Kromosomforandringer associeret med leukæmi hos børn opstår prænatalt

Leukæmi er den hyppigste form for kræft i barndommen, men kun få risikofaktorer kendes. Studier af monozygote tvillinger, der er konkordante for leukæmi, og retrospektive studier af phenylketonuria (PKU)-kort fra børn med leukæmi har vist, at kromosomale forandringer, der er karakteristiske for børneleukæmi, kan opstå prænatalt. Translokationer initierer sandsynligvis den leukæmiske proces, men er i sig selv utilstrækkelige til leukæmiudvikling. Påvisning af prænatale kromosomale forandringer har været afgørende for kortlægningen af leukæmiernes naturhistorie og kan bane vejen for forebyggende tiltag.

Selv om leukæmi er den hyppigste form for kræft i barndommen, er der kun identificeret få og relativt sjældne risikofaktorer til sygdommen, som f.eks. Downs syndrom, genetisk instabilitet, ioniserende stråling og visse immundefekter [1, 2]. For flertallet af leukæmitilfælde blandt børn kendes således hverken tidspunktet for eller årsagerne til de genetiske forandringer, som ligger til grund for sygdommen. Resultaterne af en række nyere epidemiologiske, genetiske og molekylærbiologiske studier tyder imidlertid på, at leukæmiudviklingen ofte indledes prænatalt [3]. I teorien åbner dette mulighed for neonatal screening for leukæmiassocierede kromosomale forandringer, hvorved børneleukæmi måske en skønne dag vil kunne forebygges.

I denne oversigtsartikel præsenteres holdepunkterne for en prænatal oprindelse af børneleukæmi, og den såkaldte 2-hits-model for udvikling af børneleukæmi perspektiveres.

Der er foretaget en PubMed-søgning med søgeordene: child, leukemia, lymphocytic, myeloid, acute og chromosomal aberrations med begrænsning til engelsksprogede artikler.

Klonale markører ved leukæmi hos børn

Akutte leukæmier er klonale sygdomme, der skyldes, at erhvervede genetiske forandringer blokerer hæmopoietiske stamcellers normale differentiering og medfører ukontrolleret ekspansion af umodne myeloblaster (ved akut myeloid leukæmi (AML)) eller lymfoblaster (ved akut lymfoblastær leukæmi (ALL)) i knoglemarv og blod. Ved G-bånds- (giemsafarvning) karyotypering og ved molekylærbiologiske teknikker kan der i den leukæmiske celleklon hos mere end 90% af patienterne påvises genetiske forandringer, bl.a. tab (monosomi) eller gevinst (trisomi) af hele kromosomer, translokationer, additioner, deletioner og punktmutationer [4]. Forandringerne er ofte karakteristiske for bestemte aldersgrupper af patienter og for bestemte leukæmisubtyper, ligesom de har prognostisk betydning (Tabel 1 ) [5]. På DNA-niveau er de genetiske forandringer enestående for den individuelle patients celleklon, og forandringerne kan derfor anvendes som klonale markører. På tilsvarende vis kan rearrangementer af de gener, som koder for antigenreceptorerne i B- (antistoffer) og T-celler, anvendes som klonale markører for ALL. I praksis udnyttes klonale markører såvel i diagnostik som i monitorering af behandlingseffekten ved leukæmi. Derudover har de klonale markører spillet en afgørende rolle for kortlægningen af leukæmiernes naturhistorie.

Akut lymfoblastær leukæmi

ALL diagnosticeres årligt hos 35 danske børn og inddeles i tre subgrupper: T-celle-ALL (10-12%), moden B-celle-ALL (2-3%) og umoden B-celle-ALL (præ-B, 85%) [6]. I de nordiske lande synes forekomsten af ALL blandt børn at have været konstant i de seneste tyve år, og incidenskurven for præ-B-ALL udviser en karakteristisk top i 2-7-års-alderen [7].

Hos 60% af børn med præ-B-ALL kan der i den leukæmiske celleklon påvises enten TEL-AML1- translokation (t(12;21)(p13,q22)) (25%) (Figur 1 ) eller en højhyperdiploid genotype med mere end 50 kromosomer (35%) [9]. Disse genetiske forandringer ses oftest hos patienter i 2-7-års-alderen, og de er kendetegnet ved en god prognose [10, 11].

Hos 85% af de børn, der er under et år og har ALL, kan der i de maligne celler påvises en række forskellige genetiske forandringer, der alle involverer myeloid-lymfoid-leukæmi (MLL )-genet på kromosomregion 11q23, oftest i form af AF4-MLL- translokationen (t(4;11)(q21;q23)) [5]. Disse leukæmier har generelt en dårlig prognose [12].

Akut myeloid leukæmi

AML diagnosticeres årligt hos 8-10 danske børn, og som tilfældet er for ALL, synes forekomsten at have været konstant i de nordiske lande gennem de seneste tyve år [7]. Halvdelen af patienterne er yngre end tre år på diagnosetidspunktet.

Hos spædbørn med AML indeholder den leukæmiske celleklon oftest translokationer, der involverer MLL- genet (11q23) [13]. Efter etårsalderen er den hyppigst forekommende genetiske forandring derimod AML1-ETO- translokationen (t(8;21)(q22;q22)), som ses hos omkring 10% [13]. Prognosen for AML er generelt dårligere end for ALL med en helbredelsesrate på 60-65% [14].

En særlig gruppe udgøres af børn med Downs syndrom. Disse børn har en markant øget og aldersafhængig (< 4 år) risiko for udvikling af den præleukæmiske tilstand myelodysplastisk syndrom (MDS) og akut megakaryocytleukæmi (AMKL) [15]. De (præ)maligne cellekloner fra børn med Downs syndrom og MDS eller AMKL indeholder så godt som altid mutationer i GATA1- genet [16].

Første kromosomale forandring, der fører til børneleukæmi, opstår før fødslen

Man har længe antaget, at udviklingen af visse former for akut børneleukæmi helt eller delvist foregår in utero. For det første kan akut leukæmi optræde allerede ved fødslen eller i de første levemåneder [17], for det andet viser matematiske modeller for udvikling af ALL, at den høje forekomst i de første leveår er bedst foreneligt med, at sygdomsudviklingen indledes prænatalt og afsluttes postnatalt ved erhvervelse af yderligere genetiske skader [18]. Det er dog først for ganske nylig, at hypotesen om en prænatal oprindelse af børneleukæmi er blevet bekræftet ved molekylærbiologiske undersøgelser.

Translokation t(12;21)-positiv og højhyperdiploid præ-B ALL: TEL-AML1- translokationen dannes ved brud på DNA-helix i TEL- genet på kromosom 12 og i AML1- genet på kromosom 21 med efterfølgende dannelse af et TEL-AML1- fusionsgen (Figur 1 ).

DNA-bruddene opstår oftest i TEL- intron 5 og AML1- intron 1, men på nukleotidniveau er der endnu ikke beskrevet identiske brudsteder (og dermed fusionsgener) hos ubeslægtede individer. Dette karakteristikum har været væsentligt for forståelsen af børneleukæmiens naturhistorie [8]. I studier af monozygote tvillinger, der er konkordante for translokation t(12;21)-positiv ALL, har man således netop fundet identiske fusionsgener (på nukleotidniveau) i tvillingernes leukæmiske cellekloner [19-21]. Da det er usandsynligt, at identiske fusionsgener skulle være opstået uafhængigt af hinanden hos tvillingerne, er den eneste forklaring, at translokationen må være opstået prænatalt i en stamcelle hos den ene tvilling, og at celler fra denne klon efterfølgende intrauterint er transfunderet til den anden tvilling [3]

Denne observation har ført til studier af phenylketonuria (PKU)-kort fra nyfødte børn, som blev født raske og senere fik leukæmi. Som i studier af tvillinger påviste man i disse undersøgelser, at celler med samme TEL-AML1- fusionsgen som i den (senere) leukæmiske celleklon var til stede på PKU-kortet ved fødslen hos ca. 50% af de undersøgte patienter (Figur 2 ) [22-24].

På samme vis har analyser af både monozygote tvillinger, der var konkordante for høj-hyperdiploid ALL, og af PKU-kort fra børn med højhyperdiploid ALL (med anvendelse af immungenrearrangementer som klonale markører) sandsynliggjort en prænatal oprindelse også af disse leukæmier [25, 26].

Også ved studier af spædbørn har der kunnet påvises identiske fusionsgener, der involverer MLL- genet hos monozygote tvillinger, der er konkordante for ALL [17, 27, 28]. Tilsvarende har der i PKU-kort fra tre spædbørn med ALL kunnet påvises celler med samme fusionsgen omfattende MLL- genet som i barnets leukæmiske celleklon [29].

Klonspecifikke translokationer er også blevet påvist i analyser af PKU-kort fra børn med AML. I et studie med ti børn med translokation t(8;21)-positiv AML blev der således påvist AML1-ETO- translokationen på fem børns PKU-kort [30], ligesom den sjældnere PML-RARA- translokation (translokation t(15;17)) er genfundet på en patients PKU-kort [31]. Endelig er GATA1- mutationer blevet påvist i analyser af PKU-kort fra tre ud af fire børn med Downs syndrom og AMKL [16].

Det skal bemærkes, at undersøgelse af PKU-kort for translokationer eller immungenrearrangementer har såvel tekniske som statistiske begrænsninger. De anvendte polymerasekædereaktion (PCR)-analyser kan typisk påvise så lidt som 1-3 celler med leukæmikorrelerede genetiske forandringer. Dette skal sammenholdes med, at et PKU-kort indeholder 10.000-200.000 kerneholdige celler. De genetiske forandringer vil derfor sjældent kunne genfindes på PKU-kortet, trods prænatal initiering af leukæmien, hvis den præleukæmiske celleklon forekommer sjældnere end i en ud af 104 -105 perifere blodceller. Da sandsynligheden for, at translokationen genfindes på PKU-kortet, tilsyneladende er omvendt proportional med debutalderen for barnets leukæmi, påvirker antallet af præleukæmiske celler ved fødslen måske, både hvornår og om barnet sidenhen får leukæmi [23].

2-hits-hypotesen

Spædbarnsleukæmi med translokationer, der involverer MLL- genet, udvikles oftest i de første levemåneder. Hvis en monozygot tvilling får spædbarnsleukæmi, er sandsynligheden for, at den anden tvilling får spædbarnsleukæmi med samme kromosomforandringer (konkordans) næsten 100% [3]. Dette er foreneligt med, at spædbarnsleukæmi med denne genetiske forandring færdigudvikles i fostertilværelsen [3].

For de fleste andre akutte leukæmier hos tvillinger overstiger konkordansraten imidlertid næppe 5%. Da leukæmogenesen hos disse børn ofte også indledes i fostertilværelsen, tyder dette på, at de prænatale kromosomale forandringer i sig selv er utilstrækkelige til udvikling af leukæmi, og at postnatale forhold med andre ord spiller en rolle for, om børn, der bærer præleukæmiske celler, får akut leukæmi. Dette er sammenfattet i den såkaldte 2-hits-hypotese og er i overensstemmelse med Alfred Knudsons oprindelige 2-hits-model for udvikling af solide tumorer i barndommen. Baseret på epidemiologiske studier af børn med retinoblastom (malign tumor i nethinden) fremsatte Knudson i 1971 hypotesen om, at der skal to hændelser til (mutationer i begge allele gener), for at der sker tumordannelse, hvilket i øvrigt førte til påvisning af tumorsuppressorgener (vækstregulerende gener) [32].

Ifølge 2-hits-hypotesen opstår leukæmi som følge af mindst to genetiske forandringer, hvoraf den første opstår in utero under den tidlige føtale hæmopoiese i 6.-8. graviditetsuge, og de(n) efterfølgende opstår postnatalt (Figur 3 ) [3].

Deletion af det ikketranslokerede TEL- gen på kromosom 12 (12p-deletion) er den genetiske forandring, som hyppigst påvises i kombination med TEL-AML1- translokationen. Deletionen ses hos ca. halvdelen af børn med translokation t(12;21)-positiv ALL [33, 34]. I overensstemmelse med 2-hits-hypotesens påstand om, at det andet hit opstår postnatalt, blev der hos et tvillingepar med identiske TEL-AML1- fusionsgener fundet forskellige deletioner af det ikketranslokerede TEL-gen [21]. Desuden har man i studier af børn med recidiv af t(12;21)-positiv præ-B ALL påvist, at de leukæmiske cellekloner på diagnosetidspunktet og ved recidiv har identiske TEL-AML1- translokationer, men kan have forskellige 12p-deletioner [35]. Da deleteret materiale ikke generhverves, må recidivet være opstået i en TEL-AML1- positiv præleukæmisk celleklon, som resterede stumt efter endt behandling.

På tilsvarende vis antages det, at GATA1- mutationen hos børn med Downs syndrom opstår in utero og er tilstrækkelig for udvikling af myelodysplastisk syndrom (MDS). Hos en mindre del (20-30%) vil sygdommen imidlertid efter 1-3 års latenstid progrediere til AMKL, måske som følge af yderligere postnatale genetiske skader [16].

Leukæmiassocierede kromosomale forandringer hos raske børn

Det ligger implicit i 2-hits-hypotesen, at det er uden betydning at huse celler med leukæmiassocierede kromosomale forandringer på fødselstidspunktet, så længe de(t) nødvendige andet hit ikke indtræffer. I overensstemmelse hermed, blev der i et studie af trillinger bestående af et dizygot barn og monozygote tvillinger påvist identiske TEL-AML1- translokationer ved ALL-diagnose hos de monozygote tvillinger og på den dizygote trillings PKU-kort. Den dizygote trilling fik ikke ALL, og t(12;21)-positive celler kunne ikke påvises i blodprøver taget på tidspunktet for sygdomsdebut hos trillingens søskende [21].

Undersøgelser af navlesnorsblod fra raske nyfødte har vist, at celler med TEL-AML1- translokationen tilsyneladende findes hos 1% af raske nyfødte [36]. T il sammenligning får kun 0,01% af alle nyfødte præ-B ALL med TEL-AML1- translokationen. Det nævnte studie omfattede i alt 600 børn, af hvilke seks var positive for translokation t(12;21) ved både revers transkriptase-PCR og fluorescens in situ-hybridisering, og den præleukæmiske tumorbyrde kunne estimeres til en ud af 103 -104 celler [36]. De påviste translokation t(12;21)-positive kloner havde alle normalt TEL- gen i det ikketranslokerede kromosom 12, hvilket er foreneligt med, at deletioner i TEL- genet opstår sekundært til translokation t(12;21) og postnatalt [36].

I lighed med forholdene ved ALL er AML1-ETO- translokationen (translokation t(8;21)) blevet påvist i navlesnorsblod fra en ud af knap 500 undersøgte raske nyfødte (0,2%), dvs. 100 gange så hyppigt som forekomsten af klinisk t(8;21)-positiv AML [36].

Risikofaktorer

Hidtil er der ikke fundet risikofaktorer for leukæmiassocierede kromosomale afvigelser in utero, og det er muligt, at f.eks. t(12;21) opstår tilfældigt i den tidlige føtale hæmopoiese. Tilsvarende er det fortsat uvist, hvilke faktorer der er afgørende for den eller de postnatale genetiske forandringer, der i sidste ende fører til akut leukæmi. En fremherskende hypotese er, at de(t) kritiske andet hit skyldes et abnormt immunologisk respons på normalt forekommende infektioner [3]. Det er f.eks. foreslået, at det abnorme respons opstår på grund af manglende eksposition til infektionerne i den tidlige barndom og formodes at have karakter af et proliferativt eller apoptotisk stress af en disponeret knoglemarv, som huser en præleukæmisk celleklon [2]. Til støtte herfor er det i epidemiologiske studier påvist, at børn, der har socialt samvær med andre børn inden for de første levemåneder, har nedsat risiko for at få leukæmi, idet socialt samvær med andre børn kan anvendes som surrogat for eksposition for infektioner [37]. Derudover har børn, der får ALL, hyppigere mutationer i genet for mannosebindende lektin, der spiller en vigtig rolle i den innate immunfunktion, og leukæmi opstår tidligere hos børn med disse mutationer end hos børn uden [38]. Endelig er visse HLA-vævstyper, der spiller en rolle for immunresponset, korreleret med en øget risiko for udvikling af ALL [39].

Perspektiver

De seneste års karakteristik af genetiske forandringer ved børneleukæmi har bidraget med en ny og væsentlig indsigt i sygdommens naturhistorie og ikke mindst med viden om, hvilke tidspunkter i barnets liv som er kritiske for leukæmiens opståen. Vi mangler imidlertid fortsat påvisning af risikofaktorer for udvikling af børneleukæmi.

I fremtidige studier af risikofaktorer for spædbørnsleukæmi bør man fokusere på transplacental eksposition i den tidlige føtale hæmopoiese med særlig fokus på topoisomerase II-hæmmere, der er vist at være korreleret med risikoen for udvikling af såvel sekundær leukæmi som af spædbarnsleukæmi med translokationer, der involverer MLL- genet [40]. For præ-B-ALL efter spædbarnsalderen bør man i årsagssøgende studier skelne mellem præ- og postnatale risikofaktorer. I overensstemmelse hermed gennemføres der i disse år molekylærbiologiske/epidemiologiske analyser af årsager til udvikling af prænatale genetiske forandringer (klonale) hos nyfødte. Desuden er der behov for studier af infektionsmønsteret i den tidlige barndom og udviklingen af immunologisk respons i relation til udviklingen af leukæmi.

Det er uafklaret, om præleukæmiske cellekloner består livslangt eller elimineres i løbet af barnets første leveår. I sidstnævnte tilfælde kan hastigheden, hvormed cellerne elimineres, være relateret til leukæmirisikoen. I så fald bliver neonatal screening for leukæmiassocierede forandringer og behandling mhp. elimimation af de præleukæmiske celler teoretisk mulig, og dermed bliver også forebyggelse af leukæmi hos børn mulig.

Marianne Olsen, Bonkolab, Juliane Marie Centret afsnit 5704, H:S Rigshospitalet, Blegdamsvej 9, DK-2100 København Ø. E-mail: marianne.olsen@rh.dk

Antaget: 14. september 2005

Interessekonflikter: Ingen angivet
Taksigelser: Fondsstøtte: Børnecancerfonden, Novo Nordisk Fonden, Dansk Kræftforskningsfond, Heine Høi Hansen Fonden, Otto Christensens Fond og H:S Rigshospitalet.

1. Schmiegelow K. Leukæmier og maligne lymfomer hos børn. Ugeskr Læger 1999;161:2191-5.
2. Greaves MF. Aetiology of acute leukaemia. Lancet 1997;349:344-9.
3. Greaves M. Childhood leukaemia. BMJ 2002;324:283-7.
4. Forestier E, Johansson B, Borgstrom G et al. Cytogenetic findings in a population-based series of 787 childhood acute lymphoblastic leukemias from the Nordic countries. The NOPHO Leukemia Cytogenetic Study Group Eur J Haematol 2000;64:194-200.
5. Greaves MF, Wiemels J. Origins of chromosome translocations in childhood leukaemia. Nat Rev Cancer 2003;3:639-49.
6. Gustafsson G, Schmiegelow K, Forestier E et al. Improving outcome through two decades in childhood ALL in the Nordic countries: the impact of high-dose methotrexate in the reduction of CNS irradiation. Nordic Society of Pediatric Haematology and Oncology (NOPHO). Leukemia 2000;14:2267-75.
7. Hjalgrim LL, Rostgaard K, Schmiegelow K et al. Age- and sex-specific incidence of childhood leukemia by immunophenotype in the Nordic countries. J Natl Cancer Inst 2003;95:1539-44.
8. Andersen MT, Nordentoft I, Hjalgrim LL et al. Characterization of t(12;21) breakpoint junctions in acute lymphoblastic leukemia. Leukemia 2001;15: 858-9.
9. Romana SP, Poirel H, Leconiat M et al. High frequency of t(12;21) in childhood B-lineage acute lymphoblastic leukemia. Blood 1995;86:4263-9.
10. Forestier E, Johansson B, Gustafsson G et al. Prognostic impact of karyotypic findings in childhood acute lymphoblastic leukaemia: a Nordic series comparing two treatment periods. For the Nordic Society of Paediatric Haematology and Oncology (NOPHO) Leukaemia Cytogenetic Study Group. Br J Haematol 2000;110:147-53.
11. Rubnitz JE, Behm FG, Wichlan D et al. Low frequency of TEL-AML1 in relapsed acute lymphoblastic leukemia supports a favorable prognosis for this genetic subgroup. Leukemia 1999;13:19-21.
12. Pui CH, Gaynon PS, Boyett JM et al. Outcome of treatment in childhood acute lymphoblastic leukaemia with rearrangements of the 11q23 chromosomal region. Lancet 2002;359:1909-15.
13. Rubnitz JE, Look AT. Molecular genetics of childhood leukemias. J Pediatr Hematol Oncol 1998;20:1-11.
14. Pui CH, Raimondi SC, Srivastava DK et al. Prognostic factors in infants with acute myeloid leukemia. Leukemia 2000;14:684-7.
15. Hasle H, Clemmensen IH, Mikkelsen M. Risks o