Differentiation status of primary chronic myeloid leukemia cells affects sensitivity to BCR-ABL1 inhibitors

Tyrosine kinase inhibitors (TKI) are the mainstay treatment of BCR-ABL1-positive leukemia and virtually all patients with chronic myeloid leukemia in chronic phase (CP CML) respond to TKI therapy. However, there is limited information on the cellular mechanisms of response and particularly on the effect of cell differentiation state to TKI sensitivity in vivo and ex vivo/in vitro. We used multiple, independent high-throughput drug sensitivity and resistance testing platforms that collectively evaluated 295 oncology compounds to characterize ex vivo drug response profiles of primary cells freshly collected from newly-diagnosed patients with BCR-ABL1positive leukemia (n = 40) and healthy controls (n = 12). In contrast to the highly TKI-sensitive cells from blast phase CML and Philadelphia chromosome-positive acute lymphoblastic leukemia, primary CP CML cells were insensitive to TKI therapy ex vivo. Despite maintaining potent BCR-ABL1 inhibitory activity, ex vivo viability of cells was unaffected by TKIs. These findings were validated in two independent patient cohorts and analysis platforms. All CP CML patients under study responded to TKI therapy in vivo. When CP CML cells were sorted based on CD34 expression, the CD34-positive progenitor cells showed good sensitivity to TKIs, whereas the more mature CD34-negative cells were markedly less sensitive. Thus in CP CML, TKIs predominantly target the progenitor cell population while the differentiated leukemic cells (mostly cells from granulocytic series) are insensitive to BCR-ABL1 inhibition. These findings have implications for drug discovery in CP CML and indicate a fundamental biological difference between CP CML and advanced forms of BCR-ABL1-positive leukemia.Peer reviewe

Aggressive natural killer-cell leukemia mutational landscape and drug profiling highlight JAK-STAT signaling as therapeutic target

Aggressive natural killer-cell (NK-cell) leukemia (ANKL) is an extremely aggressive malig- nancy with dismal prognosis and lack of targeted therapies. Here, we elucidate the molecular pathogenesis of ANKL using a combination of genomic and drug sensitivity profiling. We study 14 ANKL patients using whole-exome sequencing (WES) and identify mutations in STAT3 (21%) and RAS-MAPK pathway genes (21%) as well as in DDX3X (29%) and epi- genetic modifiers (50%). Additional alterations include JAK-STAT copy gains and tyrosine phosphatase mutations, which we show recurrent also in extranodal NK/T-cell lymphoma, nasal type (NKTCL) through integration of public genomic data. Drug sensitivity profiling further demonstrates the role of the JAK-STAT pathway in the pathogenesis of NK-cell malignancies, identifying NK cells to be highly sensitive to JAK and BCL2 inhibition compared to other hematopoietic cell lineages. Our results provide insight into ANKL genetics and a framework for application of targeted therapies in NK-cell malignancies.Aggressiivinen NK-soluleukemia (ANKL) on elimistön luonnolliseen puolustusjärjestelmään kuuluvien luonnollisten tappajasolujen eli natural killer (NK) –solujen verisyöpä eli leukemia. ANKL:aan sairastuneet potilaat säilyvät käytössä olevilla solunsalpaaja- ja kantasolusiirtohoidoilla elossa keskimäärin vain joitakin kuukausia. Erityisesti aasialaisväestössä esiintyvän ANKL:n lisäksi NK-soluisiin syöpiin kuuluu Suomessakin harvinaisina tavattavia NK/T-soluisia lymfoomia. ANKL:n taustalla olevia hankittuja geenimuutoksia eli mutaatioita ei ole aiemmin selvitetty laajamittaisesti. Tutkimuksessa selvitimme ANKL:n tautimekanismeja kartoittamalla 14 potilaan syöpäsolujen geenimuutokset perimän proteiineja koodaavien geenien osalta ja tutkimalla pahanlaatuisten NK-solujen herkkyyttä yli 400 lääkeaineelle. Löysimme ANKL-potilaiden soluista geenimuutoksia etenkin STAT3- ja DDX3X-geeneissä, joita kumpiakin oli yli viidenneksellä potilaista. STAT3-mutaatioita on aiemmin todettu suurten granulaaristen lymfosyyttien (LGL) leukemiassa, sekä useissa muissakin T- ja NK-soluista lähtöisin olevissa syövissä. STAT3-mutaatiot ANKL:ssa viittaavat osin yhteisiin tautimekanismeihin näiden sukulaistautien kanssa. Kun yhdistimme ANKL-potilaiden geenitietoa aiemmin julkaistujen NK//T-solulymfoomapotilaista tuotettujen aineistojen kanssa, havaitsimme NK-soluisille syöville yhteisiä JAK-STAT-signalointigeenien monistumia. Etsimme myös potentiaalisia lääkeaineita NK-soluisten syöpien hoitoon testaamalla pahanlaatuisten NK-solujen herkkyyttä yli 400 lääkeaineelle. Havaitsimme NK-solujen olevan poikkeuksellisen herkkiä JAK-tyrosiinikinaasin ja BCL-perheen solukuolemaa säätelevien proteiinien estäjille. JAK-estäjillä pyritään hiljentämään samaa JAK-STAT-signalointireittiä, josta löysimme geneettisiä muutoksia ANKL-potilailla. Myeloproliferatiivisten sairauksien ja nivelreuman hoidossa käytettävillä JAK-estäjillä voitaisiin mahdollisesti tehostaa NK-soluisten syöpien hoitoa hyödyntämällä kyseisen solutyypin voimakasta riippuvuutta JAK-STAT-signaloinnin aktiivisuudesta. Tutkimuksemme valottaa geenitason muutoksia aiemmin tautimekanismeiltaan tuntemattomassa ANKL:ssa. Lääkeherkkyysseulonnan avulla pystyimme tunnistamaan potentiaalisia lääkeaineita ajatellen hoitokokeiluja harvinaisessa ANKL:ssa, jossa kliinisiä lääketutkimuksia pystytään harvoin toteuttamaan

Effects of Genotype and Phenotype in Personalized Drug Therapy

The focus of medical research has steadily shifted from population-based medicine to personalized medicine in recent years. It has become clear that interindividual variability plays a big role in treatment responses. For example, CYP2D6 is involved in the metabolism of 20-25% of clinically used drugs, and the CYP2D6 mediated metabolic rate varies widely between people. Chronic myeloid leukemia (CML) is the only leukemia with highly effective targeted treatment. However, some patients become resistant or intolerant to the first-line treatment, and personalized treatment adjustment is sometimes necessary. The purpose of this thesis was to study how genetic and functional screening can be utilized in personalized-medicine research. In Study I, we genotyped 857 Finnish volunteers for 10 CYP2D6 genetic variants. We found that the frequencies of CYP2D6 variants differ from our neighboring populations. More importantly, genotype-based classification of CYP2D6 metabolic activity showed a high frequency of ultra-rapid metabolizer (UM) genotype (7.2%), which was the consequence of the high prevalence of CYP2D6 duplications. In contrast, the frequencies of poor metabolizer (PM) (2.3%) and intermediate metabolizer (IM) (3.0%) genotypes were relatively low, which indicates that Finns have a high capacity for CYP2D6 mediated metabolism in general. In Studies II and III, we explored the drug sensitivity profiles of chronic myelogenous leukemia (CML) in blast crisis (BC) and chronic phase (CP) utilizing cell line and patient primary cell samples in a high-throughput drug screening platform. The median drug responses of the BC CML cell line and patient samples correlated well. By comparing the drug responses in these samples, we were able to identify several compounds (e.g., NAMPT, VEGFR, and MEK inhibitors), which were highly effective in all samples. Testing the drug sensitivities of CP CML samples and comparing them to BC CML samples revealed CP CML cells to be clearly less sensitive in general. Most surprisingly, CP CML samples seemed to be resistant to tyrosine kinase inhibitors (TKIs). We also studied the variance of absorption, distribution, metabolism, and excretion (ADME) genes in CP CML patients with poor responses to TKI treatment. In our study population of poor responders (n=21), we discovered several gene variants significantly more frequently in poor responders than in the healthy control population. Furthermore, we identified novel ADME gene variants that have not been reported previously. Interestingly, some of these novel variants may be CML cell-specific somatic mutations. To conclude, in this thesis, we showed clinically relevant CYP2D6 variation in the Finnish population, which should be taken into consideration when prescribing drugs that are CYP2D6 substrates. We saw also that high-throughput drug screening is an effective way of studying individual drug responses in patient cells. We think that the findings of this thesis can be used to improve personalized medicine research.Viime vuosien aikana lääketieteellisen tutkimuksen painopiste on vähitellen siirtynyt väestöpohjaisista tutkimuksista yksilökohtaisempiin tutkimuksiin. Nykytiedon perusteella on hyvin selvää, että yksilöiden välisillä eroilla on suuri vaikutus hoitovasteisiin. Esimerkiksi CYP2D6-entsyymin välityksellä metaboloituu merkittävä osa (20-25 %) kliinisessä käytössä olevista lääkeaineista. CYP2D6:n metabolinen aktiivisuus vaihtelee laajasti yksilöiden välillä. Krooninen myelooinen leukemia (KML) on verisyöpä, johon on olemassa tehokas kohdennettu lääkehoito. Osa potilaista ei kuitenkaan saavuta toivottua vastetta ensilinjan lääkehoidolla tai tulee intolerantiksi sille. Tällaisissa tapauksissa lääkehoidon yksilöllinen hienosäätö on tarpeen. Tässä väitöskirjatyössä tutkimme kuinka geneettistä ja funktionaalista testaamista voidaan hyödyntää yksilöllisen lääkehoidon tutkimuksessa. Tutkimuksissamme havaitsimme, että suomalaisen väestön CYP2D6-lääkemetaboliaentsyymin geneettisten varianttien yleisyydet poikkesivat selkeästi maantieteellisistä naapurikansoista. Geneettisten varianttien yleisyyksiin pohjautuvien laskelmien perusteella suomalaisessa väestössä on poikkeuksellisen paljon ultranopeita (7,2 %) ja vähän hitaita (2,3 %) CYP2D6-metaboloijia verrattuna naapuripopulaatioihin. Testasimme KML-potilaiden luuydin- ja verinäytteillä yksilöllisiä leukemiasolujen lääkeaineherkkyyksiä. Löysimme useita uusia lääkeaineita, joilla mahdollisesti voisi olla tehoa KML:n aggressiivisen vaiheen hoidossa. Lääkevasteet kroonisen vaiheen ja edenneen aggressiivisen vaiheen KML-solujen välillä erosivat selkeästi. Mielenkiintoisena yksityiskohtana havaitsimme, että kroonisen vaiheen KML-soluista vain pieni osa vaikutti olevan oikeasti herkkiä nykyisille KML:n hoidossa käytettäville lääkeaineille. Huonovasteisten KML-potilaiden geenitestauksella löysimme myös useita metaboliageenien variantteja, joiden yleisyys oli merkittävästi pienempi terveessä verrokkiväestössä. Tässä väitöskirjatyössä osoitimme, että suomalaisessa väestössä on kliinisesti relevanttia CYP2D6-aktiivisuuden vaihtelevuutta, joka tulisi ottaa huomioon lääkehoidossa. Havaitsimme myös, että potilaiden omien leukemiasolujen käyttäminen lääkeaineseulonnassa on tehokas tapa tutkia yksilöllisiä lääkevasteita. Uskomme, että tämän työn löydöksiä voidaan hyödyntää yksilöllisen lääkehoidon tutkimuksen parantamiseen

Subject Knowledge and Perceptions of Bioenergy among School Teachers in India: Results from a Survey

Teachers’ knowledge and perceptions of bioenergy, and their motivation to teach such a topic, can largely determine the success of implementing bioenergy related education in schools. The study aimed to explore science teachers’ knowledge and perceptions of bioenergy in India. A questionnaire-based survey was conducted among 28 science teachers from four urban schools in India. Results indicated that the science teachers were fairly knowledgeable regarding bioenergy and they also demonstrated positive perceptions of bioenergy. In addition, they were positive towards the prospect of receiving more information to increase their own knowledge of bioenergy. However, the science teachers appeared to have some misconceptions regarding the issue of CO2 emission from using bioenergy. It also emerged that although the existing Science syllabus for Grade X in Indian schools includes a topic on bioenergy, the majority of the science teachers were not aware of it. Policy makers and educators are recommended to provide science teachers more support to improve their capacity for teaching energy and environmental topics in schools in India. In addition, an improvement of the current learning and teaching environment in Indian schools could help teachers to deliver energy and environmental education more effectively to their students

Aggressive natural killer-cell leukemia mutational landscape and drug profiling highlight JAK-STAT signaling as therapeutic target

Aggressive natural killer-cell leukemia (ANKL) has few targeted therapies. Here ANKL patients are reported to harbor STAT3, RAS-MAPK pathway, DDX3X and epigenetic modifier mutations; and drug sensitivity profiling uncovers the importance of the JAK-STAT pathway, revealing potential ANKL therapeutic targets