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Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría de flujo. Estudio de casos Departamento de Medicina, Centro de Investigación del Cáncer y Servicio de Citometría. Universidad de Salamanca, Salamanca, España. EuroFlow TM Consortium Curso avanzado de Actualización en Onco Hematología. Buenos Aires, Mayo, 30 a Junio, 1, 2011

Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

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Page 1: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante

técnica de immuno-beads y citometría de flujo. Estudio de casos

Departamento de Medicina, Centro de Investigación del Cáncer y Servicio de Citometría. Universidad de Salamanca, Salamanca, España.

EuroFlowTM Consortium

Curso avanzado de Actualización en Onco Hematología. Buenos Aires, Mayo, 30 a Junio, 1, 2011

Page 2: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

1. Making the diagnosis Normal ↔ reactive/regenerating ↔ malignant Annually > 300,000 new patients with a hematological malignancy in

developed countries 2.Classification of hematopoietic malignancies

Based on differentiation characteristics and particularly on chromosome aberrations, resulting in fusion gene transcripts or aberrantly (over) expressed genes

- relation with prognosis - relevance of risk-group definition in treatment protocols 3. Evaluation of treatment effectiveness Detection of minimal residual disease (MRD): MRD-based risk-group stratification (treatment reduction or

treatment intensification) Annually > 400,000 follow-up samples in leukemia patients (ALL, AML,

CML)

DIAGNOSTICS IN HEMATOLOGICAL MALIGNANCIES

Page 3: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

1. Making the diagnosis Normal ↔ reactive/regenerating ↔ malignant Annually > 300,000 new patients with a hematological malignancy in

developed countries 2.Classification of hematopoietic malignancies

Based on differentiation characteristics and particularly on chromosome aberrations, resulting in fusion gene transcripts or aberrantly (over) expressed genes

- relation with prognosis - relevance of risk-group definition in treatment protocols 3. Evaluation of treatment effectiveness Detection of minimal residual disease (MRD): MRD-based risk-group stratification (treatment reduction or

treatment intensification) Annually > 400,000 follow-up samples in leukemia patients (ALL, AML,

CML)

DIAGNOSTICS IN HEMATOLOGICAL MALIGNANCIES

Page 4: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

Dept. of Immunology, Erasmus MC, Rotterdam

5´ gene A

3´ gene B

transcription

mRNA

fusion proteins translation

Fusion genes and fusion proteins

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Dept. of Immunology, Erasmus MC, Rotterdam

5´ gene A

3´ gene B

transcription

mRNA

fusion proteins translation

Occurrence of fusion proteins

1. Hematological malignancies - acute leukemias: 35-40% - CML: >98%

2. Solid tumors overall: ~20% of all patients

Fusion genes and fusion proteins

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CHROMOSOME ABERRATIONS & FUSION GENES IN AL

Chromosome Fusion Relative frequency per type of acute leukemia aberration genes Precursor-B-ALL AML children adults children adults adults <60 y >60 y t(1;19)(q23;p13) E2A-PBX1 5-8% 3-4% - - -

t(4;11)(q21;q23) MLL-AF4 3-5%a 3-4% <1% <1% <1%

t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL p190 3-5% 15-30% <1% <1% <1%

t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL p210 1-2% 10-15% <1% <1% <1%

t(12;21)(p13;q22) TEL-AML1 25-30% <2% - - -

t(8;21)(q22;q22) AML1-ETO - - 10-14% 6-8% 2-3%

t(15;17)(q22;q21) PML-RARA - - 8-10%b 5-15%b 2-6%b

inv(16)(p13;q22) CBFB-MYH11 - - 5-7% 5-6% 3-4%

TOTAL 40-45% 40-45% 25-30% 20-25% 10-12%

a In infant ALL, the frequency of t(4;11) can be as high as 70%. b In southern European regions (ES, FR, and IT) the frequency of t(15;17) with PML-RARA is essentially higher than in northern European regions.

Page 7: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

RELATIVE FREQUENCY OF GENETICS ABNORMALITIES IN ALL BY AGE GROUPS

T. Szczepanski, et al. Lancet Oncology, 2010; 11:880-889

Page 8: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

T. Szczepanski, et al. Lancet Oncology, In Press.

Event-free survival in childhood ALL according to chromosome aberrations

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CHROMOSOME ABERRATIONS & FUSION GENES IN MPN

Chromosome Aberration Disease category

t(9;22)(q34;q11) (BCR-ABL1) Chronic myeloid leukemia, BCR-ABL1+

Chronic neutrophilic leukaemia (CNL)

Mutated JAK2 (V617F or exon 12) Policitemia vera (PV)

Mutated JAK2 (V617F) W515L/K

Primary myelofibrosis (PMF)

Mutated JAK2 (V617F) W515L/K

Essential thrombocythaemia (ET)

alt 4q12 t(5;12)(q31-33;p13) t(8;13)(p11;q12)

(PDGFRA / PDGFRB / FGFR1)

Chronic eosinophilic leukaemia, not otherwise specified (CEL, NOS)

c-Kit (D816V) Mastocytosis

Myeloproliferative neoplasm, unclassifiable

Chronic myeloproliferative neoplasms

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CHROMOSOME ABERRATIONS & FUSION GENES IN MPN

Myelodisplastic / Myeloproliferative neoplasms, unclasifiable

Myelodisplastic / Myeloproliferative neoplasms

Disease categoy

Chronic myelomonocytic leukemia

atypic Chronic myeloid leukemia, BCR-ABL1 -

Juvenile myelomonocytic leukemia

Absence of BCR-ABL1

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Diagnosis Genetic Aberrant immunophenotype lesion BCP-ALL t(9;22) CD34hi,CD10+,CD38lo,CD13lo

t(12;21) CD34het,CD10+,CD20-,CD13lo

11q23 CD34+,CD10-,7.1+,CD15+ AML t(15;17) CD34-/+,CD15-/lo,CD2-/lo,CD13het

Inv(16) MPOhi,CD2-/lo

t(8;21) CD19+,CD56+

11q23 CD56+,7.1-/+,CD19-/lo,CD2-/+

AL: GENOTYPIC-PHENOTYPIC ASSOCIATIONS

Ortuño F, Orfao A, Cytometry B, 2004

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CHROMOSOME ABERRATIONS. Detection techniques

Advantages of molecular techniques: - Generally well-established; - Cytogenetics screens total genome for visible structural aberrations; - FISH: screening of all relevant breakpoints of targeted genes; - PCR: most variant breakpoints are identified (size differences); - RQ-PCR: highly sensitive and reproducible: Useful for MRD diagnostics - Microarray, CGH, SNP: promising, but to be established !

Dept. of Immunology, Erasmus MC, Rotterdam

Cytogenetics PCR FISH RQ-PCR

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CHROMOSOME ABERRATIONS. Detection techniques

Dept. of Immunology, Erasmus MC, Rotterdam

Disadvantages of molecular techniques:

- labor intensive;

- require specialized laboratories;

- time consuming (2-3 days, up to a -week)

Faster technique needed: at protein level?

Cytogenetics PCR FISH RQ-PCR

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FCM DETECTION OF FUSION PROTEINS

5´gene A

3´gene B

AB

transcription

mRNA

AB

A B

A B

fusion proteinstranslation

cell lysate

bead

beads coatedwith anti-Aantibody

bead

bead

FITC-conjugatedanti-B antibody

AB

A

B

A

B

AB

A

BAB

Patents: US 6,610,498 B1 (26 August 2003) US 6,686,165 B2 (3 February 2004)

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BCR-ABL FUSION PROTEIN

Breakpoint regions in t(9;22)(q34;q11) with BCR and ABL genes

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

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BCR-ABL FUSION PROTEIN

Breakpoint regions in t(9;22)(q34;q11) with BCR and ABL genes

Multiple variant BCR- ABL transcripts

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

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DESIGN OF ANTI-BCR ANTIBODIES FOR BEADS SYSTEM

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

utrutr

Hotloops

m-~55 kb

bcr M-~2.9 kb

bcr µ-~1 kb

bcr

RhoGEF PH C2 RhoGAP

BCR gene (# 22q11)

mRNA(4328 bp)

protein(1271 aa)

exposed regions

non-homologous regions

developed constructs

antibody clones

antigenic determinants

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DETECTION OF BCR-ABL FUSION PROTEIN

Black: PBMC (neg. control) Green: 697 (E2-PBX1; neg. control) Purple: REH (TEL-AML1; neg. control) Blue: RS4,11 (MLL-AF4; neg. control) Orange: K562 (BCR-ABL p210) Red: Lama-84 (BCR-ABL p210)

Catching antibody: anti-ABL Bead: BD-Flex bead (A7) Detection antibody: anti-BCR (biotinylated)

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CBA FOR BCR-ABL DETECTION IN BCP-ALL SAMPLES

Only frozen samples tested

Dyn

06-0

0D

yn06

-003

Dyn

06-0

04

Dyn

06-0

07

Dyn

06-0

08

Dyn

06-0

08

Dyn

06-0

09

Dyn

06-0

10

Dyn

06-0

10

Dyn

06-0

2

Dyn

06-0

22

Dyn

06-0

1

Dyn

06-0

12

Dyn

06-0

13

Dyn

06-0

14

Dyn

06-0

15

Dyn

06-0

16

Dyn

06-0

17

Dyn

06-0

18

Dyn

06-0

19

Dyn

06-0

20

yD

yn06

-003

Dyn

06-0

04

Dyn

06-0

07

Dyn

06-0

08

Dyn

06-0

08

Dyn

06-0

09

Dyn

06-0

10

Dyn

06-0

10

Dyn

06-0

2

Dyn

06-0

22

Page 20: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

CBA FOR BCR-ABL DETECTION IN WBC

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

Page 21: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

PROTEASE ACTIVITY / BCR-ABL DEGRADATION

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

Page 22: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

BCR-ABL RUO TESTING BY EUROFLOWTM LABORATORIES

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

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BCR-ABL RUO TESTING. TEMPERATURE AND TIME EFFECT

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

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BCR-ABL RUO TESTING. SENSIBILITY

F. Weerkamp, et al. Leukemia 2009; 23: 1106-1117.

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BCR-ABL RUO KIT: CONCLUSIONS (Leukemia, 2009)

.- High sensitivity & specificity: - Absolute concordance with PCR resuls:

12/41 BCP-ALL (all adults) 12/12 CML 0/29 AML & T-ALL

.- Amount of bcr/abl protein: - Heterogeneous pattern with two groups of positive cases:

● High expression: IMF ≥ 2.000 ● Lower expression: IMF ≥ 500 y < 2.000 - MFI of negative samples: < 150

.- Different pattern of expression in BCP-ALL vs CML:

BCP-ALL: 83% (10/12) displayed high expression CML: 75% (9/12) showed dim/intermediate expression*

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CHROMOSOME ABERRATIONS & FUSION GENES IN AL

Chromosome Fusion Relative frequency per type of acute leukemia aberration genes Precursor-B-ALL AML children adults children adults adults <60 y >60y t(1;19)(q23;p13) E2A-PBX1 5-8% 3-4% - - -

t(4;11)(q21;q23) MLL-AF4 3-5%a 3-4% <1% <1% <1%

t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL p190 3-5% 15-30% <1% <1% <1%

t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL p210 1-2% 10-15% <1% <1% <1%

t(12;21)(p13;q22) TEL-AML1 25-30% <2% - - -

t(8;21)(q22;q22) AML1-ETO - - 10-14% 6-8% 2-3%

t(15;17)(q22;q21) PML-RARA - - 8-10%b 5-15%b 2-6%b

inv(16)(p13;q22) CBFB-MYH11 - - 5-7% 5-6% 3-4%

TOTAL 40-45% 40-45% 25-30% 20-25% 10-12%

a In infant ALL, the frequency of t(4;11) can be as high as 70%. b In southern European regions (ES, FR, and IT) the frequency of t(15;17) with PML-RARA is essentially higher than in northern European regions.

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Breakpoint regions in t(15;17)(q24;q21) with PML and RARA genes

utr

PML gene (# 15q24.1)

utr

bcr3~1.5 kb

bcr2~0.3 kb

bcr1~1 kb

breakpoint region~15 kb

utr

RARA gene (# 17q21.2)

utr

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Breakpoint regions in t(15;17)(q24;q21) with PML and RARA genes

bcr1 4

4

3

3

3

5

5

6

6

3

3

3

bcr2

bcr3

variable

insertions

55%

5%

40%

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PML-RARA DESIGN OF ANTIBODIES FOR BEADS SYSTEM

PML RARA

E.H.A Dekking, et al. Submitted to Leukemia 2011

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FCM IMMUNOBEADS DETECTION OF PML-RARA

Cell Lines

Patients’ samples

E.H.A Dekking, et al. Submitted to Leukemia 2011

Page 31: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

FCM IMMUNOBEADS DETECTION OF PML-RARA

Dilution experiments

E.H.A Dekking, et al. Submitted to Leukemia 2011

Page 32: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

FCM IMMUNOBEADS DETECTION OF PML-RARA

10

100

1,000

10,000

100,000

APL AML(non APL)

CML BCP-ALL

T-ALL

disease groups

MFI

val

ue

500

180

bcr3bcr2bcr1

result ofRQ-PCR

negative

Results in patient’s samples. n=163

E.H.A Dekking, et al. Submitted to Leukemia 2011

n=66 n=46 n=1

n=34 n=16

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FCM IMMUNOBEADS DETECTION OF PML-RARA

Results in patient's samples.

10

100

1,000

10,000

100,000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% leukemic cells

MFI

val

ue

bcr3bcr2bcr1

result ofRQ-PCR

E.H.A Dekking, et al. Submitted to Leukemia 2011

Page 34: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

FCM IMMUNOBEADS DETECTION OF PML-RARA

100

1,000

10,000

100 1,000 10,000

MFI value of bone marrow

MFI

val

ue o

f per

iphe

ral b

lood

bcr3bcr1

result ofRQ-PCR

negative

Results in patient's samples.

100

1,000

10,000

100,000

0 10 20 30 40 50 60age of sample (hours)

MFI

val

ues

bcr3bcr1 result of

RQ-PCRmedian value

same day next day more than 2 days

BM versus PB Time effect

E.H.A Dekking, et al. Submitted to Leukemia 2011

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FCM MLL-AF4 IMMUNOBEADS

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FCM TEL-AML1 IMMUNOBEADS

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CHROMOSOME ABERRATIONS & FUSION GENES IN AL

Chromosome Fusion Relative frequency per type of acute leukemia aberration genes Precursor-B-ALL AML children adults children adults adults <60 y >60y t(1;19)(q23;p13) E2A-PBX1 5-8% 3-4% - - -

t(4;11)(q21;q23) MLL-AF4 3-5%a 3-4% <1% <1% <1%

t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL p190 3-5% 15-30% <1% <1% <1%

t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL p210 1-2% 10-15% <1% <1% <1%

t(12;21)(p13;q22) TEL-AML1 25-30% <2% - - -

t(8;21)(q22;q22) AML1-ETO - - 10-14% 6-8% 2-3%

t(15;17)(q22;q21) PML-RARA - - 8-10%b 5-15%b 2-6%b

inv(16)(p13;q22) CBFB-MYH11 - - 5-7% 5-6% 3-4%

TOTAL 40-45% 40-45% 25-30% 20-25% 10-12%

a In infant ALL, the frequency of t(4;11) can be as high as 70%. b In southern European regions (ES, FR, and IT) the frequency of t(15;17) with PML-RARA is essentially higher than in northern European regions.

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At this moment the technical developments for 7 well-defined fusion proteins have (virtually) been completed: ● CML: − BCR-ABL : completed Published / RUO kit launched

● precursor-B-ALL: − BCR-ABL : completed − TEL-AML : completed − E2A-PBX1 : completed − MLL-AF4 : completed ● AML: − AML1-ETO : completed − CBFB-MYH11 : completed − PML-RARA : completed Submitted / RUO kit in preparation

Core-factor tube Multiplex tube: prototype completed

Precursor-B-ALL tube Multiplex tube close to completion

From invention through development and production to final diagnostic testing

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CBA vs classical molecular techniques

-Easy and reliable technique for fusion protein detection

-Independent of breakpoint position in the involved genes -Multiplex possibilities by use of differential labeling of beads -Fast technique: provides results within several hours -No need for special laboratory facilities (only routine flow cytometer) -Can be run in parallel with standard immunophenotyping (saves technician time!)

Conclusion: The CBA technique can contribute to fast and easy diagnosis and classification of leukemias and other malignancies. If sufficient sensitivity is reached, MRD diagnostics becomes possible as well.

Page 40: Detección de proteínas de fusión de translocaciones ... · Detección de proteínas de fusión de translocaciones cromosómicas mediante técnica de immuno-beads y citometría

Thanks!!

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FCM DETECTION OF FUSION PROTEINS

Case Samples

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FCM DETECTION OF FUSION PROTEINS

Settings

-FSC and SSC detectors: 30,000 ± 2,000 (each) -APC channel 20,000 ± 2,000 -APCCy7 channel 40,000 ± 2,000 -PE detector 100 ± 5.