Mikrosatelliteninstabilität (MSI)

Sind eines oder mehrere Gene des Mismatch-Reparatur-Systems defekt oder durch Hypermethylierung inaktiv, bezeichnet man dies als dMMR (deficient MMR).Richman S. Deficient mismatch repair: Read all about it (Review). Int J Oncol. 2015;47(4):1189-202. doi:10.3892/ijo.2015.3119dMMR kann zu einer Anhäufung von Mutationen führen, insbesondere in den Bereichen der Mikrosatelliten.Richman S. Deficient mismatch repair: Read all about it (Review). Int J Oncol. 2015;47(4):1189-202. doi:10.3892/ijo.2015.3119

Eine Anhäufung von Mutationen in diesen Mikrosatelliten wird als hohe Mikrosatelliteninstabilität (MSI-H) bezeichnet. Die Mutationen können kodierende Regionen der DNA direkt oder indirekt beeinflussen.Kawakami H, Zaanan A, Sinicrope FA. Microsatellite instability testing and its role in the management of colorectal cancer. Curr Treat Options Oncol. 2015;16(7):30. doi:10.1007/s11864-015-0348-2 Lee V, Murphy A, Le DT, Diaz LA, Jr. Mismatch Repair Deficiency and Response to Immune Checkpoint Blockade. Oncologist. 2016;21(10):1200-1211. doi:10.1634/theoncologist.2016-0046Dies führt dazu, dass dMMR/MSI-H-Tumore insgesamt eine Vielzahl von Mutationen und somit eine hohe TumormutationslastKawakami H, Zaanan A, Sinicrope FA. Microsatellite instability testing and its role in the management of colorectal cancer. Curr Treat Options Oncol. 2015;16(7):30. doi:10.1007/s11864-015-0348-2 Lee V, Murphy A, Le DT, Diaz LA, Jr. Mismatch Repair Deficiency and Response to Immune Checkpoint Blockade. Oncologist. 2016;21(10):1200-1211. doi:10.1634/theoncologist.2016-0046 Le DT, Uram JN, Wang H, et al. PD-1 Blockade in Tumors with Mismatch-Repair Deficiency. N Engl J Med. 2015;372(26):2509-20. doi:10.1056/NEJMoa1500596sowie eine höhere Anzahl an Neoantigenen aufweisen.Schumacher TN, Schreiber RD. Neoantigens in cancer immunotherapy. Science. 2015;348(6230):69-74. doi:10.1126/science.aaa4971

Zum diagnostischen Nachweis einer dMMR/MSI-H können unterschiedliche Methoden eingesetzt werdenBogaert J, Prenen H. Molecular genetics of colorectal cancer. Ann Gastroenterol. 2014;27(1):9-14. Richman S. Deficient mismatch repair: Read all about it (Review). Int J Oncol. 2015;47(4):1189-202. doi:10.3892/ijo.2015.3119:

• Immunhistochemie (IHC): Der Nachweis des Ausfalls eines der vier MMR-Proteine MLH1, MSH2, MSH6 und PMS2 (dMMR) erfolgt mittels IHC über spezifische Antikörper-Klone zum Nachweis der Proteine.Dietmaier W, Buttner R, Ruschoff J. Mikrosatelliteninstabilität: Aktueller Überblick über Methoden und Anwendungen. Pathologe. 2019;40(3):313-327. Mikrosatelliteninstabilitat : Aktueller Uberblick uber Methoden und Anwendungen. doi:10.1007/s00292-019-0610-7
• Polymerasekettenreaktion (PCR): MSI-H kann über die PCR nachgewiesen werden. Hierbei weist man einen Größenunterschied spezifischer Mikrosatelliten im Vergleich zur Keimbahn nach.Dietmaier W, Buttner R, Ruschoff J. Mikrosatelliteninstabilität: Aktueller Überblick über Methoden und Anwendungen. Pathologe. 2019;40(3):313-327. Mikrosatelliteninstabilitat : Aktueller Uberblick uber Methoden und Anwendungen. doi:10.1007/s00292-019-0610-7Hierzu sind verschiedene Methoden und Assays etabliert.Dedeurwaerdere F, Claes KB, Van Dorpe J, et al. Comparison of microsatellite instability detection by immunohistochemistry and molecular techniques in colorectal and endometrial cancer. Sci Rep. 2021;11(1):12880. doi:10.1038/s41598-021-91974-x
• Next-Generation-Sequenzierung (NGS): Über NGS können Veränderungen in der DNA und damit auch MSI nachgewiesen werden. Bis jetzt ist diese Methode in der Routine-Diagnostik von MSI jedoch noch nicht weit verbreitet.Ruschoff J, Baretton G, Blaker H, et al. MSI testing : What's new? What should be considered? Pathologe. 2021;42(Suppl 1):110-118. MSI-Testung : Was ist neu? Was ist zu beachten? doi:10.1007/s00292-021-00948-3

Beim Kolorektalkarzinom und anderen Indikationen hat sich die Relevanz von dMMR/MSI-H als prädiktiver Biomarker für Immuntherapien gezeigt.Chao J, Fuchs CS, Shitara K, et al. Assessment of Pembrolizumab Therapy for the Treatment of Microsatellite Instability-High Gastric or Gastroesophageal Junction Cancer Among Patients in the KEYNOTE-059, KEYNOTE-061, and KEYNOTE-062 Clinical Trials. JAMA Oncol. 2021;7(6):895-902. doi:10.1001/jamaoncol.2021.0275 Andre T, Shiu KK, Kim TW, et al. Pembrolizumab in Microsatellite-Instability-High Advanced Colorectal Cancer. N Engl J Med. 2020;383(23):2207-2218. doi:10.1056/NEJMoa2017699 Overman MJ, Lonardi S, Wong KYM, et al. Durable Clinical Benefit With Nivolumab Plus Ipilimumab in DNA Mismatch Repair-Deficient/Microsatellite Instability-High Metastatic Colorectal Cancer. J Clin Oncol. 2018;36(8):773-779. doi:10.1200/JCO.2017.76.9901 Lenz HJ, S. L, Zagonel V, et al. Nivolumab plus low-dose ipilimumab as first-line therapy in microsatellite instability-high/DNA mismatch repair deficient metastatic colorectal cancer: clinical update. J Clin Oncol. 2020;38(4_ Suppl)(11)doi:10.1200/JCO.2020.38.4_suppl.11

Die DNA-Replikation ist ein Prozess, bei dem es immer wieder zu Fehlern beim Einbau der einzelnen DNA-Basen kommen kann. In gesunden Zellen garantiert das DNA-MMR-System, dass diese Fehlpaarungen erkannt und repariert werden. Ist dieses System jedoch defekt (dMMR), werden Fehler nicht mehr erkannt und repariert. In diesem Fall reichern sich mit der Zeit Mutationen im Genom an.Kawakami H, Zaanan A, Sinicrope FA. Microsatellite instability testing and its role in the management of colorectal cancer. Curr Treat Options Oncol. 2015;16(7):30. doi:10.1007/s11864-015-0348-2

Das MMR-System wird von vier Proteinen gebildet, von denen sich jeweils zwei zu Paaren, sogenannten Heterodimeren, zusammenlagern. Die Heterodimer-Bildung der Proteine MLH1 und PMS2 sowie von MSH2 und MSH6 ist ein entscheidender Faktor für die Funktion und Stabilität der Proteine.Fishel R. Mismatch repair. J Biol Chem. 2015;290(44):26395-403. doi:10.1074/jbc.R115.660142 Hierbei kann PMS2 sich nur mit MLH1 und MSH6 sich nur mit MSH2 zusammenlagern. Im Gegensatz dazu können die Proteine MLH1 und MSH2 auch Heterodimere mit anderen MMR-Proteinen bilden.Luchini C, Bibeau F, Ligtenberg MJL, et al. ESMO recommendations on microsatellite instability testing for immunotherapy in cancer, and its relationship with PD-1/PD-L1 expression and tumour mutational burden: a systematic review-based approach. Ann Oncol. 2019;30(8):1232-1243. doi:10.1093/annonc/mdz116 Hampel H, Frankel WL, Martin E, et al. Screening for the Lynch syndrome (hereditary nonpolyposis colorectal cancer). N Engl J Med. 2005;352(18):1851-60. doi:10.1056/NEJMoa043146

Treten Mutationen im Protein MLH1 auf, dann ist dies mit einem Ausfall der Proteine MLH1 und PMS2 verbunden. In gleicher Weise führen Mutationen im Protein MSH2 zum Ausfall der Proteine MSH2 und MLH6. Dies bedeutet, dass bei einem Nachweis mittels IHC beide Proteine nicht mehr detektiert werden können.

Umgekehrt führt der Ausfall der Proteine PMS2 oder MSH6 jedoch nicht zwangsläufig zum Ausfall ihrer Heterodimer-Partner MLH1 und MSH2. In diesen Fällen wird die Stabilität der Proteine durch Heterodimer-Bildung mit anderen Proteinen gewährleistet. So kann z. B. MSH6 durch MSH3 und PMS2 durch PMS1 oder MLH3 ersetzt werden.

• Da die Immunhistochemie breit und qualitätsgesichert zur Verfügung steht, wird sie als Methode der Wahl für den Nachweis von dMMR in der Primärdiagnostik aller Kolon- und Endometriumkarzinome empfohlen.Le DT, Uram JN, Wang H, et al. PD-1 Blockade in Tumors with Mismatch-Repair Deficiency. N Engl J Med. 2015;372(26):2509-20. doi:10.1056/NEJMoa1500596 dMMR ist hierbei als der Verlust der Expression von einem oder mehreren der vier MMR Proteine definiert.

Neuere Daten weisen darauf hin, dass es  ausreichend ist, für die IHC die beiden MMR-Antikörper PMS2 und MSH6 zu verwenden.Pearlman R, Markow M, Knight D, et al. Two-stain immunohistochemical screening for Lynch syndrome in colorectal cancer may fail to detect mismatch repair deficiency. Mod Pathol. 2018;31(12):1891-1900. doi:10.1038/s41379-018-0058-y Shia J, Tang LH, Vakiani E, et al. Immunohistochemistry as first-line screening for detecting colorectal cancer patients at risk for hereditary nonpolyposis colorectal cancer syndrome: a 2-antibody panel may be as predictive as a 4-antibody panel. Am J Surg Pathol. 2009;33(11):1639-45. doi:10.1097/PAS.0b013e3181b15aa2 Soslow RA, Tornos C, Park KJ, et al. Endometrial Carcinoma Diagnosis: Use of FIGO Grading and Genomic Subcategories in Clinical Practice: Recommendations of the International Society of Gynecological Pathologists. Int J Gynecol Pathol. 2019;38 Suppl 1:S64-S74. doi:10.1097/PGP.0000000000000518

Um zu gewährleisten, dass der dMMR-Status mittels IHC gesichert nachgewiesen wird, wird der Einsatz aller vier MMR-Antikörper empfohlen.Pearlman R, Markow M, Knight D, et al. Two-stain immunohistochemical screening for Lynch syndrome in colorectal cancer may fail to detect mismatch repair deficiency. Mod Pathol. 2018;31(12):1891-1900. doi:10.1038/s41379-018-0058-y Chen W, Frankel WL. A practical guide to biomarkers for the evaluation of colorectal cancer. Mod Pathol. 2019;32(Suppl 1):1-15. doi:10.1038/s41379-018-0136-1 Li GM. Mechanisms and functions of DNA mismatch repair. Cell Res. 2008;18(1):85-98. doi:10.1038/cr.2007.115 In jedem Falle sollten alle vier MMR Antikörper auch zur Diagnosesicherung qualitätsgesichert vorgehalten werden.Ruschoff J, Baretton G, Blaker H, et al. MSI testing : What's new? What should be considered? Pathologe. 2021;42(Suppl 1):110-118. MSI-Testung : Was ist neu? Was ist zu beachten? doi:10.1007/s00292-021-00948-3

Auch wenn die IHC für den Nachweis von dMMR lange etabliert ist, können bestimmte Faktoren die Diagnose für Patholog:innen herausfordernd gestalten.Richman S. Deficient mismatch repair: Read all about it (Review). Int J Oncol. 2015;47(4):1189-202. doi:10.3892/ijo.2015.3119 Lee V, Murphy A, Le DT, Diaz LA, Jr. Mismatch Repair Deficiency and Response to Immune Checkpoint Blockade. Oncologist. 2016;21(10):1200-1211. doi:10.1634/theoncologist.2016-0046 Buecher B, Cacheux W, Rouleau E, Dieumegard B, Mitry E, Lievre A. Role of microsatellite instability in the management of colorectal cancers. Dig Liver Dis. 2013;45(6):441-9. doi:10.1016/j.dld.2012.10.006 Roche Diagnostics. Roche launches CE-marked VENTANA MMR IHC Panel for patients diagnosed with colorectal cancer. Jöhrens K, Dietmaier W, Utpatel K, Dietel M, Ruschoff J, Fischer J. Qualitätssicherung in der dMMR- und MSI-Diagnostik. Pathologe. 2021;42(4):405-413. Qualitatssicherung in der dMMR- und MSI-Diagnostik. doi:10.1007/s00292-021-00930-z

Herausforderungen bei der dMMR-Diagnose durch IHC

• Variabilität bei der Gewebefixierung
• Heterogene Färbung
• Mutationen, die zu einer funktionellen, aber nicht quantitativen Veränderung führen
• Mutationen (z. B. Trunkierungen), die die Proteinstabilität oder -lokalisierung verändern
• Defizite bei anderen Proteinen als den vier MMR-Schlüsselproteinen

Im Gegensatz zur Immunhistochemie wird mit der PCR nicht der Verlust eines der MMR-Proteine nachgewiesen. Mit Hilfe der PCR wird der Phänotyp, also die biologische Folge dieses Verlustes überprüft. Dies ist, wie in der Einführung zu MSI nachzulesen <ANKERLINK>, die Anhäufung von Mutationen in den Mikrosatelliten.

Bereits vor über 20 Jahren wurden geeignete Mikrosatellitenmarker und entsprechende Cut-off-Werte zur Diagnose der Mikrosatelliteninstabilität identifiziert und validiert.Umar A, Boland CR, Terdiman JP, et al. Revised Bethesda Guidelines for hereditary nonpolyposis colorectal cancer (Lynch syndrome) and microsatellite instability. J Natl Cancer Inst. 2004;96(4):261-8. doi:10.1093/jnci/djh034Die hier identifizierten Mononukleotidmarker BAT25 und BAT26 sowie die polymorphen Dinukleotidmarker D5S346, D2S1123 und D17S250 wurden als „NCI-Bethesda-Panel“ vom National Cancer Institute (NCI) zur Diagnose von MSI empfohlen.Dietmaier W, Wallinger S, Bocker T, Kullmann F, Fishel R, Ruschoff J. Diagnostic microsatellite instability: definition and correlation with mismatch repair protein expression. Cancer Res. 1997;57(21):4749-56.Hierbei gilt ein Tumor als hochgradig Mikrosatelliten-instabil (MSI-H), sobald sich zwei der fünf Marker in der PCR als instabil erweisen.Umar A, Boland CR, Terdiman JP, et al. Revised Bethesda Guidelines for hereditary nonpolyposis colorectal cancer (Lynch syndrome) and microsatellite instability. J Natl Cancer Inst. 2004;96(4):261-8. doi:10.1093/jnci/djh034 Dietmaier W, Wallinger S, Bocker T, Kullmann F, Fishel R, Ruschoff J. Diagnostic microsatellite instability: definition and correlation with mismatch repair protein expression. Cancer Res. 1997;57(21):4749-56.Zeigt sich in der Untersuchung nur ein Marker instabil (MSI-Low), wird zur Sicherstellung der Diagnose die Untersuchung der weiteren Marker BAT40, D10S197, D13S153, D18S58 und MYCL empfohlen. Sind bei den nun 10 untersuchten Markern ≥ 30 % instabil, wird der Tumor als MSI-H eingestuft.

Neben dem Bethesda-Panel kommen noch weitere MSI-Systeme zum Einsatz. Hierzu zählen das Promega-System, welches die Marker BAT25, BAT26, NR21, NR24 und Mono27 als MSI-Marker, sowie Penta-C und Penta-D zur Probenunterscheidung untersucht,Luchini C, Bibeau F, Ligtenberg MJL, et al. ESMO recommendations on microsatellite instability testing for immunotherapy in cancer, and its relationship with PD-1/PD-L1 expression and tumour mutational burden: a systematic review-based approach. Ann Oncol. 2019;30(8):1232-1243. doi:10.1093/annonc/mdz116 Bacher JW, Flanagan LA, Smalley RL, et al. Development of a fluorescent multiplex assay for detection of MSI-High tumors. Dis Markers. 2004;20(4-5):237-50. doi:10.1155/2004/136734aber auch vollautomatische Systeme wie der Biocartis IdyllaTM MSI-Test.Idylla technical sheet. USA. 2019;

Für das Kolonkarzinom zeigen die Ergebnisse für dMMR aus der Immunhistochemie und die molekularen Befunde zur MSI eine hohe Übereinstimmung.Kawakami H, Zaanan A, Sinicrope FA. Microsatellite instability testing and its role in the management of colorectal cancer. Curr Treat Options Oncol. 2015;16(7):30. doi:10.1007/s11864-015-0348-2 Richman S. Deficient mismatch repair: Read all about it (Review). Int J Oncol. 2015;47(4):1189-202. doi:10.3892/ijo.2015.3119 Engel C, Forberg J, Holinski-Feder E, et al. Novel strategy for optimal sequential application of clinical criteria, immunohistochemistry and microsatellite analysis in the diagnosis of hereditary nonpolyposis colorectal cancer. Int J Cancer. 2006;118(1):115-22. doi:10.1002/ijc.21313