Single-cell protein profiling in early therapy response evaluation of acute myeloid leukemia by mass cytometry

Abstract

Akutt myelogen leukemi er ein aggressiv og heterogen form for blodkreft med om lag 150 nye tilfelle årleg i Noreg. Med ei total overlevingsrate på 25% har den dårlig prognose, særlig blant eldre. Behandlinga består av eit intensivt kjemoterapi regime, eventuelt supplert med stamcelletransplantasjon. Sjølv om den første responsen på behandlinga er god, er det svært vanleg at pasientar får tilbakefall ettersom behandlinga kan gi opphav til leukemi celler som er resistente mot kjemoterapi. Behandlingsresponsen vert i dag målt ved antall leukemiceller i beinmarg etter behandling (tumor load) eller ved å måle minimal restsjukdom (MRD) ved hjelp av væskestraumscytometri. Denne måten å måle behandlingsrespons på kan ta veker eller månadar etter at pasienten har starta behandling. Det fører til at ein mistar verdifull tid, som kunne vore spart dersom man hadde hatt metodar for å måle respons på behandling tidlegare i forløpet. Tidlegare studiar har vist at når leukemiceller vert eksponert for kjemoterapi, får man ein rask respons i cellas intracellulære nettverk, som kan målast i løpet av minutt. Denne responsen kan også målast i pasienten ved å ta ein blodprøve etter behandlingsstart. I denne avhandlinga presenterer vi den første in vivo enkelt-celle, funksjonelle «stress testen» av kjemoterapi respons i AML. Umiddelbar evaluering av intracellulær signalering etter start av behandlinga i maligne og ikkje-maligne celler kan avsløre funksjonelle eigenskapar av resistente AML celler som kan nyttast til å utvikle målretta kreftbehandling. Dette vil kunne brukast til å skilje pasientar som respondera på behandling frå dei som ikkje gjer det, og dermed gi viktig informasjon som kan bli brukt til å endre behandlinga på eit tidleg tidspunkt. Vi har her brukt massecytometri for å kunne profilere dei intracellulære nettverka i enkelt celler. Massecytometri er ein kombinasjon av to teknikkar; massespektrometri og veskestraumscytometri. Med denne metoden kan vi måle opp til 40 antistoff per enkelt celle og dermed oppnå ei samtidig undersøking av signalerings nettverk og immunfenotypen til AML celler og friske celler. Med automatiserte grupperings algoritmar og maskin læring har vi demonstrert korleis endringa i intracellulær signalering i dei leukemiske cellene ved 24 timar etter start av behandling kan predikere pasientens 5 års overleving. I vår pasient kohort viser denne metoden seg overlegen dei eksisterande genestiske risiko klassifieringane i AML. Dynamikken i den intracellulære signaleringa viser sitt potensiale ved å umiddelbart kunne skilje mellom dei pasientane som har fordel av behandlinga og dei som ikkje har det. Funksjonell presisjons onkologi er derfor tilgjengelig ved tidleg, longitudinell måling på enkeltcelle nivå. Ved å ta i betraktning heterogeniteten som er til stades i AML, kan den funksjonelle presisjonsmedisinen forbetre overleving og til slutt bli eit nyttig verktøy i klinisk kreftbehandling.

Acute myeloid leukemia is a heterogeneous hematological malignancy with overall 5-year survival approximately 25%. Although high rates of initial chemotherapy response, patients often relapse due to the selection and development of chemotherapy-resistant AML cells. The response to therapy is currently measured by tumor load or through flow cytometry- or genomics-based estimation of measurable residual disease. This tumor-load based response-evaluation takes weeks to months, thereby losing important time. However, an immediate response to chemotherapy in intracellular signalling networks is detected within minutes in vivo. In this thesis, we present the first in vivo single-cell functional “stress test” of chemotherapy response in AML. Immediate evaluation of intracellular signaling after the start of treatment in malignant and non-malignant cellular subsets could reveal the functional properties of resistant AML cancer clones, and how they are therapeutically targeted. This might be used to determine responders from non-responders and thereby provide valuable information for an early change of treatment. We have applied mass cytometry for single-cell profiling of intracellular networks. Mass cytometry combines the platforms of mass spectrometry with conventional flow cytometry. This allows the detection of over 40 antibodies per single cell and can permit simultaneous analysis of signaling networks and immunophenotypes of AML cells and healthy cells. With automated clustering algorithms and machine learning, we demonstrate how intracellular signalling dynamics of the leukemic cells 24 hours after the start of chemotherapy can unravel the overall five-year survival. In our cohort, this method proved superior to genetic risk stratification and without correlation to mutations in the most frequently mutated genes of signal transduction in AML. Intracellular signalling dynamics demonstrate its potency in a close to real-time method to discriminate responders from non-responders. Functional precision oncology is therefore available by early longitudinal monitoring at the single cell level, taking into consideration the heterogeneity of a tumour and suggesting how functional precision medicine can improve outcomes and eventually become a standard tool in clinical oncology.