High resolution molecular karyotyping and proteomic analysis in hematological malignancies

Abstract

Il presente lavoro di tesi ha applicato i risultati della genomica funzionale in termini traslazionali a due neoplasie ematologiche: le sindromi mielodislastiche (MDS), e il loro potenziale ventaglio di evoluzione a leucemia mieloide acuta, e l'altrettanto ampio spettro di gammopatie monoclonali, fino alla condizione di mieloma multiplo (MM). In entrambi i casi, infatti, le recenti acquisizioni derivanti dall`applicazione dei nuovi farmaci hanno evidenziato la necessita' di indirizzare l`approccio terapeutico contemporaneamente alle cellule neoplastiche e a quelle del microambiente.

Nelle MDS l`ultima generazione delle piattaforme Affymetrix, capace di identificare polimorfismi di singoli nucleotidi (SNP) e alterazioni del numero di copie (CNA) sul genoma e' stata utilizzata al fine di identificare CNA somatici e germinali associati a tumore e perdite di eterozigosita' (LOH) e piu in gerale anomalie genomiche ricorrenti, particolarmente nelle MDS ad alto rischio di trasformazione in leucemie mieloidi acute. Un singolo paziente e' stato studiato nel tempo seguendo l'evoluzione clinica della sua MDS in leucemia acuta, con l'obiettivo di definire le univoche caratteristiche del clone neoplastico attraverso un approccio bioinformatico.

Per il MM, abbiamo sviluppato un saggio ex-vivo capace di identificare il segnale associato a trattamenti diversificati di campioni di midollo a fresco, confermando come in ogni paziente si abbia un pattern singolare di attivazione, in presenza di una risposta generalmente differenziata tra plasmacellule neoplastiche ed elementi del microambiente.

Grazie a una tecnica globale proteomica (RPMA) abbiamo identificato vie di trasduzione del segnale che si attivano come meccanismo compensatorio al trattamento farmacologico, potenzialmente responsabili di chemioresistenza sia nelle MDS che nel MM, sostenute dai segnali di autofagia e sopravvivenza. In particolare sono stati identificati:

- Msi-2 come potenziale biomarcatore di staminalita' e aggressivita' nelle MDS, - la via di PLC 1Tyr783, SrcTyr416 and STAT-5Tyr694 responsabile di alcuni effetti collaterali del trattamento con Azacitidina nelle MDS, - il livello di fosforilazione di NFkB quale potenziale mediatore di chemioresistenza al Desametasone nel MM, - la via di AkT/mTOR quale marcatore di aggressivita` delle plasmacellule nel MM, - una patologica compartimentalizzazione di serotonina nel MM nel sangue periferico e midollare, correlata alla malattia ossea mielomatosa.

Nell`insieme, i nostri dati suggeriscono nuove potenziali applicazioni in campo diagnostico e prognostico, e/o nuovi approcci terapeutici per MDS e MM, attraverso un approccio integrato genomico e proteomico.

In this work we focused on two hematological malignancies to apply the translational meaning of functional genomics: myelodysplastic syndrome (MDS) and its potential evolution to frank acute myeloid leukaemia, and the broad set of monoclonal gammopathies up to multiple myeloma (MM). In both diseases the recent advances obtained thanks to the application of novel therapeutic agents have enlighten the need to target at the same time both neoplastic and surrounding microenvironment cells. In MDS we applied the last generation of Affymetrix single nucleotide polymorphism (SNP)/copy number aberrations (CNA) platform to distinguish somatic and germline tumor-associated CNAs and loss of heterozigosity (LOHs) to identify possible recurring genomic abnormalities in high risk MDS evolving to AML. In particular in one patient, strictly followed in the clinical evolution from MDS to AML, we were able to define the unique features of the aberrant clone through a bioinformatic-based strategy. For MM, we developed ex-vivo assay to identify signalling associated with differential treatments of fresh bone marrow aspirate samples, confirming the unique constellation of activation in the single patient, and the general trend of a differential behavior among neoplastic and surrounding cells. Thanks to a global proteomic technique (RPMA) we identified compensatory pathways potentially responsible of chemoresistance, in both MDS and MM, sustained by the activation of autophagy and pro-survival signalling. In particular, we identified: - Msi-2 as potential biomarker of stemness and aggressivity in MDS, - PLC-y1Tyr783, SrcTyr416 and STAT-5Tyr694 as compensatory pathway responsible of side effects of treatment with azacitidine in MDS, - NFkB status as potential mediator of chemoresistance to dexamethasone in MM, - Akt/mTOR as biomarker of aggressiveness of plasmacells in MM; - an abnormal compartmentalization of serotonin in MM peripheral blood and bone marrow, related to bone disease. Taken together, our data provide potential insights into diagnosis, prognosis, and/or treatment strategies for MDS/AML and MM, through an integrative genomic and proteomic approach.