Dokument: Innovative Approaches to Study CNS-Leukemia in Childhood BCP-ALL: Insights from iPSC-Derived Organoids
| Titel: | Innovative Approaches to Study CNS-Leukemia in Childhood BCP-ALL: Insights from iPSC-Derived Organoids | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=67734 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20241219-110321-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Gebing, Philip [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Univ. Prof. Dr. med Arndt Borkhardt [Gutachter] Prof. Dr. Gohlke Holger [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Die Involvierung des zentralen Nervensystems (ZNS) bei der Behandlung von B-Zell- Vorläufer-Akuter-Lymphoblastenleukämie (engl. BCP-ALL) im Kindesalter bleibt eine klinische Herausforderung. Toxizitäten als Nebenwirkung der Therapie haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Lebensqualität der Patienten. Krankheitsrückfälle (Rezidiv) im ZNS können bei einer großen Anzahl von Hochrisikopatienten häufig auftreten1,2. Die bei der Befallung des ZNS involvierten biologischen Mechanismen, sind noch nicht vollständig erforscht und werden weitesgehend im Rahmen von 2D- Zellkultur- und in vivo-Mausmodellen untersucht. Es bestehen wesentliche Unterschiede im zellulären Aufbau zwischen menschlichem und murinem ZNS, welches die Ver- wendbarkeit von in vivo Erkenntnissen beeinträchtigt. Die aus humanen Stammzellen gezüchteten Hirnorganoide gehen auf einige dieser Nachteile ein und stellen daher einen ergänzenden Ansatz zur Untersuchung der ZNS-Leukämie dar. Die Grundlage des Projekts ist die Untersuchung von BCP-ALL Zellkulturen welche in der ZNS-Leukämie erkrankung bekannt sind. Hier wurden Organoide und leukämische Zellen für einen längeren Zeitraum kokultiviert und deren Interaktion unter Fluoreszensmikroskopie gemessen. Tatsächlich wächst die Hochrisikogruppe der TCF3::PBX1-positiven Sub- typen nach 14 Tagen unter die Oberfläche der Organoide. Die für das Experiment isolierten pluripotenten Stammzellen oder menschlichen B-Lymphozyten zeigten deutlich weniger Interaktion. Darüber hinaus wuchsen andere Hochrisikoleukämie-Untergruppen, darunter BCR::ABL1 und TCF3::HLF in Hirnorganoide hinein. Live-Cell Analysen wurden verwendet um die Zellmigration von BCP-ALL
zu Organoiden zu bestätigen. Dabei wurden von Zellen der Hochrisikogruppe deutlich längere Distanzen gegenüber der Kontrollzellen zurückgelegt. Ein wichtiger Meilenstein innerhalb des Projekts war die Entwicklung einer neuartigen Computer-Analyse Pipeline zur präzisen Messung der leukämischen Zellen relativ zum Volumen der Organoide. xx Zusammenfassung xxi Solche Pipelines verfügen über eine enorme Durchsatzrate, welches bei der hohen Anzahl von Leukämiezellen in den Organoiden vorteilhaft ist. Darüber hinaus können hier präzise Angaben zur Eindringtiefe ermessen werden. Hier lieferte das Verhalten von BCP-ALL ein klareres Bild, auf welcher Ebene sich die Zellpopulationen im Organoid verteilen. Interessant ist das Verhalten von leukämischen Entitäten mit bekanntlich- geringerer ZNS-Erkrankungen, welche sich viel näher zu gesunden pluripotenten Stam- mzellen oder B-Lymphozyten verhalten. Dies unterstreicht die Anwendbarkeit solcher Analysen bei Organoiden und fügt weitere tools zur Forschung hinzu. Die Inhibierung spezifischer B-Zell- und Chemokin-Rezeptorsignal-Komponenten ist in der Literatur zur ZNS-Leukämie bereits erforscht worden. Entsprechend den Daten eines kürzlich pub- lizierten Mäusemodells, führte ein Knockdown der CD79a/Igα (Prä-BCR-Komponente) sowie die Inhibierung durch den Chemokin-Rezeptor-CXCR4-Antagonisten Plerixafor, zu einem verringerten Einwachsen von TCF3::PBX1-positiven Zellen in Organoiden. Die Mechanismen welche die leukämische Ausbreitung im ZNS antreiben sind ein aktiver Forschungsbereich. Die Entnahme infiltrierter und nicht infiltrierter BCP-ALL- Zellen aus Organoiden lieferte erste Einblicke in transkriptionelle Veränderungen nach der Einwachsung in Organoiden. Eine RNA-Sequenzierung dieser Proben zeigte eine Erhöhung des activating transcription factor (AP-1)-pathways, insbesondere seiner Komponenten FOSB, FOS und JUN. Diese Mitglieder haben bereits eine Ähnlichkeit zur ZNS-Leukämie bei T-ALL Patienten gezeigt. Hier offenbaren infiltrierte Zellen eine Verschiebung im Energiestoffwechsel, wie sie von Krebszellen in Reaktion auf hypoxische Umgebungen mittlerweile bekannt ist. Die Beteiligung von AP-1 wurde schließlich auch durch Durchflusszytometrie und Immunfluoreszenzanalyse von infiltrierten und nicht infiltrierten Zellen geprüft. Um den Zeitpunkt der Aktivierung von AP-1 genauer festzustellen, wurde eine mit einem AP-1-GFP-Reporter transduzierte BCP-ALL Zel- llinie mit Organoiden kokultiviert. Live-Cell Messungen konnten schlieslich die Aktivität von AP-1, anhand der erhöhten Fluoreszenz des GFP-Reporter, in der Migrationsphase der ALL-Zellen feststellen. Zusammenfassend präsentierte dieses Projekt die Kokultur Assay zwischen Hirnorganoiden und BCP-ALL-Leukämie als neuartiges Modell im Rahmen der Untersuchung der ZNS-Leukämie. Die Überlappung klinischer Daten sowie die Ergebnisse der bereits etablierten in vitro und in vivo Modelle sprechen für die Spezifizität des Hirnorganoids als komplementäres Modell.The involvement of the central nervous system (CNS) remains a clinical challenge in the treatment of childhood B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia (BCP- ALL). Treatment-related toxicities significantly impact patients’ quality of life, and CNS relapse is frequent, particularly among high-risk patients. Despite extensive investigation, the underlying biological mechanisms driving CNS invasion in BCP-ALL remain incompletely understood. Current research predominantly relies on 2D cell culture and in vivo mouse models, which may not faithfully replicate human CNS architecture and cellular identity. To address these limitations, human brain organoids offer a complementary approach for studying CNS invasion in BCP-ALL. In this project, a novel co-culture assay between leukemia and cerebral organoids was established. Notably, the high-risk group TCF3::PBX1+ leukemia exhibited robust engraftment, commensurate with their time exposed to organoids. This stood in contrast to human haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Further, other high-risk leukemia subgroups (e.g. BCR::ABL1, TCF3::HLF) also identified prominent engraftment in cerebral organoids during co-culture assay. This stood in contrast to HSPCs. Live-cell analysis revealed the directed migration of BCP-ALL towards organoids, while moving significantly longer distances than HSPCs under the same conditions. Further, Chronic myelocytic leukemia (CML) which are not typically associated with the CNS disease was adopted as another control for the co-culture assay. The project also introduced a novel spatial analysis pipeline for the precise measurement of leukemic engraftment into organoids. Interestingly, the analysis of engraftment behavior highlighted fractions of BCP-ALL populations disseminating into deeper organoid regions, while CML cells and healthy HSPCs used as controls did not exhibit such deep migration into the organoids. In line with murine model data, blocking specific pre-B-cell and chemokine receptor signaling components, such as CD79a/Igα (preBCR component) or pre-treatment with xxii Summary xxiii the CXCR4 antagonist Plerixafor, significantly reduced invasion of TCF3::PBX1+ BCP-ALL cells into the organoids. Furthermore, RNA sequencing of infiltrated and non- infiltrated BCP-ALL cells isolated from organoids unveiled transcriptional upregulation of the activating transcription factor (AP-1) pathway, particularly involving FOSB, FOS, and JUN components. Flow cytometry, immunofluorescence analyses and AP-1 reporter assay data confirmed AP-1 involvement during the migration of BCP-ALL cells into the cerebral organoid. In summary, a co-culture invasion assay utilizing cerebral organoids and BCP-ALL leukemia presents a novel platform for investigating and targeting signaling pathways implicated in CNS invasion. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 19.12.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 19.12.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 10.07.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 04.11.2024 |
