Les kinases de la famille Pim sont impliquées dans de nombreux cancers hématologiques dont la leucémie aigüe myéloïde (LAM) et le myélome multiple. Contrairement à la plupart des autres protéines kinases dont l’activation nécessite la phosphorylation préalable du domaine catalytique, l’activité des Pim kinases est constitutive. Les mécanismes de régulation de l’expression de Pim2 ainsi que ses mécanismes d’action sont très peu connus. Une partie de mon projet a consisté en l’étude de l’expression et de la stabilité de Pim dans des cellules de LAM et de myélome. J’ai montré que l’expression de Pim2 est régulée au niveau transcriptionnel par STAT5. Les trois isoformes de Pim2 ont une demi-vie très courte. Leur rapide dégradation semble constitutive et indépendante des relais de signalisation intracellulaire. Elle implique la machinerie du protéasome mais ne semble pas nécessiter l’ubiquitination préalable de la protéine. Les formes de Pim2 qui s’accumulent dans les cellules sous l’action des inhibiteurs du protéasome sont constitutivement actives. Ces premières données m’ont conduit à envisager l’intérêt d’inhibiteurs de Pim dans le myélome multiple, où l’inhibition du protéasome comme traitement favorise l’accumulation de cette kinase oncogénique. La seconde partie de mon projet a consisté en l’identification de substrats et de partenaires potentiels de Pim2 dans les LAM. Pour cela, j’ai mis au point une méthode de marquage métabolique couplée à une analyse phosphoprotéomique quantitative globale, ainsi qu’une analyse de l’interactome de Pim2 après avoir produit un anticorps contre cette protéine. Les informations obtenues m’ont permis de montrer l’activation de la voie mTORC1 par Pim2 et d’identifier la Polo-Like Kinase (PLK1) comme un nouveau substrat et partenaire de Pim2. Mes résultats montrent une colocalisation de Pim2 et de PLK1 au cours des différentes phases de la mitose et en particulier au niveau du corps intermédiaire lors de la séparation des cellules filles. / The kinases of Pim family are implicated in many haematological cancers, whose Acute Myeloid Leukemia (AML) and multiple myeloma. Contrary of the most others proteins kinases which needs activation by the preliminary phosphorylation of catalytic domain, the activity of Pim kinases is constitutive. The regulation of Pim2 expression and its mechanisms of action are not well-known. One part of my project consisted in the study of the expression and stability of Pim2 in AML and myeloma cells. I have shown that the expression of Pim2 is regulated at transcriptional level by STAT5. The three isoforms of Pim2 have very short half-lives. Theirs fast degradations seem to be constitutive and independent of intracellular pathway. It involves the proteasome machinery but not seems to need the preliminary ubiquitination of the protein. Forms of Pim2 accumulated in the cells when the proteasome is inhibited are actives. These firsts data drove me to think about the interest of Pim inhibitor in multiple myeloma, where the using of proteasome inhibitor as treatment increase the accumulation of this oncogenic kinase. The second part of my project was to identify the potentials substrates and partners of Pim2 in AML. In this aim, I developed a method of metabolic labelling coupled with a global quantitative phosphoproteomic approach, as well as a specific antibody targeted against this protein to realize an interactome analysis of Pim2. The informations obtained allowed me to show the activation of mTORC1 pathway by Pim2 and to identify the Polo-Like Kinase (PLK1) as a new substrate and partner of Pim2. My results show that Pim2 and PLK1 are colocalized during the differents mitotic phases, particularly at the midbody level during the separation of cell.

La leucémie myéloïde chronique (LMC) est une pathologie de la cellule souche hématopoïétique caractérisée par la présence de la translocation chromosomique t(9 :22) conduisant à l’expression de la kinase BCR-ABL responsable de la maladie. Un inhibiteur de l’activité de BCR-ABL a été identifié, l’Imatinib (IM). L’IM a révolutionné la prise en charge de la LMC en bloquant sélectivement la croissance des cellules tumorales, conduisant à la rémission des patients. Cependant, une majorité d’entre eux subissent des récidives en cas d’arrêt du traitement, et environ 15% développent des résistances à l’inhibiteur. BCR-ABL active de multiples voies de signalisation parmi lesquelles figurent les facteurs de signalisation STAT5. Nous avons analysé les rôles respectives des deux facteurs STAT5, STAT5A et STAT5B, dans les cellules souches hématopoïétiques normales et de LMC, par une approche d’ARN interférence. Nos observations indiquent que l’activité des deux facteurs STAT5 permet la survie et le maintien à long terme des cellules souches de patients LMC au diagnostic. Nous avons de plus montré qu’indépendamment de son activité transcriptionnelle, STAT5A aide les cellules normales et leucémiques à limiter leur stress oxydatif. Nous avons aussi pu observer que les cellules de patients présentant des résistances secondaires à l’IM, sans mutations ni surexpression de BCR-ABL, manifestent une dépendance caractéristique vis-à-vis de l’activité STAT5A. Pour mieux comprendre les mécanismes d’action des facteurs STAT5, nous avons recherché les gènes cibles de STAT5 par une approche transcriptomique et avons identifié le récepteur tyrosine kinase Axl dont l’expression est augmentée par STAT5A. L’inhibition d’Axl dans les cellules LMC sensibles à l’IM n’a aucun effet sur leur survie, alors qu’elle diminue fortement la survie des cellules LMC résistantes à l’IM. De plus, Axl contrôle le niveau des réactifs oxygénés dans les cellules de patients LMC. Nous avons analysé l’expression d’un des activateurs d’Axl, le ligand Gas6, et avons observé que son expression diminue fortement dans les cellules primaires de LMC par rapport aux contrôles sains. Ces résultats suggèrent que le tandem Gas6/Axl pourrait participer au processus leucémique de la LMC à différents niveaux. De manière globale, nos travaux montrent que les facteurs STAT5 favorisent le maintien des cellules souches de LMC, leur résistance au stress oxydatif et aux traitements thérapeutiques Ces deux dernières activités sont au moins en partie liées à l’activité d’une nouvelle cible de STAT5, le récepteur Axl, par ailleurs déjà impliqué dans la résistance aux traitements thérapeutiques. Les facteurs STAT5 représentent donc des nouvelles cibles thérapeutiques potentielles dans l’éradication de la maladie résiduelle. / The Chronic Myeloid Leukemia (CML) is a clonal hematopoietic stem cell disorder characterized by the t(9:22) genetic translocation and expression of the oncogenic tyrosine kinase BCR-ABL . A first BCR-ABL Tyrosine Kinase Inhibitor (TKI), Imatinib (IM), was identified that inhibits proliferation of BCR-ABL expressing hematopoietic cells and leads to disease remission. However, BCR-ABL mRNA remains detectable in the most immature HSCs and discontinuation of IM results in clinical relapse. STAT5 factors play a crucial role in the CML pathogenesis of human primary CML cells. However, the contribution of the two related STAT5 genes, STAT5A and STAT5B, was unknown. We used an RNAinterference based strategy to analyze STAT5A or STAT5B roles in normal and CML cells. We showed that STAT5A/5B double knock-down (KD) triggers normal and CML cell apoptosis and suppressed long-term clonogenic potential of immature hematopoietic stem and progenitor cells known to be resistant to TKI treatment and responsible for residual disease. STAT5A loss alone was ineffective at impairing growth of both normal and CML cells under standard conditions. In contrast, STAT5A loss was sufficient to enhance Reactive Oxygen Species (ROS) which correlated with enhanced DNA damages in both normal and leukemic cells. We reported that STAT5A regulates oxidative stress through unconventional mechanisms, in a non-transcriptional-dependent manner. We further showed that, in contrast to primary cells at diagnosis, IM-resistant cells exhibited enhanced STAT5A dependence, by being sensitive to STAT5A single KD. To investigate the molecular basis of STAT5A activity in TKI-resistance and oxidative stress, we performed a transcriptomic analysis of STAT5 regulated genes. We identified Axl, which encodes a receptor tyrosine kinase, recently shown to be crucial in TKI-resistant CML cells. Specifically, Axl expression is enhanced by STAT5A. We investigated the role of Axl and we found that Axl KD did not affect survival of IM-sensitive CML cells. However, Axl KD decreased survival of IM-resistant cells, miming the activity of STAT5A. Moreover, Axl loss increased ROS levels in CML cells, promoting STAT5A anti-oxidant activity. We further sought to determine the expression of the Axl ligand, Gas6. Gas6 expression is dramatically reduced in CML primary cells at diagnosis compared to healthy cells. The strong and consistent down-regulation of Gas6 in CML cells suggested a possible role in the pathophysiology. Collectively, our findings highlight the pro-survival, stress protection and drug resistance roles of STAT5 factors, providing new understanding for medical treatment of CML patients. We suggest that STAT5A acts in synergy with Axl to face exogenous insults and propose a new mechanism by which CML cells increase their proliferation and reduce their motility by down-regulating Gas6 expression.

Le cycle cellulaire est l'ensemble des étapes qui conduisent une cellule mère à se diviser en deux cellules filles. La protéine Checkpoint kinase 1 (Chk1) est importante pour sa progression. Nous avons d'une part cherché à savoir si Chk1 intervenait lors des mécanismes de production des plaquettes, car ces cellules permettant la coagulation du sang sont issues d'un cycle cellulaire particulier. Par ailleurs, nous avons étudié le rôle de Chk1 dans la Leucémie Aiguë Myéloïde (LAM), cancer des cellules sanguines. Les patients atteints de LAM sont traités par une chimiothérapie visant à endommager l'ADN afin d'entrainer la mort des cellules cancéreuses. Chk1 est garante du contrôle de la réparation des dommages de l'ADN, ce qui contrecarre l'effet de la chimiothérapie. Elle pourrait donc favoriser l'apparition de résistance. Son rôle dans les LAM étant peu connu, l'objectif de ce projet est donc de vérifier si Chk1 favorise la résistance des cellules leucémiques aux chimiothérapies. / The cell cycle is a series of events that takes place in a mother cell, leading to its division into two daughter cells. The protein Checkpoint kinase 1 (Chk1) is mandatory for its coordinated progression. In this PhD projet, we wondered on the one hand whether Chk1 could be involved in the platelets production process, because these componants of blood that enables coagulation are produced due to a particular cell cycle dedicated to this end. On the other hand, we studied the role of Chk1 in Acute Myeloid Leukemia (LAM) physiopathology. LAM is a cancer of blood cells, in which patients are treated with drugs that create DNA damages, causing the death of tumoral cells. The role of Chk1 in the drug response in LAM is not well studied, but, as it enables DNA repair, it may render theses medicines less efficient, leading to relapses to therapies. So the goal of this project is to check wether Chk1 favors the resistance of some LAM cells to chemotherapeutic treatments.

Le CD81 est une molécule de surface appartenant à la superfamille des tetraspanines. Son rôle pronostique a été précédemment étudié dans les pathologies lymphoïdes, dont le myélome multiple où son expression est associée à un pronostic péjoratif. A ce jour, ce marqueur n'a pas été étudié dans les leucémies aiguës myéloïdes (LAM). Nous avons étudié l'expression membranaire du CD81 sur les blastes de LAM au diagnostic, son association aux autres caractéristiques des LAM et sa potentielle influence sur la survie des patients sur une cohorte de 134 patients traités par chimiothérapie intensive.Le CD81 a été retrouvé chez 92 patients sur 134 (69%). Les patients exprimant ce marqueur avaient une leucocytose initiale plus élevée (p=0.02) et présentaient une cytogénétique intermédiaire ou défavorable (p<0.001). L'expression du CD81 avait un impact négatif sur la survie des patients (survie sans évènements (EFS), survie globale (OS), survie sans rechute (RFS)) en analyse uni- (p<0.001) et multivariées (p=0.003, 0.002 and <0.001 respectivement).De plus, le CD81 avait un impact négatif sur l'OS des patients avec une mutation de NPM1 (p=0.01) et chez les patients du groupe cytogénétique favorable (p=0.002) selon la classification ELN.Les anomalies du cycle cellulaire étant associées à la chimiorésistance, la croissance tumorale et l'agressivité de la pathologie, nous avons étudié l'expression du Ki67 sur les blastes de LAM au diagnostic. Ainsi, 10 prélèvements médullaires de patients avec une faible expression du CD81 par les blastes (moins de 20% de positivité) et 10 prélèvements avec une forte expression du marqueur ont été étudiés. Nous avons pu démontrer une expression significativement inférieure du Ki67 sur les blastes CD81 positifs par rapport aux blastes CD81 négatifs (p<0.001), suggérant ainsi un rôle potentiel du CD81 dans le contrôle du cycle cellulaire. De plus, nous nous sommes intéressés au rôle du CD81 dans la chimiorésistance et sur les différentes voies de signalisation cellulaire en étudiant le profil d'expression génique.En conclusion, le CD81 semble être un nouveau marqueur pronostique des LAM ainsi qu'une cible potentielle de traitement de ces pathologies. / CD81 is a cell surface protein which belongs to the tetraspanin family. While in multiple myeloma its expression on plasma cells is associated with worse prognosis, this has not yet been explored in acute myeloid leukemia (AML). We measured membrane expression of CD81 on AML cells at diagnosis, evaluated its association with AML characteristics and its influence on patient outcome after intensive chemotherapy in a cohort of 134 patients. CD81 was detected in 92/134 (69%) patients. Patients with AML expressing CD81 had elevated leukocyte count (p=0.02) and were more likely classified as intermediate or adverse-risk by cytogenetics (p<0.001). CD81 expression had a negative impact on survival (event-free [EFS], overall [OS] and relapse-free survival [RFS]) in univariate (p<0.001) and in multivariate analyses (p=0.003, 0.002 and <0.001, respectively). CD81 has a negative impact on OS in patients with NPM1 mutation (p=0.01) and in favorable risk patients by European Leukemia Net (ELN) classification (p=0.002).Since aberrations in cell cycle signaling can cause drug resistance, tumor growth and aggressiveness we measured Ki67 on primary blast cells from AML patients. We considered 10 bone marrow samples from AML patients with either weak CD81 expression (less than 20% of blast cells) or 10 bone marrow samples with strong CD81 expression on blasts. We found a significant lower ki67 expression on blast cells from CD81 positive patients compared with those from CD81 negative patients (p<0.001), indicating a potential role of CD81 in cell cycle control. Furthermore, we investigated the role of CD81 in chemotherapy resistance and investigated potentially implicated signaling pathways by gene expression profiling.In conclusion, the cell surface marker CD81 may be a new prognostic marker for diagnostic risk classification and a new potential therapeutic target for drug development in AML.

STAT5A et B sont des facteurs de transcription qui constituent le point de convergence de nombreux signaux extracellulaires. Parmi leurs fonctions biologiques, ils sont connus pour leur rôle dans le développement et la différentiation des cellules hématopoïétiques. Cependant, un taux d’activation et/ou d’expression élevé de ces protéines aboutit à une prolifération incontrôlée des cellules aboutissant ainsi à une leucémogenèse. Ce présent travail vise à caractériser des aptamères ADN (Apta1 et Apta2) sélectionnés préalablement au sein de notre laboratoire contre STAT5B afin de réguler son activité dans le contexte leucémique. Les aptamères ADN sont des oligonucléotides simple brin qui adoptent une structure 3D et interagissent de manière spécifique avec leurs cibles. Contrairement aux anticorps, ils sont peu immunogènes ; ils possèdent alors un potentiel thérapeutique intéressant. La première partie de ce projet se focalise sur l’étude de la capacité d’Apta1 et Apta2 à interagir avec la forme cellulaire et recombinante de STAT5B par pull down et calorimétrie à titrage isotherme. La seconde partie concerne l’évaluation de l’activité d’Apta2 par l’étude de son effet sur la viabilité d’un modèle de leucémie myéloïde chronique et sur sa capacité à perturber la voie de signalisation impliquant STAT5. / STAT5A and B are common transcription factors that constitute a convergent point for many cellular pathways. Among their multiple biological functions, they are well known in promoting immune cell development and differentiation. When some oncogenic mutations occur, STAT5A and B are highly activated leading to uncontrolled proliferation and then to leukemia. Thus, they constitute a prime target to therapeutic intervention. In this work, we characterize new DNA aptamers (Apta1 and Apta2) selected previously by our laboratory against STAT5B. DNA aptamers are single stranded DNA molecules that can adopt 3D structures and recognize specific targets. Unlike antibodies, they fail to induce the immune response: they emerge as potentiel therapeutic molecules. In the first part of this work, the selected aptamers were assessed on their ability to interact with the cellular and recombinant form of STAT5B by using pull down assay and Isothermal Titration Calorimetry. In the second part, we focused on evaluating the effect of Apta2 on chronic myeloid leukemia cell line. For this purpose, cell viability, apoptosis process and JAK-STAT5 signaling pathway were depicted when cells are treated with Apta2.

Les dernières avancées dans les traitements des hémopathies aboutissent à un meilleurs taux de rémission complète ainsi qu' à de meilleurs taux de survie après traitement. Cependant les risques de rechutes restent élevés. Notre projet s'inscrit dans la compréhension du rôle des cellules NK dans l'évolution de ce type de pathologies. Dans une première partie nous nous sommes intéressés à la polyglobulie de Vaquez. Cette pathologie présente une évolution lente et progressive, et elle est caractérisée par une mutation de JAK2 présente dans la lignée myéloïde chez plus de 95% des patients. Nous avons cherché à détecter la mutation dans les cellules NK de patients, puis, pour savoir si la mutation avait un effet sur les NK, nous avons exploré leurs fonctions in vitro. Nos résultats ont montré que, bien que la mutation soit présente dans les cellules NK, elle ne semble pas avoir d'impact sur les fonctions des cellules NK que nous avons pu tester. Nous en avons conclu que l'évolution de la polyglobulie de Vaquez en leucémie n'était peut-être pas due à une perte de fonction des NK mais plutôt à leur inhibition par l'environnement cellulaire.Dans une deuxième partie nous avons étudié la régulation des natural cytotoxicity receptors dans la leucémie aiguë myéloïde. D'apres des travaux antérieurs nous avons émis l'hypothèse que l'expression des trois NCR aurait une régulation commune s'effectuant au niveau de transcription de leurs gènes. Nos recherches bio-informatiques ainsi que notre expérimentation d'immunoprécipitation de la chromatine (Chip) montrent que le facteur de transcription ETS-1 semble être impliqué dans la régulation commune aux trois NCR. / The latest advances in blood disorders treatments lead to a better complete remission rate and a better survival rate after treatment. However, the risk of relapse remains high. Our project is included in the understanding of NK cells role in the development of these diseases.In a first part, we focused on polycythemia Vera for several reasons: the pathology has a slowly progressive disease, and it is characterized by the presence of JAK2 mutation for > 95% patients. We wanted to know if this mutation was found in NK cells from PV patients and what effects the mutation had on NK cells functions. Our results have shown that although the mutation was found in NK cells, it appears to have no impact on NK cells functions. We conclude that the evolution of PV to leukemia is not due to a loss of NK cell functions but to their inhibition by cellular environment.In a second part, we investigated the regulation of natural cytotoxicity receptors in acute myeloid leukemia because previous works have shown that NCR are weakly expressed in AML patients, that this down-regulation is acquired during evolution of AML and reversible after complete remission, ant that NCR weak expression is related to poor prognosis. We supposed that the expression of the three NCR has a common regulation at genes transcription level. Our bioinformatic researches and our experiment of chromatin immunoprecipitation show that ETS-1 transcription factor is a good candidate involved in the common regulation of the three NCR.

Human cells from acute myeloid leukemia (AML) patients are frequently transplanted into immune-compromised mouse strains to provide an in vivo environment for studies on the biology of the disease. Since frequencies of leukemia re-initiating cells are low and a unique cell surface phenotype that includes all tumor re-initiating activity remains unknown, the underlying mechanisms leading to limitations in the xenotransplantation assay need to be understood and overcome to obtain robust engraftment of AML-containing samples. We report here that in the NSG xenotransplantation assay, the large majority of mononucleated cells from patients with AML fail to establish a reproducible myeloid engraftment despite high donor chimerism. Instead, donor-derived cells mainly consist of polyclonal disease-unrelated expanded co-transplanted human T lymphocytes that induce xenogeneic graft versus host disease and mask the engraftment of human AML in mice. Engraftment of mainly myeloid cell types can be enforced by the prevention of T cell expansion through the depletion of lymphocytes from the graft prior transplantation.

<p>Multiple myeloma (MM) is a neoplasm involving plasma cells in the bone marrow. Drug resistance and progression are common, underscoring the need for new drug combinations. Utilizing a high-throughput screen of tool compounds to limit gro­­­­wth of human MM cell lines and <i>i</i><i>n silico</i> robust regression analysis of drug responses, potential synergistic combinations were identified. Further selection of effective combinations that reduce oncogenic MYC expression and enhance tumor suppressor p16 activity was based on earlier genetic and drug studies that identified MYC and p16 as appropriate targets in MM. Furthermore, the top three combinations synergistically reduced drug sensitive and resistant cell viability <i>in vitro</i> and the were effective in <i>ex vivo</i> treated patient cells Combination-associated survival was also prolonged in a transplantable Ras-driven allograft model of advanced MM that closely recapitulates MM in humans. One top drug combination was selected for further preclinical development. Targets, mechanism of action, and efficacy of the combination were evaluated through several <i>in vitro</i> and <i>in vivo </i>models, as well as <i>ex vivo</i> in myeloma patient cells. Effective targeting of the combination resulted in synergistic inhibition of proteasome inhibitor (PI) sensitive MM cells, as well as cell with induced PI resistance. Additionally, the combination was effective at delaying L363 MM xenograft growth in NSG mice and prolonging survival compared to single agent therapy. Finally, a cooperative signature of combined targeting was elucidated via RNA sequencing. These data identify potentially useful drug combinations for preclinical evaluation in drug-resistant MM and may ultimately reveal novel mechanisms of combined drug sensitivity.</p>

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

Le traitement de la leucémie myéloïde chronique (LMC) par imatinib est un succès de thérapie ciblée en oncologie. Le principe de cette thérapie est de bloquer les processus biochimiques à l'origine du développement de la maladie, et de permettre à une majorité de patients de réduire leurs risques de progression mais aussi d'éviter des traitements lourds et risqués comme la greffe de cellules souches hématopoïétiques.Cependant, même si l'efficacité de l'imatinib à été prouvée dans un contexte clinique, il n'en demeure pas moins qu'une proportion non négligeable de patients n'obtient par de niveaux de réponse moléculaire jugés optimale. Le but de cette thèse est de tester l'hypothèse d'un lien entre des polymorphismes de gènes impliqués dans l'absorption des médicaments et de leurs métabolisme, et la réponse moléculaire dans la leucémie myéloïde chronique en phase chronique traitée par imatinib.Dans le but d'évaluer la réponse moléculaire des patients, des prélèvements sanguins sont réalisés tout les 3 mois afin de pratiquer le dosage d'un biomarqueur. Ce type particulier de suivi produit des données censurées par intervalles. Comme par ailleurs, les patients demeurent à risque de progression ou sont susceptible d'interrompre leurs traitements pour cause d'intolérance, il est possible que la réponse d'intérêt ne soit plus observable sous le traitement étudié. Les données ainsi produites sont censurées par intervalles dans un contexte de compétition (risques compétitifs).Afin de tenir compte de la nature particulière des données collectées, une méthode basée sur l'imputation multiple est proposée. L'idée est de transformer les données censurées par intervalles en de multiples jeux de données potentiellement censurées à droite et d'utiliser les méthodes disponibles pour l'analyser de ces données. Finalement les résultats sont assemblés en suivant les règles de l'imputation multiple. / Imatinib in the treatment of chronic myeloid leukemia is a success of targeted therapy in oncology. The aim of this therapy is to block the biochemical processes leading to disease development. This strategy results in a reduction of the risk of disease progression and allows patients to avoid extensive and hazardous treatments such as hematologic stem cell transplantation.However, even if imatinib efficacy has been demonstrated in a clinical setting, a significant part of patients do not achieve suitable levels of molecular response. The objective of this thesis, is to test the hypothesis of a correlation between polymorphisms of genes implied in drug absorption an metabolism and the molecular response in chronic myeloid leukemia in chronic phase treated by imatinib.In order to evaluate patients molecular response, blood biomarker assessments are performed every 3 months. This type of follow up produces interval censored data. As patients remain at risk of disease progression, or may interrupt their treatments due to poor tolerance, the response of interest may not be observable in a given setting. This situation produces interval censored competing risks data.To properly handle such data, we propose a multiple imputation based method.The main idea is to convert interval censored data into multiple sets of potentially right censored data that are then analysed using multiple imputation rules.