Genetic analyses of multiple myeloma and related plasma cell dyscrasias

Abstract

Acquired genetic changes have proved to be of diagnostic and prognostic importance in different hematologic malignancies as well as in some solid tumor types. However, although multiple myeloma (MM), an incurable disease, and its proceeding stage monoclonal gammopathy of undetermined significance (MGUS) are quite common, little is known about the karyotypic features of these plasma cell dyscrasias. One reason for this is that a large proportion of the cases are karyotypically normal, despite the fact that molecular genetic studies have revealed that virtually all MM and most MGUS harbor cytogenetic aberrations. Thus, the non-neoplastic cells seem to have a proliferative advantage in vitro. The goals of the present thesis were to develop different culture methods and to identify and characterize chromosomal abnormalities in MGUS/MM. A total of 279 cell cultures were investigated as part of this thesis, and various culture conditions were evaluated in articles I, IV, and V. Chromosomal anomalies were identified in 46-63% of the MM/MGUS/smoldering multiple myeloma (SMM) cases by conventional cytogenetics and the majority were aberrant when performing both cytogenetics and fluorescence in situ hybridization. There was no evidence that gender, age, disease phase, culture time, plasma cell percentage, or cytokine stimulation significantly influenced the karyotypic features. In article II, cytogenetic features in 783 cytogenetically abnormal MM cases were ascertained. Hyperdiploidy was the most common modal number and about 3/4 of the MM karyotypes were complex, with a median of eight changes per patient. The most frequent genomic breakpoints and imbalances were 14q32, 11q13, 1q10, 8q24, 1p11, 1q21, 22q11, 1p13, 19q13, 1p22, 6q21, 17p11, and +9, -13, +15, +19, +11, and -Y. Hyperdiploidy was more common in elderly patients, trisomy 11 and monosomy 15 were more common among men, while -X was more frequent in women. Loss of chromosome Y, as the sole change, and +5 were more common in elderly patients, and -14 was more frequent in the younger age group. The salient results of article III were that cytogenetic features generally can be used to distinguish between MM and myelodysplastic syndromes/ acute myeloid leukemia arising after previous chemotherapy (t-MDS/t-AML) for MM, that del(20q) as a sole change is found in approximately 10% of MM/MGUS, that the presence of 20q- in MM/MGUS/SMM not by necessity implies emerging MDS/AML, that it frequently arises de novo, i.e. in untreated MM/MGUS/SMM patients, and that del(20q) is present in myeloid and lymphoid cells as well as in progenitor/stem cells, at least in the MGUS case investigated.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Elakartade (maligna) blodsjukdomar uppstår i den blodbildande benmärgen, vilken är innesluten i hålrummen i de skelettdelar som kan sägas täckas av en badmössa och en gammaldags baddräkt. En av de celltyper som bildas i benmärgen är plasmacellen, en vit blodkropp som utgör mindre än 2% av benmärgscellerna och som tillverkar specifika antikroppar vid infektioner. Vid monoklonala gammopatier, exempelvis monoklonal gammopati av oklar signifikans (MGOS) och multipelt myelom (MM), ansamlas abnorma, tumöromvandlade, plasmaceller i benmärgen. MM och MGOS, som kan sägas vara ett förstadium till MM, förekommer hos c:a 5-6 respektive 200-500 personer per 100 000/år. Patienter med MM uppvisar varierande grad av symtom och fynd, vilka beror på ett ökat antal sjuka plasmaceller och de antikroppar de producerar. I MM kan den sjuka plasmacellen jämföras med en kopieringsmaskin som dels ideligen gör beställningar på nya, identiska kopieringsapparater, dels ser till att dessa kopieringsapparater löper amok och spottar ut likadana papperskopior (antikroppar). Denna överproduktion av celler och antikroppar ger upphov till en mängd olika sjukdomsyttringar. De sjuka plasmacellerna kan ”ta över” benmärgsutrymmet och tränga ut de friska cellerna, med resultatet att patienten blir känslig för infektioner (minskat antal normala vita blodkroppar), blödningsbenägen (färre trombocyter) och trött (ont om röda blodkroppar vilka transporterar syre). Allvarliga skador såsom spontana frakturer sker då benceller påverkas av sjuka plasmaceller och njurarna skadas då enorma mängder identiska antikroppar ansamlas. I dagsläget finns det ingen säker bot för MM. Dock kan flertalet symtom lindras avsevärt. Multipelt myelom kan se ut som beskrivits ovan men kan ha helt andra ansikten med färre symptom; vissa patienter har nästan inga symtom alls. Det finns inte några säkra möjligheter att förutspå hur hårt drabbad en enskild patient kommer att bli. Då det är välkänt att förvärvade kromosomavvikelser i de maligna cellerna kan ge värdefull klinisk information vid leukemier och besläktade sjukdomar, torde kromosomundersökningar av MM och MGOS också kunna vara av betydelse för att, exempelvis, identifiera personer med MGOS som har förhöjd risk att insjukna i MM och förutspå hur allvarlig sjukdomen kommer att bli. Vår kunskap om kromosomala förändringar i MGOS och MM är dock ytterst bristfällig. En orsak till detta är att det är mycket svårt att odla MGOS/MM-celler inför kromosomanalys. Målsättningen med detta avhandlingsarbete, vilket resulterat i fem vetenskapliga artiklar (I-V), var dels att utveckla och testa olika odlingsmetoder, dels att identifiera och karakterisera typiska kromosomavvikelser i MGOS och MM. I artiklarna I, IV och V utvärderades om tillsats av olika tillväxtfaktorer och varierande odlingstider kan öka andelen fall med identifierbara kromosomavvikelser. Förutom sedvanlig kromosombandningsanalys utfördes även s.k. FISH, en metod som gör det möjligt att studera avvikelser i icke-delande celler. De genetiska fynden jämfördes med olika kliniska fynd, såsom kön, ålder, frekvens plasmaceller och sjukdomsstadier. Dessa studier visade att avvikelser kan ses med klassisk kromosomanalys i c:a 50% av fallen. Dock påvisades kromosomförändringar i nästan alla fall med FISH. Sålunda behövs båda dessa metoder för att i detalj karakterisera monoklonala gammopatier. Artikel II är en sammanfattning av ett stort antal MM – både egna fall och samtliga fall som publicerats. Deskriptiva och statistiska analyser av materialet påvisade dels frekventa avvikelser, dels intressanta köns- och åldersskillnader. Genom att identifiera återkommande kromosomavvikelser och vilka kromosomregioner som är involverade får man värdefulla ledtrådar till kromosomsegment som torde innehålla gener av stor betydelse för uppkomst alternativt utveckling av MM. De genetiska skillnader som noterades mellan män och kvinnor och mellan olika åldersgrupper talar för att yttre faktorer kan ha betydelse för uppkomst av vissa MM-associerade kromosomförändringar. Ett intressant fynd, som rapporteras i artikel III, var att en tämligen stor andel av MGOS och MM uppvisar en kromosomavvikelse (förlust av ett segment från kromosom 20; 20q-), som tidigare endast beskrivits i andra typer av blodsjukdomar, s.k. myeloiska maligniteter. Dock förelåg inte – med ett undantag – några tecken på myeloisk malignitet hos dessa patienter. Detta talar för att 20q-, i motsats till vad man tidigare förmodat, kan förekomma utan att den leder till myeloiska leukemier. Detta trots att utökade analyser visade att 20q- uppstod på stamcellsnivå.

• author: Nilsson, Therese
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Harrison, Christine J, Cancer Sciences Division, Southampton General Hospital, United Kingdom
• organization: Division of Clinical Genetics
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Genetics
• keywords: Genetik, cytogenetik, cytogenetics, Genetics, FISH, cytogenetic, multiple myeloma, MGUS
• pages: 137 pages
• defense location: Föreläsningssal 2, Centralblocket, Universitetssjukhuset, Lund
• defense date: 2004-05-25 13:00:00
• ISBN: 91-628-6064-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Nilsson T, Lenhoff S, Turesson I, Rylander L, Mitelman F, Westin J, Höglund M, Johansson B. Cytogenetic features of multiple myeloma: impact of gender, age, disease phase, culture time, and cytokine stimulation. Eur J Haematol 2002; 68: 345-353. Article: Nilsson T, Höglund M, Lenhoff S, Rylander L, Turesson I, Westin J, Mitelman F, Johansson B. A pooled analysis of karyotypic patterns, breakpoints and imbalances in 783 cytogenetically abnormal multiple myelomas reveals frequently involved chromosome segments as well as significant age- and sex-related differences. Br J Haematol 2003; 120: 960-969. Article: Nilsson T, Nilsson L, Lenhoff S, Rylander L, Åstrand-Grundström I, Strömbeck B, Höglund M, Turesson I, Westin J, Mitelman F, Jacobsen SEW, Johansson B. MDS/AML-associated cytogenetic abnormalities in multiple myeloma and monoclonal gammopathy of undetermined significance: evidence for a frequent de novo occurrence and multipotent stem cell involvement of del(20q). (Genes Chromosomes Cancer, in press 2004). Article: Nilsson T, Lenhoff S, Rylander L, Höglund M, Turesson I, Mitelman F, Westin J, Johansson B. High frequencies of chromosomal aberrations in multiple myeloma and MGUS in direct chromosome preparation. Submitted. Article: Nilsson T, Lenhoff S, Rylander L, Höglund M, Turesson I, Mitelman F, Westin J, Johansson B. Multiple myeloma and MGUS cultured as solid tumors: a novel cytogenetic approach to investigate plasma cell dyscrasias. Manuscript
• id: 8200f37c-fd88-4403-9e62-66a39b1e2de6 (old id 467020)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:58:01
• date last changed: 2018-11-21 21:08:15