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We performed a retrospective study in 185 patients with myelogenous leukemias who had received hematopoietic cells from unrelated donors. The aim of this study was to answer the question wether the benefit of KIR ligand incompatibility seen in haploidentical tranplantations can also be seen using unrelated donors. We could not detect a significant difference in survival between patients with a KIR ligand incompatibility and those with either fully matched or partially mismatched unrelated donors in this patient cohort. / In der Therapie von Leukämien ist die Knochenmark- bzw. Stammzelltransplantation eine tragende Säule. Für den Transplantationserfolg ist eine Übereinstimmung der Haupthistokompatibilitätsantige (HLA-Antigene der Klassen I und II) zwischen Spender und Empfänger von zentraler Bedeutung. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus der sogenannten MHC-Restriktion in der T-Zellrezeptorerkennung. Ob auch NK-Zellrezeptoren und deren Liganden in der Spenderauswahl berücksichtigt werden sollten, ist bisher unzureichend untersucht. Insbesondere trifft das für die KIR-Rezeptoren zu, die wie die T-Zellrezeptoren ebenfalls HLA-Antigene als Liganden besitzen. Velardi et al. haben 2002 erstmalig gezeigt, daß in der Therapie myeloischer Leukämien die Transplantation von Blutstammzellen verwandter Spender mit KIR-Liganden-Inkompatibilität von klinischem Vorteil ist. Ob KIR-Liganden-Inkompatibilität auch bei Knochenmark-/ Stammzelltransplantationen Unverwandter Bedeutung erlangen könnte, war zu Studienbeginn offen und blieb auch infolge diskrepanter Untersuchungsergebnisse von verschiedenen Arbeitsgruppen im Verlauf der Studie widersprüchlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Fragestellung, die auch Teil einer internationalen Studie war, an 185 Spender-Empfänger-Paaren retrospektiv untersucht. Dabei wurde bei den Paaren einerseits die KIR-Liganden-Kompatibilität auf der Grundlage der HLA-C-Supertypen erschlossen (nach Velardi et al.). Andererseits konnte sie im internationalen Studienprogramm direkt aus dem KIR-Genotyp des Spenders und dem HLA-C-Supertyp des Empfängers ermittelt werden. Die Untersuchungen ergaben folgende Resultate: bei Vorliegen von KIR-Liganden-Inkompatibilität hat die Verwendung von ATG als Bestandteil der GvHD-Prophylaxe keinen Einfluß auf das klinische Ergebnis. Die Vermutungen von Giebel et al. wurden damit nicht gestützt. Die Bestimmung des KIR-Liganden-Status mit Hilfe der Rückschlußmethode allein aus dem HLA-Typ ist unzuverlässig. Für eine exakte Differenzierung ist die gleichzeitige KIR-Genotypisierung erforderlich. KIR-Liganden-Inkompatibilität ist bei unverwandten Knochenmark-/ Stammzelltransplantationen nicht von klinischem Vorteil. Auch ein gezieltes Aussuchen HLA-C-inkompatibler Spender auf der Grundlage einer KIR-Genotypisierung stellt derzeit keine therapeutische Option dar.

Der Transkriptionsfaktor CCAAT/enhancer-binding Protein β (C/EBPβ) reguliert die Expression zahlreicher Gene, welche die Proliferation, Differenzierung und Seneszenz in hämatopoietischen Zellen, Adipozyten und Leukämiezellen kontrollieren. Um diese mannigfaltigen Aufgaben zu erfüllen interagiert C/EBPβ mit zahlreichen Kofaktoren und Proteinen der Transkriptionsregulations-Maschinerie. Da das funktionale Netzwerk von C/EBPβ und seinen zahlreichen Kooperationspartnern bis heute nicht vollständig entziffert ist, ist es das Ziel dieser Arbeit das Netzwerk aus Interaktionspartnern und C/EBPβ regulierten Proteinen in Leukämiezelllinien und darüber hinaus zu erforschen und aufzudecken. Das Interaktom von C/EBPβ wurde mittels einer Kombination aus einem membranbasierten Peptid-Interaktions Testverfahrens (APS) und endogener Immunprezipitationen mit gekoppelter MS-Analyse untersucht. Außerdem wurde die Proteinmenge von C/EBPβ und von potentiell von C/EBPβ regulierten Proteinen mittels proteomischer MS-Analyse in C/EBPβ Knock-out- und Leukämiezelllinien untersucht. Die Protein-Interaktionsversuche ergaben epigenetische und allgemeine transkriptionsregulierende Proteine, sowie Chromatinstruktur modellierende Faktoren, die mit C/EBPβ interagieren. Zusätzlich konnten neue Interaktionen von C/EBPβ mit Kondensin- und Kinetochorproteinen beobachtet werden. Die Versuchsergebnisse eröffnen überdies neue Interaktionen von C/EBPβ mit DNA Reparatur und Apoptose assoziierten Proteinen. Interessanterweise konnten auch Komponenten des Spliceosomes und RNA-prozessierende Proteine als Interaktoren von C/EBPβ identifiziert werden. Zusammenfassend ermöglicht diese Studie nicht nur die Verifikation von bereits bekannten Proteininteraktionen von C/EBPβ, sondern eröffnet zahlreiche weitere zukünftige Forschungsfelder bezüglich des Interaktionsnetzwerkes von C/EBPβ in Leukämien, sowie anderen Zellarten und Geweben. / The basic leucine zipper transcription factor CCAAT/enhancer-binding protein β (C/EBPβ) regulates the expression of various genes that control the proliferation, differentiation and senescence of haematopoietic cells, adipocytes and leukemia cells. To facilitate its multifaceted functions C/EBPβ interacts with a collection of cofactors and proteins of the transcription regulation machinery. As the functional network of C/EBPβ and its numerous cooperation partners is still incomplete this study attempted to analyze interaction partners and downstream proteins of C/EBPβ in leukemia cells and beyond. A combinatory approach of an array based peptide-interaction screening (APS) and endogenous shotgun IP-MS from leukemia cell lines was applied to elucidate the interactome of C/EBPβ. Moreover, C/EBPβ abundance and potential C/EBPβ regulated proteins were determined by MS proteomics in C/EBPβ knockout and leukemia cell lines. The interaction screenings revealed proteins associated with the general and epigenetic regulation of transcription, with chromatin remodeling and mitotic chromatin organization as well as cell cycle regulation. Additionally, new interactions of C/EBPβ with condensin and kinetochore proteins could be elucidated. The data reports of novel C/EBPβ interactors involved in DNA repair and apoptosis. In addition, components of the spliceosome and RNA-processing were detected. Altogether this study verifies known and reveals various novel interactions of the transcription factor C/EBPβ and augments the network of previous reported interactions and potential cooperation partners. The here collected data discloses new subjects for further research concerning the interaction network of C/EBPβ during cell differentiation and in leukemia.

Das Gen H-rev107 wurde mit einer subtraktiven cDNS-Bibliothek zwischen H-ras-transformierten und H-ras-resistenten Fibroblasten isoliert. Es wurde als ein Klasse II Tumorsuppressorgen bezeichnet, dessen Expression die H-ras-induzierte maligne Transformation unterdrückt. Weitere Untersuchungen zeigten die Existenz einer Genfamilie mit dem Gen H-rev107-1 auf Chromosom 11q11-12 und H-rev107-2/TIG3/RARRES3 auf 11q23. Die Induzierbarkeit in epithelialen Zellen durch Interferon-gamma (H-rev107-1) und Retinoide (H-rev107-2) legten eine Beteiligung der Expression beider Gene bei der Regulation der Hämatopoese nahe. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels RT-PCR in 8/15 Patientenproben (10 AML, 5 ALL) eine Expression von H-rev107-2 gefunden. H-rev107-2 wurde durch IFN-gamma in 14/14 Proben und durch all-trans Retinsäure (ATRA) in 5/15 Proben induziert. In Zelllinien maligner hämatopoetischer Erkrankungen konnte mit RT-PCR und Northern-Blot-Analysen bei CEM eine deutliche, bei Raji und HL-60 eine schwache Expression und bei NB-4, U937, K562 und Jurkat keine Expression von H-rev107-2 nachgewiesen werden. In allen 7 Zelllinien konnte H-rev107-2 durch IFN-gamma induziert werden. Die Induzierbarkeit durch ATRA und IFN-alpha war Zelllinien abhängig. Die stärkste Induktion durch ATRA erfolgte bei der akuten Promyelozytenleukämie-Zelllinie NB-4. Eine Induktionskinetik erbrachte eine H-rev107-2-Expression frühestens nach 4 h Inkubation mit IFN-gamma oder ATRA. Die Inhibition des MAPK-Signalwegs durch den MEK-Inhibitor PD098059 und des Signaltransduktors JAK2 durch AG490 hatte bei den myeloischen Zelllinien weder Einfluss auf die H-rev107-2-Expression noch auf die H-rev107-2-Induktion durch IFN-gamma oder ATRA. Die Expression von H-rev107-1 konnte bei U937, CEM und K562 gezeigt werden, wogegen die RT-PCR-Analysen bei NB-4, HL-60, Raji und Jurkat sowie bei 8 Patientenproben (6 AML, 2 ALL) keine H-rev107-2-Transkripte nachwiesen. Eine schwache Induktion von H-rev107-1 konnte nur bei den Zelllinien NB-4 durch ATRA und IFN-gamma und bei K562 durch IFN-gamma und IFN-alpha erzielt werden. Zusammenfassend legen die Ergebnisse dieser Arbeit eine Beteiligung von H-rev107-2/TIG3/RARRES3 bei der Regulation der Hämatopoese als ein mögliches Interferon- und ATRA-Target nahe. / The H-rev107 gene has been isolated by cDNA subtraction from a cell culture model of H-ras transformed fibroblasts. It was characterized as a class II tumor suppressor gene confering resistance to H-ras induced transformation. Further investigation has demonstrated the presence of a human gene family with H-rev107-1 localized on chromosome 11q11-12 and H-rev107-2/TIG3/RARRES3 on 11q23. Inducibility of the genes in epithelial cells by interferon-gamma (H-rev107-1) and retinoids (H-rev107-2) has suggested that expression of the H-rev107 genes might be relevant in hematopoesis. In the present study RT-PCR analysis revealed an expression of H-rev107-2 in 8/15 samples of leukaemic blasts derived from patients suffering from acute leukaemias (10 AML, 5 ALL). H-rev107-2 was induced upon incubation with IFN-gamma ?in 14/14 samples and with ATRA in 5/15 samples. In cell lines derived from myeloid and lymphoid tumors an expression of H-rev107-2 was found in CEM (strong), Raji and HL-60 (both weak), whereas in NB-4, U937, K562 and Jurkat no H-rev107-2 transcripts were detected by RT-PCR and Northern Blot analysis. In all cell lines H-rev107-2 could be strongly induced by IFN-gamma. Inducibility of H-rev107-2 upon treatment with IFN-alpha or ATRA was dependent on the type of cell line. In contrast to the weak effect seen in the myeloblastic cell line HL-60 a strong induction of H-rev107-2 by ATRA occurred in the acute promyelocytic leukaemia cell line NB-4. Transcripts of H-rev107-2 in NB-4 were detected at the earliest after 4 h incubation with ATRA or IFN-gamma. Inhibition of the MAPK-pathway by the MEK-inhibitor PD089059 or the signal transducer JAK2 by AG490 had neither influence on the H-rev107-2 expression nor on the IFN-gamma- and ATRA-dependent H-rev107-2 induction. H-rev107-1 expression was detectable in U937, CEM and K562, whereas RT-PCR analysis of the other cell lines and of 8 samples of primary leukaemic blasts (6 AML, 2 ALL) revealed no H-rev107-1 expression. An induction of H-rev107-1 occurred exclusively in NB-4 by ATRA and IFN-gamma and in K562 by IFN-gamma and IFN-alpha? to a weak extend. In conclusion, this work revealed a likely involvement of the class II tumor suppressor gene H-rev107-2/TIG3/RARRES3 in the regulation of hematopoesis being a potential IFN and ATRA target.

T-cell receptor (TCR) polyclonal mature T cells are surprisingly resistant to oncogenic transformation after retroviral insertion of T-cell oncogenes. In a mouse model, it has been shown that mature T-cell lymphoma/leukemia (MTCLL) is not induced upon transplantation of mature, TCR polyclonal wild-type (WT) T cells, transduced with gammaretroviral vectors encoding potent T-cell oncogenes, into RAG1-deficient recipients. However, further studies demonstrated that quasi-monoclonal T cells treated with the same protocol readily induced MTCLL in the recipient mice. It has been hypothesized that in the TCR polyclonal situation, outgrowth of preleukemic cells and subsequent conversion to overt malignancy is suppressed through regulation of clonal abundances on a per-clone basis due to interactions between TCRs and self-peptide-MHC-complexes (spMHCs), while these mechanisms fail in the quasi-monoclonal situation. To quantitatively study this hypothesis, we applied a mathematical modeling approach. In particular, we developed a novel ordinary differential equation model of T-cell homeostasis, in which T-cell fate depends on spMHC-TCR-interaction-triggered stimulatory signals from antigen-presenting cells (APCs). Based on our mathematical modeling approach, we identified parameter configurations of our model, which consistently explain the observed phenomena. Our results suggest that the preleukemic cells are less competent than healthy competitor cells in acquiring survival stimuli from APCs, but that proliferation of these preleukemic cells is less dependent on survival stimuli from APCs. These predictions now call for experimental validation.

Background: Clonal competition in cancer describes the process in which the progeny of a cell clone supersedes or succumbs to other competing clones due to differences in their functional characteristics, mostly based on subsequently acquired mutations. Even though the patterns of those mutations are well explored in many tumors, the dynamical process of clonal selection is underexposed. Methods: We studied the dynamics of clonal competition in a BcrAbl-induced leukemia using a γ-retroviral vector library encoding the oncogene in conjunction with genetic barcodes. To this end, we studied the growth dynamics of transduced cells on the clonal level both in vitro and in vivo in transplanted mice. Results: While we detected moderate changes in clonal abundancies in vitro, we observed monoclonal leukemias in 6/30 mice after transplantation, which intriguingly were caused by only two different BcrAbl clones. To analyze the success of these clones, we applied a mathematical model of hematopoietic tissue maintenance, which indicated that a differential engraftment capacity of these two dominant clones provides a possible explanation of our observations. These findings were further supported by additional transplantation experiments and increased BcrAbl transcript levels in both clones. Conclusion: Our findings show that clonal competition is not an absolute process based on mutations, but highly dependent on selection mechanisms in a given environmental context.

Background: Clonal competition in cancer describes the process in which the progeny of a cell clone supersedes or succumbs to other competing clones due to differences in their functional characteristics, mostly based on subsequently acquired mutations. Even though the patterns of those mutations are well explored in many tumors, the dynamical process of clonal selection is underexposed. Methods: We studied the dynamics of clonal competition in a BcrAbl-induced leukemia using a γ-retroviral vector library encoding the oncogene in conjunction with genetic barcodes. To this end, we studied the growth dynamics of transduced cells on the clonal level both in vitro and in vivo in transplanted mice. Results: While we detected moderate changes in clonal abundancies in vitro, we observed monoclonal leukemias in 6/30 mice after transplantation, which intriguingly were caused by only two different BcrAbl clones. To analyze the success of these clones, we applied a mathematical model of hematopoietic tissue maintenance, which indicated that a differential engraftment capacity of these two dominant clones provides a possible explanation of our observations. These findings were further supported by additional transplantation experiments and increased BcrAbl transcript levels in both clones. Conclusion: Our findings show that clonal competition is not an absolute process based on mutations, but highly dependent on selection mechanisms in a given environmental context.

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.

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) presents the deadliest form of blood cancer which leads to abrupt, premature deaths. Current therapeutic treatment options in AML are unspecific, resulting in high relapse rates and poor clinical responses in patients. Therapy-resistant, stem cell-like AML cells are believed to be protected by proximal stromal cells in their microenvironment, the leukemic stem cell niche. In part A of this work, an innovative first-of-its-kind arrayed endoribonuclease-prepared siRNA (esiRNA) screen was established for the targeted identification of stromal-derived, AML-supportive genes. Immortalized bone-marrow derived mesenchymal stromal cells (SCP-1) were subjected to individual esiRNA-mediated target gene knockdowns (KD) and subsequently cocultured with AML cell lines MV4-11, OCI-AML3, MOLM-13 and HL-60. AML proliferation and therapy resistance to cytostatic agents Cytarabine or Daunorubicin and tyrosine kinase inhibitor Midostaurin were assessed in direct cocultures. In SCP-1, several secreted, membrane-associated and intracellular molecules were identified which, upon esiRNA-mediated KD, resulted in proliferation inhibition and enhanced treatment response of cocultured AML cells. Carbonic anhydrase 9 (CA9), a stabilizer of intracellular pH, was identified as a supportive factor in proliferation and resistance of leukemic cells to Daunorubicin treatment whilst CA9-KD exerted only a comparably low toxicity in SCP-1 cells. Excitingly, published data by Chen and colleagues (Blood, 2017, Vol. 130, Suppl. 1, 2521) indicated an upregulation of CA9 in hypoxic ex vivo cultures of leukemic cells, measured an anti-leukemic effect of pharmacological CA9 inhibition and identified a synergistic effect on leukemic cells via combinatorial treatment of CA9-inhibition and Cytarabine under hypoxic culture conditions. Taken together, an arrayed esiRNA screen identified CA9 and other stromal-derived factors which potentially open up new avenues for selective therapeutic treatments targeting the leukemic microenvironment in AML. Currently, preclinical leukemia research relies on artificial suspension cultures of AML cells and highly sophisticated, patient-derived xenograft (PDX) mouse models that are marked by suboptimal translation of findings of PDX experiments into the clinic. Recent developments in complex three-dimensional (3D) hydrogel star-shaped poly(ethylene glycol) (starPEG)-heparin cocultures of leukemic and stromal cells of human origin showed promising results in proliferation and drug response studies. Therefore, in part B of this work, a high throughput screening (HTS)-compatible 3D hydrogel culture setup of human stromal cells was established in 384-well plates. Implementation of design of experiments (DoE) enabled an efficient, cost-effective optimization of hydrogel monocultures of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Optimized culture conditions favored angiogenic sprouting of hydrogel-embedded HUVECs which responded to angiogenic inhibitors Axitinib, AZD4547 and Bevacizumab in a dose-dependent manner. A coculture with bone marrow derived MSCs altered the angiogenic network formation of endothelial CD31+ vessel-like structures. The hydrogel coculture was further stabilized by extensive hydrogel degradation and ECM deposition of MSCs. Stromal MSC networks were illustrated as highly interconnected and elongated F-Actin filament structures (CD31- F-Actin+) that were closely associating with CD31+ F-Actin+ endothelial vessel-like structures. Excitingly, the established 3D hydrogel HTS platform of primary human stromal cells enables future addition of patient-derived leukemic cells for targeted leukemic vulnerability screens in an ex vivo cell culture model of the perivascular stem cell niche. / Akute myeloische Leukämie (AML) gilt als die tödlichste Form der Blutkrebserkrankungen, welche untherapiert zum abrupten, vorzeitigen Tod führt. Etablierte therapeutische Verfahren der AML sind unspezifisch, welche durch heterogene Behandlungseffekte gekennzeichnet sind und zu hohen Rückfallquoten führen. Man vermutet, dass therapie-resistente, stammzellähnliche leukämische Zellen von proximal residierenden Stromazellen in ihrem Mikromilieu, in der sogenannten leukämischen Stammzellnische, vor therapeutischen Behandlungen geschützt werden. In Teil A dieser Arbeit wurde ein innovativer, neuartiger Screen basierend auf Endoribonuklease-generierten kleinen, interferierenden Ribonukleinsäuren (esiRNAs) für eine gezielte Identifikation von AML-supportiven, stromalen Faktoren etabliert. Immortalisierte, mesenchymale Stromazellen aus dem Knochenmark (SCP-1) wurden in einem Array mit spezifischen esiRNAs transfiziert, um esiRNA-basierende inhibierende Effekte (Knockdown) auf die Genexpression von Zielgenen in SCP-1 zu studieren und indirekte Auswirkungen auf Proliferationsrate und Therapieresistenz von kokultivierten leukämischen Zelllinien, MV4-11, OCI-AML3, MOLM-13 und HL-60, bei Behandlung mit Cytarabin, Daunorubicin und Midostaurin, zu studieren. Mehrere sezernierte, membranständige und intrazelluläre Faktoren wurden in SCP-1 identifiziert, deren esiRNA-vermittelter Knockdown zu einer Proliferationsminderung sowie verstärkten Toxizitätseffekten von applizierten Therapeutika in Leukämiezellen führten. Beispielhaft wurde Carboanhydrase (CA9), ein Enzym welches den intrazellularen pH einer Zelle stabilisert, als Target identifiziert. Ein Knockdown von CA9 in SCP-1 resultierte in einer Proliferationsminderung von kokultivierten Leukämiezellen, welche des Weiteren in einer Behandlung mit Daunorubicin verstärkt abgetötet wurden. Publizierte Daten von Chen et al. (Blood, 2017, Vol. 130, Suppl. 1, 2521) zeigten, dass CA9 in hypoxischen ex vivo Kulturen in leukämischen Zellen hochreguliert war und, dass dessen pharmakologische Inhibition einen anti-leukämischen Effekt aufwies. Zudem wurde ein synergistischer Therapieffekt, bei einer Kombinationstherapie mit einem CA9-Inhibitor und Cytarabin, auf AML Zellen in hypoxischer Zellkultur festgestellt. Zusammenfassend wurden in einem esiRNA-Screen CA9 und weitere stromal-exprimierte Faktoren identifiziert, die das Potential besitzen neuartige Therapiestrategien zu ermöglichen, welche auf die leukämische Stammzellnische als Zielstruktur ausgerichtet sind. In der präklinischen Forschung von hämatologischen Erkrankungen werden vorrangig artifizielle zweidimensionale Suspensionskulturen von Leukämiezellen verwendet oder ausgefeilte, patienten-derivierende Xenograft (PDX) Mausmodelle eingesetzt. Bedauerlicherweise weisen Erkenntnisse aus Mausmodellen eine geringe Translationseffizienz in die klinische Forschung auf. Neuste Entwicklungen mit komplexen, dreidimensionalen Hydrogelkulturen, bestehend aus sternförmigem Polyethylenglykol (starPEG) und Heparin, von stromalen und leukämischen Zellen humanen Ursprungs zeigten vielversprechende Ergebnisse in präklinischen Proliferations- und Vulnerabilitätsstudien. Daher wurde in Teil B dieser Arbeit ein hochdurchsatzfähiges dreidimensionales Kultursystem von humanen Stromazellen in Hydrogelen entwickelt. Per statistischer Versuchsplanung wurde eine effiziente, kostengünstige Optimierung von etablierten Hydrogelkulturen für die Hochdurchsatz-kompatible Kultur von humanen venösen Endothelzellen aus Nabelschnuren (HUVECs) durchgeführt. Optimierte Kulturbedingungen führten zur Angiogenese von Hydrogel-eingebetteten HUVECs, welche des Weiteren auf die Angiogenese-Inhibitoren Axitinib, AZD4547 und Bevacizumab in einer konzentrationsabhängigen Weise mit verminderter Bildung von gefäßähnlichen Strukturen reagierten. Eine Kokultur von HUVECs mit primären, mesenchymalen Stromazellen aus dem Knochenmark (MSCs) beeinflusste die Bildung von CD31+ gefäßähnlichen Strukturen. Die Hydrogel-Kokultur wurde des Weiteren durch verstärkte Degradation des Hydrogels und Deposition von Komponenten der extrazellulären Matrix via MSCs verändert und dadurch zusätzlich stabilisiert. Geformte Netzwerkstrukturen von MSCs und HUVECs wurden mittels F-Actin Färbung identifiziert, wodurch ersichtlich wurde, dass Strukturen von MSCs (CD31- F-Actin+) in enger räumlicher Distanz zu HUVEC Strukturen (CD31+ F-Actin+) gebildet wurden. Spannenderweise ermöglicht die, in dieser Arbeit etablierte, Hochdurchsatz-kompatible Kokultur von humanen Stromazellen die Möglichkeit auch leukämische Zellen in die Hydrogelmatrix einzubetten. Eine humane AML-Stroma Kokultur in Hydrogelen wird gezielte Vulnerabilitätsscreens von AML Zellen in einem komplexen ex vivo Zellkulturmodel der perivaskulären Stammzellnische ermöglichen.