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Characterization of dormant and chemotherapy-resistant ALL cells in PDX mouse models
Characterization of dormant and chemotherapy-resistant ALL cells in PDX mouse models
The initial treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) leads often to the decrease of symptoms in patients. However, potentially remaining leukemic cells after chemotherapy, defined as minimal residual disease (MRD), indicate a high risk for relapse. Patients with relapse are faced with poor outcome. Novel treatment strategies have to target MRD cells in order to minimize the relapse risk. Dormancy and chemotherapy resistance are associated with unfavorable and critical features in MRD. However, our knowledge of MRD cells is too limited to allow a specific and successful treatment of these cells in patients. This present work is based on the individualized patient-derived xenograft (PDX) mouse model complemented with genetic engineering in PDX cells by expression of molecular markers and bioluminescence in vivo imaging. A novel preclinical model which uses prolonged chemotherapy treatment in mice to introduce MRD in PDX ALL, mimicking the situation in patients, was established. Histochemical studies of the murine bone marrow revealed that PDX MRD cells from this mouse model localized to the perivascular niche in the bone marrow; in contrast, in an additional, already established PDX mouse model of long-term dormancy, dormant PDX ALL cells were preferentially enriched in the endosteal niche where normal hematopoietic stem cells reside. Gene expression profiles (GEP) of rare, but highly enriched bulk and single PDX ALL cells demonstrated high similarities between the PDX MRD cells and dormant PDX cells of the two different mouse models; both populations showed major adverse characteristics typically associated with unfavorable prognosis in patients such as altered metabolism and signs of chemotherapy resistance. Most importantly, GEP of primary ALL cells obtained from children at MRD showed a high similarity to PDX MRD cells indicating that the new preclinical MRD model resembles the challenging clinical situation of MRD in patients with ALL. The novel platform can now be used for developing innovative treatment strategies. Resistant ALL cells might be resolved from the bone marrow niche in order to sensitize them towards chemotherapy., Die Initialtherapie der akuten lymphatischen Leukämie (ALL) führt oft zu einer Minderung der Symptome bei betroffenen Patienten. Jedoch bergen persistierende Leukämiezellen nach der Chemotherapie, definiert als minimale residuale Resterkrankung (MRD), ein erhöhtes Risiko für ein Rezidiv und führen folglich zu einer schlechteren Prognose. Neuartige Behandlungsstrategien gegen die MRD Zellen müssen entwickelt werden, um die Rezidivrate in ALL zu senken. Dabei werden Zellruhe und Chemotherapie-Resistenz mit kritischen Eigenschaften der MRD assoziiert. Jedoch ist unser Wissen über die Zellen der MRD zu begrenzt, um diese gezielt und erfolgreich zu bekämpfen. Diese vorliegende Arbeit basiert auf dem individualisierten Patienten-abgeleiteten Xenograft (PDX) Mausmodell. Ergänzt wurde dieses Modell durch Genmanipulationen an den PDX Zellen für die Expression von molekularen Markern und für die Biolumineszenz in vivo Imaging. Ein neues präklinisches Modell für die Simulation der MRD in der PDX ALL, welches auf eine langfristige Chemotherapie in Mäusen beruht und dabei die Situation des Patienten nachahmt, wurde etabliert. Histochemische Analysen von murinem Knochenmark ergaben, dass sich die PDX MRD Zellen aus diesem Mausmodell in der perivaskulären Nische des Knochenmarks lokalisieren. Im Gegensatz dazu, in einem zusätzlichem, bereits etabliertem PDX Mausmodell zur langfristigen Zellruhe, waren die ruhenden PDX ALL Zellen in der endostalen Nische angereichert, wo sich auch die hämatopoetischen Stammzellen befinden. Genexpressionsprofile (GEP) von seltenen, aber hochangereicherten Bulk- und Einzel-PDX ALL Zellen zeigten hohe Ähnlichkeiten zwischen den PDX MRD- und den ruhenden PDX Zellen aus den zwei verschiedenen Mausmodellen. Beide Populationen wiesen wesentliche Merkmale auf, die typischerweise mit ungünstigen Prognosen in Patienten assoziiert sind, wie z.B. veränderter Metabolismus und Anzeichen für Chemotherapie-Resistenz. Vor allem zeigten die GEP von primären ALL Zellen, isoliert aus Kindern in der MRD, eine hohe Ähnlichkeit zu PDX MRD Zellen. Dies lässt schlussfolgern, dass das neue präklinische MRD Modell die klinisch herausfordernde Situation der MRD in ALL Patienten wiedergibt. Diese einzigartige neue Plattform eignet sich für die Entwicklung neuartiger Behandlungsstrategien. Resistente ALL Zellen sollten von der Knochenmarksnische zerstreut werden, um diese für Chemotherapie angreifbar zu machen
ALL; PDX; mouse model; chemotherapy resistance; dormancy cancer MRD
Özdemir, Erbey Ziya
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Özdemir, Erbey Ziya (2017): Characterization of dormant and chemotherapy-resistant ALL cells in PDX mouse models. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

The initial treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) leads often to the decrease of symptoms in patients. However, potentially remaining leukemic cells after chemotherapy, defined as minimal residual disease (MRD), indicate a high risk for relapse. Patients with relapse are faced with poor outcome. Novel treatment strategies have to target MRD cells in order to minimize the relapse risk. Dormancy and chemotherapy resistance are associated with unfavorable and critical features in MRD. However, our knowledge of MRD cells is too limited to allow a specific and successful treatment of these cells in patients. This present work is based on the individualized patient-derived xenograft (PDX) mouse model complemented with genetic engineering in PDX cells by expression of molecular markers and bioluminescence in vivo imaging. A novel preclinical model which uses prolonged chemotherapy treatment in mice to introduce MRD in PDX ALL, mimicking the situation in patients, was established. Histochemical studies of the murine bone marrow revealed that PDX MRD cells from this mouse model localized to the perivascular niche in the bone marrow; in contrast, in an additional, already established PDX mouse model of long-term dormancy, dormant PDX ALL cells were preferentially enriched in the endosteal niche where normal hematopoietic stem cells reside. Gene expression profiles (GEP) of rare, but highly enriched bulk and single PDX ALL cells demonstrated high similarities between the PDX MRD cells and dormant PDX cells of the two different mouse models; both populations showed major adverse characteristics typically associated with unfavorable prognosis in patients such as altered metabolism and signs of chemotherapy resistance. Most importantly, GEP of primary ALL cells obtained from children at MRD showed a high similarity to PDX MRD cells indicating that the new preclinical MRD model resembles the challenging clinical situation of MRD in patients with ALL. The novel platform can now be used for developing innovative treatment strategies. Resistant ALL cells might be resolved from the bone marrow niche in order to sensitize them towards chemotherapy.

Abstract

Die Initialtherapie der akuten lymphatischen Leukämie (ALL) führt oft zu einer Minderung der Symptome bei betroffenen Patienten. Jedoch bergen persistierende Leukämiezellen nach der Chemotherapie, definiert als minimale residuale Resterkrankung (MRD), ein erhöhtes Risiko für ein Rezidiv und führen folglich zu einer schlechteren Prognose. Neuartige Behandlungsstrategien gegen die MRD Zellen müssen entwickelt werden, um die Rezidivrate in ALL zu senken. Dabei werden Zellruhe und Chemotherapie-Resistenz mit kritischen Eigenschaften der MRD assoziiert. Jedoch ist unser Wissen über die Zellen der MRD zu begrenzt, um diese gezielt und erfolgreich zu bekämpfen. Diese vorliegende Arbeit basiert auf dem individualisierten Patienten-abgeleiteten Xenograft (PDX) Mausmodell. Ergänzt wurde dieses Modell durch Genmanipulationen an den PDX Zellen für die Expression von molekularen Markern und für die Biolumineszenz in vivo Imaging. Ein neues präklinisches Modell für die Simulation der MRD in der PDX ALL, welches auf eine langfristige Chemotherapie in Mäusen beruht und dabei die Situation des Patienten nachahmt, wurde etabliert. Histochemische Analysen von murinem Knochenmark ergaben, dass sich die PDX MRD Zellen aus diesem Mausmodell in der perivaskulären Nische des Knochenmarks lokalisieren. Im Gegensatz dazu, in einem zusätzlichem, bereits etabliertem PDX Mausmodell zur langfristigen Zellruhe, waren die ruhenden PDX ALL Zellen in der endostalen Nische angereichert, wo sich auch die hämatopoetischen Stammzellen befinden. Genexpressionsprofile (GEP) von seltenen, aber hochangereicherten Bulk- und Einzel-PDX ALL Zellen zeigten hohe Ähnlichkeiten zwischen den PDX MRD- und den ruhenden PDX Zellen aus den zwei verschiedenen Mausmodellen. Beide Populationen wiesen wesentliche Merkmale auf, die typischerweise mit ungünstigen Prognosen in Patienten assoziiert sind, wie z.B. veränderter Metabolismus und Anzeichen für Chemotherapie-Resistenz. Vor allem zeigten die GEP von primären ALL Zellen, isoliert aus Kindern in der MRD, eine hohe Ähnlichkeit zu PDX MRD Zellen. Dies lässt schlussfolgern, dass das neue präklinische MRD Modell die klinisch herausfordernde Situation der MRD in ALL Patienten wiedergibt. Diese einzigartige neue Plattform eignet sich für die Entwicklung neuartiger Behandlungsstrategien. Resistente ALL Zellen sollten von der Knochenmarksnische zerstreut werden, um diese für Chemotherapie angreifbar zu machen