Einleitung: Die Therapie von Kindern mit Rezidiven stellt die größte Herausforderung für die Heilung der B-Zellvorläufer akuten lymphoblastischen Leukämie im Kindesalter (BCP-ALL) dar. Eine weitere Intensivierung der konventionellen Chemotherapie ist durch die kumulative Toxizität und eine zunehmende Therapieresistenz limitiert. Zielgerichteter angreifende Substanzen wie Proteasom- oder Histondeacetylase-Inhibitoren (HDACi) haben sich als gut verträglich erwiesen. Ihre Wirksamkeit als Einzelsubstanz ist jedoch begrenzt. Ziel dieser Dissertation war es zu untersuchen, inwiefern die Kombination solcher neuer Therapieansätze zu einer gesteigerten Wirksamkeit bei ALL- Rezidiven führt und welche molekularen Mechanismen daran beteiligt sind. Darüber hinaus ging es darum zu prüfen, wie solche Kombinationen in etablierte Chemotherapie-Regime integriert werden könnten. Methodik: Die anti- proliferative und pro-apoptotische Wirksamkeit der Kombinationsbehandlung mit dem Proteasom-Inhibitor Bortezomib (BTZ) und HDACi wurde in BCP-ALL-Zelllinien und in primären Leukämiezellen von Kindern mit ALL-Rezidiv in Mono- und Ko- Kulturen mit mesenchymalen Stromazellen von ALL-Patienten sowie Xenograft Mausmodellen untersucht. Mittels Genexpressions-Profilen und Validierung auf Protein-Ebene wurden Signalwege identifiziert, die wesentlich am Zustandekommen der Kombinationseffekte beteiligt sind. Ergebnisse: Die kombinierte Behandlung mit BTZ und HDACi induzierte klar synergistische anti- proliferative und pro-apoptotische Effekte in BCP-ALL Mono- und Ko-Kulturen mit mesenchymalen Stromazellen. Der synergistische Effekt erforderte die gleichzeitige Applikation beider Substanzen. In Gegenwart etablierter Chemotherapie-Substanzen blieb der synergistische Effekt erhalten. Die Behandlung mit BTZ und HDACi begrenzte in Xenograft Mausmodellen der BCP-ALL ein Fortschreiten der Leukämie durch eine verminderte Infiltration von lymphatischen und extralymphatischen Geweben sowie die Induktion von Apoptose in Leukämiezellen. Die Analyse der zugrundeliegenden Signalwege ergab eine differenzielle Regulation von Genen im Zellzkylus-, JUN/MAPK-, PI3K/AKT-, p53-, ubiquitin-proteasom- und NF-κB Signalweg. Die Einzelbehandlung mit BTZ aktivierte das NF-κB signaling, während nur nach BTZ/HDACi Kombinationsbehandlung eine Induktion von Apoptose-relevanten NF-κB-Zielgenen zu beobachten war. Auf eine mögliche Apoptose-vermittelnde Rolle von NF-κB in diesem Kontext verwies auch die Beobachtung, dass BCP-ALL-Zellen von Patienten, die während der Chemotherapie ein Rezidiv erlitten, eine geringere Genexpression von NF-κB Untereinheiten zeigten, als von solchen, deren Erkrankung nach Abschluss der Therapie rezidivierte. Schlussfolgerung: Die synergistische Steigerung der therapeutischen Wirksamkeit ohne Zunahme der Toxizität sowie günstige Interaktionen mit ausgewählten Chemotherapie- Substanzen stellen die Grundlagen für eine Integration von BTZ und HDACi in gegenwärtige Therapieprotokolle der BCP-ALL zur Verfügung. Besondere Aufmerksamkeit erfordert dabei die Planung der Medikamenten-Gabe, da nur bei gleichzeitiger Applikation von BTZ und HDACi ein synergistischer Effekt zustande kam, während die Interaktion mit einzelnen Chemotherapeutika durch die Reihenfolge der Applikation bestimmt wurde.
Purpose: Relapse of disease remains the major challenge towards the cure of childhood B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia (BCP-ALL). A further intensification of mostly genotoxic conventional therapy regimens is limited through cumulative toxicity and emerging resistance. More targeted therapeutic approaches such as proteasome or histone deacetylase inhibitors (HDACi) have shown a good tolerability with only limited activity as single agents. The aim of this thesis was to test the efficacy of combined treatment with such targeted drugs and to analyze the underlying mechanisms involved in the combined activity. Furthermore, the focus of my work was to determine how these combinations could be integrated into established chemotherapy regimens. Experimental Design: The anti-proliferative and pro-apoptotic efficacy of combined treatment with the proteasome inhibitor bortezomib (BTZ) and HDACi was assessed using BCP-ALL cells form cell lines and primary patient samples in mono- and cocultures with mesenchymal stroma cells from ALL patients, as well as xenograft mouse models. Gene expression signatures with protein validation were performed to identify the pathways involved in the efficacy of combined treatment. Results: Combined treatment with BTZ and HDACi induced anti-proliferative and pro-apoptotic effects in a clearly synergistic manner in BCP-ALL mono- and cocultures with stroma cells. The synergistic effect required concomitant application of both drugs and was still observed in the presence of conventional ALL chemotherapeutics. In xenograft mouse models of BCP-ALL, combined BTZ/HDACi treatment limited the expansion of leukemic disease through a reduced infiltration of lymphatic and extra-lymphatic tissues and induction of leukemia cell apoptosis. Analysis of the underlying mechanisms revealed the regulation of genes involved in cell cycle, JUN/MAPK-, PI3K/AKT-, p53-, ubiquitin-proteasome and NF-κB pathways. BTZ single treatment induced an activation of NF-κB signaling, whereas only after combined BTZ/HDACi treatment also an induction of apoptosis-related NF-κB target genes was observed, suggesting a possible role of NF-κB as pro-apoptotic mediator in this context. This might be further supported by the observation that ALL cells from patients who developed a relapse during the frontline chemotherapy showed lower NF-κB subunits gene expression as compared to relapses after chemotherapeutic treatment. Conclusion: An increase of efficacy, which was achieved without an increase of toxic effects, and favorable interactions with selected chemotherapeutics provide the basis for an incorporation of BTZ and HDACi into current BCP-ALL treatment regimens. However, scheduling of drug application warrants attention, since only concomitant application of BTZ and HDACi induced synergistic effects and interactions with certain chemotherapeutics depended on the sequence of drug exposure.
