Researchers have developed a new method to distinguish between cancerous and healthy stem cells and progenitor cells from samples of patients with acute myeloid leukaemia (AML), a disease driven by malignant blood stem cells that have historically been difficult to identify. The findings, published today in the journal Cell Stem Cell, pave the way for the development of new techniques to predict whether patients will respond to chemotherapy. 

AML is a type of cancer characterised by the rapid growth and accumulation of abnormal white blood cells. It is thought to develop when blood progenitor cells, which normally turn into all other types of blood cells, fail to mature properly and become abnormal. In this process, blood stem cells carry a special importance because they give rise to progenitor cells and are thought to be the cell type in which leukemic mutations occur. Leukemic stem cells are thought to survive chemotherapy and cause relapse. High relapse rates are a major clinical problem in AML and a frequent cause of patient death. 

Understanding how blood stem cells give rise to blood progenitor cells in the context of AML is crucial for improving our understanding of the disease, developing better diagnostic and prognostic tools, and identifying new therapeutic targets and treatments. However, this has been historically difficult because of the high degree of variability between patients and the similarity between healthy and malignant stem cells. 

“Previous efforts to understand how leukemic stem cells and progenitor cells differentiate in AML have had mixed success because gene expression is very aberrant in the disease,” explains Sergi Beneyto, first author of the paper and PhD candidate at Dr. Lars Velten’s research group at the Centre for Genomic Regulation (CRG). The authors set out to tackle this challenge by creating CloneTracer, a computational method. 

The researchers used a technique known as single-cell RNA sequencing which measures the expression of genes in thousands of cells at the same time. They then applied CloneTracer to the data, which operates at clonal resolution, meaning it is able to trace the evolution of tumours by tracking how individual cells acquire mutations as they appear.  

CloneTracer was used to analyse data from the bone marrow samples of 19 patients, revealing two distinct stem cell compartments; one predominantly healthy and dormant cluster of stem cells, and another compartment which was highly active and mostly consisted of leukemic stem cells. 
CloneTracer also revealed that mutations, including seven of the ten most commonly-mutated AML driver genes, only prominently exert their effect in progenitor cells. The observed characteristics (phenotype) of these progenitor cells was correlated with the therapy response of patients. 

The findings have implications for the prognosis and treatment of AML because progenitor cells that have differentiated to a more mature stage respond better to therapy. “Once a leukemic cell starts differentiating into a progenitor, it goes crazy and becomes very different from what a healthy progenitor cell would look like. By looking at the progenitors, we can reasonably predict whether the first line chemotherapy will be successful. We are now working towards validating this in bigger cohorts and building clinical assays for these cell types,” says Dr.  Anne Kathrin Merbach, co-first author of the study and postdoc in the group of Prof. Carsten Müller-Tidow at the University Hospital of Heidelberg. 

One of the limitations of CloneTracer is that single-cell RNA sequencing is costly, time-consuming and unfeasible to use in the clinic. Instead, the researchers plan on developing ways of characterizing the progenitor cells to predict response to chemotherapy by using FACS (fluorescence-activated cell sorting), a technique commonly used in leukaemia research and which is available in most haematology medical departments around the world. 

While predicting response to chemotherapy is important, the authors of the study acknowledge that unless targeted therapies also target the actual leukemic stem cell compartment the effect on relapse and long-term survival is limited. The clonal resolution offered by CloneTracer allowed the authors to characterize the gene expression signature of this critical cell population, which do not respond well to first-line chemotherapy. They caution that larger sample sizes will be needed to identify validate their findings before it can lead to improved therapies. 

The study is a joint collaboration between the Centre for Genomic Regulation in Barcelona and the Department of Medicine at the University of Heidelberg in Germany. It was funded by the German Federal Ministry of Education and Research, the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, the German Research Foundation, German Cancer Aid and the Emerson Collective. 

EN CASTELLANO

Trazan la diferenciación celular de la leucemia mieloide aguda 

Un equipo científico ha desarrollado un nuevo método para distinguir entre células madre sanas y células progenitoras – y si son cancerosas y sanas – de muestras de pacientes con leucemia mieloide aguda (LMA), una enfermedad provocada por la presencia de células madre sanguíneas malignas que históricamente han sido difíciles de identificar. Los hallazgos, publicados hoy en la revista Cell Stem Cell, allanan el camino para el desarrollo de nuevas técnicas para predecir si los pacientes responderán a la quimioterapia.

La LMA es un tipo de cáncer caracterizado por el rápido crecimiento y acumulación de glóbulos blancos anormales. Se cree que la enfermedad se desarrolla cuando las células progenitoras sanguíneas, que son las que se convierten en todos los demás tipos de células sanguíneas, no maduran adecuadamente. En este proceso, las células madre sanguíneas tienen gran relevancia porque dan lugar a las células progenitoras y se cree que es en estas células dónde se producen las mutaciones leucémicas. Parece ser que las células madre leucémicas sobreviven a la quimioterapia, lo que explicaría las altas tasas de recaída en la LMA y causa frecuente de muerte del paciente.

Comprender cómo las células madre dan lugar a células progenitoras en la sangre en el contexto de la LMA es crucial para mejorar nuestra comprensión de la enfermedad, desarrollar mejores herramientas de diagnóstico y pronóstico e identificar nuevos tratamientos y dianas terapéuticas. Sin embargo, esto ha sido históricamente difícil debido al alto grado de variabilidad entre pacientes.

“Hasta la fecha, los esfuerzos para comprender cómo se diferencian las células madre leucémicas y las células progenitoras en la LMA han tenido un éxito relativo. Esto se debe a que la expresión génica es muy anormal en esta enfermedad”, afirma Sergi Beneyto, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el grupo del Dr. Lars Velten en el Centro de Regulación Genómica (CRG).

Los autores abordaron este reto creando CloneTracer, un método computacional que usa la secuenciación de células individuales, una técnica que mide la expresión de los genes en miles de células al mismo tiempo. Aplicaron CloneTracer a los datos, que funciona a una resolución clonal, lo que significa que puede seguir la evolución de los tumores rastreando cómo las células individuales adquieren mutaciones a medida que aparecen.

CloneTracer se utilizó para analizar los datos de las muestras de médula ósea de 19 pacientes, lo que reveló dos compartimentos distintos de células madre; un grupo predominantemente saludable de células madre, y otro compartimento muy activo que consistía principalmente de células madre leucémicas.

CloneTracer también reveló que las mutaciones, incluidos siete de los diez genes impulsores de LMA que mutan con mayor frecuencia, solo ejercen su efecto en las células progenitoras. Las características observadas (fenotipo) de estas células progenitoras estaban correlacionadas con la respuesta a la terapia de los pacientes.

Los hallazgos tienen implicaciones para el pronóstico y el tratamiento de la LMA porque las células progenitoras que se han diferenciado hasta llegar a una etapa madura responden mejor a la terapia. “Una vez que una célula leucémica comienza a diferenciarse en una progenitora, se vuelve loca y se vuelve muy diferente de cómo se vería una célula progenitora sana. Al observar a las progenitoras, podemos predecir razonablemente si la quimioterapia de primera línea tendrá éxito. Ahora estamos trabajando para validar esto en cohortes más grandes y construir ensayos clínicos para estos tipos de células”, afirma la Dra. Anne Kathrin Merbach, co-autora del studio e investigadora postdoctoral en el grupo del Profesor Carsten Müller-Tidow en la Universidad Hospitalaria de Heidelberg.

Una de las limitaciones de CloneTracer es que la secuenciación de ARN de células individuales es costosa, lleva mucho tiempo y no es factible usarla en la clínica. Para superar este impedimento, el equipo planea desarrollar formas de caracterizar las células progenitoras para predecir la respuesta a la quimioterapia mediante el uso de FACS (clasificación de células activadas por fluorescencia), una técnica común utilizada en la investigación de la leucemia y que está disponible en la mayoría de los departamentos de hematología.

Los autores del estudio reconocen que, a menos que las terapias también se dirijan al conjunto real de células madre leucémicas, el efecto sobre la recaída y la supervivencia a largo plazo es limitado. La resolución clonal que ofrece CloneTracer permitió a los autores caracterizar la firma de expresión génica de esta población celular crítica, que no responde bien a la quimioterapia de primera línea. Advierten que se necesitarán muestras más grandes para validar sus hallazgos antes de que pueda conducir a terapias mejoradas.

El estudio es una colaboración conjunta entre el Centro de Regulación Genómica de Barcelona y el Departamento de Medicina de la Universidad de Heidelberg en Alemania. Fue financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España, la Fundación Alemana de Investigación, German Cancer Aid y Emerson Collective.