Leukaemic stem cells

(1)

Praca poglądowa/Review

Białaczkowe komórki macierzyste

Leukaemic stem cells

Maria Cioch *, Karolina Radomska

Klinika Hematoonkologiii TransplantacjiSzpikuUniwersytetu Medycznegow Lublinie,Kierownik:Dr hab. med.

MarekHus,Lublin,Polska

Ostre białaczki szpikowe (Acute Myeloid Leukaemia; AML) stanowią heterogenną grupę chorób wywodzących się z nowotworowo stransformowanych komórek macierzystych,prekursorowychlubukierunkowanychliniowoszpiku, które pod postacią komórek blastycznych naciekają szpik, krewiinnetkanki [1].Wostatnichlatachzwróconouwagę na fakt, że w każdym przypadku AML populacja komórek białaczkowych jest zróżnicowana pod względem stopnia dojrzałości, a szczególną rolę w samoodnawianiu nowo- tworuodgrywająbiałaczkowekomórkimacierzyste (Leukae- mic Stem Cells; LSCs) [2]. U każdego chorego na AML klon białaczkowy zorganizowanyjestw sposóbhierarchiczny na wzór prawidłowej hematopoezy. Na szczycie tej hierarchii są LCSs,jako jedyne komórkimające zdolność utrzymania

długoterminowego wzrostu białaczki [3, 4]. Lapidot i wsp.

pierwsi dokonali opisu LSCs jako komórek inicjujących rozwój białaczki po ksenogenicznym przeszczepieniu do organizmu myszy z ciężkim niedoborem odporności (SCID) [5]. Doświadczenie Lapidot i wsp. w późniejszym czasie zostałoudoskonalonenamodelumyszyNOD/SCID[3].

Modele udziału macierzystych komórek białaczkowych w leukemogenezie

Model hierarchiczny leukemogenezy nie jest jedynym obowiązującym. Poza nim znane są jeszcze dwa inne: naj- starszy stochastyczny i najnowszy ,,model niszy’’. Model

*Adresdokorespondencji:KlinikaHematoonkologiiiTransplantacjiSzpikuUniwersytetuMedycznegowLublinie,ulStaszica11, 20-81Lublin,Polska.Tel.:+48815345468.

Adresemail:mariacioch@wp.pl(M.Cioch).

informacje o artykule

Historiaartykułu:

Otrzymano:18.03.2014 Zaakceptowano:01.04.2014 Dostępneonline:13.04.2014

Słowakluczowe:

ostrabiałaczkaszpikowa

białaczkowekomórkimacierzyste

celeterapeutyczne

Keywords:

Acutemyeloidleukaemia

Leukaemicstemcells

Therapeutictargets

abstract

Acutemyeloidleukaemia(AML)isaneoplasmoriginatinginearlyhaematopoieticproge- nitorcells.EachAMLclonecontainsasubpopulationofleukaemicstemcells(LSCs).LSCs have the capacity to repopulate AML in NOD/SCID mice and regrow leukaemia in patientsafterremissionperiod.LSCsarecharacterizedbyCD34+CD38-Lin-CD33+/-CD123+

immunophenotype.ThecurrentlyavailabledatashowthatLSCsplayapivotalroleindrug resistance.Many studiesandclinicaltrialsarebeingconductedtoeradicateLSCsusing differentformsoftargettherapy.

ContentslistsavailableatScienceDirect

Acta Haematologica Polonica

journalhomepage:www.elsevier.com/locate/achaem

http://dx.doi.org/10.1016/j.achaem.2014.04.002

(2)

hierarchicznyopartyjestnaidei,żewłaściwościpluripotencji i dojrzałości dotyczące tej samej komórki wzajemnie się wykluczają.Białaczkowe komórki macierzyste,podobniejak ich prawidłowe odpowiedniki, mają zdolność do samood- nowyi wielopotencjalnegorozwoju, natomiasttracąje jako dojrzałekomórkibiałaczkowe[3].Wstochastycznymmodelu każdakomórkabiałaczkowamapotencjalnezdolnościinicjo- wania leukemogenezy, a zmiana ich właściwości następuje pod wpływem czynników zewnętrznych i wewnętrznych, przyczyniających się do powstania mutacji klonalnej [6].

Ostatniozaproponowanotrzecimodelleukemogenezy,zakła- dający, że dojrzałe komórki białaczkowe mogą ,,uwstecznić się’’ do LSCs, podtrzymując w ten sposób proliferację [4].

Zdolność do ,,cofania się w rozwoju’’ wykazywać mogą zarówno komórki szpiku, jak i zrębu, uformowane w tzw.

nisze [7]. Podobnie jak w przypadku prawidłowej hematopoezy,komórkitworzące populacjębiałaczkowąznajdująsię wstaniestałejﬂuktuacjiodpowiedzialnejzazmianęfenotypu nabardziejlubmniejdojrzały.

Fenotyp macierzystych komórek białaczkowych

Fenotyp macierzystych komórek białaczkowych ustalono przez analogię do prawidłowych macierzystych komórek krwiotwórczych (Haematopoietic Stem Cells; HSCs). Za pow- szechny antygen LSCs, podobnie jak HSCs uważany jest antygenCD34.Wykazanojednak,żeniejestonspecyﬁczny tylko dlaHSCs iLSCs,a jegoekspresja występuje także na komórkachprekursorowychorazkomórkachendotelialnych

[2, 8]. Stąd też LCSs muszą zostać odróżnione od tych komórek przyużyciu innychmarkerówpowierzchniowych.

Od komórek endotelialnych różni je ekspresja antygenu CD45,natomiastodbardziejdojrzałychkomórekszpikuLSCs różnią się brakiem specyﬁcznych antygenów liniowych, takich jak:CD2,CD3,CD14, CD15, CD16, CD19,CD24, CD56, CD66b,CD41,glikoforynaA,jakrównieżHLA-DRiCD38.Stąd też powszechnie akceptowanym podstawowym fenotypem LSCs jest: CD34+CD38-Lin- [2]. Komórki o takim fenotypie przeszczepione myszom NOD/SCID wywołują rozwój bia- łaczki. Pojawiły się jednak doniesienia, że rozwój białaczki można takżeuzyskać, przeszczepiająckomórkiCD34+CD38+

[9]. Taussing i wsp. wykazali, że rozwój AML w modelu ksenogenicznym możnauzyskać, wszczepiając myszomza- równo komórki CD34+CD38-, jak CD34+CD38+, z tym że dawka tychdrugich komórekmusibyćwiększa [10].Bardzo istotnymzagadnieniemjestmożliwośćodróżnienia,anastęp- nieoddzieleniaprawidłowychHSCsodLSCs.Jesttokoniecz- nedlaprzeprowadzeniaprawidłowychanalizimmunologicz- nychigenetycznych.Pozatymznalezienieantygenówobec- nychnaLSCsinieobecnychnaHSCsgwarantujepowodzenie terapii celowanej ukierunkowanej na komórki białaczkowe i oszczędzającej prawidłowe komórki krwiotwórcze. Takim antygenem wydajesiębyćłańcucha receptoradla interleu- kiny3(IL3)–CD123[11].JestonnieobecnynaHSCs,natomiast często wykrywalny na LSCs. Wykazanie ekspresji antygenu CD33 nawieluklonachLSCs, przyjegobrakunaHSCs,dało nadzieję na zniszczenie macierzystych komórek białaczko- wych przy użyciu przeciwciała monoklonalnego anty-CD33 (Mylotarg) [6, 12, 13]. Wydaje się więc, że immunofenotyp

Ryc.1–Immunofenotypkrwiotwórczychibiałaczkowychkomórekmacierzystych Fig.1–Immunophenotypeofhaematopoieticandleukaemicstemcells

(3)

LSCs można opisać jako: CD34+CD38-Lin-CD33+/-CD123+.

CharakterystykęimmunofenotypowąHSCsiLSCsprzedstawia rycina1.

Znaczenie macierzystych komórek białaczkowych w oporności na leczenie

Standardowym leczeniem pierwszoliniowym u chorych na AML jest schemat cytostatyczny ,,3+7’’ (daunorubicyna + cytarabina).Odsetekcałkowitychremisji(CompleteRemission;

CR) po tego typu chemioterapii wynosi 50–75%, a 5-letnie przeżyciesięga 40%(OverallSurvival;OS),nawetprzyzasto- sowaniu wysokodozowanej chemioterapii i transplantacji komórek krwiotwórczych [14, 15]. Przyczyny niepowodzeń należy upatrywać w przetrwaniu w organizmie chorego komórekbiałaczkowych,opornychnazastosowaneleczenie, pod postacią aktywnej białaczki lub choroby resztkowej (Minimal Residual Disease; MRD), która staje się źródłem odrodzenia nowotworu. W różnych badaniach klinicznych wykazano, że duży odsetek LSCs w populacji białaczkowej koreluje z niekorzystnym przebiegiem. Witte i wsp. wykazali, że u dzieci chorych na AML odsetek komórek CD34+

CD38-CD45-/lowpowyżej0,83%wszystkichkomórekbiałacz- kowych szpiku koreluje z przeżyciem wolnym od zdarzeń (EventFreeSurvival;EFS,p=0.04)[16].Wangiwsp.wyróżnia- jącLSCsjakoFISH+CD34+CD38-,stwierdzili,żeodsetektych komórek1% całejpopulacji białaczkowejwydłużazarów- noEFS,jakiOS(odpowiednio0,0018i0,0037)[15].Badania Ran i wsp. wykazały, że duży odsetek LSCs w szpiku chorych na AML jest silniejszym czynnikiem prognostycz- nymniżzmianycytogenetyczne[17].

Mechanizmy oporności indukowane przez białaczkowe komórki macierzyste

PrzyczynyopornościLSCsnakonwencjonalneformyterapii sązłożone[6,13].Najważniejszespośródnichto:

- zwiększona ekspresja błonowych białek wielolekowej oporności (Multidrug Resistance; MDR, Breast Cancer Resis- tanceProtein;BCRP),

- zwiększonaekspresjamolekuładhezyjnych(CD44,CXCR4), decydujących o silniejszym ,,zagnieżdżeniu się’’ LSCs wniszach,

- zaburzeniaapoptozy(zwiększonaaktywnośćNF-kB), - zaburzeniaróżnicowaniaidojrzewania(PML/RARa) - zaburzeniaekspresjiifunkcjiszlakówsygnałówkomórko-

wych (Wnt, PI3K/Akt/mTOR, TGF-beta/FOXO3a, Rac, Ras, Hedgehog,miRNA),

- zwiększonaekspresja receptorowychkinaz tyrozynowych (BCR/ABL,KIT,FLT3,PDGFRb,FMS).

Dokładne poznanie wyżej wymienionych i innych mechanizmów oporności AML, związanych z LSCs, może przyczynić się do opracowania nowych, skutecznych form terapiichorychnaostrebiałaczkiszpikowe.

Macierzyste komórki białaczkowe jako nowy cel terapii

W poszukiwaniu nowych, efektywnych sposobów leczenia chorych na AML zwrócono się w ostatnich latach ku możliwościom zniszczeniaLSCs.Możliwościdestrukcyjnego działania na LSCs są różne i te aktualnie dostępne, jak

TabelaI–Celeterapii,związanezmacierzystymikomórkamibiałaczkowymi TableI–Targetsoftherapyassociatedwithleukaemicstemcells

Celterapii Lek

białkapowierzchnioweobecnenaLSCs

1.CD33 przeciwciałomonoklonalneanty-CD33sprzężonezkalicheamycyną

(gemtuzumabozogamicin,mylotarg) 2.białkawielolekowejoporności cyklosporyna,walspodar,zosuquidar

3.CD123 przeciwciałomonoklonalneanty-IL3Rsprzężoneztoksynąbłoniczą

interleukina3sprzężonaztoksynąbłoniczą inhibitorymolekuładhezyjnych(mobilizacjaLSCszniszy)

1.CD44 przeciwciałomonoklonalneanty-CD44

2.CXCR4 pleryksafor,G-CSF

pobudzanieapoptozy

NF-kB partenolid,inhibitoryproteasomu

pobudzanieróżnicowania

PML/RARa tretynoina(ATRA)

trójtlenekarsenu inhibitorykinazytyrozynowej

kinazatyrozynowaBCR/ABl imatynib,nilotynib,dazatynib

kinazatyrozynowaFLT3 inhibitoryFLT3(CEP701-lestaurtynib)

hamowanieszlakówsygnałowych

białkaHedgehog inhibitorybiałekszlakówsygnałowych(cyklopamina,resweratrol) szlakWnt

szlakPI3K/Akt/mTOR szlakRac

immunoterapia interferona

komórkidendrytyczne

allogenicznatransplantacjakomórekkrwiotwórczych

(4)

iznajdującesięwbadaniachklinicznychzestawionezostały wtabeliI.

Jednym z pierwszych celów terapii związanych z LSCs stałsięantygenCD33,obecnynaukierunkowanychliniowo, prekursorowych, aletakżeczęsto namacierzystych komór- kachbiałaczkowych,aprzytymnieobecnynaprawidłowych komórkachkrwiotwórczych.Licznebadaniaklinicznewyka- zały, że zastosowanie przeciwciała monoklonalnego anty- CD33, sprzężonego z kalicheamycyną (gemtuzumab ozoga- micin,mylotarg),łącznie z chemioterapią indukującąremi- sjęprowadzidowydłużeniaEFSiOS,dziękieradykacjiLSCs u wielu chorych [18, 19, 20]. Przeciwciała monoklonalne, skierowane przeciwko innym białkom powierzchniowych, podlegają obecniebadaniom klinicznym.Bardzo obiecująco prezentują się wstępne wyniki leczenia opornych postaci AML interleukiną 3 (IL-3), sprzężoną z toksyną błoniczą, ukierunkowanąna receptor a dla IL-3 [21]. Prowadzone są także doświadczenia na zwierzętach z przeciwciałami monoklonalnymi skierowanymi przeciwko receptorom dla IL-3iIL-1[6,13].

Wydajesię,żedobrymcelemzwiązanymzLSCssąbiałka wielolekowej oporności, w dużym stopniu odpowiedzialne za oporność tych komórek na chemioterapię. Niestety, w większości przypadków zastosowanie inhibitorów MDR łącznie z cytostatykami prowadzi równocześnie do uszko- dzenia prawidłowych HSCs, które również wykazują dużą ekspresjębiałekoporności(cyklosporyna,walspodar). Więk- szenadziejenadziałanieukierunkowanetylkonaLSCsdają inhibitory 3. generacji, które podlegają obecnie badaniom klinicznym(zosuquidar)[1,22].

Kolejne działania zwiększające możliwości zniszczenia LSCspolegająnaichmobilizacjizniszykomórkowychitym samym wystawieniu na cel chemioterapii. Silne działanie mobilizującewywierapleryksafor,będącyinhibitoremwiąza- niaCXCR4iSDF-1.Lektenwykorzystywanyjestdomobiliza- cji obwodowych komórek krwiotwórczych w procedurze transplantacji,stądteżuchorychnaostrebiałaczkipowinien byćstosowanyzdużąostrożnościąiwodpowiedniejsekwen- cji z chemioterapią. Badania nad skutecznością tego typu terapii są aktualnie prowadzone [23]. Podobne działanie wstosunkudoCXCR4wywieraG-CSF.Metodypolegającena ,,primingu’’, tj. uwrażliwianiu komórek białaczkowych na chemioterapięprzezwyprzedzające podawanieG-CSFsąjuż wwieluośrodkachuznanymiformamileczenia[24].Badane sąobecnietakżeinneinhibitorymolekuładhezyjnych,m.in.

przeciwciałomonoklonalneanty-CD44[13].

Z dostępnych form terapii, które mogą doprowadzić do eliminacji LSCs, należy wymienić leki pobudzające różnico- waniekomórkowe(tretynoina,trójtlenekarsenu)iinhibitory kinazytyrozynowejBCR/ABL(TKI:imatynib,dazatynib).Oile wartośćtretynoinyjakoskutecznegolekuuchorychnaAML została dobrze udokumentowana, o tyle zastosowanie TKI w chorych naostrebiałaczki podlega obecnieintensywnym badaniom [2, 25]. Toczą się także badania nad wartością terapeutycznąinhibitorakinazytyrozynowejFLT3–lesataur- tynibu[26].

Najmniej zaawansowane, ale budzącenajwięcej nadziei sąbadania nadinhibitorami cząstekszlaków sygnałowych, odgrywającychistotnąrolęwmetabolizmieLSCs.Badanesą obecnie m.in. inhibitorybiałek Hedgehog, szlaku PI3K/Akt/

mTOR,WntiRac[13].Kobuneiwsp.whodowlikomórkowej wykazali uwrażliwienie komórekAML CD34+na cytarabinę pod wpływem cyklopaminy,naturalnej substancji,pozyski- wanej z roślin liliowatych i będącej inhibitorem białek Hedgehog[27].PodobnyefekthamującyszlakbiałakHedge- hog w komórkach LSCs w warunkach hodowli wywiera resweratrol[28].

Najbardziej skutecznymi, aktualnie dostępnymi sposo- bami eradykacjiLSCsz organizmu chorego sąróżne formy immunoterapii: interferon a, komórki dendrytyczne oraz allogeniczna transplantacja szpiku i infuzja limfocytów dawcypoprzezefektgraftversusleukemia[29,30].

Podsumowanie

Badanianadostrąbiałaczkąszpikowąwykazaływostatnich latach,żekluczowąrolęwopornościnastandardoweformy terapii odgrywa populacja białaczkowych komórek macierzystych.Działanianaukowcówidąwkierunkuopracowania efektywnych metod identyﬁkacji i izolacji LSCs, poznania patomechanizmów ichfunkcjonowaniai przede wszystkim znalezienia skutecznych sposobów ich eradykacji. Coraz liczniejsze publikacje, dotyczące tego tematu formułują bardzoobiecującewnioski. Wydajesię,że najlepszyskutek odniesie terapia polegająca na równoczesnym atakowaniu wielu celów na powierzchni i wewnątrz LSCs poprzez zastosowanie leków o różnym mechanizmie działania, co zwane jest zaawansowanąterapiącelowaną(Advanced Tar- getedDrugTherapy;ATDT).

Wkład autorów/Authors' contributions

Wedługkolejności.

Konﬂikt interesu/Conﬂict of interest

Niewystępuje.

Finansowanie/Financial support

Niewystępuje.

Etyka/Ethics

Treści przedstawione w artykule są zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej,dyrektywamiEUorazujednoliconymi wymaganiamidlaczasopismbiomedycznych.

pi smiennictwo/references

[1] CiochM.Różneaspektydiagnostyczneikliniczne wielolekowejopornościnacytostatykiuchorychnaostre białaczkiszpikowe.RozprhabBestprintLublin2006;

13–194.

(5)

[2] SperrWR,HauswirthAW,FlorianL,etal.Humanleukaemic stemcells:anoveltargetoftherapy.EurJClinInvest 2004;34:31–40.

[3] BonnetD,DickJE.Humanacutemyeloidleukemiais organizedasahierarchythatoriginatesfromaprimitive hematopoieticcell.NatMed1997;3:730–737.

[4] PasseguéE,JamiesonCH,AillesLE,WeissmanIL.Normal andleukemichematopoiesis:areleukemiasastemcell disorderorareacquisitionofstemcellcharacteristics?Proc NatlAcadSciUSA2003;100(Suppl1):11842–11849.

[5] LapidotT,SirardC,VormoorJ,etal.Acellinitiatinghuman acutemyeloidleukaemiaaftertransplantationintoSCID mice.Nature1994;367:645–648.

[6] ThomasX.Targetingleukemiastemcells:Thenewgoalof therapyinadultacutemyeloidleukemia.WorldJStem Cells2009;1:49–54.

[7] LiL,XieT.Stemcellniche:Structureandfunction.AnnRev CellDevBiol2005;21:605–631.

[8] BussEC,HoAD.Leukemiastemcells.IntJCancer 2011;129:2328–2336.

[9] BeckerMW,JordanCT.Leukemiastemcellsin2010:

Currentunderstandingandfuturedirections.BloodRev 2011;25:75–81.

[10] TaussingDC,Miraki-MoudF,Anjos-AfonsoF,etal.Anti- CD38antibody-mediatedclearanceofhumanrepopulating cellsmaskstheheterogeneityofleukemia-initiatingcells.

Blood2008;112:568–575.

[11] JinL,LeeEM,RamshawHS,etal.Monoclonalantibody- mediatedtargetingofCD123IL-3receptoralphachain eliminateshumanacutemyeloidleukemicstemcells.Cell StemCell2009;5:31–42.

[12] WalterRB,AppelbaumFR,EsteyEH,BernsteinID.Acute myeloidleukaemiastemcellsandCD33-targeted immunotherapy.Blood2012;119:6198–6208.

[13] SyWongR,CheongS-K.Leukaemicstemcells:Drug resistance,metastasisandtherapeuticimplications.

MalaysianJPathol2012;34:77–88.

[14] BüchnerT,SchlenkRF,SchaichM,etal.Acutemyeloid leukemia(AML):differenttreatmentstrategiesversusa commonstandardarm-combinedprospectiveanalysisby theGermanAMLintergroup.JClinOncol2012;30:3604–

3610.

[15] WangL,GaoL,XuS,etal.FISH+CD34+CD38-cellsdetected innewlydiagnosedacutemyeloidleukemiapatients canpredicttheclinicaloutcome.JHematolOncol 2013;6:85–92.

[16] WitteK-E,AhlersJ,SchäferI,etal.Highproportionof leukemicstemcellsatdiagnosisiscorrelatedwith unfavorableprognosisinchildhoodacutemyeloid leukemia.PedHematolOncol2011;28:91–99.

[17] RanD,SchubertM,TaubertI,etal.Heterogeneityof leukemiastemcellcandidatesatdiagnosisofacute myeloidleukemiaandtheirclinicalsigniﬁcance.Exp Hematol2012;40:155–165.

[18] BonnetD.HeterogeneityoftheAML-initiatingcell compartment.AnnHematol2011;90(suppl1):36–39.

[19] BurnettAK,HillsRK,MilliganD,etal.Identiﬁcationof patientswithacutemyeloblasticleukemiawhobeneﬁt fromtheadditionofgemtuzumabozogamicin:resultsof theMRCAML15trial.JClinOncol2011;29:369–377.

[20] CastaigneS,PautasC,TerreC,etal.Effectofgemtuzumab ozogamicinonsurvivalofadultpatientswithdenovoacute myeloidleukemia(ALFA-0701):arandomised,open-label, phase3study.Lancet2012;379:1508–1516.

[21] FrankelA,LiuJS,RizzieriD,HoggeD.PhaseIclinicalstudy ofdiphtheriatoxin-interleukin3fusionproteininpatients withacutemyeloidleukemiaandmyelodysplasia.Leuk Lymphoma2008;49:543–553.

[22] LancetJE,BaerMR,DuranGE,etal.AphaseItrialof continuousinfusionofthemultidrugresistanceinhibitor zosuquidarwithdaunorubicinandcytarabineinacute myeloidleukemia.LeukRes2009;33:769–774.

[23] ZengZ,ShiYX,SamudioIJ,etal.Targetingtheleukaemia microenvironmentbyCXCR4inhibitionovercomes resistancetokinaseinhibitorsandchemotherapyinAML.

Blood2009;113:6215–6224.

[24] LöwenbergB,vanPuttenW,TheonaldM,etal.Effectof primingwithgranulocytecolony-stimulatingfactoronthe outcomeofchemotherapyforacutemyeloidleukemia.N EnglJMed2003;349:743–752.

[25] DosSantosC,McDonaldT,HoYW,etal.TheSrcandc-Kit kinaseinhibitordasatinibenhancesp53-mediated targetingofhumanacutemyeloidleukemiastemcellsby chemotherapeuticagents.Blood2013;122:1900–1913.

[26] LevisM,RavandiF,WangES,etal.Resultsfroma randomizedtrialofsalvagechemotherapyfollowedby lestaurtinibforpatientswithFLT3mutantAMLinﬁrst relapse.Blood2011;117:3294–3301.

[27] KobuneM,TakimotoR,MuraseK,etal.Drugresistanceis dramaticallyrestoredbyhedgehoginhibitorsinCD34+

leukemiccells.CancerSci2009;100:948–955.

[28] SuYC,LiSC,WuYC,etal.Resveratroldownregulates interleukin-6-stimulatedsonichedgehogsignalingin humanacutemyeloidleukemia.EvidBasedComplement AlternatMed20132013;5474:30–41.

[29] MantripragadaK,ReaganJL,QuesenberryPJ,FastLD.

Advancesincellulartherapyforthetreatmentofleukemia.

DiscovMed2014;17:15–24.

[30] ArpinatiM,CurtiA.Immunotherapyinacutemyeloid leukemia.Immunotherapy2014;6:95–106.