Idiopathic hypereosinophilic syndrome involves a prolonged state of eosinophilia associated with organ dysfunction. It is of unknown cause. Recent reports of responses to imatinib in patients with the syndrome suggested that an activated kinase such as ABL, platelet-derived growth factor receptor (PDGFR), or KIT, all of which are inhibited by imatinib, might be the cause.

Background The JAK2V617F allele has recently been identified in patients with polycythemia vera (PV), essential thrombocytosis (ET), and myelofibrosis with myeloid metaplasia (MF). Subsequent analysis has shown that constitutive activation of the JAK-STAT signal transduction pathway is an important pathogenetic event in these patients, and that enzymatic inhibition of JAK2V617F may be of therapeutic benefit in this context. However, a significant proportion of patients with ET or MF are JAK2V617F-negative. We hypothesized that activation of the JAK-STAT pathway might also occur as a consequence of activating mutations in certain hematopoietic-specific cytokine receptors, including the erythropoietin receptor (EPOR), the thrombopoietin receptor (MPL), or the granulocyte-colony stimulating factor receptor (GCSFR). Methods and Findings DNA sequence analysis of the exons encoding the transmembrane and juxtamembrane domains of EPOR, MPL, and GCSFR, and comparison with germline DNA derived from buccal swabs, identified a somatic activating mutation in the transmembrane domain of MPL (W515L) in 9% (4/45) of JAKV617F-negative MF. Expression of MPLW515L in 32D, UT7, or Ba/F3 cells conferred cytokine-independent growth and thrombopoietin hypersensitivity, and resulted in constitutive phosphorylation of JAK2, STAT3, STAT5, AKT, and ERK. Furthermore, a small molecule JAK kinase inhibitor inhibited MPLW515L-mediated proliferation and JAK-STAT signaling in vitro. In a murine bone marrow transplant assay, expression of MPLW515L, but not wild-type MPL, resulted in a fully penetrant myeloproliferative disorder characterized by marked thrombocytosis (Plt count 1.9–4.0 × 1012/L), marked splenomegaly due to extramedullary hematopoiesis, and increased reticulin fibrosis. Conclusions Activation of JAK-STAT signaling via MPLW515L is an important pathogenetic event in patients with JAK2V617F-negative MF. The bone marrow transplant model of MPLW515L-mediated myeloproliferative disorders (MPD) exhibits certain features of human MF, including extramedullary hematopoiesis, splenomegaly, and megakaryocytic proliferation. Further analysis of positive and negative regulators of the JAK-STAT pathway is warranted in JAK2V617F-negative MPD.

Summary

 Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease that resides within a complex microenvironment, complicating efforts to understand how different cell types contribute to disease progression. We combined single-cell RNA sequencing and genotyping to profile 38,410 cells from 40 bone marrow aspirates, including 16 AML patients and five healthy donors. We then applied a machine learning classifier to distinguish a spectrum of malignant cell types whose abundances varied between patients and between subclones in the same tumor. Cell type compositions correlated with prototypic genetic lesions, including an association of FLT3-ITD with abundant progenitor-like cells. Primitive AML cells exhibited dysregulated transcriptional programs with co-expression of stemness and myeloid priming genes and had prognostic significance. Differentiated monocyte-like AML cells expressed diverse immunomodulatory genes and suppressed T cell activity in vitro. In conclusion, we provide single-cell technologies and an atlas of AML cell states, regulators, and markers with implications for precision medicine and immune therapies. 

Video Abstract

Leukemic cells from 30% of patients with acute myeloid leukemia (AML) have an activating mutation in the FLT3 (fms-like tyrosine kinase) gene, which represents a target for drug therapy. We treated 20 patients, each with mutant FLT3 relapsed/refractory AML or high-grade myelodysplastic syndrome and not believed to be candidates for chemotherapy, with an FLT3 tyrosine kinase inhibitor, PKC412 (N-benzoylstaurosporine), at a dose of 75 mg 3 times daily by mouth. The drug was generally well tolerated, although 2 patients developed fatal pulmonary events of unclear etiology. The peripheral blast count decreased by 50% in 14 patients (70%). Seven patients (35%) experienced a greater than 2-log reduction in peripheral blast count for at least 4 weeks (median response duration, 13 weeks; range, 9-47 weeks); PKC412 reduced bone marrow blast counts by 50% in 6 patients (2 of these to < 5%). FLT3 autophosphorylation was inhibited in most of the Corresponding patients, indicating in vivo target inhibition at the dose schedule used in this study. PKC412 is an oral tyrosine kinase inhibitor with clinical activity in patients with AML whose blasts have an activating mutation of FLT3, suggesting potential use in combination with active agents, such as chemotherapy.

Abstract B-cell leukemia/lymphoma 2 (BCL-2) prevents commitment to programmed cell death at the mitochondrion. It remains a challenge to identify those tumors that are best treated by inhibition of BCL-2. Here, we demonstrate that acute myeloid leukemia (AML) cell lines, primary patient samples, and murine primary xenografts are very sensitive to treatment with the selective BCL-2 antagonist ABT-199. In primary patient cells, the median IC50 was approximately 10 nmol/L, and cell death occurred within 2 hours. Our ex vivo sensitivity results compare favorably with those observed for chronic lymphocytic leukemia, a disease for which ABT-199 has demonstrated consistent activity in clinical trials. Moreover, mitochondrial studies using BH3 profiling demonstrate activity at the mitochondrion that correlates well with cytotoxicity, supporting an on-target mitochondrial mechanism of action. Our protein and BH3 profiling studies provide promising tools that can be tested as predictive biomarkers in any clinical trial of ABT-199 in AML. Significance: Although targeting BCL-2 has largely been investigated in lymphoid cancers, we present preclinical results of targeting BCL-2 in AML. These results support clinical testing of the small-molecule BCL-2 antagonist ABT-199 in AML, accompanied by testing of predictive biomarkers used in this study. Cancer Discov; 4(3); 362–75. ©2013 AACR. See related commentary by Hockenbery, p. 278 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 259

Purpose Mutations leading to constitutive activation of the FMS-like tyrosine kinase 3 receptor (FLT3) occur in blasts of 30% of patients with acute myeloid leukemia (AML). Midostaurin (PKC412; N-benzoylstaurosporin) is a multitargeted tyrosine kinase inhibitor, with demonstrated activity in patients with AML/myelodysplastic syndrome (MDS) with FLT3 mutations. Patients and Methods Ninety-five patients with AML or MDS with either wild-type (n = 60) or mutated (n = 35) FLT3 were randomly assigned to receive oral midostaurin at 50 or 100 mg twice daily. The drug was discontinued in the absence of response at 2 months, disease progression, or unacceptable toxicity. Response was defined as complete response, partial response (PR), hematologic improvement, or reduction in peripheral blood or bone marrow blasts by ≥ 50% (BR). Results The rate of BR for the population in whom efficacy could be assessed (n = 92) was 71% in patients with FLT3-mutant and 42% in patients with FLT3 wild-type. One PR occurred in a patient with FLT3-mutant receiving the 100-mg dose regimen. Both doses were well-tolerated; there were no differences in toxicity or response rate according to the dose of midostaurin. Conclusion These results suggest that midostaurin has hematologic activity in both patients with FLT3-mutant and wild-type. The degree of clinical activity observed supports additional studies that combine midostaurin and other agents such as chemotherapy especially in FLT3-mutant AML.

ABSTRACT Some cancers originate from a single mutation event in a single cell. For example, blood cancers known as myeloproliferative neoplasms (MPN) are thought to originate through the acquisition of a driver mutation (most commonly JAK2 -V617F) in a hematopoietic stem cell (HSC). However, when the mutation first occurs in individual patients and how it impacts the behavior of HSCs in their native context is not known. Here we quantified the impact of the JAK2- V617F mutation on the proliferation dynamics of HSCs and the differentiation trajectories of their progenies in individual MPN patients. We reconstructed the lineage history of individual HSCs obtained from MPN patients using the patterns of spontaneous somatic mutations accrued in their genomes over time. Strikingly, we found that the JAK2- V617F mutation occurred in a single HSC several decades before MPN diagnosis — at age 9±2 years in a 34-year-old patient, and at age 19±3 years in a 63-year-old patient. For each patient, we inferred the number of mutated HSCs over time and computed their fitness. The population of JAK2 -mutated HSCs grew exponentially by 63±15% and 44±13% every year in the two patients, respectively. To contrast the differentiation trajectories of the JAK2 -mutated HSCs with those of healthy HSCs, we simultaneously measured the full transcriptome and somatic mutations in single hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). We found that the fraction of JAK2 -mutant HSPCs varied significantly across different myeloid cell types within the same patient. The erythroid progenitor cells were often entirely JAK2 -mutant, even when the peripheral blood JAK2 -V617F allele burden was low. The novel biological insights uncovered by this work have implications for the prevention and treatment of MPN, as well as the accurate assessment of disease burden in patients. The technology platforms and computational frameworks developed here are broadly applicable to other types of hematological malignancies and cancers.