Recentemente, a expressão gênica dos receptores TLR foi encontrada em diversos tipos de células tumorais. A sua participação na biologia do câncer é controversa já que foram descritas ações pró e anti-tumorais após a ativação de sua sinalização. Na Leucemia Mielóide Crônica (LMC) nada se tem demonstrado. BCR-ABL é uma oncoproteína quimérica cujo sítio tirosina quinasa constitutivamente ativado promove inúmeras vias de sinalizações que desencadeia a transformação celular. Este trabalho se inicia com a hipótese de existir uma relação entre o oncogene BCR-ABL e a expressão dos receptores TLRs. Nós verificamos em células murinas TonB210.1 com expressão de BCR-ABL induzível por doxiciclina que Tlr1 e Tlr2 tem sua expressão gênica relativa aumentada na presença da oncoproteína. A regulação positiva de Tlr1 é dependente da ação tirosina quinasa de BCR-ABL. Também mostramos que as vias p38 e JNK estão reprimindo a expressão de Tlr1 induzida por BCR-ABL enquanto que a via ERK é utilizada pelo BCR-ABL para promovê-la. Por outro lado, observamos que a ligação de TLR1/TLR2 com seu agonista sintético Pam3CSK4 em células TonB210.1 BCR-ABL positivas induz um aumento da produção de IL-6 e leva ao aumento da resistência a morte quando induzida pelas drogas Ara-C e VP16. Em conclusão, estes resultados indicam que BCR-ABL esta regulando a expressão gênica de alguns TLRs. Por tanto esses dados contribuem para a compreensão sobre o comportamento de células tumorais BCR-ABL positivas em um contexto de infecção e por conseqüência, dão margem ao estudo de novos alvos de fator de risco para a LMC. / Recently, the gene expression of TLR receptors have been described in several kinds of tumour cells. Its participation in cancer biology is controversial because roles were already been described in pro and anti-tumoral activities after their signaling activation. In Chronic Myeloid Leukemia (CML) there are no published data. BCR-ABL is a quimeric protein and its tyrosine-kinase site is activated constitutively. Thus, many signaling pathways are activated and several cell processes are altered thereby resulting in cellular transformation. This work has started with the hypothesis that a putative relationship between the oncogene BCR-ABL and the expression of TLR receptors could exists. We verified in murine cells TonB210.1 BCR-ABL expression inducible by doxycicline that Tlr1 and Tlr2 have their relative gene expression up-regulated in the presence of the oncoprotein. Therefore the Tlr1 regulation is dependent of BCR-ABL tyrosine kinase action. Using MAPK inhibitors we showed that p38 and JNK pathways are suppressing the TLR1 induction by BCR-ABL while ERK pathway is used by the oncoprotein for promote it. On the other hand, we observed in TonB210.1 BCR-ABL positive cells that the binding of TLR1/TLR2 heterodimer to their synthetic agonist Pam3CSK4 induced an increased production of IL-6 and when these cells were induced by Ara-C and VP-16 drugs the apoptosis resistance increased. In conclusion, these results indicate that the oncoprotein regulates the gene expression of some TLRs. Therefore, this fact gives us data about the behavior of BCR-ABL positive tumor cells in the context of infection and in consequence the study of new risk factor targets for CML.

L’objectif général de cette thèse a été de mettre en évidence la contribution de l’approche transcriptomique dans la physiopathologie et le traitement des hémopathies malignes. En particulier, comment la technologie des microarrays nous a aidée à étudier diverses problématiques en onco-hématologie.Dans la première partie, notre objectif était d’étudier les cellules Natural killer (Nk) chez les patients atteints de leucémie aiguë myéloïde (LAM). Nous avons comparé la signature transcriptomique des cellules Nk de patients LAM à celle des cellules Nk de sujet sains et suggéré que le facteur de transcription ETS-1 est un bon candidat capable de réguler les récepteurs activateurs NCR (natural cytotoxicity receptors) dont les gènes sont situés sur deux chromosomes différents, même si leur expression reste fortement cordonnée.Dans la seconde partie, nous nous sommes intéressés à la prédiction du sepsis en utilisant une approche transcriptomique dans le cadre de l’autogreffe de cellules souches hématopoïétiques (auto-CSH). En utilisant le même modèle, dans la troisième partie, nous avons mis en évidence l’effet du melphalan en tant que chimiothérapie de conditionnement sur les cellules mononuclées du sang périphérique et identifié un marqueur potentiel de rechute précoce chez les patients atteints de myélome dans le cas de l’auto-CSH. Enfin, dans la dernière partie, notre objectif a été d’analyser le profil d’expression génique des lymphomes B diffus à grandes cellules liés à l’infection par le VIH afin de vérifier ou pas l’existence des sous-types décrits chez les patients immunocompétents. / The aim of this research is to demonstrate transcriptomic approach contribution in the physiopathology and treatment of hematological malignancies. In particular, how microarrays technology is used to study several oncohematology difficulties; which remain deaths-related infection, as well as the failure to obtain remission and death related relapse. In the first part, our focus was to study natural killer cells (Nks) in patients affected with acute myeloid leukemia (AML). We compared transcriptomic AML-NKs signature with healthy donors-NKs signature and suggested that ETS-1 transcription factor is a good candidate able to regulate the natural cytotoxicity receptors (NCRs), whose coding genes, are located on two different chromosomes even if their expression remain strongly coordinated.Our second part, aimed to predict sepsis using a transcriptomic approach in the case of autologous stem cell transplantation (auto-HSCT). Using the same model, in the third part, we highlighted the melphalan high-dose chemotherapy effect on peripheral blood mononuclear cells and identified a potential good biomarker of early relapse in patients affected by myeloma in the case of auto-HSCT.Our final focus was to analyze gene expression profile of HIV-related large diffuse B-cell lymphoma type in order to verify the existence of subgroups described in immune-competent patients.

Les leucémies aiguës myéloïdes (LAM) représentent un groupe d’hémopathies malignes agressives, de pronostic sombre en dépit des traitements intensifs actuellement proposés. Malgré une grande hétérogénéité clinique et moléculaire, les cellules de LAM sont caractérisées par l’activation de voies de signalisation essentielles à leur prolifération et leur survie, comme par exemple celle du complexe mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1). Cependant, l’utilisation clinique d’inhibiteurs tels que la rapamycine ou des inhibiteurs catalytiques s’est avérée décevante, ce qui suggère qu’il n’y a pas d’addiction oncogénique à mTORC1 dans les LAM. Au cours de ce travail, nous avons démontré que l’activation de mTORC1 est au contraire une condition nécessaire à l’induction de la mort cellulaire en réponse à l’activation d’AMPK (AMP-activated protein kinase), établissant une relation de létalité synthétique entre ces deux voies. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau composé activateur spécifique d’AMPK, le GSK621. En invalidant la sous-unité catalytique AMPKα1 par ARN interférence ou par le système CRISPR/Cas9, nous avons démontré que les effets antileucémiques de ce composé sont bien dépendants de l’activation d’AMPK. Nous avons observé que ce composé favorise l’autophagie, et que ce processus est impliqué dans la mort des cellules leucémiques puisque l’inhibition des protéines ATG5 ou ATG7 a un effet protecteur sur les cellules leucémiques. Les effets antileucémiques du composé GSK621 ont été confirmés sur des cellules primaires, ainsi que sur un panel de vingt lignées de LAM, et dans un modèle murin de xénogreffe. De façon intéressante, l’activation d’AMPK pourrait également compromettre la survie des cellules souches leucémiques, comme en atteste l’atténuation du potentiel clonogénique en méthylcellulose de cellules murines transformées par MLL-ENL ou FLT3-ITD. Nous avons observé que le composé GSK 621 n’avait pas de toxicité envers les progéniteurs hématopoïétiques normaux, ouvrant ainsi une fenêtre thérapeutique intéressante. Comme l’activation d’AMPK conduit dans de nombreux modèles cellulaires à l’inhibition de mTORC1, et comme l’activation de mTORC1 est observée dans les cellules de LAM mais pas dans les progéniteurs hématopoïétiques normaux, nous avons proposé l’hypothèse que le niveau d’activation de mTORC1 déterminait les effets de l’activateur d’AMPK. Pour cela, nous avons inhibé mTORC1 dans les cellules leucémiques d’une part, et activé mTORC1 dans les progéniteurs normaux d’autre part. De façon inattendue, mTORC1 échappe au contrôle d’AMPK dans les LAM, et nous avons observé que l’activation de mTORC1 est une condition nécessaire et suffisante pour que le composé GSK621 entraîne la mort des cellules. Le substrat moléculaire de cette létalité synthétique est le facteur de transcription proapoptotique ATF4, dont la transcription est favorisée par mTORC1, et la traduction par AMPK via la phosphorylation d’eIF2A. Ces travaux proposent donc que malgré l’absence d’addiction oncogénique, l’activation de mTORC1 dans les LAM représente une opportunité thérapeutique originale via une relation de létalité synthétique avec l’activation d’AMPK. Ils constituent un rationnel au développement clinique d’activateurs d’AMPK dans les LAM, voire dans d’autres cancers ayant une activation constitutive de mTORC1. / Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease with poor prognosis despite intensive treatments. Virtually all recurrent molecular alterations in AML functionally converge to cause signal transduction pathway dysregulation that drives cellular proliferation and survival. The mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a rapamycin-sensitive signaling node defined by the interaction between mTOR and raptor. Constitutive mTORC1 activity is nearly universal in AML. However, pharmacologic inhibition with rapamycin or second-generation mTOR kinase inhibitors has shown limited anti-leukemic activity in both preclinical models as well as in clinical trials, suggesting that addiction to this oncogene is not a recurrent event in AML. Here we report that sustained mTORC1 activity is nonetheless essential for the cytotoxicity induced by pharmacologic activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) in AML. Our studies employed a novel AMPK activator called GSK621. Using CRISPR/Cas9 and shRNA-mediated silencing of the AMPKa1 catalytic subunit, we showed that AMPK activity was necessary for the anti-leukemic response induced by this agent. GSK621-induced AMPK activation precipitated autophagy, and blocking autophagy via shRNA-mediated knockdown of ATG5 or ATG7 protected AML cells from cytotoxicity resulting from treatment with GSK621, suggesting that autophagy promotes cell death in the context of active AMPK. GSK621 cytotoxicity was consistently observed across twenty different AML cell lines, primary AML patient samples and AML xenografts in vivo. GSK621-induced AMPK activation also impaired the self-renewal capacity of MLL-ENL- and FLT3-ITD-induced murine leukemias as measured by serial methylcellulose replating assays. Strikingly, GSK621 did not induce cytotoxicity in normal CD34+ hematopoietic progenitor cells. We hypothesized that the differential sensitivity to GSK621 could be due to the difference in amplitude of mTORC1 activation between AML and normal CD34+ cells. In contrast to most reported cellular models in which AMPK inhibits mTORC1, sustained mTORC1 activity was seen following GSK621-induced AMPK activation in AML. Inhibition of mTORC1 either pharmacologically (using rapamycin) or genetically (using shRNAs targeting raptor and mTOR) abrogated AMPK-induced cytotoxicity in AML cells, including primary AML patient samples. The same synthetic lethality could be recapitulated in normal CD34+ progenitors by constitutive activation of mTORC1 using a lentivirally-transduced myrAKT construct. We further observed that the level of ATF4 protein is under a transcriptionnal control by mTORC1 and a translational control by AMPK (through eIF2A), and explains the synthetic lethal relationship between AMPK and mTORC1. Taken together, these data show that the magnitude of mTORC1 activity determines the degree of cytotoxicity triggered by AMPK activation. Our results therefore support AMPK activation as a promising therapeutic strategy in AML and other mTORC1-active malignancies which warrants further investigations in clinical trials.

Hematopoiesis is a highly orchestrated process, in which a single hematopoietic stem cell (HSC) gives a rise to all blood cellular components. For myeloid and lymphoid development precise controlled expression of the PU.1 transcription factor is needed. Deletion of PU.1 gene in mouse is lethal and its dysregulation during hematopoietic differentiation is associated with blood malignancies including acute myeloid leukemia (AML) and myelodysplastic syndromes (MDS). MDS and AML are serious blood disorders characterized by expansion of immature blood cells and lack of differentiated functional cells. Not only genetic but also epigenetic aberrations represent a very important field for studying pathophysiology of leukemia genesis and dysregulation of the PU.1 gene represents intensively studied candidate mechanism. Modern therapy of selected MDS and subset of AML patients is based on treatment with DNA hypomethylating agent Azacytidine (AZA) interfering in PU.1 gene regulatory mechanism. However, poor response or resistance to this therapy often occurs. In this thesis we present data obtained from AZA-resistant clones of MDS/AML cell line OCI-M2. We analysed DNA methylation and DNA hydroxymethylation at the key regulatory element of the PU.1 gene (URE). We found that these epigenetic modifications at URE...

RUNX1 est un facteur de transcription essentiel pour l’hématopoïèse et joue un rôle important dans la fonction immunitaire. Des mutations surviennent dans ce gène chez 5 à 13% des patients atteints de leucémie myéloïde aiguë (LMA) (RUNX1mut) et définissent un sous-groupe particulier de LMA associé à un pronostic défavorable. En conséquence, il est nécessaire de procéder à une meilleure caractérisation génétique et de concevoir des stratégies thérapeutiques plus efficaces pour ce sousgroupe particulier de LMA. Bien que la plupart des mutations trouvées dans le gène RUNX1 dans la LMA soient supposément acquises, des mutations germinales dans RUNX1 sont observées chez les patients atteints du syndrome plaquettaire familial avec prédisposition aux hémopathies malignes (RUNX1-FPD, FPD/AML). En outre, 44 % des individus atteints évoluent vers le développement d’une LMA. Suite au séquençage du transcriptome (RNA-Seq) d’échantillons de la cohorte Leucégène, nous avons montré que le dosage allélique de RUNX1 influence l’association avec des mutations coopérantes, le profil d’expression génique et la sensibilité aux médicaments dans les échantillons primaires de LMA RUNX1mut. Aussi, la validation des mutations trouvées chez RUNX1 a mené à la découverte que 30% des mutations identifiées dans notre cohorte de LMA étaient d’origine germinale, révélant une proportion plus élevée qu’attendue de cas de mutations RUNX1 familiales. Un crible chimique a, quant à lui, révélé que la plupart des échantillons RUNX1mut sont sensibles aux glucocorticoïdes (GCs) et nous avons confirmé que les GCs inhibent la prolifération des cellules de LMA et ce, via l’interaction avec le récepteur des glucocorticoïdes (Glucocorticoid Receptor, GR). De plus, nous avons observé que les échantillons contenant des mutations RUNX1 censées entraîner une faible activité résiduelle étaient plus sensibles aux GCs. Nous avons aussi observé que la co-association de certaines mutations, SRSF2mut par exemple, et les niveaux de GR contribuaient à la sensibilité aux GCs. Suite à cela, la sensibilité acquise aux GCs a été obtenue en régulant négativement l’expression de RUNX1 dans des cellules LMA humaines, ce qui a été accompagné par une régulation positive de GR. L’analyse de transcriptome induit par GC a révélé que la différenciation des cellules de LMA induite par GCs pourrait être un mécanisme en jeu dans la réponse antiproliférative associée à ces médicaments. Plus important encore, un criblage génomique fonctionnel a identifié le répresseur transcriptionnel PLZF (ZBTB16) comme un modulateur spécifique de la réponse aux GCs dans les cellules LMA sensibles et résistantes. Ces observations fournissent une caractérisation supplémentaire de la LMA RUNX1mut, soulignant l’importance de procéder à des tests germinaux pour les patients porteurs de mutations RUNX1 délétères. Nos résultats ont également identifié un nouveau rôle pour RUNX1 dans le réseau de signalisation de GR et montrent l’importance d’investiguer le repositionnement des GCs pour traiter la LMA RUNX1mut dans des modèles précliniques. Enfin, nous avons fourni des indications sur le mécanisme d’action des GCs, en montrant que PLZF s’avère un facteur important favorisant la résistance aux GCs dans la LMA. / RUNX1 is an essential transcription factor for definite hematopoiesis and plays important roles in immune function. Mutations in RUNX1 occur in 5-13% of Acute Myeloid Leukemia (AML) patients (RUNX1mut ) and are associated with adverse outcome, thus highlighting the need for better genetic characterization and for the design of efficient therapeutic strategies for this particular AML subgroup. Although most RUNX1 mutations in AML are believed to be acquired, germline RUNX1 mutations are observed in the familial platelet disorder with predisposition to hematologic malignancies (RUNX1-FPD, FPD/AML) in which about 44% of affected individuals progress to AML. By performing RNA-sequencing of the Leucegene collection, we revealed that RUNX1 allele dosage influences the association with cooperating mutations, gene expression profile, and drug sensitivity in RUNX1mut primary AML specimens. Validation of RUNX1 mutations led to the discovery that 30% of RUNX1 mutations in our AML cohort are of germline origin, indicating a greater than expected proportion of cases with familial RUNX1 mutations. Chemical screening showed that most RUNX1mut specimens are sensitive to glucocorticoids (GC) and we confirmed that GCs inhibit AML cell proliferation via interaction with the Glucocorticoid Receptor (GR). We observed that specimens harboring RUNX1 mutations expected to result in low residual RUNX1 activity were most sensitive to GCs, and that co-associating mutations, such as SRSF2mut, as well as GR levels contribute to GC-sensitivity. Accordingly, acquired GC-sensitivity was achieved by negatively regulating RUNX1 expression in human AML cells, which was accompanied by upregulation of the GR. GC-induced transcriptome analysis revealed that GC-induced differentiation of AML cells might be a mechanism at play in the antiproliferative response to these drugs. Most critically, functional genomic screening identified the transcriptional repressor PLZF (ZBTB16) as a specific modulator of the GC response in sensitive and resistant AML cells. These findings provide additional characterization of RUNX1mut AML, further stressing the importance of germline testing for patients carrying deleterious RUNX1 mutations. Our results also identified a novel role for RUNX1 in the GR signaling network and support the rationale of investigating GC repurposing for RUNX1mut AML in preclinical models. Finally, we provided insights into the mechanism of action of GCs, which positions PLZF as an important factor promoting resistance to glucocorticoids in AML.

Après la découverte des mutations de la calréticuline dans les néoplasmes classiques myéloproliferatifs négatifs pour le Ph1, les travaux se sont focalisés sur les deux mutations les plus fréquentes, c'est-à-dire la calréticuline del52 et l’ins5, mais il existe environ 20% de mutants rares de la calréticuline (une cinquantaine), qui ont été classés en type-1 « like » et type-2 « like », classification basée sur leur structure. Cependant il reste à déterminer si cette classification est pertinente du point de vue fonctionnel, ce qui pourrait avoir des conséquences pour la prise en charge des patients et leur traitement. Ici, nous démontrons que deux mutants rares de type-1 (del34 et del46) et un de type-2 (del19) se comportent de manière similaire aux deux mutations fondatrices de cette classification, del52 et ins5, respectivement. Ces résultats ont été validés par des expériences in vivo chez la souris. Tous les mutants de la calréticuline (del19, del34 et del46) nécessitent absolument le récepteur de la thrombopoïétine, appelé MPL, pour induire une transformation cellulaire en provoquant une activation indépendante de la thrombopoïétine de la voie MPL / JAK2-STAT, comme les mutants del52 et ins5. Dans les expériences de transplantation de moelle osseuse de souris, les mutants rares de type-1 sont associés à une progression fréquente de la maladie d’un tableau proche d’une thrombocytémie essentielle à une myélofibrose, tandis que le mutant rare de type 2 est associé à une légère thrombocytose. Du point de vue hématopoïétique, les mutants rares de type-1 provoquent une amplification au niveau des cellules souches hématopoïétiques donc à un stade précoce tandis que les mutants rares de type-2 provoquent une amplification tardive de la mégacaryopoïèse. Grâce à une modélisation protéique basée sur l'homologie des mutants de calréticuline, nous avons identifié des domaines oncogènes qui seraient potentiellement responsables de l'interaction pathologique de la calréticuline et de MPL pour conduire à une activation indépendante de la thrombopoïétine. Maintenant, ces résultats in silico doivent être absolument validés par des études structure fonction. Enfin, nous avons modélisé un nouveau mécanisme de signalisation dans la leucémie myéloïde chronique comprenant IRE-1alpha, un bras de la voie de réponse des protéines mal repliées (UPR), qui pourrait être responsable de la perte de la fonction de la p53 pendant la progression de la leucémie myéloïde chronique vers une leucémie aiguë. Un tel mécanisme pourrait être impliqué dans les autres MPN. / After the discovery of calreticulin mutations in classical Ph1- Myeloproliferative Neoplasms, extensive investigation is underway on the two most frequent mutations, i.e., del52 and ins5, but it remains that the rare calreticulin mutants, which include both type-1 like and type-2 like require a similar investigation for ascertaining whether the classification of type-1 and type-2 has a functional relevance as well as for therapeutic intervention and patient management. Here we demonstrate that type-1 like (del34 and del46) and type-2 like (del19) mutants behave similarly as del52 and ins5 mutants, respectively. Moreover, we validate our findings with in vivo experiments. All the calreticulin mutants (del19, del34 and del46) absolutely require the thrombopoietin receptor, MPL, to induce cell transformation by causing ligand independent activation of the MPL/JAK2-STAT pathway. In mouse bone marrow transplantation experiments, type-1 like mutants are associated with frequent progression from an essential thrombocythemia-like phenotype to myelofibrosis whereas type-2 like mutant is associated with mild thrombocytosis. Type-1 like mutants cause clonal amplification of early hematopoetic stem cells whereas the type-2 like mutant causes late platelet amplification. Further, by homology based protein modeling of calreticulin mutants, we have identified possible oncogenic domains responsible for pathologic interaction of CALR and MPL leading to ligand independent activation of MPL. Now they must be validated by structural-functional studies Finally, we have modelled a novel signaling mechanism in chronic myeloid leukemia comprising of IRE-1alpha, an unfolded protein response (UPR) pathway arm, which may be responsible for loss of the WT p53 function during leukemic development and progression. Such a mechanism may be involved in the other MPNs

61 Summary Wilms' tumor gene 1 (WT1) is highly expressed in acute leukemia and other hematological malignancies. It has been therefore suggested as a potential universal marker of minimal residual disease (MRD), particularly in patients with acute myeloid leukemia (AML). Due to controversial results of some of the studies, the role of WT1 in MRD follow-up and WT1 prognostic significance remain unclear. WT1 protein is produced in more than 36 different isoforms. These variants have distinct, partially overlapping functions and their ratio is supposed to influence the final effect of WT1. However, despite the increasing number of studies, the clinical impact of WT1 and its isoforms in acute leukemia have not yet been elucidated. We established a unique qPCR method to assess the expression pattern of the main 4 WT1 isoforms. Using this method, we determined the ratio of WT1 variants in the samples of patients with AML, myelodysplastic syndrome (MDS) and healthy controls. Our data showed that this pattern can distinguish among particular hematological malignancies, but lacks a prognostic significance. Within our international study group we determined the prognostic significance of total WT1 expression in childhood AML. Based on our results of a large cohort of patients we can conclude that WT1 expression at...

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.

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