Acute myeloid leukemia (AML) is an aggressive cancer of the blood and bone marrow, affecting 1,100 Canadians annually. Older patients make up 75% of cases yet have the lowest survival rates due to the lack of tolerable treatments. Recently, the combination of Venetoclax and Azacitidine (Ven/Aza) has shown great therapeutic promise, however, chemoresistance has become a growing concern. Current evidence points towards a chemoprotective role from the bone marrow (BM) microenvironment, specifically by BM-derived mesenchymal stromal cells (BMSCs) and adipocytes. AML cells can manipulate BMSCs and adipocytes to create a niche that supports its own growth and evades chemotherapy. However, the role of the microenvironment in Ven/Aza chemoresistance has yet to be studied. Our objective was to study the ability of the microenvironment cells to induce AML chemoresistance to Ven/Aza. We employed a 2-dimensional direct contact co-culture system between MOLM-13 AML cells and BMSCs or adipocytes in both the absence and presence of Ven/Aza to determine the effects on the AML cells. In the absence of Ven/Aza, adipocyte co-cultured AML cells showed a 47% reduction in proliferation, 10% reduction in viability, yet a 1.7-fold increase in Maximal respiration when compared to the monocultured cells. In the presence of Ven/Aza, adipocyte co-cultured AML cells showed a significant increase in both proliferation and viability. Preliminary work investigating the mechanism of action of this support points toward an anti-apoptotic mechanism mediated by the upregulation of MCL-1 upon co-culture with adipocytes. Combination of Venetoclax and Tapotoclax, an MCL-1 inhibitor, abrogated the chemoprotection provided by BMSCs and adipocytes. Overall, our data suggests a dual role of adipocytes, where their inhibition or support of AML is context dependent. Therapeutic targeting of mechanisms for adipocyte chemoprotection such as MCL-1 upregulation may re-sensitize AML cells to Ven/Aza, thereby improving patient outcomes. / Thesis / Master of Science (MSc) / Acute myeloid leukemia (AML) is an aggressive cancer of the blood and bone marrow, affecting 1,100 Canadians annually. Older patients make up 75% of cases yet have the lowest survival rates due to the lack of tolerable treatments. A novel combination of Venetoclax and Azacitidine (Ven/Aza) has shown great therapeutic promise, however, chemoresistance remains an important concern. Previous studies have implicated fat cells, or adipocytes, in AML chemoresistance, however, their role in Ven/Aza treatment has yet to be studied. Here, we show that adipocytes reduce growth of AML cells, yet enhance their metabolism. In the presence of Ven/Aza, adipocytes induce chemoresistance. We show preliminary data that this chemoprotection may be mediated by the upregulation of mitochondrial MCL-1 protein as inhibition of this protein neutralized the protection. By understanding the relationship between adipocytes and AML chemoresistance, we can target this and re-sensitize AML to Ven/Aza, thereby improving older patient outcomes.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21009号 / 医博第4355号 / 新制||医||1028(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 羽賀 博典, 教授 前川 平, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

The tumour microenvironment plays a key role in tumour progression. In this thesis acute myeloid leukaemia (AML) was used as a model system to investigate the interplay between stromal and cancer cells. AML is a heterogeneous clonal disorder of haematopoietic undifferentiated progenitor cells or 'blast cells', which accumulate in the bone marrow and lead to the reduced output of crucial haematopoietic elements. Due to its heterogeneity (at least in part), treatment of the disease has not witnessed great innovation in the past 30 years. The bone marrow microenvironment (BMM) has a key role in the haematological malignancies contributing to the survival of leukaemic blasts. Relapse in AML occurs because of residual disease and evidence suggests that this resistance is facilitated through leukaemic cells ability to reside in BMM niches. To understand the precise role of the BMM in AML progression and therefore target any supportive mechanisms requires knowledge of how AML cells communicate with their microenvironment. In the work presented in this thesis I undertook a multi-proteomic approach that utilised liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) to assess the interplay between AML and BMM cell signalling. This thesis shows the results of a secretomic analysis of stromal cell lines, which identified a previously uncharacterized panel of six stromal secreted proteins (BMP-1, CSF-1, CTGF, HGF, S100-A4 and S100-A11) that support primary AML cell survival and proliferation in culture. Comparison of AML cell signalling (using global phosphoproteomic methods) following treatment with the newly identified growth factors revealed that these signalling proteins elicit multi-nodular activation of signalling networks with known anti-apoptotic activity. Consistent with the cell signalling proteomics data, cell viability studies as a function of pharmacological kinase inhibitor treatment determined that the sensitivity of AML to targeted kinase inhibitors was modulated by the supportive stromal conditioned media. To investigate heterotypic signalling between cell populations, AML/stromal cell co-cultures were designed, tested and optimised. These studies identified additional activated pathways in AML cells that were only present when AML cells had physical interaction with stroma. Complementary analysis of the stromal cells which had been first cultured with AML cells revealed that despite heterogeneity there is an emerging stromal phospho-proteomic signature that is different in BMM independent AML cells vs BMM interactive AML cells. Collectively these findings evidence the influence that the BMM can have on AML signalling. Although evidence for the influence of BMM in modulating AML resistance to standard chemotherapy exists, this study highlights specific BMM components that contribute to the ability of AML cells to circumvent current treatments based on kinase targeted drugs. These observations have implications for designing future therapies for AML.

Les syndromes myélodysplasiques (MDS) sont un groupe de pathologies myéloïdes caractérisées par une hématopoïèse inefficace. Le rôle du microenvironnement médullaire (MM) dans l’histoire naturelle de ces pathologies reste incertain. Des anomalies du MM ont été décrites au cours des myélodysplasies et des modèles murins récemment publiés font penser qu’une altération du MM pourrait jouer un rôle dans le déclenchement et/ou l’évolution de ces maladies.Nous avons tenté de développer un modèle in vivo récapitulant l’histoire naturelle des myélodysplasies par des xénogreffes chez des souris NSG et NSG-S. Le faible taux de prise de greffe nous a amenés à développer un modèle in vitro de co-culture en 2D. Ce modèle est une bonne alternative pour les études de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les patients atteints de myélodysplasies.Au cours de ce travail, nous avons également réalisé une étude systématique du stroma médullaire de patients atteints de syndromes myélodysplasiques dans le but d’identifier les anomalies fonctionnelles et moléculaires des cellules souches mésenchymateuses (CSMs), cellules centrales du MM pour leur interaction avec les cellules souches hématopoïétiques (CSHs).Les CSMs de MDS ont une clonogénécité diminuée. Nous n’avons pas observé de modification significative de leurs capacités de différenciation en ostéoblastes, adipocytes et chondrocytes ni dans leur capacité à supporter une hématopoïèse normale. Les CSMs de MDS présentent des modifications au niveau épigénétique et transcriptionnel pouvant expliquer l’altération des relations observées grâce à de l’imagerie enregistrée entre les CSMs de MDS et les CSHs dans un modèle de co-culture en 3D.Ces résultats montrent que les CSMs de MDS ont des modifications fonctionnelles et moléculaires et que ces anomalies perturbent leur relation avec les CSHs. / Myelodysplastic syndromes (MDS) are a heterogeneous group of clonal myeloid pathologies characterized by an impaired hematopoiesis. The role of the bone marrow microenvironment (BMM) remains unclear in the natural history of these diseases. Abnormalities of the BMM have been observed in myelodysplasia and a recent published murine model implies that alterations of the BMM could play a role in the trigger/progression of these diseases.Firstly, we tried to develop an in vivo model of MDS in NSG and NSG-S mice. The low rate of engraftment pushed us to develop a 2D co-culture model in vitro. This model is a good alternative to test new therapeutic strategies for MDS patients.In this study, we analysed mesenchymal stromal cells (MSCs) from the bone marrow of pretreated MDS patients in order to identify the functional and molecular abnormalities in those cells of the BMM, central for their interactions with the hematopoietic stem cells (HSCs).MDS MSCs have an impaired clonogenic capacity. We didn’t observed modifications of their differentiation toward osteogenic, adipogenic and chondrogenic pathways and capacity to support of a normal hematopoiesis. MDS MSCs display epigenetic and transcriptomic modifications that could explain the alteration of the relationships between these cells and HSCs observed in imagery in a 3D co-culture model.These results showed that MDS MSCs have functional and molecular abnormalities and that these alterations could impair their relationship with HSCs.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第17978号 / 医博第3842号 / 新制||医||1001(附属図書館) / 80822 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 長澤 丘司, 教授 河本 宏, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Le traitement du cancer à l’aide d’une exposition aux radiations ionisantes peut mener au développement de plusieurs effets secondaires importants, dont un retard de réparation et de régénération du tissu hématopoïétique. Les mécanismes responsables de ces effets demeurent encore inconnus, ce qui limite le développement de nouvelles approches thérapeutiques. À l’aide d’un modèle murin de prise de greffe, nos résultats démontrent que l’endommagement du microenvironnement par l’irradiation a un impact limitant sur le nichage hématopoïétique. Parce que le microenvironnement est composé principalement de cellules dérivées des cellules souches mésenchymateuses (CSM), nous avons évalué le potentiel des CSM à régénérer le tissu hématopoïétique par la reconstitution de la niche osseuse. Cette thérapie a mené à une augmentation remarquable du nichage hématopoïétique chez les souris irradiées. Les causes moléculaires impliquées dans le nichage hématopoïétiques sont encore inconnues, mais nous avons remarqué l’augmentation de la sécrétion de la cytokine « granulocyte-colony stimulating factor » (G-CSF) dans l’espace médullaire suite à l’irradiation. Le G-CSF est impliqué dans la mobilisation cellulaire et est fort possiblement nuisible à une prise de greffe. Nous avons évalué le potentiel d’une thérapie à base de CSM sécrétant le récepteur soluble du G-CSF afin de séquestrer le G-CSF transitoirement et les résultats obtenus démontrent que le blocage du G-CSF favorise le nichage hématopoïétique. Globalement, les données présentées dans ce mémoire démontrent que le microenvironnement osseux et le niveau de G-CSF dans la moelle sont importants dans le processus de nichage hématopoïétique et que la baisse du potentiel de régénération du tissu hématopoïétique suite à l’irradiation peut être renversée à l’aide d’une thérapie cellulaire de CSM génétiquement modifiées ou non. / Cancer treatment using ionizing radiation may lead to significant side effects, including delayed hematopoietic tissue repair and regeneration. The mechanisms mediating these defects remain unknown, thus limiting the development of new therapeutic approaches. Using a mouse engraftment model, our results show that microenvironment damage by irradiation limits hematopoietic homing. Since the microenvironment is mainly composed of mesenchymal stem cells (MSCs)-derived cells, we evaluated the potential of MSCs to improve hematopoietic tissue regeneration by bone marrow niche reconstitution. This therapy led to remarkable enhancement of hematopoietic homing in irradiated mice. The molecular causes involved in hematopoietic homing remain unknown, but we noticed an increased in “granulocyte-colony stimulating factor” (G-CSF) secretion within the medullary space after irradiation. G-CSF is involved in cellular mobilization and may possibly be harmful to engraftment. We evaluated the therapeutical potential of MSC genetically-engineered to secrete a soluble G-CSF decoy receptor that would transiently sequester G-CSF. Results obtained show that G-CSF blocking improved hematopoietic homing. Overall, the findings presented in this thesis indicate that bone marrow microenvironment and G-CSF levels are important in hematopoietic homing process, and that the decline in hematopoietic tissue regeneration potential following irradiation can be reversed by cellular therapy using MSC genetically modified or not.

Le traitement du cancer à l’aide d’une exposition aux radiations ionisantes peut mener au développement de plusieurs effets secondaires importants, dont un retard de réparation et de régénération du tissu hématopoïétique. Les mécanismes responsables de ces effets demeurent encore inconnus, ce qui limite le développement de nouvelles approches thérapeutiques. À l’aide d’un modèle murin de prise de greffe, nos résultats démontrent que l’endommagement du microenvironnement par l’irradiation a un impact limitant sur le nichage hématopoïétique. Parce que le microenvironnement est composé principalement de cellules dérivées des cellules souches mésenchymateuses (CSM), nous avons évalué le potentiel des CSM à régénérer le tissu hématopoïétique par la reconstitution de la niche osseuse. Cette thérapie a mené à une augmentation remarquable du nichage hématopoïétique chez les souris irradiées. Les causes moléculaires impliquées dans le nichage hématopoïétiques sont encore inconnues, mais nous avons remarqué l’augmentation de la sécrétion de la cytokine « granulocyte-colony stimulating factor » (G-CSF) dans l’espace médullaire suite à l’irradiation. Le G-CSF est impliqué dans la mobilisation cellulaire et est fort possiblement nuisible à une prise de greffe. Nous avons évalué le potentiel d’une thérapie à base de CSM sécrétant le récepteur soluble du G-CSF afin de séquestrer le G-CSF transitoirement et les résultats obtenus démontrent que le blocage du G-CSF favorise le nichage hématopoïétique. Globalement, les données présentées dans ce mémoire démontrent que le microenvironnement osseux et le niveau de G-CSF dans la moelle sont importants dans le processus de nichage hématopoïétique et que la baisse du potentiel de régénération du tissu hématopoïétique suite à l’irradiation peut être renversée à l’aide d’une thérapie cellulaire de CSM génétiquement modifiées ou non. / Cancer treatment using ionizing radiation may lead to significant side effects, including delayed hematopoietic tissue repair and regeneration. The mechanisms mediating these defects remain unknown, thus limiting the development of new therapeutic approaches. Using a mouse engraftment model, our results show that microenvironment damage by irradiation limits hematopoietic homing. Since the microenvironment is mainly composed of mesenchymal stem cells (MSCs)-derived cells, we evaluated the potential of MSCs to improve hematopoietic tissue regeneration by bone marrow niche reconstitution. This therapy led to remarkable enhancement of hematopoietic homing in irradiated mice. The molecular causes involved in hematopoietic homing remain unknown, but we noticed an increased in “granulocyte-colony stimulating factor” (G-CSF) secretion within the medullary space after irradiation. G-CSF is involved in cellular mobilization and may possibly be harmful to engraftment. We evaluated the therapeutical potential of MSC genetically-engineered to secrete a soluble G-CSF decoy receptor that would transiently sequester G-CSF. Results obtained show that G-CSF blocking improved hematopoietic homing. Overall, the findings presented in this thesis indicate that bone marrow microenvironment and G-CSF levels are important in hematopoietic homing process, and that the decline in hematopoietic tissue regeneration potential following irradiation can be reversed by cellular therapy using MSC genetically modified or not.

La contribution des Cellules Souches/Stromales Mésenchymateuses (CSM) dans le développement des Leucémies Aiguës Myéloblastiques (LAM) n’est pas encore clairement établie. L'objectif de ce travail a été de rechercher de potentielles modifications phénotypiques et fonctionnelles au sein des CSM médullaires de patients atteints de LAM de novo au diagnostic. Nous montrons que ces cellules présentent un défaut prolifératif accompagné d’une augmentation de l’apoptose et d’un déficit d’expression de certains facteurs de la niche (Ang-1, SCF, TPO et VCAM-1). De façon intéressante, ce défaut prolifératif est indépendamment associé à une évolution péjorative de la maladie. Néanmoins, ces anomalies des CSM de LAM ne semblent pas affecter leur capacité de soutien de l’hématopoïèse physiologique ou leucémique in vitro. En effet, comme les CSM normales, elles protègent les cellules leucémiques de l’apoptose, induisent leur quiescence (principalement par contact direct) et ainsi diminuent la proportion des cassures double-brin d’ADN. Ces données suggèrent que les modifications des CSM de LAM, probablement une des conséquences délétères de la prolifération tumorale, n'auraient pas un rôle spécifique dans le développement du processus leucémique. / The contribution of Mesenchymal Stem/Stromal Cells (MSCs) to the development of Acute Myeloid Leukemias (AMLs) remains poorly understood. In the present study, we investigated potential functional and phenotypic modifications of Bone Marrow (BM)-derived MSCs from patients with AML de novo at diagnosis. We showed that BM-derived MSCs from most of AML patients display proliferative defect, had increased apoptosis levels and demonstrated defective expression of several niche-related factors (Ang-1, SCF, TPO and VCAM-1). Interestingly, this proliferative defect was independently associated with disease progression. Nevertheless, these abnormalities in AML MSCs did not affect their in vitro capacity to support physiological but also leukemic hematopoiesis. Indeed, as normal MSCs do, they protect blast cells from apoptosis, induce their quiescence (mainly by direct contact), and decreased yields of DNA double-strand breaks. Consequently, in AML de novo these stromal cell alterations, probably a consequence of the deleterious effect of the tumor cell growth on BM MSCs, do not appear to have a specific role in the development of the leukemic process.

Multiple myeloma and its aggressive variant, plasma cell leukemia, are still considered to be incurable diseases despite the progressive treatment approaches comprising novel drugs. This can be attributed to the presence of the bone marrow microenvironment which plays an important role in drug resistance of myeloma cells. Hematopoietic cell lines derived from hematologic malignancies are suitable models for the study of etiopathogenesis of these malignant diseases and for testing new potential drugs. Establishment of these cell lines is still considered to be coincidental and rare event. The first part of the thesis is focused on establishment and characterization of the cell line UHKT-944 derived from a patient with primary plasma cell leukemia, and on completion of characterization of the cell line UHKT-893 derived from a patient with multiple myeloma. Additional analysis of UHKT-893 cell line were performed including sequence analysis of IgVH gene rearrangements and cytogenetic analysis which contributed to more detailed characterization of this cell line. During cultivation of UHKT-944 cells, we monitored the cell growth and confirmed dependence on interleukin-6 (IL-6). Immunophenotype analysis revealed the presence of surface markers characteristic of malignant plasma cells. UHKT-944 cells...

La FAK est une tyrosine kinase cytoplasmique qui régule divers processus cellulaires, dont la survie, la prolifération, la différenciation et la motilité. Bien que diverses études aient démontré l'importance du FAK dans la pathogenèse du SMD et de la LAM, le rôle de cette molécule dans le microenvironnement des tumeurs du SMD et de la LAM reste à déterminer davantage. En examinant les CSM de la moelle osseuse qui dérivent de patients atteints de SMD et de LAM, nous avons observé une augmentation continue de l'expression et de l'activation de la FAK pendant la progression du SMD vers de la LAM, semblable à celle observée chez les patients hémopoïétiques. Dans le SMD à faible risque, on a constaté que les CSM se caractérisaient par une faible expression et une faible activation du FAK. Ils présentaient une morphologie modifiée, un immunophénotype, une différenciation et l'expression de facteurs favorables à l'hématopoïèse. Il convient de noter que ces caractéristiques pourraient être largement reproduites dans les CSM saines par inhibition FAK. De plus, l'appauvrissement en FAK dans la lignée cellulaire stromale pourrait induire une expansion massive et l'apoptose des CSH normaux. Nos résultats mettent en évidence le rôle crucial du FAK dans le maintien des fonctions des CSM et fournissent la preuve que la dysrégulation du FAK dans les CSM contribue à la perturbation de l'hématopoïèse et éventuellement à la progression des tumeurs malignes myéloïdes. Une meilleure compréhension du rôle que joue le microenvironnement du SMD et de la LAM permettra de mieux reconnaître les patients à faible risque et de mettre au point des traitements ciblant les CSM défectueuses, améliorant ainsi le résultat clinique / FAK is a cytoplasmic tyrosine kinase that regulates diverse cellular processes, including survival, proliferation, differentiation, and motility. Though various studies have demonstrated the importance of FAK in MDS and AML pathogenesis, the role of this molecule in MDS and AML tumor microenvironment remained to be further determined. By examining BM MSCs derived from MDS and AML patients, we have observed a continues increase of FAK expression and activation during MDS progression to AML, similar to those detected in hemopoietic counterparts. In LR-MDS, MSCs were found to be characterized by low FAK expression and activation. They exhibited altered morphology, immunophenotype, differentiation, and expression of hematopoiesis-supporting factors. Of note, these features could be largely reproduced in normal MSCs by FAK inhibition. Furthermore, FAK depletion in BM stromal cell line could induce massive expansion and apoptosis of normal HSPCs. Our results highlight a critical role of FAK in maintaining the functions of BM MSCs and provide evidence that dysregulation of FAK in MSCs contribute to the disturbed hematopoiesis and possibly the progression of myeloid malignancies. A greater understanding of the role that BM microenvironment plays in MDS and AML will enable an increased recognition of poor-risk patients and the development of therapies that target the defected MSCs, thereby improving the clinical outcome