Background: Acute promyelocytic leukemia (APL) is considered a hematologic emergency due to high risk of bleeding and fatal hemorrhages being a major cause of death. Despite lower death rates reported from clinical trials, patient registry data suggest an early death rate of 20%, especially for elderly and frail patients. Therefore, reliable diagnosis is required as treatment with differentiation-inducing agents leads to cure in the majority of patients. However, diagnosis commonly relies on cytomorphology and genetic confirmation of the pathognomonic t(15;17). Yet, the latter is more time consuming and in some regions unavailable. - Methods: In recent years, deep learning (DL) has been evaluated for medical image recognition showing outstanding capabilities in analyzing large amounts of image data and provides reliable classification results. We developed a multi-stage DL platform that automatically reads images of bone marrow smears, accurately segments cells, and subsequently predicts APL using image data only. We retrospectively identified 51 APL patients from previous multicenter trials and compared them to 1048 non-APL acute myeloid leukemia (AML) patients and 236 healthy bone marrow donor samples, respectively. - Results: Our DL platform segments bone marrow cells with a mean average precision and a mean average recall of both 0.97. Further, it achieves high accuracy in detecting APL by distinguishing between APL and non-APL AML as well as APL and healthy donors with an area under the receiver operating characteristic of 0.8575 and 0.9585, respectively, using visual image data only. - Conclusions: Our study underlines not only the feasibility of DL to detect distinct morphologies that accompany a cytogenetic aberration like t(15;17) in APL, but also shows the capability of DL to abstract information from a small medical data set, i. e. 51 APL patients, and infer correct predictions. This demonstrates the suitability of DL to assist in the diagnosis of rare cancer entities. As our DL platform predicts APL from bone marrow smear images alone, this may be used to diagnose APL in regions were molecular or cytogenetic subtyping is not routinely available and raise attention to suspected cases of APL for expert evaluation.

Die Erforschung von Mechanismen der malignen Transformation ermöglicht das Verständnis von zahlreichen Signalwegen in der Zelle. In dieser Arbeit wurden Mechanismen untersucht, in die die Proliferation und das Homing leukämischer Progenitorzellen involviert sind. Diese Ergebnisse wurden im Anschluss mit gesunden Kontrollen korreliert. Die Migration von Stammzellen ist ein wichtiger zellulärer Mechanismus in der hämatopoetischen Stammzell-Biologie und in der Leukämie-Forschung. CXCR4 und sein Ligand SDF-1 sind wichtige Regulatoren der Stammzell-Migration und des Homings. Sie beeinflussen physiologische, pathologische und zelluläre Migrationsprozesse, die unter anderem für die Vaskularisierung (Nagasawa, 2001), aber auch für die Metastasierung von Tumorzellen (Helbig et al., 2003) von zentraler Bedeutung sind. FLT3 mutierte AML-Zellen zeigen erhöhte CXCR4-Level und ein verbessertes Anwachsen den Zellen im Knochenmark nach Transplantation in NOD/SCID-Mäuse. Tierexperimentelle Daten deuten darauf hin, dass ein verstärktes Homing von leukämischen Zellen mit einer erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapie assoziiert ist. Möglicherweise ist dies eine der Hauptursachen für das Therapieversagen bei diesen Patienten. Das Ziel des Projektes, dem diese Arbeit zugrunde liegt, war es, Interaktionen zwischen FLT3-ITD und CXCR4 zu untersuchen und mögliche Auswirkungen dieser Interaktionen für Migration und Homing von Stammzellen zu ermitteln. Letztlich können diese Erkenntnisse sowohl zur Verbesserung der klinischen Stammzell-Transplantationen und zur Definition neuer Strategien zur Behandlung von Patienten mit akuter myeloischer Leukämie beitragen. Untersuchungsgegenstände dieser Arbeit waren zum einen die Gewinnung von Erkenntnissen über die Wirkung einer FLT3-ITD-Überexpression auf die Expression verschiedener Signalmoleküle und ihr möglicher Einfluss auf CXCR4/SDF-1 vermittelte Signalwege. Des Weiteren die Rolle der CXCR4/SDF-1-Achse und der Einfluss einer Mikroumgebung auf AML-Zellen. Zum anderen die Wirkung des CXCR4 Inhibitiors AMD3100 auf AML-Blasten sowie die Blockierung der CXCR4/SDF-1-Achse als mögliche Therapie gegen AML. Interne Tandemduplikation (ITD)-Mutationen des FLT3-Rezeptors sind mit einer hohen Inzidenz von Rückfällen bei akuter myeloischer Leukämie (AML) verbunden. Die Expression des CXCR4-Rezeptors in FLT3-ITD-positiven AML-Blasten ist mit schlechten Prognosen für die Patienten verbunden. Die Blockierung von CXCR4 führt zu einer Sensibilisierung von AML-Blasten gegenüber einer Chemotherapie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden primäre Blasten von Patienten mit FLT3-ITD oder FLT3-wt-AML verwendet. Darüber hinaus wurden humane CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellen (HSCs) bis zu 80% mit retroviralen Vektoren transduziert, die ein humanes FLT3-ITD-Transgen beinhalteten. Im Gegensatz zu früheren Daten von murinen Zellen wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass eine Überexpression des FLT3-ITD-Transgens in humanen HSCs eine signifikant reduzierte Migration zu SDF-1-in vitro aufweist. Dies spiegelte sich außerdem in einem reduzierten Knochenmark-Homing in NOD/SCID-Mäusen wider. Ko-Kultivierungsexperimente von sowohl FLT3-ITD-positiven AML-Blasten als auch von FLT3-ITD-positiven HSCs auf Stromazellen des Knochenmarks führten zu einem signifikanten Proliferationsvorteil und zu erhöhten zeitigen CAFCs im Vergleich zu FLT3-wt-AML-Blasten bzw. zu kontrolltransduzierten HSCs. Die Zugabe des CXCR4-Inhibitors AMD3100 zeigte während der Ko-Kultur eine deutliche Reduktion der Proliferation und von CAFCs bei FLT3-ITD-positiven Zellen, aber nicht bei FLT3-wt-Blasten. Zusammenfassend liefert diese Studie den Beweis für eine Stroma-vermittelte Resistenz von FLT3-ITD-positiven HSCs und Blasten. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren, dass die Hemmung von CXCR4 die zellulären Wechselwirkungen von Stromazellen und leukämischen Zellen behindert. Somit bestätigt sich eine funktionelle Bedeutung der CXCR4/SDF-1-Achse bei AML. Um die Kontrolle über leukämische Zellen und ihre Proliferation zu bekommen, könnte die Hemmung von CXCR4 eine neue therapeutische Strategie bei Patienten mit fortgeschrittener FLT3-ITD-positiver AML sein.

The value of the combination of gemtuzumab ozogamicin (GO) and chemotherapy for the treatment of acute myeloid leukemia (AML) is currently analyzed within clinical trials. GO (6 mg/m2) and standard-dose cytarabine (100 mg/m2) is evaluated for the treatment of newly diagnosed AML in elderly patients in the SAL phase II trial. Preliminary results of the MRC AML15 trial support the application of GO 3 mg/m2 with standard- and high-dose cytarabine and anthracyclines for the treatment of de novo AML. Within this trial the addition of GO seems especially of value for favorable and intermediate cytogenetic risk groups. The combination of GO (3 mg/m2) and high-dose cytarabine (3 g/m2) is safe and more effective for the treatment of refractory AML than previous combinations from the AMLSG study group. First results prove the possibility of allogeneic stem cell transplantation after GO therapy. Initial data of a phase II trial document the safety and efficacy profile of GO within a reduced-intensity conditioning protocol applying fludarabine and total body irradiation. / Der Stellenwert von Gemtuzumab Ozogamicin (GO) in der Kombination mit Chemotherapie für die Behandlung der akuten myeloischen Leukämie (AML) wird derzeit auch in Europa untersucht. Der Einsatz von GO (6 mg/m2) in Kombination mit Cytarabin (100 mg/m2) bei der Primärbehandlung älterer Patienten mit AML wird in der SAL-Phase-II-Studie geprüft. Das in der MRC-AML15-Studie nachgewiesene verbesserte krankheitsfreie Überleben belegt den Stellenwert von GO (3 mg/m2) in Kombination mit Standard- und hoch dosiertem Cytarabin und einem Anthrazyklin für die Induktion und Konsolidierung bei neu diagnostizierter AML. Insbesondere Patienten mit einem günstigen und intermediären zytogenetischen Risikoprofil scheinen von der Gabe von GO zu profitieren. In der Behandlung von AML-Rezidiven oder refraktärer Erkrankung erwies sich GO (3 mg/m2) als sicher mit hoch dosiertem Cytarabin (3 g/m2) kombinierbar und war in der Wirksamkeit historischen Vergleichskollektiven der AMLSG-Studiengruppe überlegen. Erste Ergebnisse dokumentieren die Möglichkeit einer allogenen Stammzelltransplantation nach GO-Therapie. Erste Daten einer laufenden Studie belegen auch die Einsatzmöglichkeit und das Sicherheitsprofil von GO als Bestandteil einer Konditionierungstherapie von reduzierter Intensität mit Fludarabin und Ganzkörperbestrahlung. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Hyperleukocytosis is a complication of various leukemias and can result in life-threatening leukostasis. Critical white blood cell (WBC) counts are conventionally defined as higher than 100 × 109/l in acute myeloid leukemia and > 300 × 109/l in acute lymphatic leukemia and other leukemic disorders (e. g. chronic myeloid leukemia). Leukocytapheresis is a therapeutic tool to reduce leukocyte counts in patients with symptomatic or threatening leukostasis until induction chemotherapy works. In patients with temporary contraindications against cytotoxic drugs, e.g. during pregnancy, leukocytapheresis can be used as a bridging therapy until conventional chemotherapy can be started. Therapeutic leukocytapheresis should be performed in specialized centers by experienced, well-trained staff. Thorough monitoring of the patients is extremely relevant. During a single procedure, WBC count can be reduced by 10–70%. Treatment should be repeated daily and can be discontinued when the symptoms of leukostasis have been resolved and/or leukocyte counts have fallen below the critical thresholds. There are no prospective studies evaluating the clinical efficacy of therapeutic leukocytapheresis in patients with hyperleukocytosis. It can be concluded from retrospective studies that leukocytapheresis might have some beneficial effect in early morbidity and mortality of patients with newly diagnosed AML but has no influence on overall long-term survival. Induction chemotherapy is the most important treatment in these patients and must never be postponed. / Leukozytose ist eine Komplikation verschiedener Leukämien und kann zur lebensbedrohlichen Leukostase führen. Als kritische Leukozytenzahlen gelten im Allgemeinen Werte über 100 × 109/l bei akuten myeloischen Leukämien und über 300 × 109/l bei akuter lymphatischer Leukämie und anderen Leukämieformen (z. B. chronisch-myeloische Leukämie). Mittels therapeutischer Leuko zytapherese können pathologisch erhöhte Leukozytenwerte bei Patienten mit symptomatischer oder drohender Leukostase reduziert werden, bis die Wirkung der Induktions-Chemotherapie einsetzt. Bei Patienten mit vorübergehenden Kontraindikationen gegen Zytostatika, wie z.B. in der Schwangerschaft, dient die Leukozytapherese zur Überbrückung des Zeitraums, bis die konventionelle Chemotherapie begonnen werden kann. Leukozytapheresen sollten nur in spezialisierten Zentren von erfahrenem, geschultem Personal durchgeführt werden. Eine sorgfältige Überwachung der Patienten ist von besonderer Bedeutung. Während einer Behandlung kann die Leukozytenzahl um 10–70% reduziert werden. Die Behandlung sollte täglich wiederholt werden, bis die Leukostasesymptomatik abgeklungen bzw. die Leukozytenzahl unter die kritische Interventionsschwelle abgefallen ist. Es mangelt an prospektiven, randomisierten, kontrollierten Studien, die den klinischen Effekt der therapeutischen Leukozytapherese bei Patienten mit Leukostase evaluieren. Retrospektive Studien lassen auf eine therapeutische Wirksamkeit der Leukozytapherese hinsichtlich Frühmorbidität und –mortalität bei Patienten mit neu diagnostizierter AML schließen. Ein Einfluss dieser Therapie auf das Gesamtüberleben von AML-Patienten konnte nicht nachgewiesen werden. Die entscheidende Therapie für diese Patienten ist die Induktions-Chemotherapie, die deshalb auch keinesfalls verzögert werden sollte. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Erforschung von Mechanismen der malignen Transformation ermöglicht das Verständnis von zahlreichen Signalwegen in der Zelle. In dieser Arbeit wurden Mechanismen untersucht, in die die Proliferation und das Homing leukämischer Progenitorzellen involviert sind. Diese Ergebnisse wurden im Anschluss mit gesunden Kontrollen korreliert. Die Migration von Stammzellen ist ein wichtiger zellulärer Mechanismus in der hämatopoetischen Stammzell-Biologie und in der Leukämie-Forschung. CXCR4 und sein Ligand SDF-1 sind wichtige Regulatoren der Stammzell-Migration und des Homings. Sie beeinflussen physiologische, pathologische und zelluläre Migrationsprozesse, die unter anderem für die Vaskularisierung (Nagasawa, 2001), aber auch für die Metastasierung von Tumorzellen (Helbig et al., 2003) von zentraler Bedeutung sind. FLT3 mutierte AML-Zellen zeigen erhöhte CXCR4-Level und ein verbessertes Anwachsen den Zellen im Knochenmark nach Transplantation in NOD/SCID-Mäuse. Tierexperimentelle Daten deuten darauf hin, dass ein verstärktes Homing von leukämischen Zellen mit einer erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapie assoziiert ist. Möglicherweise ist dies eine der Hauptursachen für das Therapieversagen bei diesen Patienten. Das Ziel des Projektes, dem diese Arbeit zugrunde liegt, war es, Interaktionen zwischen FLT3-ITD und CXCR4 zu untersuchen und mögliche Auswirkungen dieser Interaktionen für Migration und Homing von Stammzellen zu ermitteln. Letztlich können diese Erkenntnisse sowohl zur Verbesserung der klinischen Stammzell-Transplantationen und zur Definition neuer Strategien zur Behandlung von Patienten mit akuter myeloischer Leukämie beitragen. Untersuchungsgegenstände dieser Arbeit waren zum einen die Gewinnung von Erkenntnissen über die Wirkung einer FLT3-ITD-Überexpression auf die Expression verschiedener Signalmoleküle und ihr möglicher Einfluss auf CXCR4/SDF-1 vermittelte Signalwege. Des Weiteren die Rolle der CXCR4/SDF-1-Achse und der Einfluss einer Mikroumgebung auf AML-Zellen. Zum anderen die Wirkung des CXCR4 Inhibitiors AMD3100 auf AML-Blasten sowie die Blockierung der CXCR4/SDF-1-Achse als mögliche Therapie gegen AML. Interne Tandemduplikation (ITD)-Mutationen des FLT3-Rezeptors sind mit einer hohen Inzidenz von Rückfällen bei akuter myeloischer Leukämie (AML) verbunden. Die Expression des CXCR4-Rezeptors in FLT3-ITD-positiven AML-Blasten ist mit schlechten Prognosen für die Patienten verbunden. Die Blockierung von CXCR4 führt zu einer Sensibilisierung von AML-Blasten gegenüber einer Chemotherapie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden primäre Blasten von Patienten mit FLT3-ITD oder FLT3-wt-AML verwendet. Darüber hinaus wurden humane CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellen (HSCs) bis zu 80% mit retroviralen Vektoren transduziert, die ein humanes FLT3-ITD-Transgen beinhalteten. Im Gegensatz zu früheren Daten von murinen Zellen wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass eine Überexpression des FLT3-ITD-Transgens in humanen HSCs eine signifikant reduzierte Migration zu SDF-1-in vitro aufweist. Dies spiegelte sich außerdem in einem reduzierten Knochenmark-Homing in NOD/SCID-Mäusen wider. Ko-Kultivierungsexperimente von sowohl FLT3-ITD-positiven AML-Blasten als auch von FLT3-ITD-positiven HSCs auf Stromazellen des Knochenmarks führten zu einem signifikanten Proliferationsvorteil und zu erhöhten zeitigen CAFCs im Vergleich zu FLT3-wt-AML-Blasten bzw. zu kontrolltransduzierten HSCs. Die Zugabe des CXCR4-Inhibitors AMD3100 zeigte während der Ko-Kultur eine deutliche Reduktion der Proliferation und von CAFCs bei FLT3-ITD-positiven Zellen, aber nicht bei FLT3-wt-Blasten. Zusammenfassend liefert diese Studie den Beweis für eine Stroma-vermittelte Resistenz von FLT3-ITD-positiven HSCs und Blasten. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren, dass die Hemmung von CXCR4 die zellulären Wechselwirkungen von Stromazellen und leukämischen Zellen behindert. Somit bestätigt sich eine funktionelle Bedeutung der CXCR4/SDF-1-Achse bei AML. Um die Kontrolle über leukämische Zellen und ihre Proliferation zu bekommen, könnte die Hemmung von CXCR4 eine neue therapeutische Strategie bei Patienten mit fortgeschrittener FLT3-ITD-positiver AML sein.

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Analysis of donor chimerism has become a routine method for the documentation of engraftment after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). In recent years several groups have also focused on the application of this technique for the detection of relapsing disease after allogeneic HSCT. This review addresses technical issues (sensitivity, specificity) and discusses the advantages and limitations of methods currently used for chimerism analysis and their usefulness for the detection of MRD. In addition, the potential impact of novel procedures, e.g. subset chimerism or real-time PCR-based procedures, is discussed. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde retrospektiv die Minimale Resterkrankung von Patienten mit akuter myeloischer Leukämie und Myelodysplastischen Syndrom nach allogener Stammzelltransplantation mit minimaler Konditionierung untersucht. Hierfür wurden vier unterschiedliche Methoden zur Detektion der Minimalen Resterkrankung analysiert. Nach Etablierung einer quantitativen Real-Time PCR für das Wilms Tumor Gen 1 (WT1) im peripheren Blut wurden diese Ergebnisse mit bereits routinemäßig erhobenen Daten des Chimärismus im Gesamtknochenmark und in CD34+ Zellen sowie der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) krankheitsspezifischer chromosomaler Aberrationen von insgesamt 88 Patienten verglichen und statistisch ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die Genexpressionanalysen des WT1 sowie die Chimärismusanalysen ein Rezidiv im Gegensatz zu den FISH Analysen vier Wochen im Voraus detektieren können. In Reiceiver Operating Curve Analysen wurden eine WT1 Expression von > 24 WT1/10.000 ABL1 Kopien und der Abfall des CD34+ Spenderchimärismus von ≥ 5% als diagnostisch stärkste Methoden identifiziert. In uni- und multivariaten Analysen von insgesamt 20 Parametern wurden die beiden Methoden als unabhängige Variablen für ein frühes Rezidiv, progressionsfreies Überleben und Gesamtüberleben bestätigt. Kombiniert man beide Methoden, so kann bei jeweiligem negativen Testergebnis ein Rezidiv innerhalb der nächsten vier Wochen nahezu ausgeschlossen werden.

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