Novel Targeted Therapies and Prognostic Markers for T Cell Acute Lymphoblastic Leukemia

Abstract

Akuutti lymfoblastileukemia (ALL) on lasten yleisin syöpätyyppi ja se voidaan luokitella B- ja T-solulinjojen taudeiksi. B-linjan ALL potilaista noin 90% paranee pysyvästi ja taudista tunnetaan useita hoidon kannalta merkityksellisiä alatyyppejä, toisin kuin T-linjan akuutissa leukemiassa. T-soluisen akuutin leukemian paranemisprosentti on hieman yli 80%, mutta uusiutuessaan tauti on hyvin huonoennusteinen. T-ALL:n syntyyn vaikuttavat olennaisesti mm. geenisäätelijäproteiinien epänormaali toiminta sekä virheellinen soluviestintä. Näiden tekijöiden syvällisempi tuntemus luo perustan hoidon kannalta merkittävien biomarkkereiden ja uusien hoitomuotojen kehittämiselle.

Tässä väitöskirjahankkeessa tutkittiin geenien tavanomaisesta poikkeavaa ilmentymistä laajassa verisyöpäaineistossa. Havaitsimme poikkeavan ilmentymisen LCK-nimiselle tyrosiinikinaasille T-soluisessa akuutissa leukemiassa. Tietokoneavusteisessa analyysissä havaittiin, että tyrosiinikinaasiestäjä dasatinibi voi toimia täsmälääkkeenä tässä taudissa ja havainto vahvistettiin soluviljely- ja potilasnäytekokeissa. Vajaa 30% potilasnäytteistä reagoi suotuisasti dasatinibi- lääkitykselle alhaisilla pitoisuuksilla, joilla ei ollut haitallisia vaikutuksia terveisiin imusoluihin.

Yhden lääkeaineen varaan rakentuvat hoidot johtavat kuitenkin usein ns. lääkeresistenssiin ja taudin uusiutumiseen. Lisäksi omassa aineistossamme merkittävä osa näytteistä ei ollut herkkiä dasatinibille. Sen vuoksi etsimme sellaisia lääkeaineiden yhdistelmiä, joilla saataisiin vahvempaa vaikutusta useammalle potilaalle. Tätä varten kehitimme ensin uuden T-ALL-tautia jäljittelevän seeprakalamallin. Leukeemisista kaloista eristettyjen solujen lääketestausta varten loimme seulontamenetelmän, joka mahdollistaa nopeasti monien lääkkeiden ja niiden yhdistelmien tutkimisen. Näitä työkaluja hyödyntäen havaitsimme vahvan yhteisvaikutuksen dasatinibin ja AKT- nimisen kinaasin estäjän välillä. Yhteisvaikutusta havaittiin myös useiden muiden samankaltaisten viestinsiirron estäjämolekyylien kanssa (esim. temsirolimuusi). Dasatinibin ja temsirolimuusin yhteisvaikutusta tutkittiin myös hiirikokeissa, joissa yhdistelmähoitoa saaneiden eläinten elimistössä oli lääkehoidon jälkeen selvästi vähemmän leukemiasoluja kuin kontrolliryhmässä. Samansuuntaisia tuloksia saatiin myös potilasnäytteillä. Tarkemmissa mekanistisissa tutkimuksissa vahvistimme, että aktiivinen LCK-kinaasi on dasatinibin kohdeproteiini T-soluisessa leukemiassa, ja tärkeä osa taudin syntyprosessia.

Tunnistimme myös SIX6-nimisen geenisäätelijän poikkeavan ilmentymisen ja toiminnan T-soluisessa leukemiassa. Korkea SIX6-geenin ilmentymistaso liittyi huonoon ennusteeseen kolmessa lasten T-leukemian potilaskohortissa. Tutkimuksemme osoittivat, että korkean SIX6 ilmentymisen aiheuttaa T-soluisessa leukemiassa toimiva TAL1-geeni, jonka säätely on taudissa häiriintynyttä.

Tässä väitöskirjatyössä tunnistettiin prekliinisillä menetelmillä uusi T-soluiseen akuuttiin leukemiaan tehoava hoito ja uusi lääkeyhdistelmä, jolla saatiin tehokas yhteisvaikutus leukemiasolujen hävittämiseksi. Tutkimuksessa pystyttiin osoittamaan myös biologinen mekanismi lääkkeiden toiminnalle. Löydökset luovat pohjaa sille, että tätä lääkeyhdistelmää kannattaa tutkia tulevaisuudessa myös potilaskokeissa. Löysimme myös uuden biomarkkerin, jonka avulla voidaan tarkemmin tunnistaa sellaiset potilaat, joiden tauti ei reagoi hyvin nykyiselle lääkehoidolle. Tutkimustulokset mahdollistavat potilaiden luokittelun parantamisen ja toimivat lähtökohtana lääkekokeiden suunnittelutyön käynnistämiselle uusiutuneeseen T-soluiseen akuuttiin leukemiaan.

Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is a malignancy of white blood cells and it is the most common form of cancer in children and can affect patients of all ages. ALL can be classified into B and T cell lineage diseases (or mixed phenotype), with B- ALL having several clinically relevant subtypes with overall survival rate of over 90%. In contrast, no such strong predictive biomarkers exist for T-ALL and despite the increase in survival rates, up to 80-90% among pediatric patients, the prognosis of relapsed T-ALL remains dismal. Better understanding of the biology of T-ALL, including abnormal activity of transcriptional regulators and derailed cellular signaling, creates a foundation for exploration and discovery of clinically applicable biomarkers and novel targeted treatments.

In order to start uncovering new features and therapies, we investigated gene expression patterns in a large data set of hematological malignancies and observed a high and T-ALL specific expression of tyrosine kinase LCK. In silico analysis, that combined gene expression data with information of drug targets, uncovered a strong inhibition of LCK by tyrosine kinase inhibitor dasatinib. This was confirmed in ex vivo drug assay of primary patient samples where six out of 22 T-ALL samples were sensitive to dasatinib monotherapy at low nanomolar doses that had no effect on healthy lymphocytes.

Monotherapies often lead to drug resistance and relapse. Hence, we tested whether combination of dasatinib with other drugs generates synergy. First, we developed T-ALL specific Lck:mMyc zebrafish leukemia model and optimized ex vivo screening method for zebrafish leukemia cells. We identified synergy between dasatinib and an AKT inhibitor MK-2206 and this was validated in human T-ALL cell lines. Synergy was found also when dasatinib was combined with different inhibitors of the PI3K/AKT/mTOR pathway, such as mTOR inhibitor temsirolimus and PI3K inhibitor IPI-549. In mouse experiments with xenografted T-ALL cells lines, animals receiving dasatinib and temsirolimus had significantly longer survival and lower disease burden in comparison to single drug and vehicle treated animals. Furthermore, two patient-derived xenografts and two primary samples showed synergistic response in the leukemic blast cells. In mechanistic studies, we confirmed that LCK kinase is the prime target of dasatinib, and necessary for T-ALL pathogenesis in a subset of patients.

We also discovered a transcription factor called SIX6 to be highly expressed in T-ALL and found that high mRNA level of SIX6 was associated with inferior event free survival in three independent pediatric T-ALL cohorts. SIX6 was upregulated by the oncogenic TAL1 transcription factor and associated with the TAL1-related T-ALL subgroup.

In conclusion, a novel prognostic biomarker associated with inferior survival was discovered for T-ALL. We also identified a novel synergistic drug combination for T-ALL, elucidated the main determinants of the drug sensitivity and proved preclinical efficacy of this combination. These studies allow for better stratification of patients and serve as a starting point for clinical investigation in relapsed T-ALL.