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Abstract

Light chain amyloidosis is a malignant plasma cell disease characterized by the production and secretion of immunoglobulin light chains, aggregating as amyloid and causing end organ damage, most frequently in heart and kidney. The primary aim of this thesis was to assess the molecular background and prognosis of light chain amyloidosis in relation to other malignant plasma cell diseases. CD138-positive purified malignant plasma cells from patients diagnosed with light chain amyloidosis, monoclonal gammopathy of undetermined significance, asymptomatic and symptomatic multiple myeloma were subjected to interphase fluorescence in situ hybridization (n = 582/306/444/1691), gene expression profiling by DNA microarrays (n = 196/64/271/765), RNA sequencing (n = 124/51/140/515), and whole exome sequencing (light chain amyloidosis n = 113). Clinical and survival data were collected. First, it was shown that for multiple myeloma risk assessment by the gene expression-based HM metascore compared to the current gold-standard (rISS) shows superior delineation of five-year overall survival rate of 98%/68%/25% for low/medium/high risk HM metascore versus 86%/65%/40% for rISS stages I/II/III, respectively. Second, it was investigated to what degree prognosis of light chain amyloidosis is determined by free light chain production and amyloid deposition and to what degree by properties of the malignant plasma cells. Till now, early prognosis and risk for patients was seen as defined by amyloid deposition and free light chain secretion, with risk assessment based on serum parameters of cardiac involvement and the difference in free light chains in the serum. Malignant plasma cell characteristics in light chain amyloidosis, represented by chromosomal aberrations, were considered regarding treatment decisions and as defining prognosis rather late during the course of disease. In this thesis, it was shown that prognosis of light chain amyloidosis patients is likewise driven by malignant plasma cell factors accessible by gene expression profiling independent of light chain deposition-based factors. This especially holds true for gene expression-based assessment of proliferation (GPI), myeloma-based risk scores (UAMS70, RS), and the de novo for light chain amyloidosis patients generated HDAL score. The hypothesis that the same malignant plasma cell factors determine prognosis in light chain amyloidosis and myeloma was validated by testing the HDAL score’s prognostic significance on two independent groups of asymptomatic and symptomatic multiple myeloma patients. This indicates that the underlying malignant plasma cell component in both diseases is similar. Thus, early prognosis is also defined by molecular factors of plasma cells. Third, the similarities and differences regarding malignant plasma cell characteristics were assessed, to determine if light chain amyloidosis is a unique molecular entity and if not, place the underlying malignant plasma cell disease of it in relation to multiple myeloma and its precursor stages to determine a "molecular age". On a patient level, malignant plasma cells in light chain amyloidosis do not show mayor molecular differences to myeloma. This was shown by dimension reduction, analysis of differentially expressed and mutated genes. A larger variance was detected within samples than between different disease entities. Thus, light chain amyloidosis is not a distinct molecular entity regarding malignant plasma cell characteristics, and it likewise does not resemble a stage earlier than monoclonal gammopathy of undetermined significance. Differences exist on a population level, i.e. in light chain amyloidosis a large proportion of patients with translocation t(11;14), a small group of highly proliferative samples, and a lower mutational load on average compared to multiple myeloma. Given that all myeloma subgroups are also present in light chain amyloidosis, although at different frequencies, the ability of malignant plasma cells to produce amyloid generating light chains can appear on every myeloma associated molecular background. In a nutshell, in respect to gene expression, molecular risk stratification, chromosomal aberrations, copy number alterations, and mutations light chain amyloidosis is a malignant plasma cell disease with a median "molecular age" between monoclonal gammopathy of undetermined significance and asymptomatic myeloma - atop an "unlucky" light chain.

Translation of abstract (German)

Leichtketten Amyloidose ist eine maligne Plasmazellerkrankung charakterisiert durch die Produktion und Sekretion von Immunglobulin Leichtketten, welche als Amyloid zusammenlagern und dadurch Organschäden verursachen, am häufigsten in Herz und Niere. Ziel dieser Dissertation war es, molekularen Hintergrund und Prognose der Leichtketten Amyloidose zu bestimmen und zu anderen malignen Plasmazellerkrankungen in Bezug zu setzen. CD138-positive maligne Plasmazellen von Patienten mit Leichtketten Amyloidose, Monoklonaler Gammopathie unklarer Signifikanz, asymptomatischem und symptomatischem Multiplen Myelom wurden aufgereinigt und mittels Interphase Fluoreszenz in situ Hybridisierung (n = 582/306/444/1691), Genexpressionsanalyse mit DNA-microarrays (n = 196/64/271/765), RNA Sequenzierung (n = 124/51/140/515), und Exome Sequenzierung (Leichtketten Amyloidose n = 113) untersucht. Klinische und Überlebenszeitdaten wurden erhoben. Als erstes wurde gezeigt, dass hinsichtlich Risikobewertung beim Multiple Myelom der Genexpressions-basierte HM Metascore im Vergleich zum aktuellen Goldstandard rISS eine bessere Auftrennung bezüglich des Gesamtüberleben zeigt. Mit einer jeweiligen Rate von 98%/68%/25% beim HM metascore für niedriges/mittleres/hohes Risiko gegen 86%/65%/40% für rISS Stadien I/II/III nach fünf Jahren. Zweitens wurde untersucht, wie weit die Prognose der Leichtketten Amyloidose durch die Produktion freier Leichtketten und der Deposition von Amyloid bestimmt wird und in wie weit durch molekulare Eigenschaften der malignen Plasmazellen. Bisher wurde angenommen, dass die frühe Prognose für die Patienten durch die Produktion der freien Leichtketten und die Amyloid Ablagerungen bestimmt wird. Daher basiert die Risikobewertung auf Serum Parametern der Herzbeteiligung und der Differenz der freien Leichtketten im Serum. Maligne Plasmazellcharakteristika, wie chromosomalen Aberrationen, werden im Hinblick auf Therapieentscheidungen berücksichtigt und werden als eher spät im Krankheitsverlauf Einfluss auf die Prognose nehmend angesehen. In dieser Dissertation wurde gezeigt, dass die Prognose bei Leichtketten Amyloidose Patienten unabhängig von Leichtketten Depositions-basierten Faktoren auch durch molekulare maligne Plasmazellfaktoren bestimmt wird, die durch Genexpressionsanalysen erfassbar sind. Dies beinhaltet die Genexpression-basierte Messung von Proliferation (GPI), Myelom-basierte Risikobewertungen (UAMS70, RS), sowie um die für Leichtketten Amyloidose Patienten neuentwickelte HDAL Stratifikation. Zur Bestätigung der Hypothese, dass die gleichen malignen Plasmazellfaktoren die Prognose in der Leichtketten Amyloidose und dem Myelom bestimmen, wurde der HDAL auf zwei unabhängigen Kohorten von asymptomatischen und symptomatischen Multiplen Myelom Patienten getestet und seine prognostische Signifikanz gezeigt. Dies bedeutet, dass die grundlegende maligne Plasmazellkomponente in beiden Erkrankungen gleich ist. Die Prognose im frühen Krankheitsverlauf ist somit auch durch die malignen Plasmazellfaktoren bestimmt. Drittens wurden Gemeinsamkeiten und Unterschiede der molekularen Charakteristika maligner Plasmazellen untersucht, um zu analysieren ob die Leichtketten Amyloidose eine eigene molekulare Entität darstellt, und falls nicht, die ihr zu Grunde liegende maligne Plasmazellerkrankung in Relation zum Myelom und seinen Vorstadien zu stellen, und dadurch ein „molekulares Alter“ bestimmen zu können. Auf Ebene eines individuellen Patienten gibt es kein Anzeichen für molekulare Unterschiede maligner Plasmazellen zwischen Leichtketten Amyloidose und Multiplen Myelom. Das konnten mittels Dimensionsreduktionsverfahren sowie der Analyse von differentiell exprimierten und mutierten Genen gezeigt werden. Es wurde eine größere Varianz zwischen einzelnen Patientenproben innerhalb einer Entität als zwischen den Krankheitsentitäten gefunden. Die Leichtketten Amyloidose ist somit keine eigenständige molekulare Entität in Hinblick auf maligne Plasmazellcharakteristika. Sie ist ebenfalls keine Vorstufe der Monoklonalen Gammopathie unklarer Signifikanz. Auf Populationsebene sind Unterschiede sichtbar. Die Leichtketten Amyloidose ist charakterisiert durch einen größeren Anteil an Patienten mit Translokation t(11;14), einer kleineren Gruppe mit hoher Proliferationsrate, und einer niedrigeren durchschnittlichen Mutationslast im Vergleich zum Multiplen Myelom. Vor dem Hintergrund, dass alle aus dem Myelom bekannten Subgruppen auch bei der Leichtketten Amyloidose vorkommen, wenn auch mit unterschiedlichen Häufigkeiten, kann die Produktion zu Amyloid aggregierenden Leichtketten durch maligne Plasmazellen vor jedem Myelom-assozierten molekularen Hintergrund auftreten. In der Quintessenz ist die Leichtketten Amyloidose bezüglich Genexpression, molekularer Risikostratifizierung, chromosomalen Aberrationen, Veränderungen der Kopienzahl, und Mutationen eine maligne Plasmazellerkrankung mit einem medianen „molekularen Alter“ zwischen Monoklonaler Gammopathie unklarer Signifikanz und asymptomatischen Myelom - die eine „unglückliche“ Leichtkette produziert.