Evoluzione clonale e cellula staminale leucemica Dott.ssa Ciccone UO Ematologia 1
Come origina e evolve una leucemia? 2
EMATOPOIESI NORMALE Mieloblasto normale Promielocita normale Granulocita neutrofilo normale Cellula staminale ematopoietica normale 3
Cellula staminale ematopoietica normale Mieloblasto normale Promielocita normale Granulocita neutrofilo normale Cellula staminale leucemica Blasto leucemico 4
Teoria di evoluzione lineare Iniziazione Instabilità genetica Emergenza di subpopolazioni Chemio e radioterapia Persistenza di carcinogeni Alterazioni metaboliche Chromosome breakage syndromes Nowell, Science, 1976 5
Teoria di evoluzione ramificata ( branched ) Puente, Nature Genetics, 2013 6
Eventi pre-leucemici 7
Leucemia Acuta Linfoblastica TEL-AML1 o ETV6-RUNX1 Ching-Hon, N Eng J Med, 2004 8
TEL-AML1 o ETV6-RUNX1 Ching-Hon, N Eng J Med, 2004 9
Fluorescence in situ hybridization (FISH) Dual color, single fusion Dual color, dual fusion Hong, Science, 2008 10
Alcune lesioni genetiche sono presenti in una fase molto precoce del processo di trasformazione leucemico! Queste lesioni pre-leucemiche, tuttavia, non sono sufficienti alla definitiva trasformazione leucemica! In alcuni casi, fattori ambientali possono favorire l accumulo di altre anomalie genetiche e quindi determinare la definitiva trasformazione come osservato nel caso di gemelli omozigoti.! Anche la cosidetta age-related clonal hematopoiesis può precedere lo sviluppo di neoplasie ematologiche e spesso include mutazioni a carico dei geni drivers 11
The shape of evolution: branched versus linear 12
Teoria di evoluzione ramificata ( branched ) Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 13
In molti casi le leucemie derivano da una cellula staminale lungosopravvivente, la quale continua ad accumulare errori genetici.! Ma non tutte le leucemie derivano dalla cellula staminale ematopoietica: in alcuni casi, le mutazioni aggiuntive possono conferire proprietà di selfrenewal a cellule più mature della cellula staminale ematopoetica! L utilizzo di farmaci (chemioterapia, target therapy o steroidi) può selezionare cloni resistenti, che con il tempo possono espandersi ed essere responsabili della recidiva di malattia.! 14
Evolutionary pressures 15
Age-pressure Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 16
Immune escape pressure Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 17
Brodsky, Blood, 2014 18
Brodsky, Blood, 2014 19
Immune escape pressure Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 20
Genotoxic stress pressure Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 21
Per effetto pressione si intende la capacità di alcuni fenomeni di premere sulla selezione clonale consentendo a cloni più resistenti di avere il sopravvento sulle cellule normali o su altri cloni meno resistenti! Esistono varie meccanismi di pressione, per esempio quelli legati all invecchiamento, o al danno genotossico da chemio e/o radioterapia oppure di tipo immuno-mediato! A seconda della pressione esercitata, il risultato finale potrà essere l insorgenza di neoplasie ematologiche che saranno low o high risk e cioè che avranno una probabilità alta o bassa, rispettivamente, di poter essere curate con trattamenti appropriati 22
Order of mutation and clonal evolution 23
Cambiando l ordine degli addendi il risultato cambia Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 24
L ordine con cui compaiono le diverse mutazioni, influisce sul fenotipo della malattia leucemica! Non sempre è possibile individuare le lesioni pre-leucemiche perché esse corrispondono a una fase di benessere dell individuo che quindi non necessita di alcun test diagnostico! I tempi necessari perché il processo di evoluzione leucemico si completi può richiedere molti anni, oppure essere piuttosto rapido 25
The interplay between genetic and epigenetic evolution 26
Epigenetics mechanisms allow genetically identical cells to achieve different stable phenotypes by facilating the trascription of specific genome regions, through changes in chromatin organization. Epigenetic marks include DNA and histone modifications, which form an intricate network of mutually reinforcing or counteracting signals. 27
Epigenetics in Leukemia Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 28
Micro RNA nelle neoplasie ematologiche Hiu Ling, Nat Rev Drug Discov, 2013 Ferrajoli, Ivan & Ciccone, EbioMedicine 2015 29
La frequente dimostrazione di anomalie epigenetiche nelle neoplasie ematologiche, ne conferma il ruolo cruciale nella loro patogenesi! Esse hanno un ruolo sia nella iniziazione delle neoplasie ematologiche che nella loro evoluzione! La presenza di queste anomalie ha spesso un significato prognostico nella stratificazione del rischio biologico! Nell ultimo decennio sono stati individuati farmaci in grado di agire sui fenomeni epigenetici ma il loro meccanismo d azione non è del tutto chiarito. 30
Teoria di evoluzione ramificata ( branched ) Ferrando & Otin, Nature Medicine, 2017 31
Evoluzione clonale e resistenza farmacologica Apperley, The Lancet, 2007 32
Resistenza alla chemioterapia 33
Resistenza alla immunoterapia Maloney, N Eng J Med, 2012 34
Resistenza e cancer stem cell No-self renewing transient amplifying Cancer stem cell/stem cell Differentiated cancer cells 35
Teoria di evoluzione ramificata ( branched ) Puente, Nature Genetics, 2013 36
L evoluzione clonale può contribuire alla selezione di cloni resistenti! La resistenza può dipendere da numerosi meccanismi patogenetici come: - l assenza della proteina TP53 - la ridotta espressione di marcatori di superficie - la comparsa di proteine che spingono fuori dalla cellula il farmaco (drug efflux) - la comparsa di mutazioni a carico del gene che codifica per la proteina su cui agisce il farmaco-bersaglio, che può determinare alterazioni della tasca sulla quale agisce il farmaco - oppure da una scarsa compliance del paziente o dall uso contemporaneo di altri farmaci che interferiscono con il metabolismo epatico - la persistenza di cellule staminali leucemiche ( cancer stem cell )! L uso di combinazioni di farmaci o l uso sequenziali di farmaci potrebbe in futuro ridurre il rischio 37