The mutational profile in the progression from monoclonal gammopathy of undetermined significance to multiple myeloma

Abstract

Multiple myeloma (MM), also called Kahler’s disease or plasma cell myeloma, is the second most common hematological malignancy. This disease is characterized by the uncontrolled proliferation of a specific type white blood cells, the plasma cells, in the bone marrow. The expansion of these plasma cells leads to typical symptoms such as anaemia, renal failure and bone lesions. Despite the extensive knowledge, the exact cause of MM is still not fully known. To date, this blood cancer is still incurable. All cases of MM are known to be preceded by asymptomatic, non-malignant prestage monoclonal gammopathy of undetermined significance (MGUS) or smoldering multiple myeloma (SMM). Yearly, 1% of MGUS and 10% of SMM patients progress to MM. But currently it is still not possible to individually predict when and which patients will develop MM. The guidelines recommend monitoring of these precursor patients. But there is no consensus on the optimal follow-up strategy. Treatment is only started when progressed to MM. This "watch-and-wait" strategy involves a lot of insecurities, fear and stress. The knowledge on the genomic profiles of the precursors and molecular mechanisms driving the progression to MM is still limited. Consequently, the diagnosis and clinical follow-up of these patients is largely based on indirect measures and surrogate markers of the disease burden. The aim of this doctoral thesis is to investigate the role of genomic lesions in the myeloma precursor conditions and their progression to MM. As part of this thesis, a systematic review of the literature was performed summarizing the currently identified clinical, imaging, and molecular markers in the progression (Chapter 1). Currently, there are still no reliable biomarkers to individually predict which MGUS patients will progress to MM. The proposed markers and models are rather useful for identifying high-risk precursor patients, but are not very valuable for low or medium risk precursors. To study the molecular mechanisms of the prestages and progression to MM, an unique collection of biobank samples was used. However, storage conditions and sample handling can influence the reproducibility and quality of the results. Therefore, a quality control of the bone marrow smears was performed. This control proved the usefulness of these samples for molecular DNA research, such as the identification of genetic variants (Chapter 2). The progression was studied in serial bone marrow smears with a targeted sequencing panel, designed to detect variants in myeloma-related genes (Chapter 3). The identified variants were heterogeneous and could not be reduced to one or a few specific mechanism. Almost all variants were already present in the prestages. However, the panel was limited to a limited number of variants in a limited number of genes, without copy number changes, translocations and complex structural variants included. Due to knowledge gaps in the genomic profile of the myeloma precursor conditions, the exact cause of progression is still unknown. Whole genome analyses provided initial evidence that myeloma precursor conditions with an increased risk of progression can be identified. These insights have the potential to accurately distinguish two biologically and clinically distinct precursor entities: (i) stable with an indolent clinical course; and (ii) progressive with the presence of genomic abnormalities and a high risk of progression to MM (Chapter 4). The results of this thesis will contribute to an improved biology-oriented risk assessment of precursor patients, using genomic factors as biomarkers. Continuing on these data, it is hoped to quickly evolve towards a DNA analysis, which is clinically accessible. In the future, this will lead to a more personalized approach for the patients, with potentially early therapy for high-risk patients and minimized follow-up for stable precursors. These results provide new important insights into the molecular mechanisms of the precursor conditions and progression to MM. These data form an important basis for further research.

Multipel myeloom (MM), ook de ziekte van Kahler of plasmacel myeloom genoemd, is de tweede meest voorkomende bloedkanker. Deze ziekte wordt gekenmerkt door een ongecontroleerde groei van een bepaald type witte bloedcellen, de plasmacellen, in het beenmerg. De woekering van deze cellen leidt tot typische symptomen zoals bloedarmoede, nierfalen en botletsels. We weten al veel over deze ziekte, maar de precieze oorzaak kennen we helaas nog steeds niet. Tot op heden is deze bloedkanker dan ook nog ongeneeslijk. Er is wel geweten dat MM wordt voorgegaan door niet-kwaadaardige, asymptotische voorstadia: monoklonale gammopathie van onbekende betekenis (MGUS) en sluimerend multipel myeloom (SMM). Jaarlijks evolueren 1% van de MGUS en 10% van de SMM patiënten naar MM. Maar bij wie, waarom en hoe deze progressie gebeurt, zijn nog steeds grote vraagtekens. De richtlijnen bevelen opvolging van deze precursor patiënten. Maar er is geen consensus betreffende de optimale opvolgingsstrategie. Behandeling wordt pas opgestart bij evolutie naar MM. Deze ‘kijk-en-wacht’ strategie brengt heel wat onzekerheden, angst en stress met zich mee. De kennis over de genomische profielen van de precursors en mechanismen die de progressie naar MM aansturen is nog vrij beperkt. Bijgevolg zijn de diagnose en klinische opvolging grotendeels gebaseerd op indirecte metingen en surrogaatmarkers van de ziektelast. Het doel van dit proefschrift is om de rol van genomische afwijkingen in de voorstadia en progressie naar MM te onderzoeken. In het kader van deze thesis werd er een systematische review van de literatuur uitgevoerd, met een overzicht van de klinische, beeldvorming en moleculaire merkers in de progressie (Hoofdstuk 1). Momenteel zijn er nog steeds geen betrouwbare biomerkers om individueel te voorspellen welke precursor patiënten naar MM zullen evolueren. De voorgestelde merkers en modellen zijn eerder bruikbaar voor het identificeren van voorstadia met een hoog risico maar zijn niet erg waardevol bij laag of gemiddeld risico precursors. Om de moleculaire mechanismen van de voorstadia en de evolutie naar MM te bestuderen werd een unieke biobank collectie gebruikt. Echter, de opslagcondities en staalbehandeling kunnen de reproduceerbaarheid en kwaliteit beïnvloeden. Daarom werd er een kwaliteitscontrole van de beenmerg-uitstrijkjes uitgevoerd. Deze controle bewees de bruikbaarheid van de stalen voor moleculair DNA onderzoek, zoals het opsporen van genetische afwijkingen (Hoofdstuk 2). De progressie werd bestudeerd in seriële beenmerg-uitstrijkjes met een gericht sequencing panel om varianten te detecteren in myeloom-gerelateerde genen (Hoofdstuk 3). De geïdentificeerde varianten waren heterogeen en konden niet worden teruggebracht tot een of enkele specifieke mechanismen. Bijna alle varianten waren reeds aanwezig in de voorstadia. Echter, het panel was gelimiteerd tot een beperkt aantal varianten in een beperkt aantal genen, zonder kopie nummer varianten, translocaties en complexe structurele varianten. Door lacunes in de kennis over het genomische profiel van de voorstadia is de exacte oorzaak nog steeds niet gekend. Het analyseren van het volledige genoom leverde een eerste bewijs dat myeloom precursors met verhoogd risico op progressie kunnen worden geïdentificeerd (Hoofdstuk 4). Deze nieuwe inzichten hebben het potentieel een nauwkeurig onderscheid te maken tussen twee biologisch en klinisch verschillende precursor entiteiten: (i) stabiel met een indolent klinisch verloop; en (ii) progressief met de aanwezigheid van genomische afwijkingen en een hoog risico op evolutie naar MM. De resultaten van dit proefschrift zullen bijdragen aan een verbeterde biologiegerichte risicobepaling van precursor patiënten, met genomische factoren als biomerkers. Door op deze data verder te bouwen kan er hopelijk snel geëvolueerd worden naar een eenvoudigere en klinisch toepasbare DNA-analyse. Dit zal in de toekomst leiden tot een meer gepersonaliseerde aanpak van de patiënten, met mogelijks vroegtijdige therapie voor hoog risico patiënten en aangepaste opvolging bij eerder stabiele precursors. Deze resultaten bieden nieuwe inzichten in de moleculaire mechanismen van de voorstadia en progressie naar MM en vormen een belangrijke basis voor verder onderzoek.