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The pathogenesis of nodular lymphocyte–predominant Hodgkin lymphoma (NLPHL) and its relationship to other lymphomas are largely unknown. This is partly because of the technical challenge of analyzing its rare neoplastic lymphocytic and histiocytic (L&H) cells, which are dispersed in an abundant nonneoplastic cellular microenvironment. We performed a genome-wide expression study of microdissected L&H lymphoma cells in comparison to normal and other malignant B cells that indicated a relationship of L&H cells to and/or that they originate from germinal center B cells at the transition to memory B cells. L&H cells show a surprisingly high similarity to the tumor cells of T cell–rich B cell lymphoma and classical Hodgkin lymphoma, a partial loss of their B cell phenotype, and deregulation of many apoptosis regulators and putative oncogenes. Importantly, L&H cells are characterized by constitutive nuclear factor {kappa}B activity and aberrant extracellular signal-regulated kinase signaling. Thus, these findings shed new light on the nature of L&H cells, reveal several novel pathogenetic mechanisms in NLPHL, and may help in differential diagnosis and lead to novel therapeutic strategies.
Bioinformatics analysis quantifies neighborhood preferences of cancer cells in Hodgkin lymphoma
(2017)
Motivation Hodgkin lymphoma is a tumor of the lymphatic system and represents one of the most frequent lymphoma in the Western world. It is characterized by Hodgkin cells and Reed-Sternberg cells, which exhibit a broad morphological spectrum. The cells are visualized by immunohistochemical staining of tissue sections. In pathology, tissue images are mainly manually evaluated, relying on the expertise and experience of pathologists. Computational quantification methods become more and more essential to evaluate tissue images. In particular, the distribution of cancer cells is of great interest.
Results Here, we systematically quantified and investigated cancer cell properties and their spatial neighborhood relations by applying statistical analyses to whole slide images of Hodgkin lymphoma and lymphadenitis, which describes a non-cancerous inflammation of the lymph node. We differentiated cells by their morphology and studied the spatial neighborhood relation of more than 400,000 immunohistochemically stained cells. We found that, according to their morphological features, the cells exhibited significant preferences for and aversions to cells of specific profiles as nearest neighbor. We quantified differences between Hodgkin lymphoma and lymphadenitis concerning the neighborhood relations of cells and the sizes of cells. The approach can easily be applied to other cancer types.
Zur genomweiten Genexpressionsanalyse werden Microarray-Experimente verwendet. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zur Präprozessierung von Microarrays der Firma Affymetrix zu evaluieren und die VSN-Methode für Experimente mit weniger als 1000 Zellen zu verbessern. Bei dieser Technologie wird die Expression jedes Gens durch mehrere Probessets gemessen. Jedes Probeset besteht aus einem Perfect-Match (PM) und einem dazugehörigen Mismatch (MM). Der Expressionswert pro Gen wird durch ein vierstufiges Verfahren aus den einzelnen Probe-Werten berechnet: Hintergrundkorrektur, Normalisierung, PM-Adjustierung und Aggregation. Für jeden dieser Schritte existieren mehrere Algorithmen. Dazu dienten die im affy-Paket des Bioconductor implementierten Methoden MAS5, RMA, VSN und die Methode sRMA von Cope et al. [Cope et al., 2006] in Kombination mit der Methode VSN von Huber et al. [Huber et al., 2002]. Den ersten Teil dieser Arbeit bildet die Reanalyse der Datensätze von Küppers et al. [Küppers et al., 2003] und Piccaluga et al. [Piccaluga et al., 2007] mit der VSN-Methode. Dabei konnte gezeigt werden, dass die VSN-Methode gegenüber Klein et al. [Klein et al., 2001] Vorteile zeigt. Bei beiden Datensätzen wurden zusätzliche Gene gefunden, die für die Pathogenese der jeweiligen Tumorarten wichtig sein können. Einige der zusätzlich gefunden Gene wurden durch andere wissenschaftliche Arbeiten bestätigt. Die Gene, die bisher in keinem Zusammenhang mit der untersuchten Tumorart stehen, sind eine Möglichkeit für die weitere Forschung. Vor allem der Zytokine/Zytokine Signalweg wurde bei beiden Reanalysen als überrepräsentiert erkannt. Da für einige Microarray-Experimente die Anzahl der Zellen und damit die Menge an mRNA nur begrenzt zur Verfügung stehen, müssen die Laborarbeit und die statistischen Analysen angepasst werden. Hierzu werden fünf Methoden für die Präprozessierung untersucht, um zu evaluieren, welche Methode geeignet ist, derartige Expressionsdaten zu verrechnen. Auf Basis eines Testdatensatzes der bereits zur Etablierung des Laborprozesses diente werden Expressionswerte durch empirische Verteilung, Gammaverteilung und ein linear gemischtes Modell simuliert. Die Simulation lässt sich in vier Schritte einteilen: Wahl der Verteilung, Simulation der Expressionsmatrix, Simulation der differentiellen Expression, Sortierung der Probes innerhalb des Probesets. Anschließend werden die fünf Präprozessierungsmethoden mit diesen simulierten Expressionsdaten auf ihre Sensitivität und Spezifität untersucht. Während sich bei den empirisch und gammaverteilt simulierten Expressionsdaten kein eindeutiges Ergebnis abzeichnet, hat sVSN bei den Daten aus dem linear gemischten Modell die größte Sensitivität und die größte Spezifität. Der in dieser Arbeit entwickelte sVSN-Algorithmus wurde zum ersten Mal angewendet und bewertet. Abschließend wird ein Teildatensatz von Brune et al. verwendet und hinsichtlich der fünf Präprozessierungsmethoden untersucht. Die Ergebnisse der sVSN-Methode wird im Detail weiter verfolgt. Die zusätzlich gefunden Gene können durch bereits veröffentlichte Arbeiten bestätigt werden. Letztendlich zeigt sich, dass neuere statistische Methoden (wie das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte sVSN) bei der Analyse von Affymetrix Microarrays einen Vorteil bringen. Die sVSN und sRMA Methoden zeigen Vorteile, da die Probes nach der Normalisierung gewichtet werden, bevor diese aggregiert werden. Die MAS5-Methode schneidet am schlechtesten ab und sollte bei geringen Zellmengen nicht eingesetzt werden. Für die Analyse mit geringer Menge an mRNA müssen weitere Untersuchungen vorgenommen werden, um eine geeignete statistische Methode für die Analyse der Expressionsdaten zu finden.
In pathology, tissue images are evaluated using a light microscope, relying on the expertise and experience of pathologists. There is a great need for computational methods to quantify and standardize histological observations. Computational quantification methods become more and more essential to evaluate tissue images. In particular, the distribution of tumor cells and their microenvironment are of special interest. Here, we systematically investigated tumor cell properties and their spatial neighborhood relations by a new application of statistical analysis to whole slide images of Hodgkin lymphoma, a tumor arising in lymph nodes, and inflammation of lymph nodes called lymphadenitis. We considered properties of more than 400, 000 immunohistochemically stained, CD30-positive cells in 35 whole slide images of tissue sections from subtypes of the classical Hodgkin lymphoma, nodular sclerosis and mixed cellularity, as well as from lymphadenitis. We found that cells of specific morphology exhibited significant favored and unfavored spatial neighborhood relations of cells in dependence of their morphology. This information is important to evaluate differences between Hodgkin lymph nodes infiltrated by tumor cells (Hodgkin lymphoma) and inflamed lymph nodes, concerning the neighborhood relations of cells and the sizes of cells. The quantification of neighborhood relations revealed new insights of relations of CD30-positive cells in different diagnosis cases. The approach is general and can easily be applied to whole slide image analysis of other tumor types.
Anaplastic large cell lymphoma (ALCL) and classical Hodgkin lymphoma (cHL) are lymphomas that contain CD30-expressing tumor cells and have numerous pathological similarities. Whereas ALCL is usually diagnosed at an advanced stage, cHL more frequently presents with localized disease. The aim of the present study was to elucidate the mechanisms underlying the different clinical presentation of ALCL and cHL. Chemokine and chemokine receptor expression were similar in primary ALCL and cHL cases apart from the known overexpression of the chemokines CCL17 and CCL22 in the Hodgkin and Reed-Sternberg (HRS) cells of cHL. Consistent with the overexpression of these chemokines, primary cHL cases encountered a significantly denser T cell microenvironment than ALCL. Additionally to differences in the interaction with their microenvironment, cHL cell lines presented a lower and less efficient intrinsic cell motility than ALCL cell lines, as assessed by time-lapse microscopy in a collagen gel and transwell migration assays. We thus propose that the combination of impaired basal cell motility and differences in the interaction with the microenvironment hamper the dissemination of HRS cells in cHL when compared with the tumor cells of ALCL.