cabeça e pescoço, o papel da hnRNP K nesta doença ainda é pouco conhecido. O objetivo deste trabalho foi estudar o envolvimento da hnRNP K na mitocôndria com ênfase na bioenergética e na identificação de novos potenciais ligantes de hnRNP K. As linhagens celulares utilizadas foram de carcinoma de cabeça e pescoço (HN13 e CAL 27) com silenciamento de RNA para hnRNP K e células HEK293 com super-expressão de hnRNP K. O efeito do acúmulo celular da hnRNP K na cadeia transportadora de elétrons mitocondrial foi avaliado por meio da atividade dos complexos mitocondriais I, II e V em células HN13. A redução do nível de hnRNP K usando RNA de interferência promoveu uma diminuição da atividade dos complexos nas células HN13, indicando o envolvimento da proteína na eficiência do transporte de elétrons na cadeia respiratória mitocondrial. Células HEK293 com super-expressão da hnRNP K (HEK293/hnRNP K) e as linhagens HN13 e CAL 27 com silenciamento e redução estável de hnRNP K foram utilizadas para determinar o papel de hnRNP K no potencial de membrana mitocondrial, níveis de ATP, produção de lactato e consumo de oxigênio. Células HEK293/hnRNP K comparadas ao controle apresentaram maior nível de ATP, menor potencial de membrana mitocondrial, menor consumo de oxigênio e maior produção de lactato. As células HN13 com redução da hnRNP K apresentaram níveis mais baixos de ATP, com menor liberação de lactato para o meio extracelular e maior consumo de oxigênio. Esses resultados sugerem que o acúmulo da proteína hnRNP K tem ação importante na mitocôndria por alterar o metabolismo bioenergético celular de fosforilação oxidativa para glicólise anaeróbica. A estratégia de co-imunoprecipitação usando anticorpos para hnRNP K, digestão de proteínas com tripsina e cromatografia líquida acoplada a espectrômetria de massa foi usada para encontrar novos potenciais ligantes de hnRNP K. A análise dos dados com o software SEPro identificou 57 proteínas candidatas a ligantes da hnRNP K. Três proteínas foram validadas por co-IP e Western blotting: o fator de transcrição mitocondrial PTCD3, YB1 e PSF. Propomos que a hnRNP K apresenta função na energética mitocondrial, e provavelmente, a sua interação com PTCD3 participa desta função. / Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein K (hnRNP K) is a protein involved in gene expression processes, which has been proposed to bind mitochondrial mRNAs. Despite it to be considered a prognostic marker in cancer, the hnRNPK role in this disease is unknown. We addressed the involvement of hnRNP K in mitochondria with emphasis on bioenergetics and identification of new potential ligands of hnRNP K. The cell lines used were from head and neck squamous cell carcinoma (HN13 and CAL 27) with RNA silencing for hnRNP K , and HEK293 cells with overexpression of hnRNP K. The effects of cellular accumulation of hnRNP K in mitochondrial electron chain carriers were assessed by the activity of mitochondrial complexes I, II and V in HN13 cells. Reduced levels of hnRNP K using RNA interference promoted a decrease in the activity of the complexes in HN13 cells, indicating the involvement of the protein in the efficiency of the electron transport in mitochondrial respiratory chain. HEK293 cells with overexpression of hnRNP K (HEK293/hnRNP K) and HN13 and CAL 27 cells with silencing and stable reduction of hnRNP K were used to determine the role of hnRNP K in mitochondrial membrane potential, ATP levels, lactate production and oxygen consumption. HEK293/hnRNP K, compared to control cells, showed higher levels of ATP, reduced mitochondrial membrane potential, lower oxygen consumption and higher production of lactate. HN13 cells with reduced hnRNP K had lower ATP levels, with lower release of lactate to the extracellular medium and higher oxygen consumption. These results suggest that accumulation of hnRNP K protein plays a role in mitochondria by changing the cellular energetic metabolism from oxidative phosphorylation to glycolysis. The strategy of co-immunoprecipitation using antibodies for hnRNP K, protein digestion with trypsin, and liquid chromatography, coupled to mass spectrometer, were used to search for new potential ligands of hnRNP K. Data analysis with software SEPro identified 57 candidate proteins binding to hnRNP K. Three proteins were validated by co-IP and Western blotting: the mitochondrial transcription factor PTCD3, YB1, and PSF. We propose that hnRNP K plays a role in the mitochondrial energetics, and probably its interaction with PTCD3 participates in this function.