Aneuploidy is a cytogenetic hallmark of leukemic cells from pediatric B-cell precursor (BCP) acute lymphoblastic leukemia (ALL). Two major subgroups, i.e. high hyperdiploidy and hypodiploidy, are associated with outcome of patients after frontline treatment. High hyperdiploidy, generally defined as >50 chromosomes or a DNA index ≥1.16, occurs in about 30% of patients and is associated with favorable prognosis. In contrast, hypodiploidy with <45 chromosomes is rare (<2%) and patients suffer from a very poor outcome after frontline treatment. For relapsed BCP-ALL, however, the clinical relevance of aneuploidy is largely unknown. Therefore, we investigated aneuploidy in a large cohort of patients with a first bone marrow relapse of BCP-ALL (n=413) registered in the German ALL-REZ BFM 2002 relapse trial. As conventional karyotyping was not successful for most relapse samples, we used a combined approach of DNA index by flow cytometry and centromere copy number analyses by multiplex-ligation dependent probe amplification (MLPA). MLPA data showed a high concordance with available copy number data from fluorescence-in situ hybridizations and with the DNA index. A subsequent cluster analysis of MLPA data identified distinct aneuploidy subgroups according to their pattern of chromosomal gains. High hyperdiploidy was identified in 16% of relapses (n=64/413) and patients showed a most favorable outcome after relapse treatment with a 10-year probability of event-free survival (pEFS) of 70%. The group of low hyperdiploid relapses (n=42/413) had a significantly inferior pEFS of only 40% (P=0.007). Three patients with apparent high hyperdiploidy showed an unusual pattern of chromosome gains and TP53 mutations. Subsequent array-based allelotyping revealed a hypodiploid origin of these three cases; however, the hypodiploid clone was not detected by DNA index, karyotyping or fluorescence-in situ hybridization (masked hypodiploidy). Collectively, patients with masked (n=3) or evident (n=8) hypodiploidy had a very poor pEFS of 9% after relapse treatment (P=0.001). Notably, the current treatment stratification for relapsed ALL did not identify masked hypodiploid cases as high-risk due to their favorable clinical presentation at relapse. In multivariate analysis, hypodiploidy was an independent prognostic factor for poor event-free and overall survival suggesting stratification of hypodiploid BCP-ALL relapses into high-risk treatment arms in future trials or allocation to alternative treatment approaches. With this study, SNP arrays were implemented in the diagnostic procedures for relapsed ALL to facilitate the diagnosis of (masked) hypodiploidy. Furthermore, hypodiploidy and TP53 mutations will be included as markers for stratification of patients to a very-high-risk group in the upcoming international relapse trial.
Die Aneuploidie ist ein charakteristisches Merkmal leukämischer Zellen der Akuten Lymphoblastischen Leukämie der B-Zellreihe (Englisch: B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia, BCP-ALL) im Kindesalter. Zwei wesentliche Aneuploidie-Untergruppen, die sogenannte high hyperdiploidy und hypodiploidy (Englisch), sind mit einer unterschiedlichen Prognose nach der Leukämie-Ersterkrankung assoziiert. High hyperdiploidy, allgemein definiert als Aneuploidie mit >50 Chromosomen oder einem DNA-Index ≥1.16, tritt bei etwa 30% der Patienten auf und sagt eine hohe Überlebenswahrscheinlichkeit voraus. Im Gegensatz dazu ist die hypodiploidy mit <45 Chromosomen eher selten (<2%) und betroffene Patienten haben sehr schlechte Heilungschancen nach der Erstbehandlung. Für Kinder mit einem Rückfall (Rezidiv) der BCP-ALL ist die klinische Relevanz der Aneuploidie noch weitgehend unbekannt. Wir untersuchten daher eine große Patientenkohorte (n=413) mit erstem BCP-ALL-Knochenmarkrezidiv, die in Deutschland im Rahmen der multizentrischen ALL-REZ BFM 2002-Rezidivstudie behandelt wurden, auf Aneuploidien. Da die konventionelle Karyotypisierung bei Leukämiezellen des Rezidivs häufig nicht erfolgreich ist, wurde ein kombinierter Ansatz aus DNA-Index-Messungen mittels Durchflusszytometrie und einer Kopienzahl-Analyse der Zentromere mittels multiplex ligation-dependent probe amplification (MLPA) angewendet. Die Ergebnisse der MLPA-Methode zeigten eine hohe Konkordanz zu Kopiezahl-Daten aus Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungen und zu DNA-Index-Messungen. Eine nachfolgende Clusteranalyse der MLPA-Daten identifizierte anschließend die verschiedenen Aneuploidie-Untergruppen anhand ihres Musters an chromosomalen Zugewinnen. Die high hyperdiploidy wurde in 16% der Rezidive (n=64/413) festgestellt, und die Patienten zeigten einen günstigen Verlauf nach der Rezidivbehandlung mit einer 10-Jahres-Wahrscheinlichkeit des ereignisfreien Überlebens (pEFS) von etwa 70%. Rezidive mit low hyperdiploidy (n=42/413) hingegen erreichten ein signifikant schlechteres pEFS von nur 40% (P=0.007). Drei Patienten mit scheinbarer high hyperdiploidy zeigten ein ungewöhnliches Muster ihrer hinzugewonnenen Chromosomen sowie zusätzliche TP53-Mutationen. Eine anschließende Array-basierte Allelotypisierung offenbarte einen hypodiploiden Ursprung dieser drei Rezidive, jedoch konnte der hypodiploide Klon nicht mit DNA-Index, Karyotypisierung oder Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung nachgewiesen werden (sogenannte maskierte hypodiploidy). Insgesamt hatten die Patienten mit maskierter (n=3) oder offensichtlicher (n=8) hypodiploidy beim Rezidiv ein besonders schlechtes pEFS von 9% nach der Rezidivbehandlung (P=0.001). Bemerkenswert ist, dass die aktuelle Behandlungsstrategie für BCP-ALL-Rezidive solche maskierten hypodiploidy-Fälle aufgrund ihres günstigen klinischen Erscheinungsbildes beim Rezidiv nicht als Hochrisikopatienten identifizierte. In der multivariaten Analyse zeigte sich die hypodiploidy zudem als unabhängiger Prognosefaktor für ein schlechtes ereignisfreies- sowie Gesamt-Überleben. Diese Ergebnisse legten nahe, dass BCP-ALL-Rezidive mit hypodiploidy zukünftig einem Hochrisiko-Behandlungsarm bzw. alternativen Therapieansätzen zugewiesen werden sollten. Die vorliegende Studie war eine Grundlage dafür, dass die Identifikation von hypodiploidy in die klinische Routine-Diagnostik von BCP-ALL Rezidiven aufgenommen wurde und dieser genetische Marker sowie TP53-Mutationen in der nächsten internationalen Rezidiv-Studie in die Risikostratifizierung einfließen werden.
