Unter Verwendung eines mathematischen Hämatopoese-Modells werden verschiedene Fragen adressiert, die im Zusammenhang mit einer möglichen Optimierung der gegenwärtigen Therapie chronischer myeloischer Leukämie (CML) stehen. Es handelt sich um ein agentenbasiertes Modell, das heißt, jede Zelle wird als einzelnes Objekt repräsentiert und gemäß festgelegter Regeln im Computer simuliert. Es werden proliferative von ruhenden Stammzellen unterschieden, wobei sich der Proliferationszustand reversibel ändern kann. Das Modell basiert auf der Annahme, dass sich normale und maligne Stammzellen in einem Wettbewerb um gemeinsame Ressourcen befinden, wobei der CML-Klon einen kompetitiven Vorteil besitzt. Es ist ungeklärt, ob Tyrosinkinaseinhibitoren wie Imatinib (IM) in der Lage sind, die Erkrankung zu heilen. Es gibt Evidenz, dass residuale leukämische Stammzellen im Knochenmark persistieren, welche in einem Ruhezustand (G0-Phase des Zellzyklus) von IM nicht eradiziert werden können. Proliferativ aktive Zellen sind der IM-Wirkung hingegen ausgesetzt. Das Modell sagt voraus, unter welchen Bedingungen eine Kombinationsstrategie von IM mit stammzellaktivierenden Substanzen Synergieeffekte hervorbringen könnte. Ein verwandtes Problem ist die Frage, in welchen Fällen nach Reduktion der Tumorlast auf ein mittels hochsensitiver Messmethoden undetektierbares Niveau ein Therapieabbruch gerechtfertigt ist. Basierend auf dem dynamischen Modell wird in dieser Arbeit ein Prädiktor vorgeschlagen, der vorhersagt, ob ein Patient nach Abbruch der Therapie einen molekularen Rückfall zu erwarten hat. Zusätzlich wird approximativ ein modellunabhängiger Prädiktor angegeben, der die Vorhersage nur auf Basis klinisch messbarer Größen gestattet.

Aberrant subcellular localization of mutant transmembrane receptors is increasingly acknowledged as a possible mechanism for an altered signaling quality leading to transformation. There is evidence that mutated receptor tyrosine kinases of subclass III, for example the platelet-derived growth factor receptor (PDGFR) and KIT-protein, are aberrantly localized in human cancers. In order to further analyze this phenomenon, we investigated the localization of FLT3, a subclass III receptor tyrosine kinase frequently mutated in leukemia. By immunofluorescence staining and confocal laser scanning microscopy we found that in retrovirally transduced COS7 cells, wild type FLT3 receptor protein is localized primarily at the cell surface. In contrast, a mutant FLT3 receptor protein with an internal tandem duplication (ITD) accumulates in a perinuclear region and is not detectable at the plasma membrane. Surprisingly, and in contrast to previously published data, intracellular FLT3-ITD accumulation could neither be detected in the endoplasmic reticulum (ER) nor in the Golgi apparatus. Furthermore, transient overexpression per se leads to accumulation of wild type FLT3 receptor protein in the ER in addition to surface localization, probably due to inefficient intracellular transport by the overloaded sorting machinery of the secretory pathway. Based on our data and the immature glycosylation pattern of FLT3-ITD, we speculate that the mutant protein resides most probably in an unidentified compartment of the secretory pathway between the ER and the Golgi apparatus. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Hintergrund Die chronische myeloische Leukämie (CML) ist eine myeloproliferative Er- krankung, die aufgrund ihres Modellcharakters unter der Behandlung mit Tyrosin-Kinase- Inhibitoren (TKI) gut für eine Beschreibung mittels computerbasierter Modelle geeignet ist. Grundlage für die Entstehung einer CML ist die Bildung eines Philadelphia-Chromosoms durch eine Translokation der Chromosomen 9 und 22. Es resultiert das Onkogen BCR- ABL1, welches für eine konstitutiv aktive Tyrosinkinase codiert. Diese führt zu ungeregelter Proliferation der betroffen Zellen und zur Verdrängung der gesunden Blutbildung. Das überaktivierte Protein kann durch TKIs gezielt gehemmt werden. Damit ist es möglich, die Tumorlast erheblich zu senken und das Fortschreiten der Erkrankung aufzuhalten. Aktuell werden in der klinischen Anwendung außerhalb von Studien TKIs für die gesamte Lebensdauer der Patienten eingesetzt. Absetzstudien zeigten, dass circa 50% der Patienten nach einer über zwei Jahren nicht nachweisbaren BCR-ABL1-Last nach Behandlungsstopp kein erneutes Anwachsen der Tumorlast aufwiesen. Die Anwendung von computergestützten Modellsimulationen hilft, Zugriff auf die klinisch nur schwer zu messenden leukämischen Stammzellen zu bekommen und darüber Vorhersagen über den weiteren Therapieverlauf zu treffen. Aufgabenstellung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen Möglichkeiten der Übertragung von Patientendaten auf das etablierte Modell nach Roeder und Loeffler (2002) verbessert werden. Die vom Modell vorhergesagten Stammzellkinetiken sollen abschließend auf Praxistauglichkeit geprüft werden. Material und Methoden Aufgrund der Vergleichbarkeit zu früheren Untersuchungen erfolgte die Auswahl von 51 Patienten des deutsches Armes der IRIS-Studie. Deren Therapieverläufe wurden analysiert und können über eine biphasische exponentielle (biexponentielle) bzw. über eine stückweise lineare Funktion beschreiben werden. Als Erweiterung der Arbeiten von Horn et al. (2013) wurden alle Parameter der biexponentiellen Funktion in die Entwicklung neuer Methoden einbezogen. Zusätzlich wurde untersucht, ob die Einbeziehung von zensierten Messpunkte die Form der biexponentiellen Funktion verändert. Basierend auf den Therapiedaten der IRIS-Patienten erfolgte die Ermittlung eines Para meterraumes für Eingangsparameter der Modellsimulation (Modellparameter), welcher in 270.400 individuelle Paramterkombinationen unterteilt wurde. Es erfolgten anschließend die Simulation und Auswertung nach der biexponentiellen Beschreibung. Auf Basis dieser erheblich größeren Datengrundlage konnten zwei neue Verfahren der Modellparameteridentifikation für individuelle Patienten entwickelt werden. Einerseits wurde in Anlehnung an die Arbeit von Horn et al. (2013) ein Verfahren unter Nutzung der Regression vorgestellt. Andererseits konnte über den Vergleich der Abstände zwischen simulierten und realen Therapieverläufen eine Suche (lookup-table) etabliert werden. Die Berechnung des Abstandes zwischen Therapieverläufen ermöglicht gleichzeitig den Vergleich der verschiedenen Verfahren und damit eine Aussage über deren Anpassungsgüte. Zum Schluss wurde beispielhaft für einen Patienten das Verfahren der lookup-table angewendet und die resultierende Stammzellkinetik weiter analysiert. Ergebnisse Einführend erfolgte die Analyse der resultierenden biexponentiellen Funktion mit und ohne Einbeziehung von Messunsicherheiten. Es zeigte sich, dass der Verlauf dieser Funktion besonders in Bereichen, die von einbezogenen Messunsicherheiten betroffen sind, abweichend ist. Die Beschreibung des Langzeitverlaufs erfolgt jedoch annähernd gleich. Anschließend erfolgte die Validierung der Größe des vorsimulierten Datenpool anhand eines Vergleichs der statistischen Parameter von Patienten und Simulationen. Dieser zeigte sich dabei für die weiteren Untersuchungen geeignet. Die Nutzung der lookup-table zur Identifikation der am besten zu einem Patienten passenden Therapiesimulation ist überlegen sowohl gegenüber von der Horn et al. (2013) beschriebenen als auch in dieser Arbeit neu entwickelten Regressionsverfahren. Diese ergeben deutliche Abweichungen zwischen Patientendaten und Simulation. Eine Analyse des vorhergesagten Therapieverlaufes im Stammzellkompartiment ergibt jedoch, dass ähnliche Therapieverläufe im peripheren Blut durch stark unterschiedliche Stammzellkonfigurationen beschrieben werden können. Es resultiert eine starke Streuung der vorhergesagten Zeitpunkte eines möglichen Therapieendes. Schlussfolgerungen Die Nutzung der lookup-table zu Identifikation einer passenden Therapiesimulation ist hoch effektiv und anderen Verfahren, die auf Regression basieren, überlegen. Die etablierte Computersimulation nach Roeder und Loeffler (2002) bietet Zugriff auf die Therapie in der Ebene der Stammzellen. Die in weiteren Analysen gezeigten Streuungen der vorhergesagten Therapieverläufe im Stammzellkompartiment lassen den Schluss zu, dass Methoden zur Eingrenzung der Stammzellverläufe entwickelt werden müssen, um die Vorhersagen klinisch nutzbar zu machen. Weiterhin muss anhand von Messungen an Knochenmarkproben von realen Patienten geprüft werden, ob die von der Simulation postulierten Verläufe der Tumorlast im Stammzellkompartiment der realen Behandlung entsprechen. Ausblick Die in aktuellen Arbeiten beschriebene Rolle des Immunsystems im Therapieverlauf der CML (Saussele et al. 2016; Clapp et al. 2016) sollte in eine Verbesserung des Stammzellmodells nach Roeder und Loeffler (2002) einfließen. Weiterhin kann die Validierung der im Rahmen der Individualmedizin zu treffenden Absetzvorhersagen letztendlich nur über klinische Absetzuntersuchungen ermöglicht werden. / Background Chronic myeloic leukaemia (CML) is a myeloproliferative disease, which is well suited for modelling approaches. It is characterized by the oncogenic BCR-ABL1 fusion gene originating from an inverse translocation of the chromosomes 9 and 22 leading to the Philadelphia chromosome. The result is a constitutively activated tyrosine-kinase. This is followed by an extensive proliferation of leukaemic stem cells leading to a displacement of normal haematopoesis. The molecular specificity of CML forms the basis of a highly efficient, targeted therapy by tyrosine kinase inhibitors (TKIs). TKIs can decrease the tumour burden and slow down or eventually stop progressing of the disease. Currently, in clinical applications drugs are administered for the remaining life span. Interestingly, in recent treatment cessation trials patients were stopped after two years of non-detectable tumour burden and about 50% remained without relapse. The application of computer-based modelling helps to gain access to stem cell counts being difficult to measure clinically. This forms the basis for predictions of long-term therapy outcomes. Aim of this work This work aims on identifying a suitable algorithm to efficiently identify model simulations that optimally decribe individual patient kinetics. Furthermore, the clinical usability of the new methods was investigated. Material and methods The analysed group of patients was chosen out of the German cohort of the IRIS trial to ensure comparability to former investigations. It consists of 51 individuals. The course of leukaemic burden , i. e. leukaemic vs. non-leukaemic cells on a single patient level can be described as a biphasic exponential (bi-exponential) or a piecewise linear function. As an extension to former methods described by Horn et al. (2013) all parameters are included into further method development. Additionally, an investigation was conducted whether censored data points change the functional behaviour of a bi-exponential fit based on patients’ data. According to therapy data of all patients an input parameter space for the model simulation was delimited, such that all observed patient kinetics can be mimicked by the model. This parameter space was uniformly divided into 270.400 discrete parameter combinations. The therapy simulation of each combination was conducted and described by a bi-exponential function likewise to the patients’ fit. With the help of these huge variety of in silico therapies two new methods of model parameter identification for individual patients were developed. The first one is an advanced approach based on a regression model proposed by Horn et al. (2013). The second one by comparing distances between the patients’ and the models’ bi-exponential functions (lookup table). The comparison of the distances between different therapy courses (either simulated or patients’ data) was also used to compare the quality of different methods. As an example, for one patient the stem cell kinetics from the model were analysed in more detail and checked for robustness. Such a strategy, which might build the basis for clinical applications. Results A comparison between the different bi-exponential functions with and without censored data points revealed differences especially in the area in which censoring was performed. However, for the long-term tumour burden censored data had no influence. Secondly, an investigation was performed showing the sufficiency of the pre-simulated therapy courses for the new methods, i. e. lookup-table and regression models. The lookup- table turns out to be superior to identify a therapy simulation for a unique patient, since the complexity of linear regression models lead to increased deviations between patients’ therapy courses and the simulations. Unfortunately, distinct stem cell configurations lead to similar therapy descriptions in peripheral blood, assuming the correctness of the model. As a result, the prediction of a safe treatment cessation is often widely spread. Conclusions The new developed lookup-table to identify model simulations suitable for an individual patient is highly effective and superior to other methods using regression models. The simulation of the TKI treatment using the agent-based model of Roeder und Loeffler (2002) gives easy access to therapy courses on the level of leukaemic stem cells. Unfortunately, the finding of a well fitting simulation within the peripheral blood is not enough to provide a point of safe treatment cessation, since different stem cell configurations can lead to similar therapy courses. Additionally, it is necessary to check which of the assumed therapy courses on the stem cell level is appropriate. This could be done by gathering more information from bone-marrow punctures during the course of treatment. Outlook Investigations of new data showed the important role of the immune system in CML treatment (Saussele et al. 2016; Clapp et al. 2016). This should be taken into account by improving the model of Roeder und Loeffler (2002). Additionally, data from cessation trials can be used to validate the model assumptions.

Acute myeloid leukemia (AML) is a malignancy of the hematopoietic system caused by somatic mutations that accumulate in hematopoietic stem and progenitor cells. The cells are thereby transformed into leukemic stem cells (LSCs), which cannot be efficiently eliminated with the standard chemotherapy treatment. Thus, LSCs pose a risk of relapse for AML patients. There- fore, identification and characterization of LSCs is a major challenge in the field of AML research. Through next generation sequencing approaches the mutational spectrum of AML cells has been established and a continuous effort is being made to resolve the order of mutation acquisition and their functional consequences. In the subgroup of AML patients that bear a mutation in Nucleophosmin 1 (NPM1 ), a mutation in DNA-methyltransferase 3 A (DNMT3A) has been often found as a co-occurring event. Evidence suggests that this mutation arises early in leukemogene- sis and marks leukemic progenitors and stem cells. However, the functional consequences of this mutation are far from being understood. In this thesis work, I set out to unravel novel functional dependencies of the DNMT3A-mutant AML cells that can be exploited for therapeutic purposes. To nominate genes that are essential for the survival of primary AML cells, I performed a func- tional RNA interference-mediated drop out screen in 38 DNMT3A- and NPM1-mutant AML patient lines. The patients in this cohort were divided into two groups, based on the treatment outcome: an early relapse (ER) group and a long term remission (LTR) group. To nominate can- didate genes in each group, I have selected 12 screens with the highest data quality and performed a differential bioinformatic analysis. The analysis yielded 7 potential candidates, from which I initially validated three: Glucocorticoid modulatory element binding protein 1 (GMEB1), Mouse double minute 4 (MDM4) – both shared between the ER and the LTR groups – and Thioredoxin domain containing protein 9 (TXNDC9 ), which scored only in the ER group. Additional rounds of validation nominated MDM4 as the strongest candidate. To investigate the role of MDM4 in LSCs, I knocked it down in three patient samples and performed the long-term culture-initiating cell assay. However, the number of progenitor colonies that formed by the end of the assay was not enough for a statistical evaluation, probably due to the low frequency of long-term culture- initiating cells in the samples. Therefore, no conclusion regarding the functional dependency of LSCs on MDM4 could be made. However, a recent study suggested that loss of MDM4 causes cell cycle arrest and induces apoptosis in leukemic cell lines and primary cells, including progenitor populations, confirming the findings of this thesis. Nevertheless, the question about the role of MDM4 in NPM1 -mutant AML cells remains open. The NPM1 involvement in the p14Arf-MDM2- p53 pathway and the deregulation of this pathway caused by the NPM1 mutation indicate that MDM4 might poses special functions in NPM1 -mutant AML. Therefore, it should be investigated if MDM4 is a particularly suitable therapeutic target in AML with NPM1 mutation.

Hintergrund: Der Phospholipase A2 Rezeptor 1 (PLA2R1) ist ein Typ 1 Transmembranrezeptor, welcher der Mannose-Rezeptor-Familie zugeordnet werden kann. Die Bedeutung von PLA2R1 für physiologische und pathologische Vorgänge ist noch weitestgehend unbekannt. Jedoch wird die Regulation wichtiger zellulärer Prozesse, wie Proliferation, Apoptose/ Seneszenz, Adhäsion, Migration/ Invasion und Inflammation im Zusammenhang mit dem Rezeptor diskutiert. Darüber hinaus ist eine Änderung der PLA2R1-Expression bei der Entstehung verschiedenster Krebserkrankung nachweisbar. Hierbei wird der Rezeptor einerseits mit einer pro-onkogenen und pro-migratorischen Wirkung in Verbindung gebracht. Andererseits ist ein tumorsuppressiver Effekt von PLA2R1 und eine Induktion der mitochondrialen Apoptose in Tumorzellen beschrieben. Zudem ist die Expression von PLA2R1 durch epigenetische Mechanismen kontrolliert und eine Promotor-Hypermethylierung ist assoziiert mit einer Repression der Rezeptor-Expression in der Prostatakarzinom (PCa)-Zelllinie LNCaP und der pädiatrischen, akuten lymphoblastischen Leukämie (ALL)-Zelllinie Jurkat. Vorangegangene Arbeiten zeigten eine Hypermethylierung innerhalb eines definierten Bereiches des PLA2R1-Promotors bei adulten Patienten mit akuter myeloischer Leukämie und Myelodysplastischem Syndrom (MDS) sowie eine Korrelation der PLA2R1-Promotormethylierung mit dem Krankheitsstadium und der Klassifizierung nach dem Internationalen Prognostischen Scoring System (IPSS). Fragestellung/ Hypothese: Das Ziel der vorliegenden Arbeit war einerseits die Untersuchung der Funktion von PLA2R1 in den PCa-Zelllinien LNCaP und PC-3. Während in LNCaP die Rezeptor-Expression durch Promotor-Hypermethylierung unterdrückt ist, kann in PC-3-Zellen eine Hochregulation von PLA2R1 im Vergleich zu normalen Prostataepithelzellen nachgewiesen werden. Durch in vitro Transfektionsexperimente sollte der Effekt einer Re-expression von PLA2R1 in LNCaP-Zellen sowie die Auswirkungen einer Reduktion der PLA2R1-Expression in PC-3-Zellen untersucht werden. Der Einfluss der veränderten PLA2R1-Expressionslevel auf wichtige Zellparameter wurde evaluiert. Die in vitro Daten der PCa-Zelllinien wurden mit den in vivo Ergebnissen des Tumorwachstums von transfizierten LNCaP- und PC-3-Zellen in Xenograft-Mausmodellen verglichen. Andererseits sollte basierend auf den Ergebnissen von adulten Patienten mit AML- und MDS-Diagnose und der dabei festgestellten Hypermethylierung des Rezeptor-Promotors der Methylierungsstatus des Rezeptors bei der pädiatrischen ALL untersucht werden. Überdies sollte die Eignung der PLA2R1-Methylierungsanalyse als sensitiver Biomarker für die Therapiekontrolle, Überwachung der minimalen Resterkrankung (MRD) und Risikostratifizierung der pädiatrischen ALL evaluiert werden. Die Funktion des Rezeptors im Kontext der pädiatrischen ALL wurde durch eine transfektionsbasierte Re-expression von PLA2R1 in der Jurkat-ALL-Zelllinie untersucht. Durch in vitro Experimente wurden die Auswirkungen der verschiedenen PLA2R1-Expressionslevel auf Proliferation und Apoptose/ Nekrose in transfizierten Jurkat-Zellen analysiert. Material und Methoden: Durch Transfektion mit einem PLA2R1-Expressionsvektor konnte eine stabile Überexpression des Rezeptors in LNCaP- (LNCaP-PLA2R1) und Jurkat-Zellen (Jurkat-PLA2R1) erreicht und die Ergebnisse mit Kontrollvektor-transfizierten LNCaP- (LNCaP-Ctrl) und Jurkat-Zellen (Jurkat-Ctrl) verglichen werden. Mittels CRISPR/Cas9-Knockdown konnte eine Verminderung der PLA2R1-Expression in PC-3-Zellen (PC-3-KD) im Vergleich zu Kontrollvektor-transfizierten PC-3-Zellen (PC-3-Ctrl) erreicht werden. Genexpressionsanalysen wurden mittels quantitativer PCR nach reverser Transkription (RT-qPCR) durchgeführt und die Proteinsynthese des Rezeptors durch Western Blot Analyse überprüft. In vitro sollten die Auswirkungen der differenziellen PLA2R1-Expression der transfizierten Zellen auf wichtige proliferative und metastatische Zellparameter untersucht werden. Die Zellviabilität/ Proliferation wurde mittels WST-1 Assay für adhärente Zellen und Zellwachstumskurven-Analyse mit Trypanblau-Färbung bei Suspensionszellen analysiert. Zellmotilität und Proliferation wurden bei transfizierten PCa-Zelllinien mithilfe des Wundheilungsassays beurteilt. Apoptose konnte durch Wasserstoffperoxid stimuliert und mittels Caspase-Glo® 3/7 Assay und RealTime-Glo™ Annexin V Apoptosis and Necrosis Assay für transfizierte PCa-Zelllinien sowie durchflusszytometrische Analysen nach Annexin-V-FLUOS/ Hoechst 33258 Färbung für transfizierte Jurkat-Zellen untersucht werden. Die klonogene Überlebensrate und das Koloniewachstum der transfizierten PCa-Zelllinien sollten mithilfe des klonogenen Assays analysiert werden. In einer in vivo Pilotstudie wurde der Effekt von PLA2R1 auf das Tumorwachstum mittels Xenograft-Mausmodellen (männliche SCID/beige Mäuse) durch subkutane Injektion der transfizierten LNCaP- (n = 5) und PC-3-Zellen (n = 9) überprüft. Die PLA2R1-Promotormethylierung als sensitiver Biomarker für die pädiatrische ALL wurde durch Isolation und Bisulfit-Behandlung der genomischen DNA von Knochenmark (KM)-Aspiraten und Leukozyten des peripheren Blutes (PB) von ALL-diagnostizierten Kindern (n = 44) sowie einer anschließenden Analyse mittels digitaler PCR (dPCR) evaluiert. Die Ergebnisse konnten mit dem Methylierungsstatus einer gesunden Kontrollgruppe (n = 20) verglichen werden. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: In LNCaP-PLA2R1 und Jurkat-PLA2R1 konnte im Gegensatz zu den dazugehörigen Kontrollzellen eine stabile Überexpression des Rezeptors auf Ebene der Genexpression und Proteinsynthese detektiert werden. Bei PC-3-KD-Zellen war eine Reduktion der PLA2R1-Genexpression und eine Repression der Proteinsynthese unterhalb der Nachweisgrenze des Western Blot Assays zu verzeichnen, während PC-3-Ctrl-Zellen eine Genexpression und Proteinsynthese des Rezeptors zeigten. Die Zellviabilität/ Proliferation und Motilität war signifikant erhöht in LNCaP-PLA2R1 und PC-3-Ctrl im Vergleich zu LNCaP-Ctrl- und PC-3-KD-Zellen. Demgegenüber war eine Verminderung von Apoptose und Koloniewachstum in LNCaP-PLA2R1 und PC-3-Ctrl-Zellen nachweisbar. Durch Genexpressionsanalysen konnte eine Induktion der Expression von Fibronektin 1 (FN1), TWIST Homolog 1 (TWIST1) und Cyclin-abhängige Kinase 6 (CDK6) in LNCaP-PLA2R1-Zellen identifiziert werden. In vivo schien die PLA2R1-abhängige negative Regulation des Koloniewachstums die pro-onkogenen Eigenschaften des Rezeptors zu überwiegen. Dies resultierte in einem verminderten Tumorwachstum von LNCaP-PLA2R1 und einer tumorsuppressiven Rolle des Rezeptors in dieser PCa-Zelllinie. Im Gegensatz dazu zeigten PC-3-Ctrl-Zellen ein schnelleres Tumorwachstum im Xenograft-Mausmodell, was für einen pro-onkogenen Effekt der endogenen PLA2R1-Expression in PC-3-Zellen sprechen würde. Der differenzielle Einfluss von PLA2R1 auf die Regulierung des Tumorzellwachstums könnte im Zusammenhang mit der veränderten Expression von FN1, TWIST1 und CDK6 stehen, jedoch sind weiterführende Experimente nötig, um die Beteiligung dieser Gene in der PLA2R1-Signaltransduktion zu untersuchen. Die Analyse der Zellwachstumskurve der transfizierten Jurkat-Zellen zeigte eine Abnahme der Proliferationsrate und eine Zunahme des Anteils an toten Zellen bei Jurkat-PLA2R1 im Vergleich zu Jurkat-Ctrl-Zellen. Durchflusszytometrische Analysen bestätigten eine Abnahme des Anteils gesunder sowie eine vermehrte Repräsentation von apoptotischen und nekrotischen Jurkat-PLA2R1-Zellen im Vergleich zur Kontrolle, was einen tumorsuppressiven Einfluss des Rezeptors bei der pädiatrischen ALL suggeriert. Die Funktion von PLA2R1 als Tumorsuppressor steht im Einklang mit der festgestellten Hypermethylierung des Rezeptor-Promotors in KM-Aspiraten und PB-Proben von pädiatrischen Patienten mit prä-B und common ALL zum Zeitpunkt der Diagnose der primären Krebserkrankung und des ALL-Rezidives im Vergleich zu der Kontrollgruppe. Der parallele Abfall der PLA2R1-Promotormethylierung und der relativen Blastenzahl im Verlauf der ALL-Induktionstherapie sowie eine signifikante, positive Korrelation beider Größen in KM- und PB-Proben ließen auf die leukämischen Blasten als Quelle der Hypermethylierung des PLA2R1-Promotors schließen. Überdies wiesen Hochrisikopatienten der pädiatrischen ALL eine signifikant höhere PLA2R1-Promotormethylierung am Tag 15 der ALL-Induktionstherapie auf im Vergleich zu Patienten mit einem geringeren Risiko. Zusammenfassend deuteten die in vitro und in vivo Daten auf eine wichtige Funktion des Rezeptors bei der Regulation von Proliferation und Apoptose bei der pädiatrischen ALL hin. Die Analyse der PLA2R1-Promotormethylierung könnte als sensitiver Biomarker zu einer verbesserten ALL-Therapiekontrolle, MRD-Überwachung und Risikostratifizierung während der ALL-Induktionstherapie beitragen.:Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 4 2 Abstract 8 3 Einführung in die Thematik 11 4 Publikation 1: “Diverse Effects of Phospholipase A2 Receptor Expression on LNCaP and PC-3 Prostate Cancer Cell Growth in vitro and in vivo” 24 5 Publikation 2: “Methylation of the Phospholipase A2 Receptor 1 Promoter Region in Childhood B Cell Acute Lymphoblastic Leukaemia” 25 6 Diskussion und Ausblick 26 7 Literaturverzeichnis 32 8 Danksagung 41 9 Anlagen 42 / Background: The phospholipase A2 receptor 1 (PLA2R1) is a type I transmembrane receptor and a member of the mannose receptor family. Physiological and pathophysiological functions of PLA2R1 are still not completely understood. However, PLA2R1 expression is discussed to have an impact on proliferation, apoptosis/ senescence, adhesion, migration/ invasion as well as inflammatory cell responses and divergent PLA2R1 expression is detectable in different types of cancer compared to corresponding normal tissues. In this context, receptor expression is linked to both a pro-oncogenic/ pro-migratory and a tumour-suppressive/ pro-apoptotic impact in different cancer cells. Moreover, PLA2R1 expression is controlled by epigenetic mechanisms and hypermethylation of the PLA2R1 promoter is associated with silenced expression of the receptor in the prostate carcinoma (PCa) cell line LNCaP and the paediatric, acute lymphocytic leukaemia (ALL) cell line Jurkat. Previous work revealed a defined hypermethylated region of the PLA2R1 promoter in adult patients with acute leukaemia and myelodysplastic syndrome (MDS). PLA2R1 promoter methylation correlated with disease stage and International Prognostic Scoring System (IPSS) classification. Aim: The aim of the present study was to evaluate the function of PLA2R1 in PCa cell lines LNCaP and PC-3. The receptor expression is silenced in LNCaP but upregulated in PC-3 cells compared to normal prostate epithelial cells. A pilot in vivo study addressed the effects of PLA2R1 in mice xenografted with transfected LNCaP and PC-3 cells. Based on previous findings of PLA2R1 promoter hypermethylation in adult ALL and MDS patients, the aim of the present study was to analyse the methylation status of the PLA2R1 promoter in paediatric ALL patients compared to healthy individuals. PLA2R1 methylation analysis was evaluated as sensitive biomarker for ALL treatment response, minimal residual disease (MRD) monitoring, and risk stratification. The impact of the receptor in childhood ALL was investigated by transfection-based re-expression of PLA2R1 in the paediatric ALL cell line Jurkat and the effect of different PLA2R1 expression levels on proliferation and apoptosis/ necrosis was analysed in in vitro experiments. Material and Methods: Stable PLA2R1 overexpression was achieved by transfection of LNCaP (LNCaP-PLA2R1) and Jurkat cells (Jurkat-PLA2R1) with a PLA2R1 plasmid vector. Results were compared to control vector transfected LNCaP (LNCaP-Ctrl) and Jurkat cells (Jurkat-Ctrl). Alternatively, PLA2R1 was knocked down using CRISPR/Cas9 in PC-3 cells (PC-3-KD) and compared to the corresponding control-transfected cells (PC-3-Ctrl). Gene expression analysis was conducted by quantitative reverse transcription PCR (RT-qPCR). PLA2R1 protein synthesis was analysed by western blot. The impact of the differential PLA2R1 expression on proliferative and metastatic parameters of transfected cancer cells was investigated in vitro. Cell viability/ proliferation was assessed by means of WST-1 Assay for adherent cells and via cell growth curve analysis after trypan blue staining for suspension cells. Cell motility and proliferation of transfected PCa cell lines were estimated by wound healing assay. Hydrogen peroxide-stimulated apoptosis was analysed by Caspase-Glo® 3/7 Assay and RealTime-Glo™ Annexin V Apoptosis and Necrosis Assay for transfected PCa cell lines and flow cytometric analysis after Annexin-V-FLUOS/ Hoechst 33258 staining for transfected Jurkat cells. Colony formation of transfected PCa cell lines was evaluated by clonogenic assay. A pilot in vivo study addressed the effects of PLA2R1 in mice xenografted with transfected LNCaP (n = 5) and PC-3 cells (n = 9). Evaluating PLA2R1 promoter methylation as sensitive biomarker for paediatric ALL, genomic DNA was isolated from bone marrow (BM) and peripheral blood (PB) of 44 paediatric ALL patients. After bisulfite treatment of isolated DNA samples, PLA2R1 methylation was analysed using digital PCR and compared to 20 healthy controls. Results and Conclusions: PLA2R1 gene expression and protein synthesis were detectable in LNCaP-PLA2R1, PC-3-Ctrl, and Jurkat-PLA2R1 cells but not in LNCaP-Ctrl and Jurkat-Ctrl cells. In PC-3-KD cells, PLA2R1 gene expression was significantly reduced compared to PC-3-Ctrl and PLA2R1 protein synthesis of PC-3-KD cells was below the limit of detection of western blot analysis. Cell viability/proliferation and motility were significantly increased in LNCaP-PLA2R1 and PC-3-Ctrl compared to LNCaP-Ctrl and PC-3-KD cells, respectively. However, levels of apoptosis and clonogenicity were reduced in LNCaP-PLA2R1 and PC-3-Ctrl cells. Gene expression analysis revealed an up-regulation of fibronectin 1 (FN1), TWIST homolog 1 (TWIST1), and cyclin-dependent kinase 6 (CDK6) in LNCaP-PLA2R1 compared to control cells. In LNCaP xenografts, PLA2R1-dependent regulation of clonogenicity appeared to outweigh the receptor’s pro-oncogenic properties, resulting in decreased tumour growth, supporting the tumour-suppressive role of PLA2R1. Alternatively, PC-3-Ctrl xenografts exhibited faster tumour growth compared to PC-3-KD cells, suggesting a pro-oncogenic effect of endogenous PLA2R1 expression. The differential growth-regulatory effects of PLA2R1 may be mediated by FN1, TWIST1, and CDK6 expression, although further investigation is required. Cell growth curve analyses of transfected Jurkat cells revealed a decreased proliferation and increased cell death of Jurkat-PLA2R1 compared to Jurkat-Ctrl cells. Flow cytometry confirmed the reduced fraction of healthy cells and an increase of the apoptotic and necrotic fractions in Jurkat-PLA2R1 cells compared to control cells, suggesting a tumour-suppressive effect of the receptor in paediatric ALL. PLA2R1’s tumour-suppressive function is in accordance with hypermethylation of the receptor promoter in BM aspirates and PB samples of paediatric patients diagnosed with pre-B and common ALL as well as in patients with disease relapse in comparison to healthy controls. PLA2R1 methylation decreased along with leukaemic blast cell reduction during ALL induction treatment and significant positive correlations between PLA2R1 methylation and leukaemic blast cell numbers of BM and PB samples were observable. Therefore, our data suggests that leukaemic blasts are the origin of PLA2R1 hypermethylation in BM and PB samples. Moreover, high risk paediatric ALL patients exhibited increased levels of PLA2R1 promoter methylation compared to non-high risk groups on day 15 of ALL induction treatment. Collected data indicates that PLA2R1 promoter methylation quantitation can be used as biomarker for ALL induction treatment control, risk stratification, and early detection of ALL relapse.:Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 4 2 Abstract 8 3 Einführung in die Thematik 11 4 Publikation 1: “Diverse Effects of Phospholipase A2 Receptor Expression on LNCaP and PC-3 Prostate Cancer Cell Growth in vitro and in vivo” 24 5 Publikation 2: “Methylation of the Phospholipase A2 Receptor 1 Promoter Region in Childhood B Cell Acute Lymphoblastic Leukaemia” 25 6 Diskussion und Ausblick 26 7 Literaturverzeichnis 32 8 Danksagung 41 9 Anlagen 42

Die Chronisch Myeloische Leukämie (CML) ist eine maligne, hämatologische Erkrankung, welche auf der unregulierten Proliferation von leukämischen myeloischen Zellen im Knochenmark beruht. Die Folge ist eine Verdrängung der normalen Hämatopoese durch leukämische Zellen mit einem unbehandelt letalen Verlauf. Die Einführung einer spezifischen Therapie der CML durch Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKIs) hat die Behandlung der CML maßgeblich beeinflusst und stellt aktuell die Standardtherapie für betroffene Patienten dar. Mehrere klinische Studien zeigten, dass bei einem Teil der Patienten mit gutem Therapieansprechen im Verlauf die Therapie beendet werden kann, ohne dass es dabei zu einem Rückfall der Patienten kommt. Eine sichere Identifikation dieser Patienten ist aktuell nicht möglich. Weiterhin sind die Mechanismen, welche einer therapiefreien Remission zugrunde liegen, nicht endgültig geklärt. Allerdings ergaben mehrere aktuelle Studien Hinweise auf eine immunologische Komponente, der in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle zukommen könnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf gewöhnlichen Differentialgleichungen basierendes, mathematisches Modell der CML um eine immunologische Komponente erweitert, um eine bessere Beschreibung des Verhaltens von CML-Patienten unter TKI-Therapie und nach Beendigung dieser zu ermöglichen. Es wurde im Sinne eines konzeptionellen Modellierungsansatzes untersucht, welche Mechanismen dem Rezidivverhalten innerhalb eines solchen Modells zugrunde liegen und ob anhand des verwendeten Modells das Auftreten eines Rezidivs zuverlässig vorhergesagt werden kann. Grundlage dieser Arbeit stellen BCR-ABL Verlaufsmessungen von 21 CML-Patienten dar, welche mit einem TKI behandelt wurden und bei denen dieser im Rahmen einer klinischen Intervention abgesetzt wurde. Während die Anpassung eines mathematischen Modells ohne immunologische Komponente bereits eine gute Beschreibung des BCR-ABL/ABL Abfall unter Therapie ermöglichte, versagte dieses Modell bei der Beschreibung einer therapiefreien Remission. Nur durch die Erweiterung des Modells um eine individuelle immunologische Komponente konnte der BCR-ABL/ABL Verlauf während und nach Stopp der TKI-Therapie korrekt wiedergegeben werden. Dabei zeigte sich, dass zur Bestimmung der Modellparameter allerdings eine Einbeziehung der BCR-ABL Messwerte nach Absetzen der Therapie notwendig war. Deutliche Unterschiede der auf diese Weise ermittelten immunologischen Modellparameter zwischen Patienten mit und ohne Rezidiv signalisierten einen entscheidenden Einfluss der immunologischen Komponente auf das Rezidivverhalten. Die weitere Untersuchung der Attraktorlandschaften für das Rezidivverhalten zeigte, dass Patienten darüber hinaus anhand ihrer Immunantwort in drei verschiedene Klassen eingeteilt werden können: Einige Patienten zeigten eine insuffiziente Immunantwort (Klasse A) und somit nach Therapiestopp immer ein Rezidiv, da ihr Immunsystem nicht in der Lage ist, die erneute Proliferation residualer leukämischer Zellen nach Absetzen der Therapie zu verhindern. Im Gegensatz dazu zeigten einige Patienten eine suffiziente Immunantwort. Während Patienten mit einer suffizienten und starken Immunantwort (Klasse B) nur eine minimale Therapiedauer in den Simulationen zur Aufrechterhaltung einer Remission nach Therapiestopp benötigten, war die Verhinderung eines Rezidivs für Patienten mit einer suffizienten und schwachen Immunantwort (Klasse C) nur bei Erreichen eines optimalen Gleichgewicht zwischen der Zahl leukämischer Zellen und der Aktivität des Immunsystems möglich. Es konnte gezeigt werden, dass dies theoretisch durch eine individuelle, fein abgestimmte Anpassung von Therapiedauer und Therapieintensität erreicht werden kann. Da eine Bestimmung der Modellparameter nur unter Einbeziehung der BCR-ABL Messungen nach Stopp der TKI-Therapie möglich war, erlaubte dieses Vorgehen entsprechend keine Vorhersage des Rezidivverhaltens. Daher erfolgte die Simulation einer 12-monatigen TKI-Dosisreduktion für jeden Patienten mit einer anschließenden Betrachtung der BCR-ABL/ABL Verläufe während der Dosisreduktion. Eine Korrelation zwischen dem BCR-ABL/ABL Anstieg innerhalb dieses Zeitraums und dem klinischen Rezidivverhalten zeigte, dass die aus einer solchen Systemstörung resultierenden Veränderungen der BCR-ABL/ABL Verläufe die notwendigen Informationen zur Vorhersage des Rezidivverhaltens liefern könnten. Dabei sind diese Modellvorhersagen in qualitativer und quantitativer Übereinstimmung mit klinischen Daten der DESTINY-Studie (NCT01804985). Es konnte somit gezeigt werden, dass ein mathematisches Modell der CML durch Erweiterung um eine immunologische Kontrollkomponente in der Lage ist, den Krankheitsverlauf von CML Patienten während und nach Absetzen der TKI-Therapie korrekt zu beschreiben. Damit unterstützt diese Arbeit die Ergebnisse aktueller klinischer Studien, welche einer anti-leukämischen Immunantwort eine Bedeutung in der Aufrechterhaltung einer therapiefreien Remission zuschreiben. Da eine Vorhersage des individuellen Rezidivverhaltens allein anhand der BCR-ABL Messungen vor Therapieabsetzen nicht möglich war, unterstreicht diese Arbeit die Notwendigkeit weiterer Studien auf diesem Gebiet. Dabei legen die Ergebnisse diese Arbeit nahe, dass Studien mit klinischen Interventionen, wie z.B. einer temporären TKI-Dosisreduktion, die notwendigen Informationen für solche Vorhersagen enthalten könnten.:1. Einleitung und Zielstellung 1.1. Einleitung 1.2. Fragestellung und Zielsetzung dieser Arbeit 2. Medizinischer Hintergrund 2.1. Hämatopoese 2.2. Chronische Myeloische Leukämie 2.2.1. Epidemiologie 2.2.2. Ätiologie und Pathogenese 2.2.3. Klinik und Verlauf 2.2.4. Diagnostik 2.2.5. Therapie 2.2.6. Immunologische Einflussfaktoren auf das Rezidivverhalten 3. Systembiologischer Hintergrund 3.1. Statistische Modelle der TKI-Therapie 3.2. Mechanistische Modelle der TKI-Therapie 3.3. Modellierung von Therapie und Absetzverhalten 3.4. Modelle der CML mit einer immunologischen Komponente 4. Material und Methoden 4.1. Klinische Daten 4.1.1. Herkunft der klinischen Daten 4.1.2. Selektion geeigneter Patienten 4.2. Statistische Beschreibung 4.2.1. Bi-exponentielles Modell 4.2.2. Modellanpassung 4.2.3. Statistische Tests 4.3. Mechanistisches Modell 4.3.1. CML-Modell ohne immunologische Komponente 4.3.2. CML-Modell mit immunologischer Komponente (Immunmodell) 4.3.3. Allgemeines Vorgehen zur Modellanpassung 4.3.4. Berechnung der Anfangsbedingungen 4.3.5. Anpassungsstrategien 4.3.6. Sensitivitätsanalysen 4.3.7. Phasenportaits 4.3.8. Regressionsmodelle 4.3.9. Statistische Tests 5. Ergebnisse 5.1. Patientencharakteristika 5.2. Struktureller Vergleich der Patienten mit und ohne Rezidiv 5.3. CML-Modell ohne immunologische Komponente 5.3.1. Aufbau des Modells 5.3.2. Sensitivitätsanalyse 5.3.3. Anpassung an die klinischen Daten 5.4. CML-Modell mit immunologischer Komponente (Immunmodell) 5.4.1. Aufbau des Modells 5.4.2. Anpassung an die klinischen Daten 5.4.3. Klassifizierung der Patienten anhand ihrer Immunantwort 5.4.4. Sensitivitätsanalyse 5.4.5. Einfluss der Therapie auf das Rezidivverhalten 5.4.6. Informationsgewinn durch Simulation einer Dosisreduktion 6. Diskussion 6.1. Diskussion der initial formulierten Fragestellungen 6.2. Kritische Betrachtung der Herangehensweise 6.2.1. Patientenselektion 6.2.2. Modellierung der CMLII 6.3. Ausblick 6.3.1. Erweiterungsmöglichkeiten des verwendeten mathematischen Modells 6.3.2. Unterstützung des Designs klinischer Studien 7. Zusammenfassung 8. Summary A. Anhang A.1. Berechnung des Immunfensters A.2. Berechnung der Attraktoren A.2.1. Heilungs-Attraktor A.2.2. Remissions- und Rezidiv-Attraktor A.3. Abbildungen und Tabellen Literaturverzeichnis / Chronic Myeloid Leukemia (CML) is a hematological cancer characterized by the unregulated proliferation of immature myeloid cells in the bone marrow. This leads to a displacement of the normal hematopoiesis with a lethal course if untreated. The introduction of Tyrosine Kinase Inhibitors (TKIs) as a specific therapy has significantly influenced the CML treatment and represents the current first line treatment option for affected patients. Several clinical trials confirmed that TKI treatment can be stopped for some well responding patients without the occurrence of a relapse. It is not yet possible to prospectively identify those patients. Also, the mechanisms leading to a relapse or a treatment-free remission still remain unclear. However, recent clinical trials suggest that an immunological component plays an important role in the long-term disease control. Aim of this work was the expansion of a mathematical CML model by an anti-leukemic immune component to improve the description of the disease behavior of CML patients while treated with TKI and after stopping treatment. A mathematical proof of concept analysis of the model mechanisms leading to relapse or treatment-free remission was performed. Also, it was examined whether such a model can reliably predict the occurrence of a relapse. The BCR-ABL time courses of 21 TKI-treated CML patients, for whom TKI-therapy had been stopped as a clinical intervention, were used in this work. While the adaption of a simplified ODE-model without the immune component could describe the BCR-ABL/ABL decrease during therapy, the model failed to describe a treatment-free remission. Only by expanding the model with an individual immune component, it was possible to correctly reproduce the BCR-ABL/ABL time courses during TKI-treatment and after treatment cessation. Also, an estimation of the individual parameters was only possible by fitting the model to the complete BCR-ABL/ABL time course (including measurements after treatment cessation). Significant differences of the immune parameters determined in this way between relapsing and non-relapsing patients signaled an important influence of the immune component on the relapse behavior. A detailed mathematical analysis of the identified relapse behavior attractor landscapes also suggested that the available patients can be grouped in three general classes (A–C) corresponding to their individual immune response. Certain patients presented an insufficient immune response (class A) and thus, consistently relapsed after stopping treatment as they were unable to prevent a renewed proliferation of residual leukemic cells after treatment cessation. In contrast, some patients showed a sufficient immune response. While patients with a sufficient and strong immune response (class B) required only a minimal treatment duration in the simulations to retain a remission after stopping treatment, the prevention of a relapse for patients with a sufficient and weak immune response (class C) was only possible if an optimal balance between leukemia abundance and immunological activation was achieved before treatment cessation. It could be shown that this balance can theoretically be achieved by an individual titrated and narrowly adapted treatment duration and intensity. Since estimations of the model parameters could only be obtained if the complete data (including post-cessation measurements) were available, it was not possible to predict the individual relapse behavior. Therefore, a 12-months TKI dose reduction simulation was performed for each patient and the resulting BCR-ABL/ABL changes within this period were analyzed. A correlation between the BCR-ABL/ABL increase and the clinical relapse behavior suggested that the BCR-ABL/ABL changes from such system perturbation yields the required information for predictions of the relapse behavior. These simulation results are in qualitative and quantitative agreement with clinical data of the DESTINY trial (NCT01804985). It could be shown that a mathematical CML model is capable of describing the treatment response and relapse behavior of CML patients by incorporation of an immunological control component. Thus, this work supports the results of recent clinical trials which suggest an important role of immune cells for the maintenance of a treatment-free remission. Since a prediction of the individual relapse behavior cannot be obtained from BCR-ABL measurements before stopping treatment, this work highlights the need for further research in this clinical field. Moreover, the results of this work suggest that clinical trials with treatment interventions like a TKI-dose reduction could provide the information required for those predictions.:1. Einleitung und Zielstellung 1.1. Einleitung 1.2. Fragestellung und Zielsetzung dieser Arbeit 2. Medizinischer Hintergrund 2.1. Hämatopoese 2.2. Chronische Myeloische Leukämie 2.2.1. Epidemiologie 2.2.2. Ätiologie und Pathogenese 2.2.3. Klinik und Verlauf 2.2.4. Diagnostik 2.2.5. Therapie 2.2.6. Immunologische Einflussfaktoren auf das Rezidivverhalten 3. Systembiologischer Hintergrund 3.1. Statistische Modelle der TKI-Therapie 3.2. Mechanistische Modelle der TKI-Therapie 3.3. Modellierung von Therapie und Absetzverhalten 3.4. Modelle der CML mit einer immunologischen Komponente 4. Material und Methoden 4.1. Klinische Daten 4.1.1. Herkunft der klinischen Daten 4.1.2. Selektion geeigneter Patienten 4.2. Statistische Beschreibung 4.2.1. Bi-exponentielles Modell 4.2.2. Modellanpassung 4.2.3. Statistische Tests 4.3. Mechanistisches Modell 4.3.1. CML-Modell ohne immunologische Komponente 4.3.2. CML-Modell mit immunologischer Komponente (Immunmodell) 4.3.3. Allgemeines Vorgehen zur Modellanpassung 4.3.4. Berechnung der Anfangsbedingungen 4.3.5. Anpassungsstrategien 4.3.6. Sensitivitätsanalysen 4.3.7. Phasenportaits 4.3.8. Regressionsmodelle 4.3.9. Statistische Tests 5. Ergebnisse 5.1. Patientencharakteristika 5.2. Struktureller Vergleich der Patienten mit und ohne Rezidiv 5.3. CML-Modell ohne immunologische Komponente 5.3.1. Aufbau des Modells 5.3.2. Sensitivitätsanalyse 5.3.3. Anpassung an die klinischen Daten 5.4. CML-Modell mit immunologischer Komponente (Immunmodell) 5.4.1. Aufbau des Modells 5.4.2. Anpassung an die klinischen Daten 5.4.3. Klassifizierung der Patienten anhand ihrer Immunantwort 5.4.4. Sensitivitätsanalyse 5.4.5. Einfluss der Therapie auf das Rezidivverhalten 5.4.6. Informationsgewinn durch Simulation einer Dosisreduktion 6. Diskussion 6.1. Diskussion der initial formulierten Fragestellungen 6.2. Kritische Betrachtung der Herangehensweise 6.2.1. Patientenselektion 6.2.2. Modellierung der CMLII 6.3. Ausblick 6.3.1. Erweiterungsmöglichkeiten des verwendeten mathematischen Modells 6.3.2. Unterstützung des Designs klinischer Studien 7. Zusammenfassung 8. Summary A. Anhang A.1. Berechnung des Immunfensters A.2. Berechnung der Attraktoren A.2.1. Heilungs-Attraktor A.2.2. Remissions- und Rezidiv-Attraktor A.3. Abbildungen und Tabellen Literaturverzeichnis

Unter Verwendung eines mathematischen Hämatopoese-Modells werden verschiedene Fragen adressiert, die im Zusammenhang mit einer möglichen Optimierung der gegenwärtigen Therapie chronischer myeloischer Leukämie (CML) stehen. Es handelt sich um ein agentenbasiertes Modell, das heißt, jede Zelle wird als einzelnes Objekt repräsentiert und gemäß festgelegter Regeln im Computer simuliert. Es werden proliferative von ruhenden Stammzellen unterschieden, wobei sich der Proliferationszustand reversibel ändern kann. Das Modell basiert auf der Annahme, dass sich normale und maligne Stammzellen in einem Wettbewerb um gemeinsame Ressourcen befinden, wobei der CML-Klon einen kompetitiven Vorteil besitzt. Es ist ungeklärt, ob Tyrosinkinaseinhibitoren wie Imatinib (IM) in der Lage sind, die Erkrankung zu heilen. Es gibt Evidenz, dass residuale leukämische Stammzellen im Knochenmark persistieren, welche in einem Ruhezustand (G0-Phase des Zellzyklus) von IM nicht eradiziert werden können. Proliferativ aktive Zellen sind der IM-Wirkung hingegen ausgesetzt. Das Modell sagt voraus, unter welchen Bedingungen eine Kombinationsstrategie von IM mit stammzellaktivierenden Substanzen Synergieeffekte hervorbringen könnte. Ein verwandtes Problem ist die Frage, in welchen Fällen nach Reduktion der Tumorlast auf ein mittels hochsensitiver Messmethoden undetektierbares Niveau ein Therapieabbruch gerechtfertigt ist. Basierend auf dem dynamischen Modell wird in dieser Arbeit ein Prädiktor vorgeschlagen, der vorhersagt, ob ein Patient nach Abbruch der Therapie einen molekularen Rückfall zu erwarten hat. Zusätzlich wird approximativ ein modellunabhängiger Prädiktor angegeben, der die Vorhersage nur auf Basis klinisch messbarer Größen gestattet.

Aberrant subcellular localization of mutant transmembrane receptors is increasingly acknowledged as a possible mechanism for an altered signaling quality leading to transformation. There is evidence that mutated receptor tyrosine kinases of subclass III, for example the platelet-derived growth factor receptor (PDGFR) and KIT-protein, are aberrantly localized in human cancers. In order to further analyze this phenomenon, we investigated the localization of FLT3, a subclass III receptor tyrosine kinase frequently mutated in leukemia. By immunofluorescence staining and confocal laser scanning microscopy we found that in retrovirally transduced COS7 cells, wild type FLT3 receptor protein is localized primarily at the cell surface. In contrast, a mutant FLT3 receptor protein with an internal tandem duplication (ITD) accumulates in a perinuclear region and is not detectable at the plasma membrane. Surprisingly, and in contrast to previously published data, intracellular FLT3-ITD accumulation could neither be detected in the endoplasmic reticulum (ER) nor in the Golgi apparatus. Furthermore, transient overexpression per se leads to accumulation of wild type FLT3 receptor protein in the ER in addition to surface localization, probably due to inefficient intracellular transport by the overloaded sorting machinery of the secretory pathway. Based on our data and the immature glycosylation pattern of FLT3-ITD, we speculate that the mutant protein resides most probably in an unidentified compartment of the secretory pathway between the ER and the Golgi apparatus. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die myeloische Entwicklung wird durch die Familie der Transkriptionsfaktoren CCAAT/Enhancer-Binding-Protein (C/EBP) reguliert. Eine aberrante Expression oder Funktion von C/EBPs stört die normale myeloische Differenzierung und wird bei vielen Arten hämatopoetischer Malignome beobachtet. Mutationen von CEBPA führen zu einem veränderten Expressionsanteil der verkürzten Isoform C/EBPa p30 und werden bei etwa 15% der AML-Patienten (akute myeloische Leukämie) nachgewiesen. Obwohl die verkürzte Isoform C/EBPα p30 als Onkogen identifiziert wurde da sie die Proliferation myeloischer Vorläufer fördert, behält sie dennoch eine Differenzierungsfunktion. Unser Interesse gilt der Frage, wie diese beiden Funktionen von C/EBPα p30 reguliert werden. Die C/EBP-Familie gehört der Gruppe intrinsisch ungeordneter Proteine an, die zudem viele posttranslationale Modifikationen (PTMs) aufweisen. PTMs auf C/EBPα verändern seine biologische Funktionsweise stark. Frühere Forschungsarbeiten haben drei Argininreste am N-Terminus von C/EBPα p30 identifiziert, die aufgrund des Methylierungsstatus differentiell mit anderen Proteinen interagieren. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss der C/EBPα p30 Arginin-Methylierung auf seine pro-leukämische Aktivität sowie dessen Fähigkeit zur Neuausrichtung der hämatopoietischen Differenzierungslinie. Mit Hilfe von Aminosäuresubstitutionen fanden wir heraus, dass C/EBPα p30 Mutanten der Methylierungsmimesis oder Ladungsabschaffung die myeloische Differenzierung verstärkt, während Ladungserhalt-Mutanten die Erneuerung und Proliferation hämatopoetischer Stamm-/Vorläuferzellen unterstützt. Transkriptionelles Profiling von Zellen, die mutierte C/EBPα -p30-Varianten exprimieren, deutet auf potenzielle Ziele der methyliertem bzw. unmethyliertem C/EBPα p30 hin. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Arginin-Methylierungsstatus das Leukämie- und Differenzierungs-Potenzial von C/EBPα p30 verändert und somit ein neues Ziel der Leukämietherapie darstellen könnten. / Myeloid development is regulated by the family of transcription factors CCAAT/enhancer-binding-protein (C/EBP). Aberrant expression or functioning of C/EBPs disturbs normal myeloid differentiation and is found in many types of hematopoietic malignancies. Mutations of CEBPA lead to imbalanced expression of the truncated isoform C/EBPα p30 and are found in approximately 15% of AML (acute myeloid leukemia) patients. Yet, how C/EBPα participates in leukemic progression remains to be discovered. More specifically, the truncated isoform C/EBPα p30, although being identified as an oncogenic isoform that promotes proliferation of myeloid progenitors, still retains differentiation function. The question of how both functions of C/EBPα p30 are regulated, is of our interest. C/EBP family also represents a group of intrinsically disordered proteins, which contain many post-translational modifications (PTMs). PTMs on C/EBPα greatly alter its functioning. Previous works have identified three arginine residues at the N-terminus of C/EBPα p30 that interact differently with others protein dependent on their methylation status. We hypothesize, that methylation of these arginine residues plays important roles in the biology of C/EBPα p30. In this study, we used a lymphoid-to-myeloid transdifferentiation (LMT) system to investigate the influence of arginine-methylation on C/EBPα-induced lineage switch and its pro-leukemic activity. Using amino acid substitution, we found that C/EBPα p30 mutants that resemble arginine-methylated p30 enhanced myeloid differentiation, while the charge-retention mutant, resembling arginine-unmethylated p30, supported renewability and proliferation of hematopoietic progenitors. Transcriptional profiling of cells expressing C/EBPα p30 variants suggested potential targets of either methylated or unmethylated p30. The results implied that arginine methylations alter C/EBPα p30’s leukemic potential and might comprise novel targets of leukemia therapy.

Wir berichten über einen 48-jährigen multimorbiden Patienten, der vor 26 Jahren eine allogene Knochenmarktransplantation aufgrund einer chronischen myeloischen Leukämie erhielt; 24 Jahre lang litt der Patient an einer sklerodermiformen chronischen Graft-versus-Host-Disease (GVHD) der Haut und der Lunge mit partieller Lungenresektion und immunsuppressiver Therapie. An den Unterschenkeln entwickelten sich rezidivierende Ulzerationen an den von der kutanen GVHD betroffenen Stellen. Der Patient stellte sich mit einem größenprogredienten Ulkus mit Therapieresistenz in unserer Klinik vor. Histologisch konnte ein Plattenepithelkarzinom diagnostiziert werden. Die Magnetresonanztomographie zeigte eine Knochenbeteiligung und eine kutane In-Transit-Metastase, und die Computertomographie ergab eine Metastase im Os sacrum. Bevor die Therapie eingeleitet wurde, verstarb der Patient plötzlich an den Folgen seiner Vorerkrankungen. Die Entwicklung einer kutanen GVHD ist häufig bei Patienten mit allogener Stammzelltransplantation. Hierbei ist das Risiko für die Entwicklung von Plattenepithelkarzinomen erhöht. Patienten sollten unter engmaschiger dermatologischer Kontrolle stehen. Bei Verdacht auf ein Plattenepithelkarzinom bei vorbestehender GVHD sollte zeitnah eine bioptische Sicherung erfolgen, um das Risiko einer Metastasierung zu senken.