Molekulare Genetik bei Leukämien Bedeutung für die Entwicklung molekularzielgerichteter

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1 Molekulare Genetik bei Leukämien Bedeutung für die Entwicklung molekularzielgerichteter Therapien Konstanze Döhner, Universitätsklinikum Ulm, Abteilung für Innere Medizin III, Robert- Koch-Str.8, Ulm. In den letzten Jahren konnten bei einer Vielzahl maligner, hämatologischer Erkrankungen, und hier insbesondere den Leukämien, genetische Veränderungen identifiziert werden. Diese genetischen Aberrationen ermöglichen nicht nur Einblicke in die Pathogenese dieser Erkrankungen, sondern stellen mittlerweile die wichtigsten biologischen Prognosefaktoren dar. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden Therapieprotokolle entwickelt, die eine individuelle, risiko-adaptierte Stratifizierung der Patienten ermöglichen. Prominenteste Beispiele sind die akuten Leukämien, die anhand ihres genetischen Risikoprofils in unterschiedliche Risikogruppen eingeteilt werden. Durch die enormen Fortschritte im Rahmen des Humanen Genomprojektes und die rasche Weiterentwicklung molekulargenetischer Techniken ist es möglich geworden auch die pathogenetische Bedeutung dieser molekularen Marker zu untersuchen und daraus erste therapeutische Ansätze abzuleiten. Dies hat zur Entwicklung molekularzielgerichteter Therapien (sog. small molecules ) geführt, die direkt in die spezifischen Pathomechanismen eingreifen. Eindrucksvoll demonstriert wurde dies durch den Einsatz des Tyrosinkinase-Inhibitors Imatinib bei der chronisch myeloischen Leukämie, der zu einer signifikanten Verbesserung der Ansprechraten geführt hat. Auch für die akute myeloische Leukämie sind spezifische Tyrosinkinase- Inhibitoren (FLT3-Inhibitoren) entwickelt und bereits eingesetzt worden. Mit dem Nachweis von Mutationen im JAK2 Gen, einer weiteren Tyrosinkinase, bei Patienten mit myeloproliferativen Erkrankungen eröffnen sich ebenfalls neue therapeutische Optionen. Darüber hinaus sind weitere Therapien, die gezielt in distinkte Signalwege und epigenetische Mechanismen eingreifen in Erprobung.

2 Molekulare Genetik bei Leukämien Bedeutung für die Entwicklung molekular-zielgerichteter Therapien Konstanze Döhner Abteilung für Innere Medizin III, Universität Ulm

3 Genetische Mechanismen der Tumorentstehung Proto-Onkogene Onkogene A B Fusion von A und B Normale zelluläre Differenzierung und Proliferation Tumorsuppressor Tumorsuppressor- Inaktivierung Abnorme zelluläre Differenzierung und Proliferation

4 Genetische Aberrationen Chromosomal Deletionen, Trisomien, Translokationen, Inversionen DNA spezifische Genfusionen (z.b. BCR/ABL) Genmutationen/Genamplifikationen (z.b. p53, EGRF/HER-2/neu) RNA Genexpression, Nachweis spezifischer Gensignaturen (z.b. AML, Mamma Karzinom)

5 Epigenetische Mechanismen der Tumorentstehung DNA-Hypermethylierung Histon-Deacetylierung (Chromatin-Remodeling ) >>> Repression der Transkription ( gene silencing ) Robertson, Oncogne 2002

6 Molekulare Genetik bei Myeloproliferativen Syndromen (MPS) MPS Molekularer Therapie Marker CML BCR/ABL Imatinib/BMS PV JAK2 V617F(75%) TKI ET JAK2 V617F(33%) TKI OMF JAK2 V617F(35%) TKI AMN107 HES FIP1L1/PDGFRA Imatinib/AMN107 Mastozytose KIT (D816V) BMS354825/AMN107

7 Pathogenetische Relevanz von Tyrosinkinasen (TK) Konstitutive Aktivierung und Stimulation nachgeordneter Signalwege Gesteigerte Zellproliferation Faktor-unabhängiges Wachstum (Zelllinien) Transformierende Eigenschaften (Mausmodelle) Attraktive Zielstrukturen für molekular-zielgerichtete Therapieansätze

8 Aktivierte BCR/ABL Tyrosinkinase Mauro et al., Oncologist 2001, JCO 2002 CML

9 Wirkprinzip von Imatinib Mauro et al., Oncologist 2001

10 Imatinib (Glivec ) 2-Phenyl-Aminopyrimidin Kompetitive ATP-Hemmung Inhibition der TK-Aktivität von ABL, PDGFRA, PDGFRB und KIT Hohe Rate an hämatologischen und zytogenetischen Remissionen bei Patienten mit CML Deininger und Druker, Pharmacol Rev 2003

11 Imatinib bei CML IRIS - Studie / 42 Monate IFN/Ara-C (18 M) Imatinib (18 M) Imatinib (30 M) Imatinib (42 M) CHR 69% 96,8% 97% 98% CCR 14,5% 76,2% 82% 84% Guilhot et al.; ASH 04 #21

12 Aktivierende JAK2 Mutationen bei Myeloproliferativen Syndromen Janus Kinase 2 (JAK2) Gen Zytoplasmatische Tyrosinkinase Schlüsselrolle in der Signaltransduktion multipler hämatopoetischer Wachstumfaktor-Rezeptoren (z.b. GM-CSF, EPO, IL3) Konstitutive JAK2 Aktivierung in malignen Tumoren (z.b. TEL/JAK2) Jak2-/- Mäuse: schwere Anämie (Neubauer et al., Cell; 1998)

13 Aktivierende JAK2 Mutationen bei Myeloproliferativen Syndromen Punktmutation (V617F) in der autoinhibitorischen JH2 Domäne Inzidenz: PV (80%), ET (40%), OMF (40%) Funktionelle Analysen konstitutive Aktivierung der Tyrosinkinase durch JAK2V617F dosisabhängige Inhibition der Zell-Proliferation und Induktion der Apoptose durch JAK2-Inhibitor ( small molecule ) Levine et al., Cancer Cell, 2005

14 Aktivierende JAK2 Mutationen bei Myeloproliferativen Syndromen Levine et al., Cancer Cell 2005

15 Molekulare Genetik der akuten myeloischen Leukämie (AML) pathogenetisch relevante Gene? 29% andere Aberrationen 11% t(15;17) 7% inv(16) 6% t(8;21) 5% t(11q23) 42% normal Karyotyp FLT3, MLL, CEBPA, NPM1, NRAS, KIT, SHP2, PU1, RUNX1, JAK2..

16 Genmutationen bei der AML mit normalem Karyotyp FMS-Like Tyrosine Kinase 3 Gen; FLT3 CCAAT/Enhancer Binding Protein a Gen; CEBPA Myeloid/Lymphoid Leukemia Gen; MLL Nucleophosmin; NPM1 NRAS, KIT, PU1, SHP2, RUNX1, JAK2...

17 Aktivierende FLT3 Mutationen Y589, D839, N841,Y842 Internal tandem duplications (JM Domäne) Punktmutationen (Aktivierungs-Schleife) Jiang et al., Blood 104:1855, 2004

18 FLT3 FLT3-Inhibition

19 FLT3-Inhibition Therapie von FLT3 ITD-positiven AML-Patienten mit FLT3-Inhibitoren im Rahmen von Phase 2- Studien Unterschiedliche FLT3-Inhibitoren (CEP-701, MLN518, PKC412, SU11248) Blastenreduktion im peripheren Blut und im Knochenmark Kein dauerhaftes Ansprechen Wadleigh et al., Blood 2004

20 FLT3-Inhibition: SU11248 SU11248 Phase I Studie: oraler FLT3-Kinase- Inhibitor, 50mg/die über 28 Tage 15 Patienten mit refraktärer/rezidivierter AML; 4/15 FLT3 mutiert Ansprechen bei 4/4 Patienten mit FLT3 Mutation und 2/10 Patienten ohne FLT3 Mutation Kurze Ansprechdauer (4 bis 16 Wochen) Fiedler et al., Blood 2005

21 Rezidivfreies Überleben nach Postremissions- Therapie und FLT3 Status: Ergebnisse von 434 AML Patienten mit normalem Karyotyp Hochdosis AraC Autologe SCT Allogene SCT 100 p=0.006 p=0.002 p= RFS Zeit (Monate) FLT3 ITD no FLT3 ITD

22 Tyrosinkinase-Inhibition Ausblick - Diagnostik Identifikation neuer Zielstrukturen Therapie Kombination mit konventioneller Chemotherapie Integration in die Primärtherapie Kombination mit anderen targeted therapies Klinische Studien Wadleigh et al., Blood 2004

23 Tyrosinkinase-Inhibition Ausblick - mtor

24 mtor bei myeloischen Leukämien Aktiviert in BCR/ABL-transformierten Zellen Aktiviert in Zellen mit FLT3-Mutationen Spezifischer, klinisch erprüfter mtor-inhibitor (Rapamycin) vorhanden > bekanntes Toxizitätsprofil > raschere Entwicklung klinischer Therapien

25 Rapamycin/sirolimus (Rapamune ) Makrolid-Antibiotikum Isoliert aus Streptomyces hygroscopicus Inhibition von mtor (Komplex mit FKBP12) Fungizide und immunsuppressive Aktivität Zugelassen für die GvHD-Prohpylaxe nach allogener Transplantation

26 Effekt von Rapamycin auf FLT3-ITD und BCR/ABL positive myeloische Leukämien Rapamycin hemmt FLT3 ITD-transformierte Zellen Rapamycin und der FLT3-Inhibitor PKC412 wirken synergistisch auf FLT3 ITD-transformierte Zellen Rapamycin als Monotherapie oder in Kombination mit PKC412 zeigt Effekt auf FLT3 ITD-transformierte PKC412-resistente Zellen Gleicher Effekt von Rapamycin auf BCR/ABL transformierte Zellen auch in Kombination mit Imatinib Mohi et al, Proc Natl Acad Sci USA, 2004

27 mtor-inhibition mit Rapamycin bei der AML Rapamycin über 28 Tage 8 Patienten refraktäre/rezidivierte AML; 1 Pat. de novo AML PR 4/9 Patienten, stable disease 1 Pat., 4 Pat. progredient Kurze Ansprechdauer (Median 38 Tage) Récher et al., Blood 2005

28 FLT3 Inhibitoren Farnesyltransferase Inhibitoren MEK Inhibitoren PI3K Inhibitoren Rapamycin

29 Epigenetische Mechanismen bei myeloischen Leukämien DNA-Hypermethylierung Einsatz von demthylierenden Substanzen (5-aza- 2 -deoxycytidine, Decitabine) Histon-Deacetylierung (Chromatin-Remodeling) Einsatz von Histondeacetylase-Inhibitoren; z.b. Valproinsäure, 4-Phenylbutyrat, Trichostatin A

30 Rationale für Therapie mit demethylierenden Substanzen und HDAC-Inhibitoren Göttlicher et al., EMBO J., 2001 Combination of VPA and ATRA results in differentiation of Kasumi-1 cells Ferrara et al., Cancer Res., 2001 Synergistic action of Trichostatin A and ATRA in primary AML cells with respect to differentiation in vitro Kitamura et al., Br. J. Hematol., 2000 Trichostatin A and ATRA induce differentiation in APL with t(11;17) Minucci et al., Oncogene 2001 Histone deacetylases: A common molecular target for differentiation treatment of acute myeloid leukemias?

31 Therapie der AML bei Patienten<60 Jahre

32 Molekular-zielgerichte Therapien -Ausblick- Tyrosin-Kinase-Inhibitoren als Monotherapie oder in Kombination mit Inhibitoren nachgeschalteter Signalwege ( z.b. Rapamycin) Differenzierungs-induzierende Substanzen (HDAC- Inhibitoren, 5-aza-2 -deoxycytidine, ATRA) Kombination mit konventioneller Chemotherapie Identifizierung neuer Zielstrukturen und Entwicklung weiterer molekular-zielgerichter Substanzen

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