Abstract Colorectal cancer (CRC) is among the most common cancers in Finland. Prognostic factors are important for predicting disease outcome and adjusting optimal treatment. The currently used prognostic methods for CRC have their limitations and consequently several biomarkers have been studied to find potential prognostic markers, but none have been adapted for routine use so far. In the present study, the relationships between the components of the immune system and other factors modulating tumor growth were assessed and their suitability to be used for use as prognostic tools in CRC were studied. The study material consisted of blood samples and surgical specimens collected from 148 CRC patients operated on in Oulu University Hospital and blood samples of 86 healthy controls. Concentrations of endostatin and 27 cytokines were measured from preoperative serum samples and control samples. Immunohistochemical methods were used for collagen XVIII and inflammatory cell analyses. The levels of several cytokines were altered in CRC patients compared to the controls. The serum cytokine profile achieved an excellent accuracy in discriminating CRC patients from healthy controls. Advanced CRCs were associated with elevated cytokine levels and a metastasized disease was linked to an orientation towards Th2 cytokine milieu. The presence of systemic inflammation, depicted by a modified Glasgow Prognostic Score (mGPS), correlated to CRC progression. The serum endostatin levels were elevated in CRC and correlated with invasion through muscular layer and systemic inflammation, but not with densities of local inflammatory cells. Collagen XVIII was expressed in tumor stroma and in the muscle layer of bowel wall. The serum cytokines and tumor infiltrating immune cells showed relatively weak associations. In conclusion, CRC is associated with significant alterations in serum cytokine milieu, which underlines the relevance of studying several cytokines and their relative alterations. The serum cytokine profile is a promising tool for discriminating CRC patients from healthy controls, but its clinical value needs to be validated. The elevated endostatin levels may result from invasion-related cleavage of collagen XVIII in the bowel wall, but further studies are needed to determine the value of endostatin in CRC prognosis. / Tiivistelmä Paksu- ja peräsuolisyöpä (kolorektaalisyöpä) on yleisimpiä syöpämuotoja Suomessa. Sen ennustetta kuvaavat mittarit ovat tärkeitä taudin etenemisen ennustamisessa ja hoidon suunnittelussa. Käytössä olevat kolorektaalisyövän ennusteen arvioinnin menetelmät eivät ole riittäviä. Uusia merkkiaineita onkin kehitetty ja testattu, mutta rutiinikäyttöön soveltuvia menetelmiä ei ole vielä löydetty. Tässä tutkimuksessa selvitettiin immuunijärjestelmän ja muiden kasvaimen kasvua säätelevien tekijöiden keskinäisiä yhteyksiä ja niiden merkitystä kolorektaalisyövän ennusteen arvioinnissa. Tutkimusmateriaali koostui Oulun yliopistollisessa sairaalassa leikattujen kolorektaalisyöpäpotilaiden (n = 148) leikkaus- ja verinäytteistä ja terveiden verrokkihenkilöiden (n = 86) verinäytteistä. Endostatiinin ja 27 sytokiinin pitoisuudet mitattiin seeruminäytteistä. Kollageeni XVIII:n ja tulehdussolujen analysoimiseen käytettiin immunohistokemiallisia menetelmiä. Useiden sytokiinien pitoisuudet olivat korkeammat potilailla kuin verrokeilla, mutta osassa sytokiineista pitoisuudet olivat alentuneet. Seerumin sytokiiniprofiili erotteli luotettavasti potilaat verrokeista. Pidemmälle edenneeseen tautiin liittyi sytokiinien korkeampia pitoisuuksia ja etäpesäkkeitä muodostanut tauti oli yhteydessä Th1-tyypin sytokiinien esiintymiseen. Systeeminen tulehdusreaktio oli yhteydessä syövän etenemiseen. Endostatiinipitoisuudet olivat kohonneet potilailla ja olivat yhteydessä kasvaimen invaasioon suolen seinämän lihaskerroksen läpi. Endostatiinipitoisuudet korreloivat myös systeemisen tulehdusreaktion kanssa, mutta eivät liittyneet paikallisten tulehdussolujen määrään. Kollageeni XVIII ilmentyi kasvaimen stroomassa ja suolen seinämän lihaskerroksessa. Sytokiineilla ja kasvaimen paikallisilla tulehdussoluilla todettiin olevan vain vähän keskinäisiä yhteyksiä. Kolorektaalisyöpään liittyy useita erisuuntaisia muutoksia seerumin sytokiinipitoisuuksissa, joten on olennaista tutkia eri sytokiinien suhteellisia muutoksia. Seerumin sytokiiniprofiili on lupaava potilaita ja verrokeita erotteleva mittari, jolla voi olla diagnostista arvoa. Kohonneet endostatiinipitoisuudet potilailla voivat johtua kasvaimen invaasioon liittyvästä kollageeni XVIII:n hajoamisesta suolen seinämässä, mutta lisätutkimuksia tarvitaan endostatiinin ennustetta kuvaavan arvon määrittämiseksi.

Abstract Colorectal cancer (CRC) is one of the most common malignancies and causes of cancer deaths in Finland. Increased number of tumor-infiltrating immune cells has been associated with improved survival in CRC. However, accurate, reproducible analysis methods, as well as better understanding of the interrelationships between different inflammatory markers would be important in order to establish a valuable prognostic and potentially predictive tool. In these studies, a computer-assisted method for the analysis of the densities of tumor-infiltrating immune cells and a quantitative method for the evaluation of CRC-associated lymphoid reaction (CLR) were adopted and validated. Utilizing the new methods, the inflammatory cell infiltration was characterized in independent groups of 418 (Cohort 1) and 149 (Cohort 2) CRC patients. Serum matrix metalloproteinase-8 (MMP-8) levels were measured in Cohort 2 and in a control group of 83 healthy age- and gender-matched controls. The automated cell counting method was found accurate and reproducible. In the tumor samples, there were high positive correlations between different types of immune cells, with the exception of mast cells and CD1a+ immature dendritic cells. High numbers of T cells predicted improved disease-free survival. High CLR density correlated with low tumor stage, but also with better survival regardless of stage. The median serum MMP-8 level of the patients was more than three times higher than that of the healthy controls. In conclusion, the present studies provide insight into the significance of various immune cell types and inflammatory markers in CRC and validate new methods for the analysis of immune cell infiltration in CRC. The results suggest that, especially, the densities of tumor-infiltrating T cells and CLR represent relevant prognostic indicators in CRC. Further studies are needed to evaluate the potential value of serum MMP-8 as an aid for CRC diagnostics, surveillance, or prognostication. / Tiivistelmä Kolorektaalisyöpä on yksi yleisimmistä pahanlaatuisista kasvaintaudeista ja syöpäkuolemien aiheuttajista Suomessa. Tulehdussolujen korkean määrän kasvainnäytteissä on havaittu olevan yhteydessä potilaiden parempaan ennusteeseen. Tarkat ja luotettavat analyysimenetelmät sekä tieto eri tulehdusmerkkiaineiden keskinäisistä yhteyksistä olisivat tärkeitä, jotta tulehdussolukon määritystä voitaisiin luotettavasti käyttää potilaiden ennusteen arviointiin. Tutkimuksessa otettiin käyttöön ja validoitiin uusi tietokonepohjainen menetelmä kasvaimen tulehdussolukon arviointiin sekä uusi menetelmä kolorektaalisyövän imukeräsreaktion arviointiin. Kasvainnäytteiden tulehdussolukon määrää ja laatua analysoitiin itsenäisissä 418 (Kohortti 1) ja 149 (Kohortti 2) kolorektaalisyöpäpotilaan aineistoissa uusia menetelmiä hyödyntäen. Lisäksi kohortilta 2 sekä 83 terveeltä ikä- ja sukupuolivalikoidulta verrokilta määritettiin seerumin matriksin metalloproteinaasi-8 (MMP-8) -taso. Tietokonepohjaisen kuva-analyysin tarkkuus ja toistettavuus todettiin erinomaiseksi. Kasvainnäytteistä analysoitujen tulehdussolutyyppien määrät olivat riippuvaisia toisistaan mast-soluja ja CD1a+ epäkypsiä dendriittisoluja lukuun ottamatta. T-solujen runsas määrä oli yhteydessä taudin vähäisempään uusiutumisriskiin. Korkea imukerästiheys kasvainnäytteissä oli yhteydessä matalaan levinneisyysasteeseen sekä potilaiden parempaan ennusteeseen levinneisyysasteesta riippumatta. Seerumin MMP-8-tason mediaani oli potilailla yli kolme kertaa korkeampi kuin terveillä verrokeilla. Tutkimus tuo lisätietoa eri tulehdussolutyyppien ja tulehdusmerkkiaineiden merkityksestä kolorektaalisyövässä, ja sen tuloksena validoitiin uusia tulehdussolukon analysointimenetelmiä. Tulosten perusteella erityisesti kasvaimen alueen T-solujen ja imukerästen tiheys tuovat hyödyllistä tietoa potilaiden ennusteesta. Lisätutkimuksia tarvitaan seerumin MMP-8:n mahdollisesta soveltuvuudesta kolorektaalisyövän diagnostiikan, seurannan tai ennusteen määrittämisen apuvälineeksi.

Abstract Prognostic features of colorectal cancer (CRC) are important for determining the optimal treatment for an individual patient. This study was carried out to evaluate the significance of the prognostic significance of inflammatory cell reaction and tumour budding at the invasive front of the tumour in CRC patients, to study the pattern of alterations in the serum cytokine levels of CRC patients compared to healthy controls, and to evaluate whether the patterns of the cytokine levels alter according to the stage of disease. Study material consists of a series of CRC patients operated in Oulu University Hospital (N=466, studies I-II, and N=148, study III). The intensities of inflammatory cell reaction and tumour budding were estimated and the association of these features with survival was analysed (I-II). Preoperative serum samples were collected from patients and age- and sex-matched controls, and concentrations of 13 cytokines and chemokines were analysed (III). Inflammatory cell reaction and tumour budding at the tumour invasive margin were independent prognostic markers in CRC. In patients with stage I-II disease, high-grade inflammation was associated with better 5-year survival (87.6%) than low-grade inflammation (47.0%). Tumour budding was present in 24.0% of cases and predicted worse 5-year survival (15.4% in contrast to 63.5%). Serum levels of PDGF, IL-6, IL-7, and IL-8 were higher, and levels of MCP-1 were lower in CRC patients compared to controls. A pattern of five most predictive cytokines reached an excellent capacity in discriminating patients from healthy controls and reached an AUC of 0.890 in the ROC analysis. High-stage CRC was associated with increased levels of IL-6, IL-8 and IL-1ra, and metastasised disease was accompanied by an orientation to Th2 cytokine milieu. According to this study, patients with CRC can be stratified into different prognostic groups by assessing inflammatory cell reaction and tumour budding at the invasive front of the tumour. Evaluation of these features may give additional information for making treatment decisions. Serum cytokine profile was shown to change during cancer progression and seems promising in separating CRC patients from healthy controls, but its clinical value is yet to be confirmed. / Tiivistelmä Kasvaimen ennusteeseen vaikuttavien tekijöiden tunteminen on tärkeää syöpäpotilaan yksilöllisen hoidon suunnittelussa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kasvaimen tulehdusreaktion ja kasvaimen reunan silmuilevan kasvutavan merkitystä kolorektaalisyöpäpotilaiden ennusteeseen. Lisäksi tutkimuksessa mitattiin tulehdusreaktion välittäjäaineiden, seerumin sytokiinien, pitoisuuksia potilailla ja verrokeilla sekä näiden pitoisuuksien vaihtelua suhteessa syövän levinneisyyteen. Tutkimusaineisto koostui Oulun yliopistollisessa sairaalassa leikatuista kolorektaalisyöpäpotilaista (N=466, tutkimukset I–II, N=148, tutkimus III). Kasvainnäytteistä tutkittiin kasvaimen tulehdusreaktion ja silmuilevan kasvutavan voimakkuutta ja arvioitiin näitä piirteitä suhteessa potilaiden elinaikatietoihin (tutkimukset I–II). Potilaiden ja verrokkihenkilöiden seeruminäytteistä mitattiin 13 sytokiinin pitoisuudet (tutkimus III). Kasvaimen tulehdusreaktio ja silmuileva kasvutapa osoittautuivat itsenäisiksi ennustetekijöiksi. Potilailla oli parempi 5-vuotisennuste (87.6 %), jos kasvaimen tulehdusreaktio oli voimakas verrattuna tapauksiin, joissa tulehdusreaktio oli heikko (47.0 %). 24 %:ssa kasvaimista kasvutapa oli silmuileva, ja näillä 5-vuotisennuste oli huonompi kuin ei-silmuilevissa (15.4 % vs. 63.5 %). Potilailla todettiin korkeammat seerumin PDGF, IL-6, IL-7, ja IL-8 -pitoisuudet ja matalammat MCP-1 -pitoisuudet kuin verrokeilla. Mittaamalla viiden ennustearvoltaan merkitsevimmän sytokiinin pitoisuudet voitiin potilaat luotettavasti erottaa verrokeista ROC-analyysin avulla, kun ROC-käyrän alle jäävä pinta-ala oli 0.890 %. Pidemmälle levinneissä taudeissa todettiin korkeampia IL-6, IL-8 ja IL-1ra -pitoisuuksia, ja etäpesäkkeisissä taudeissa sytokiinipitoisuudet muuttuivat Th2 -profiilin suuntaiseksi. Tutkimuksen mukaan kasvaimen tulehdusreaktion ja silmuilevan kasvutavan arvioinnilla kolorektaalisyöpäpotilaat voidaan jakaa ennusteellisiin ryhmiin, mitä on mahdollista hyödyntää hoidon suunnittelussa. Seerumin sytokiiniprofiilin osoitettiin muuttuvan taudin edetessä, ja sytokiinien pitoisuudet poikkeavat kolorektaalisyöpäpotilailla verrattuna terveiltä verrokeilta mitattuihin arvoihin.

Abstract In the Western world, colorectal cancer (CRC) is one of the most common cancers and causes of cancer deaths. It is estimated that up to a third of CRCs represent a recently defined subtype, serrated adenocarcinoma (SAC), which develops via the serrated pathway and differs from conventional cancer by molecular, histological, and clinicopathological characteristics. The oncogenic mutation of BRAF V600E is characteristic to the serrated pathway lesions, and VE1 is a novel antibody that has been reported to recognize this mutated BRAF protein. In these studies, two independent cohorts of CRCs and a cohort of 922 colorectal polyps (545 patients) consecutively removed in Oulu University Hospital were utilized to study potential immunohistochemical markers (annexin A10 and VE1) as markers for the serrated pathway lesions, to investigate the presence of ectopic crypt foci (ECF) in different colorectal polyps and CRCs, and to study the network of determinants and the clinical impact of tumor necrosis with special regard to SAC. VE1 immunohistochemistry was found a sensitive and accurate method in the detection of BRAF V600E mutation with potential applications in the recognition of the BRAF V600E-mutated SACs. Annexin A10 immunohistochemistry was indicated to be a marker with high specificity for the serrated pathway lesions. ECF were found to be frequently encountered in addition to traditional serrated adenomas also in the tubular, tubulovillous and villous adenomas. Tumor necrosis in CRC was associated with high tumor stage and inversely associated with the serrated histology. High tumor necrosis percentage correlated with poor survival in CRC independently of other clinicopathological factors. In conclusion, these studies add to the knowledge of the molecular and histological features of SAC and its precursors. The results suggest that VE1 and ANXA10 immunohistochemistry may help in the recognition of the serrated pathway lesions. ECF can be found in other colorectal polyps in addition to traditional serrated adenomas. Tumor necrosis represents a relevant histomorphological prognostic indicator in CRC. / Tiivistelmä Paksu-peräsuolisyöpä on yksi yleisimmistä syövistä länsimaissa. Arviolta kolmasosaa kaikista paksu-peräsuolisyövistä edustava sahalaitainen adenokarsinooma eroaa tavallisesta adenokarsinoomasta molekulaaristen muutostensa sekä histologisten ja kliinispatologisten piirteidensä perusteella. BRAF-onkogeenin V600E-mutaatiota tavataan vain paksu-peräsuolisyövän sahalaitaisen kehittymisreitin muutoksissa ja VE1-immunohistokemian on todettu tunnistavan tämän mutatoituneen BRAF-proteiinin. Tutkimuksessa käytettiin kahta itsenäistä paksu-peräsuolisyöpäaineistoa sekä polyyppiaineistoa, joka käsitti 922 Oulun yliopistollisessa sairaalassa peräkkäisissä kolonoskopioissa poistettua paksu-peräsuolen polyyppia (545 potilasta). Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kahden immunohistokemiallisen merkkiaineen (VE1 ja annexin A10) spesifisyyttä sahalaitaiselle adenokarsinoomalle ja sen esiastemuutoksille, ektooppisten kryptafokusten esiintymistä paksu-peräsuolen polyypeissa sekä kasvaimen nekroosiin yhteydessä olevia tekijöitä ja nekroosin ennustevaikutusta. VE1-immunohistokemia oli sekä sensitiivinen että spesifinen BRAF V600E-mutaation toteamisessa, minkä vuoksi sitä voidaan käyttää BRAF V600E-mutatoituneiden sahalaitaisten adenokarsinoomien tunnistamisessa. Annexin A10-immunohistokemia osoittautui spesifiseksi sahalaitaisen kehittymisreitin muutosten toteamissa. Ektooppisia kryptafokuksia havaittiin traditionaalisen sahalaita-adenooman lisäksi myös tubulaarisissa, tubulovillooseissa ja villooseissa adenoomissa. Kasvaimen nekroosi oli vähäisempää sahalaitaisessa adenokarsinoomassa sekä matalan levinneisyysasteen kasvaimissa. Runsas nekroosin määrä oli kasvaimen levinneisyydestä riippumatta yhteydessä huonompaan ennusteeseen. Tutkimus lisää tietoa sahalaitaisesta adenokarsinoomasta ja sen esiastemuutoksista. Tulokset osoittavat, että VE1 ja annexin A10 -immuno¬histokemia auttaa sahalaitaisen kehittymisreitin muutosten tunnistamisessa; ektooppisia kryptafokuksia voidaan nähdä traditionaalisten sahalaita-adenoomien lisäksi myös muissa paksu-peräsuolen polyypeissa; lisäksi todettiin, että kasvaimen nekroosin määrällä on vaikutusta paksu-peräsuolisyövän ennusteen arvioinnissa.

Abstract Colorectal cancer is the third most common cancer in the developed countries. Originally, development of CRC was thought to proceed by a sequence of steps known as an adenoma-carcinoma sequence. At present CRC is recognized as a disease developing through diverse pathways. Serrated adenocarcinoma represents an endpoint of tumors developing from serrated pathway. This thesis focuses on studying the molecular alterations in serrated adenocarcinoma. Microsatellite instability, hypermethylation of promoter region in DNA repair genes hMLH1 and MGMT, frequency of KRAS and BRAF mutations and mutation spectrum of PTCH1 was determined in serrated adenocarcinomas (n=42) and compared to non-serrated adenocarcinomas (n=75). MSI, particularly low level of MSI (p=0.02) and methylation of both hMLH1 and MGMT promoters (p=0.004, p=0.026) were found to be more prevalent for serrated CRC. BRAF mutation was frequent and specific to serrated adenocarcinomas (p&lt;0.001) and KRAS mutations were more frequent in serrated adenocarcinomas than in non-serrated cancers (p=0.002). A significant association between BRAF mutation, hMLH1 and MGMT methylation and MSI-H phenotype was found in serrated carcinomas. KRAS mutation was seen in association with MSS/MSI-L phenotype; in fact, if serrated adenocarcinoma presents with MSI-L there always seems to be a KRAS mutation as well. Negative immunohistochemical staining of the hMLH1 enzyme was in association with methylation of the gene and proved reliable in the detection of MSI-H phenotype (p&lt;0.0001). Sequencing analysis of the whole coding regions of the PTCH1 gene did not reveal any truncating mutation to explain the previously detected downregulation of the gene in serrated CRCs. In conclusion, serrated adenocarcinomas proved to be an independent, but heterogeneous subtype of CRCs. High combined mutation rate (79–82%) of KRAS and <I>BRAF</I> in serrated adenomas and adenocarcinomas indicates that MAPK activation is a crucial part of the serrated pathway. BRAF mutations are specific for serrated adenocarcinoma, and identify a subset of serrated adenocarcinomas with gene methylation and a tendency for MSI-H. High frequency of KRAS mutations in serrated adenocarcinomas suggests that a significant proportion of KRAS-mutated CRCs originate from serrated precursors. / Tiivistelmä Paksu- ja peräsuolisyöpä eli kolorektaalisyöpä on Suomessa kolmanneksi yleisin syöpätyyppi. Syöpää edeltävien muutosten tunnistaminen on tärkeää, jotta sen ehkäisy ja seuranta olisi tehokasta. Tavallisia adenoomapolyyppeja on pidetty tärkeimpinä kolorektaalisyövän esiastemuutoksina. 2000-luvulla on havaittu, että nk. sahalaitapolyypit edustavat tärkeää osaa esiastemuutoksista, ja näistä kehittyvää syöpää kutsutaan sahalaitaiseksi syöväksi. Sahalaitaisen syövän kehittymismekanismit eroavat huomattavasti tavallisesta kolorektaalisyövästä. Tässä väitöskirjassa keskityttiin tutkimaan sahalaitaiselle syövälle tyypillisiä morfologisia piirteitä sekä geneettisiä muutoksia. Työssä selvitettiin DNA mikrosatelliitti-instabiliteetin sekä DNA korjausgeenien hMLH1 ja MGMT promoottorialueiden hypermetylaation esiintyminen, nk. MAPK –signaalinsiirtoreitin komponenttien, KRAS ja BRAF -geenien, mutaatioiden yleisyys sekä PTCH1 geenin mutaatiokirjo sahalaitaisissa (n=42) ja tavallisissa kolorektaalisyövissä (n=75). DNA:n mikrosatelliitti-instabiliteetti, erityisesti matala-asteisena (MSI-L) (p=0.02) sekä <I>MLH1</I> ja hMGMT -geenien metylaatio (p=0.004, p=0.026) olivat yleisempiä sahalaitaisissa syövissä. <I>BRAF</I> mutaatio oli yleinen sekä spesifinen sahalaitasyöville (p&lt;0.001). Myös KRAS -mutaatiot olivat yleisempiä sahalaitaisissa syövissä (p=0.002). BRAF mutaatio, hMLH1 sekä MGMT metylaatio ja korkea-asteinen mikrosatelliitti-instabiliteetti (MSI-H) esiintyivät hyvin usein yhdessä sahalaitaisissa syövissä. Sahalaitaisissa syövissä KRAS –mutaatiot liittyivät MSI-L fenotyyppiin. hMLH1 geenin ilmentyminen tutkittiin myös immunohistokemiallisesti. Sahalaitaisissa syövissä MLH1 –proteiinin häviäiminen oli yhteydessä metylaatioon ja liittyi spesifisesti MSI-H:n esiintymiseen (p &lt; 0.0001). PTCH1 geenin sekvensointi ei paljastanut proteiinin toimintaa vahingoittavia muutoksia, eikä tuloksen perusteella pystytä selittämään aikaisemmin havaittua geenin ilmentymisen häviämistä sahalaitaisessa syövässä. Tulosten perusteella sahalaitainen syöpä on oma, mutta heterogeeninen kolorektaalisyövän alatyyppi. KRAS ja BRAF –geenien aktivoivien mutaatioiden yleisyys (79–82%) osoittaa, että MAPK -reitin aktivaatio on tärkeää sahalaitaisen syövän kehityksessä. BRAF -mutaatiot ovat spesifisiä sahalaitaisille syöville, ja yhdessä metylaation sekä MSI-H:n kanssa identifioi osan sahalaitasyövistä omaksi ryhmäkseen. <I>KRAS</I> –mutaatioiden yleisyys sahalaitaisissa syövissä antaa aiheen epäillä, että merkittävä osa KRAS –mutaation sisältävistä kolorektaalisyövistä kehittyy sahalaitapolyypeista.