Acute myeloid leukemia (AML) is a clonal disease of immature hematopoietic cells. Treatment of AML patients is based on conventional chemotherapy and stem cell transplantation, but the majority of patients still suffer from relapse and poor overall survival. A growing body of evidence suggests that the BM microenvironment plays an important role in protecting leukemic cells from drug-induced apoptosis, which consequently leads to accumulation of residual leukemic cells and eventual relapse. Although several factors are involved in leukemic cell-BM interactions, the exact mechanisms of these interactions and comprehensive knowledge of their impact on the activity of different drug classes is lacking. Better understanding of the molecular mechanisms of drug resistance could facilitate the development of improved treatment strategies, and means to monitor patients who are at risk for developing drug resistance. Modern technologies, such as RNA sequencing and proteomics, are widening our possibilities to learn more about the molecular basis of AML and to discover predictive biomarkers for therapy resistance.
In study I, we evaluated the effect of stromal cell secreted soluble factors on ex vivo drug responses in AML. We comprehensively evaluated how mononuclear cells (MNCs) collected from AML patients respond to 304 different inhibitors in stromal cell-conditioned medium compared to standard cell culture medium. From this study, we discovered that the stroma-derived factors altered response to 12% (36/304) of the drugs. Amongst the drugs, sensitivity to BCL-2 inhibitor venetoclax was significantly reduced by the stromal conditions. In follow-up experiments, we found that this effect could be overcome by inhibition of activated JAK/STAT signaling.
In study II, we investigated gene expression profiles that were associated with resistance to BCL-2 inhibitor venetoclax. Ex vivo and in vitro analyses of AML showed that high expression of S100A8 and S100A9 calcium binding family genes correlates positively with venetoclax resistance. In contrast, BET (bromodomain and extraterminal) inhibitor OTX-015 acted synergistically with venetoclax in resistant AML cell lines and patient samples.
In study III, our aim was to determine the applicability of proteins in biomarker discovery. We compared marker panels from proteomic and microarray transcriptomic assays using reproducibility optimized test statistic (ROTS) in the context of AML dysregulated processes and networks. The analysis led to discovery of protein markers specific for AML using LC-MS/MS derived data.
In summary, this thesis shows that JAK/STAT inhibitors can counteract BM stroma-mediated resistance to the BCL-2 inhibitor venetoclax. Furthermore, we discovered a gene expression profile that correlates with ex vivo venetoclax resistance in AML and provide evidence of AML-related biomarkers from a proteomics dataset.Akuutti myelooinen leukemia (AML) on myeloproliferatiivinen tauti, joka johtuu erilaistumattomien kantasolujen hallitsemattomasta jakautumisesta luuytimessä. AML:n hoito pohjautuu kemoterapiaan ja allogeeniseen kantasolusiirtoon, sekä nykyisin myös tiettyihin molekyylitason muutoksiin kohdistuviin täsmähoitoihin. Lääkehoitojen kehityksestä huolimatta lääkeresistenssi on merkittävä taudin uusiutumiseen ja hoitoon liittyvä ongelma. Luuytimen mikroympäristön tuottamien kasvutekijöiden sekä solujen välisen kontaktin tiedetään vaikuttavan AML-solujen selviytymiseen luuytimessä. Kyseisten vuorovaikutusten myötä leukemiasolut voivat välttyä lääkkeiden indusoimalta apoptoosilta johtaen resistenttien leukemiasolujen kerääntymiseen luuytimeen ja suurentuneeseen taudin uusiutumisriskiin. Näin ollen syvempi ymmärrys lääkeresistenttiin johtavista molekyylimekanismeista ja tieto luuytimen mikroympäristön vaikutuksesta eri lääkeryhmien aktiivisuuteen ovat tärkeitä jäännöstaudin estämisen kannalta. Nykyaikaiset menetelmät, kuten RNA-sekvensointi ja kvantitatiivinen proteomiikka mahdollistavat AML:n molekyylibiologian perusteellisen ymmärtämisen sekä resistenssiä ennustavien biomarkkereiden löytämisen potilaille.
Tutkimuksessa I arvioimme stroomasolujen erittämien kasvutekijöiden vaikutusta AML-solujen ex vivo lääkevasteeseen. Tutkimuksen tavoitteena oli määrittää, kuinka ihmisen luuytimen stromaasolulinjasta kerätty kasvatusliuos vaikuttaa AML-potilaiden leukemiasolujen herkkyyteen yli 300:lle lääkkeelle. Tutkimuksen perusteella huomasimme, että strooma-peräiset kasvutekijät muuttivat AML-solujen vastetta 12%:lle (36/304) lääkkeistä. AML-solujen herkkyys BCL-2-estäjä venetoklaksille heikentyi merkittävästi stroomasolujen vaikutuksesta. Jatkokokeissa havaitsimme aktivoidun JAK/STAT-signaloinnin estämisen parantavan BCL-2-estäjien tehoa in vivo hiirimalleissa.
Tutkimuksessa II tutkimme venetoklaksin resistenssiä ennustavia tekijöitä AML:ssa. AML-solujen ex vivo ja in vitro geeniekspressio- ja lääkeherkkyystulokset osoittivat kalsiumia sitovien S100A8- ja S100A9-geenien korkean ilmentymän korreloivan venetoklaksi-resistenssin kanssa. Sitä vastoin BET bromodomain proteiinin estäjä OTX-015 indusoi AML-solujen apoptoosia synergistisesti venetoklaksin kanssa AML-solulinjoissa ja potilasnäytteissä.
Tutkimuksessa III tavoitteena oli selvittää, kuinka proteiinitason määritykset voivat tuoda lisätietoa AML:n tautibiologiaan verrattuna mRNA-tason määrityksiin. Tutkimus perustui AML potilaiden ja terveiden luovuttajien proteiini- ja mRNA-tason löydösten vertailuun käyttäen ROTS (Reproducibility optimized test statistic) tilastollista menetelmää. Tutkimuksessa löysimme uusia AML-spesifisiä proteiinitason biomarkkereita kvantitatiiviseen proteomiikkaan pohjautuvista tuloksista.
Yhteenvetona, tässä väitöskirjassa löysimme, että JAK/STAT-signalointivälityksen estäjät voivat torjua luuytimen mikroympäristön kasvutekijöiden välittämän resistenssin BCL-2-estäjä venetoklaksille. Tämän lisäksi havaitsimme kohonneen S100A8- ja S100A9-geenien ilmentymän ennakoivan AML-soluissa kehittyvää venetoklaksi-resistenssiä ja löysimme AML:aan assosioituvia proteiinitason biomarkkereita
