Klonale genomische Evolution akuter myeloischer Leukämien

Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine aggressive hämatologische Tumorerkrankung mit sehr schlechter Prognose. In der Entwicklung der AML führt das sequentielle Neuauftreten von Mutationen in hämatopoietischen Stamm- und Vorläuferzellen zur Entstehung unterschiedlicher preleukämischer Stammzellklone führt, die noch normales hämatopoietisches Potential besitzen. Diese preleukämischen Stammzellen akquirieren in der Folge weitere genetische Veränderungen und werden somit zu wirklichen leukämischen Stammzellen, die einerseits die Erkrankung unterhalten und anderseits zum Krankheitsrezidiv nach Therapie beitragen können. Gemäß dieser Annahme gibt es innerhalb einer homogen scheinenden AML, klonale Heterogenität, welche entscheidenden Einfluss auf die Pathogenese aber auch die Behandlung der Erkrankung hat. In diesem Projekt wird mittels funktioneller und genetischer Analysen in einem neuen Xenotransplantations- Mausmodell die Heterogenität preleukämischer und leukämischer Stammzellen untersucht. Wir konnten kürzlich zeigen, dass humane mesenchymale Stromazellen in der Maus eine humanisierte hämatopoietische Nische bilden können, die ein optimales Mikromilieu für das Einwandern und Anwachsen humaner blutbildender Zellen darstellt. Nach deren durchflußzytometrischer Isolation aus primärem AML-Probenmaterial können einzelne preleukämische oder leukämische Stammzellen in diese Nische transplantiert und somit funktionell charakterisiert werden. Das Projekt basiert auf der Hypothese, dass sich bei Transplantation einer preleukämischen Stammzelle gesunde Hämatopoiese oder im Fall einer leukämischen Stammzelle Leukämie entwickelt. Außerdem erlaubt dieses neue Xenotransplantations-Mausmodell, durch eine in vivo Vermehrung von transplantierten Einzelzellen, die Produktion von genügend genetischem Material zur Durchführung einer Exom-Sequenzierung. In diesem zweiten Schritt wird die DNA aller Zellen, die einer einzelnen transplantierten Zelle entstammen durch Next-Generation Exom-Sequenzierung auf Mutationen getestet. Vergleichende Analysen der funktionellen und genetischen Daten sollen neue Mutationen in preleukämischen und leukämischen Stammzellen identifizieren, die zur malignen Transformation und somit zur Leukämogenese beitragen. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt werden neue Einblicke in die, für die Leukämieentstehung verantwortlichen, genetischen und molekularen Ereignisse geben.

Für das Überleben und die Vermehrung von blutbildenden Stammzellen und Leukämiezellen im Knochenmark bedarf es eines komplexen Zusammenspiels von Stromazellen, extrazellulärer Matrix, Wachstumsfaktoren und Zell-Adhäsionsmolekülen. Der Ort an dem diese komplexen Interaktionen stattfinden wird als Knochenmarks-Niesche bezeichnet. Vor allem Leukämiezellen sind besonders von einer funktionellen Knochenmarks-Niesche abhängig und benötigen eine Vielzahl von human-spezifischen Faktoren für ihre optimale Vermehrung. Da diese Faktoren allerdings in Mäusen fehlen, können human Leukämiezellen im Tiermodel nur sehr eingeschränkt untersucht werden. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten wir ein neuartiges Transplantationsverfahren, bei dem ein menschliches Knöchelchen (Ossikel) in Mäusen gezüchtet wurde, welches dem menschlichen Knochenmark nachempfunden ist und somit das optimale Milieu für die Vermehrung von humanen Blutzellen bereitstellt. Mit Hilfe dieses neuen Verfahrens konnten wir ein schnelleres und besseres Anwachsen der humanen Zellen sehen. Humane Leukämiezellen wachsen bevorzugt im humanen Ossikel, schaffen es aber nicht sich im Maus Knochenmark anzusiedeln und zu vermehren. Daraus schließen wir, dass unsere Knöchelchen wichtige Faktoren bereitstellen, welche für das Anwachsen und die Vermehrung von humaner Leukämie essentiell sind, aber von der Maus nicht produziert werden. Diese Erkenntnisse konnten wir zusätzliche untermauern, indem wir zeigen konnten, dass es unser Verfahren auch ermöglicht andere hämatologische Krebserkrankungen, wie etwa die akute Promyelozytenleukämie (APL) oder die primäre Myelofibrose (MF) in der Maus anwachsen zu lassen. Beide Erkrankungen konnten bisher nicht im Mausmodel untersucht werden, da sich die Zellen in den Tieren nicht vermehrten. Zusammenfassend haben wir ein neues präklinisches Transplantationsverfahren entwickelt, welches eine genauere Charakterisierung humaner Blutkrebserkankungen ermöglicht und zur Entwicklung besseren Therapien beiträgt. Diese Arbeit wurde in Nature Medicine (2016) und Nature Protocols (2017) publiziert.