Immunophenotype of Down Syndrome Acute Myeloid Leukemia and Transient Myeloproliferative Disease Differs Significantly from Other Diseases with Morphologically Identical or Similar Blasts

Abstract

Background and objectives: Children with Down Syndrome (DS) have a 20-40 fold increased risk of developing acute myeloid leukemia (AML), mainly of the megakaryoblastic subtype (AMKL). Approximately 10 % of newborns with DS show transient myeloproliferative disease (TMD) which normally resolves spontaneously. The blast cells of both entities show megakaryoblastic/erythroblastic features (M7/M6) and cannot be distinguished by morphological characteristics. Design and methods: Blast cells of 62 children were analyzed by four-color flow cytometry and dual color fluorescence microscopy. Results: The immunophenotype of blast cells from children with TMD and DS-AMKL is characterized by the expression of CD33⁺/CD13^+/-/CD38⁺/CD117⁺/CD34^+/-/CD7⁺/CD56^+/-/CD36⁺/CD71⁺/CD42b⁺/CD4dim⁺/TPO-R⁺/EPO-R^-/IL-3-Rα⁺/IL-6-Rα^-. Non-DS children with morphologically related diseases, i. e. myelodysplastic syndrome (MDS), juvenile myelomonocytic leukemia (JMML), or AML-M6 and AML-M7, did not show this expression profile. CD34 expression was observed in 93 % of TMD, but only 50 % of DS-AMKL patients. The blast cells of all TMD and DS-AMKL cases were positive for TPO-R and IL-3R, whereas EPO-R and IL-6R were absent. Conclusions: Immunophenotyping by the use of surface antigens and growth factor receptors is a useful tool to discriminate TMD and DS-AMKL from diseases with morphologically similar or identical blasts. The absence of EPO-R on the blast cells might be a sign of the high expression of the mutated - and less active - GATA1 in DS. The higher amount of CD34 co-expression in TMD may be interpreted to indicate that TMD is a slightly more immature disease than DS-AMKL.

Zusammenfassung

Hintergrund: Kinder mit Down-Syndrom (DS) haben ein 20- bis 40fach gesteigertes Risiko, eine akute myeloische Leukämie (AML), hauptsächlich vom megakaryoblastischen Subtyp (AMKL) zu entwickeln. In der Neugeborenenperiode kann zudem das so genannte transitorisch myeloproliferative Syndrom (TMD) auftreten. Nahezu alle Patienten mit TMD zeigen eine spontane Remission, wohingegen die DS-AMKL einer intensiven zytostatischen Therapie bedarf, wenngleich die Zytostatika-Sensitivität höher ist im Vergleich zu non-DS AMKL. Die charakteristischen erythrozytär/megakaryozytären Blasten (FAB M6/M7) beider Entitäten sind morphologisch nicht voneinander zu unterscheiden. Patienten und Methoden: Mittels Vier-Farb-Durchflusszytometrie sowie Fluoreszenzmikroskopie erfolgte die immunologische Charakterisierung der Blasten von 34 Kindern mit DS (20 AMKL, 14 TMD) sowie 29 Kindern ohne DS (6 AML-M6, 7 AML-M7, 10 MDS, 6 JMML). Ergebnisse: Der Immunphänotyp der Blasten von Kindern mit TMS oder DS-AMKL ist charakterisiert durch CD33⁺/CD13^+/-/CD38⁺/CD117⁺/CD34^+/-/CD7⁺/CD56^+/-/CD36⁺/CD71⁺/CD42b⁺/CD4dim⁺/TPO-R⁺/EPO-R^-/IL-3-Rα⁺/IL-6-Rα^-. Keins der Kinder mit den morphologisch ähnlichen Erkrankungen MDS, JMML oder AML-M6 und AML-M7 ohne DS zeigte dieses Expressionsmuster. CD34 wurde bei 93 % der Kinder mit TMD, jedoch nur bei 50 % der Kinder mit DS-AMKL exprimiert. Die Blasten von allen Kindern mit TMD und DS-AMKL exprimierten TPO-R und IL-3R, während EPO-R und IL-6R nicht nachweisbar waren. Schlussfolgerung: Die Immunphänotypisierung anhand von Oberflächenantigenen und Wachstumsfaktor-Rezeptoren ist eine wertvolle Methode, um TMD und DS-AMKL von morphologisch ähnlichen Erkrankungen abzugrenzen. Die Abwesenheit von EPO-R könnte ein Zeichen der erhöhten Expression des mutierten - und weniger aktiven - Transkriptionsfaktors GATA1 bei Down-Syndrom sein. Die beim TMD deutlich häufigere Koexpression von CD34 könnte Ausdruck einer tendenziell unreiferen Entität im Vergleich zur DS-AMKL sein.

Down Syndrome - immunophenotype - TMD - AML - leukemogenesis

Down-Syndrom - Immunphänotyp - TMD - AML - Leukämieentstehung

Literatur

• 1 Zipursky A, Poon A, Doyle J. Leukemia in Down syndrome: a review.  Pediatr Hematol Oncol. 1992;  9 139-149
• 2 Hill D A, Gridley G, Cnattingius S, Mellemkjaer L, Linet M, Adami H O. et al . Mortality and cancer incidence among individuals with Down syndrome.  Arch Intern Med. 2003;  163 705-711
• 3 Creutzig U, Ritter J, Vormoor J, Ludwig W D, Niemeyer C, Reinisch I. et al . Myelodysplasia and acute myelogenous leukemia in Down's syndrome. A report of 40 children of the AML-BFM Study Group.  Leukemia. 1996;  10 1677-1686
• 4 Zwaan C M, Kaspers G J, Pieters R, Hahlen K, Janka-Schaub G E, Zantwijk C H van. et al . Different drug sensitivity profiles of acute myeloid and lymphoblastic leukemia and normal peripheral blood mononuclear cells in children with and without Down syndrome.  Blood. 2002;  99 245-251
• 5 Gamis A S, Woods W G, Alonzo T A, Buxton A, Lange B, Barnard D R. et al . Increased age at diagnosis has a significantly negative effect on outcome in children with Down syndrome and acute myeloid leukemia: a report from the Children's Cancer Group Study 2 891.  J Clin Oncol. 2003;  21 3415-3422
• 6 Creutzig U, Reinhardt D, Diekamp S, Dworzak M, Stary J, Zimmermann M. AML Patients with Down syndrome have a high cure rate with AML-BFM therapy with reduced dose intensity.  Leukemia. 2005;  in press
• 7 Zipursky A. Transient leukaemia - a benign form of leukaemia in newborn infants with trisomy 21.  Br J Haematol. 2003;  120 930-938
• 8 Groet J, McElwaine S, Spinelli M, Rinaldi A, Burtscher I, Mulligan C. et al . Acquired mutations in GATA1 in neonates with Down's syndrome with transient myeloid disorder.  Lancet. 2003;  361 1617-1620
• 9 Rainis L, Bercovich D, Strehl S, Teigler-Schlegel A, Stark B, Trka J. et al . Mutations in exon 2 of GATA1 are early events in megakaryocytic malignancies associated with trisomy 21.  Blood. 2003;  102 981-986
• 10 Wechsler J, Greene M, McDevitt M A, Anastasi J, Karp J E, Le Beau M M. et al . Acquired mutations in GATA1 in the megakaryoblastic leukemia of Down syndrome.  Nat Genet. 2002;  32 148-152
• 11 Karandikar N J, Aquino D B, Mckenna R W, Kroft S H. Transient myeloproliferative disorder and acute myeloid leukemia in Down syndrome. An immunophenotypic analysis.  Am J Clin Pathol. 2001;  116 204-210
• 12 Girodon F, Favre B, Couillaud G, Carli P M, Parmeland C, Maynadie M. Immunophenotype of a transient myeloproliferative disorder in a newborn with trisomy 21.  Cytometry. 2000;  42 118-122
• 13 Boayue K B, Gu L, Yeager A M, Kreitman R J, Findley H W. Pediatric acute myelogenous leukemia cells express IL-6 receptors and are sensitive to a recombinant IL6-Pseudomonas exotoxin.  Leukemia. 1998;  12 182-191
• 14 De Waele M, Renmans W, Vander G K, Jochmans K, Schots R, Otten J. et al . Growth factor receptor profile of CD34+ cells in AML and B-lineage ALL and in their normal bone marrow counterparts.  Eur J Haematol. 2001;  66 178-187
• 15 Testa U, Riccioni R, Diverio D, Rossini A, Lo C F, Peschle C. Interleukin-3 receptor in acute leukemia.  Leukemia. 2004;  18 219-226
• 16 Takeshita A, Shinjo K, Izumi M, Ling P, Nakamura S, Naito K. et al . Quantitative expression of thrombopoietin receptor on leukaemia cells from patients with acute myeloid leukaemia and acute lymphoblastic leukaemia.  Br J Haematol. 1998;  100 283-290
• 17 Solar G P, Kerr W G, Zeigler F C, Hess D, Donahue C, de Sauvage F J. et al . Role of c-mpl in early hematopoiesis.  Blood. 1998;  92 4-10
• 18 Takeshita A, Shinjo K, Higuchi M, Miyawaki S, Takemoto Y, Kishimoto Y. et al . Quantitative expression of erythropoietin receptor (EPO-R) on acute leukaemia cells: relationships between the amount of EPO-R and CD phenotypes, in vitro proliferative response, the amount of other cytokine receptors and clinical prognosis. Japan Adult Leukaemia Study Group.  Br J Haematol. 2000;  108 55-63
• 19 Bene M C, Castoldi G, Knapp W, Ludwig W D, Matutes E, Orfao A. et al . Proposals for the immunological classification of acute leukemias. European Group for the Immunological Characterization of Leukemias (EGIL).  Leukemia. 1995;  9 1783-1786
• 20 Bennett J M, Catovsky D, Daniel M T, Flandrin G, Galton D A, Gralnick H R. et al . Proposals for the classification of the acute leukaemias. French-American-British (FAB) co-operative group.  Br J Haematol. 1976;  33 451-458
• 21 Bennett J M, Catovsky D, Daniel M T, Flandrin G, Galton D A, Gralnick H R. et al . Proposed revised criteria for the classification of acute myeloid leukemia. A report of the French-American-British Cooperative Group.  Ann Intern Med. 1985;  103 620-625
• 22 Bennett J M, Catovsky D, Daniel M T, Flandrin G, Galton D A, Gralnick H R. et al . Criteria for the diagnosis of acute leukemia of megakaryocyte lineage (M7). A report of the French-American-British Cooperative Group.  Ann Intern Med. 1985;  103 460-462
• 23 Hasle H, Niemeyer C M, Chessells J M, Baumann I, Bennett J M, Kerndrup G. et al . A pediatric approach to the WHO classification of myelodysplastic and myeloproliferative diseases.  Leukemia. 2003;  17 277-282
• 24 Chabannon C, Wood P, Torok-Storb B. Expression of CD7 on normal human myeloid progenitors.  J Immunol. 1992;  149 2110-2113
• 25 Majka M, Ratajczak J, Villaire G, Kubiczek K, Marquez L A, Janowska-Wieczorek A. et al . Thrombopoietin, but not cytokines binding to gp130 protein-coupled receptors, activates MAPKp42/44, AKT, and STAT proteins in normal human CD34+ cells, megakaryocytes, and platelets.  Exp Hematol. 2002;  30 751-760
• 26 Olweus J, Terstappen L W, Thompson P A, Lund-Johansen F. Expression and function of receptors for stem cell factor and erythropoietin during lineage commitment of human hematopoietic progenitor cells.  Blood. 1996;  88 1594-1607
• 27 Komatsu N, Kirito K, Kashii Y, Furukawa Y, Kikuchi J, Suwabe N. et al . Cell-cycle-dependent regulation of erythropoietin receptor gene.  Blood. 1997;  89 1182-1188
• 28 Whyatt D, Lindeboom F, Karis A, Ferreira R, Milot E, Hendriks R. et al . An intrinsic but cell-nonautonomous defect in GATA-1-overexpressing mouse erythroid cells.  Nature. 2000;  406 519-524
• 29 Linari S, Vannucchi A M, Ciolli S, Leoni F, Caporale R, Grossi A. et al . Coexpression of erythroid and megakaryocytic genes in acute erythroblastic (FAB M6) and megakaryoblastic (FAB M7) leukaemias.  Br J Haematol. 1998;  102 1335-1337
• 30 Komatsu N, Kirito K, Izumi T, Eguchi M, Miura Y. GATA-1 and erythropoietin receptor genes are highly expressed in erythroleukemia.  Exp Hematol. 1998;  26 1148-1154