The role of stroma in the development of acute myeloid leukemia (AML)

Acute myeloid leukemia (AML) is a clonal malignant disorder of hematopoietic stem cells (HSCs). My goal was to dissect the interaction between AML and
macrophages/mesenchymal stem cells (MSCs) and the possible molecular reasons behind this. I also investigated the role of the transcription factor Gfi1 (growth factor independence 1) in the polarization of AML-associated stroma cells, AML-associated MSCs (AMSCs) and AML-associated monocytes/macrophages (AAMs). AMSCs and AAMs supported the growth of leukemic cells in vitro better than normal MSCs and monocytes/macrophages. Co-culture of MSCs with AML cells led to a shift in the cell cycle state of the leukemic cells towards the DNA replication phase (S) and reduced the frequency of cells in the quiescence phases (G0/G1) in vitro. At the same time,
AMSCs protect AML cells against apoptosis triggered by exogenous agents better than normal MSCs. Surprisingly, primary AMSCs derived from BM of AML patients who were successfully treated and cured (complete remission, CR) did not support the growth of a human AML cell line to the same extent as AMSCs derived from BM of the same patients at the time of diagnosis. The growth of leukemic cells in murine models of human leukemia is accompanied by a massive infiltration of macrophages and other stromal cells in the BM. AAMs derived from AML patients and different leukemic mice expressed the markers of M2 macrophages. We also found that the expression of the Gfi1 gene was upregulated in AMSCs and AAMs. Moreover,
BMDMs, BM-derived macrophages, and AMSCs derived from Gfi1-KO leukemic mice did not support the growth of AML cells in vitro to the same extent as the BMDMs and AMSCs derived from Gfi1-WT leukemic mice. The loss of Gfi1 inhibited the polarization of macrophages to a leukemia-supporting state both in vitro and in vivo and favored their differentiation into an antitumor state (M1 macrophages). In summary, I showed that macrophages and MSCs are polarized by AML cells and subsequently promote the growth of leukemic cells. The transcription factor Gfi1 plays an important role in that polarization.

Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine klonale maligne Erkrankung
hämatopoetischer Zellen. Die Hypothese war, dass das Voranschreiten der
Leukämie nicht nur durch Mutationen in den Leukämiezellen beeinflusst wird,
sondern wahrscheinlich auch durch Wechselwirkungen mit sogenannten
Stromazellen in der BM-Mikroumgebung. Im Rahmen der Dissertation untersuchte ich die Rolle von Stromazellen, insbesondere MSCs und Monozyten/Makrophagen, im Hinblick auf die Unterstützung von AML-Zellen in vivo und in vitro. Darüber hinaus habe ich die Rolle des Gfi1 (growth factor independence 1) TF bei der Polarisation von AML-assoziierten Stromazellen erforscht. Ich konnte nachweisen, dass AMLassoziierte MSCs (AMSCs) und AML-assoziierte Monozyten/Makrophagen (AAMs) das Wachstum von Leukämiezellen in vitro besser unterstützen als MSCs und Monozyten/Makrophagen von gesunden Probanden oder Mäusen. Die Ko-Kultur von MSCs mit AML-Zellen führt zu einer Verschiebung des Zellzykluszustandes der Leukämiezellen in vitro hin zur DNA-Replikationsphase (S) und reduziert die Frequenz der Zellen in den Ruhephasen (G0/G1). Gleichzeitig schützen AMSCs die Leukämiezellen gegen Apoptose besser als normale MSCs. Wir zeigen auch hier, dass die Präsenz von Leukämiezellen in verschiedenen Mausmodellen der humanen
Leukämie zu einer massiven Infiltration oder Expansion von Makrophagen und
anderen Stromazellen einschließlich MSCs, Endothelzellen und Osteoblastenlinienzellen (OBCs) führte. Immunphänotypisch zeigten AAMs, die in AML-Patienten, aber auch im Knochenmark der leukämischen Mäuse gefunden wurden, eine Marker Kombination wie sie bei sogenannten M2-Makrophagen zu finden ist. Zusammengenommen zeige ich hier, dass AAMs M2- Makrophagen funktionell ähnlich sind. Auf molekularer Ebene fanden wir, dass die Expression des Gfi1-Gens in AMSCs hochreguliert wurde. Darüber hinaus unterstützten BMDMs, BM-abgeleitete Makrophagen und AMSCs, die von Gfi1-KO-Leukämie-Mäusen abgeleitet wurden, das Wachstum von AML-Zellen in vitro nicht in gleichem Maße wie die BMDMs und AMSCs von Gfi1-WT-Leukämie-Mäusen abgeleitet wurden. Der Verlust von Gfi1 behinderte sowohl in vitro als auch in vivo die Polarisation von Makrophagen zu einem Leukämie-unterstützenden Zustand und begünstigte ihre Differenzierung zu einem Antitumor-Zustand (M1-Makrophagen). Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass Makrophagen und MSCs durch AML-Zellen beeinflusst werden und im weiteren Verlauf das Wachstum der leukämischen Zellen fördern. Der Transkriptionsfaktor GFI1/Gfi1 spielt hierbei offensichtlich eine wichtige Rolle.
 

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