The vasculature and immune cell reconstitution of the bone marrow niche after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation

Abstract

For a variety of malignant diseases of the hematopoietic system, allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT) is the only curative treatment option. Unfortunately, more than half of the patients receiving allo-HSCT die within the first two years. A major reason for mortality after allo-HSCT is acute graft-versus-host disease (aGVHD), a systemic inflammatory disease in which activated donor T cells damage the host tissue. Patients suffering from aGVHD often develop severe prolonged cytopenia with serious complications such as heavy bleedings, fatal infections, and tumor relapse. This association suggests that the bone marrow (BM) niche, which is critical for hematopoiesis, plays a decisive role in the outcome after allo-HSCT. However, little is known about the role of the BM niche as an aGVHD target tissue, and the underlying pathophysiology of aGVHD-mediated BM niche damage is unclear. This study aimed to unravel the influence of aGVHD on the BM vasculature and BM immune cell reconstitution as selected BM niche features. For this purpose, a clinically relevant allo-HSCT model for BM aGVHD based on the transplantation of purified hematopoietic stem cells (Lineage−Sca-1+c-Kit+ cells) was established. Experimental allo-HSCT led to profound engraftment and induced typical features of aGVHD. The descriptive overview of the above-mentioned BM niche characteristics revealed an increased BM vessel density at day+20 after allo-HSCT and a typical delayed immune cell reconstitution in the BM of allo-HSCT recipients during aGVHD. Further, the effect of CD31+ cells as a therapeutic approach to aGVHD clinics, BM vessel density, and BM immune cell reconstitution after allo-HSCT was tested. The intravenous CD31+ cell transfer resulted in improved clinical appearance shown by lower aGVHD scores at day+23 after allo-HSCT, and alterations of the BM immune cells towards reduced CD4+ T cells as well as CD4+ effector memory T cells. The findings obtained underline that aGVHD affects the BM and add preliminary data of CD31+ cell transfer as a possible therapeutic option for aGVHD. This study provides the foundation from which further development, such as mechanistic analyses as well as translational development of therapeutic approaches, can progress.

Für eine Vielzahl von bösartigen Erkrankungen des hämatopoetischen Systems stellt die allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation (allo-HSZT) die einzige kurative Behandlungsmöglichkeit dar. Leider sterben mehr als die Hälfte der Empfänger einer allo-HSZT innerhalb der ersten zwei Jahre. Ein Hauptgrund für die Mortalität nach allo-HSZT ist die akute graft-versus-host Krankheit (aGVHD). Die aGVHD ist eine systemische Entzündungskrankheit, bei der aktivierte T-Zellen des Spenders das Wirtsgewebe schädigen. Patienten, die an aGVHD leiden, entwickeln häufig eine schwere, langanhaltende Zytopenie mit erheblichen Komplikationen wie starken Blutungen, fatalen Infekten und Tumorrezidiven. Diese Assoziation deutet darauf hin, dass die Knochenmarksnische, welche von wesentlicher Bedeutung für die Hämatopoese ist, eine entscheidende Rolle für das Ergebnis nach allo-HSCT spielt. Über die Bedeutung und Wirkung der Knochenmarksnische als aGVHD-Zielgewebe ist jedoch wenig bekannt, und die zu Grunde liegende Pathophysiologie der aGVHD-vermittelten Knochenmarksnischenschädigung ist unklar. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der aGVHD auf die Gefäßdichte und die Immunzellrekonstitution im Knochenmark (KM) als ausgewählte KM-Nischenmerkmale zu untersuchen. Hierfür wurde zunächst ein klinisch relevantes allo-HSZT-Modell für die KM aGVHD etabliert, welches sich durch die Transplantation von aufbereiteten hämatopoetischen Stammzellen (Lineage−Sca-1+c-Kit+ Zellen) auszeichnet. Die experimentelle allo-HSZT führte zu einem sicheren Engraftment und induzierte typische Merkmale der aGVHD. Die Aufstellung eines beschreibenden Überblicks über die genannten KM-Nischenmerkmale ergab eine erhöhte KM-Gefäßdichte an Tag+20 nach allo-HSZT und eine typisch verzögerte Immunzellrekonstitution im KM von allo-HSZT Empfängern während der aGVHD. Darüber hinaus wurde der Einfluss von CD31+ Zellen als therapeutischer Ansatz auf die aGVHD Klinik, die KM-Gefäßdichte und die KM-Immunzellrekonstitution nach allo-HSZT getestet. Der intravenöse Transfer von CD31+ Zellen führte zu einem verbesserten klinischen Erscheinungsbild, das sich durch niedrigere aGVHD Scores an Tag+23 nach allo-HSZT darstellte, zu reduzierten CD4+ T Zellen, sowie reduzierten CD4+ T Effektor-Gedächtnis Zellen. Die gewonnenen Erkenntnisse unterstreichen, dass die aGVHD das KM beeinflusst und zeigen erste Daten von einem CD31+ Zell-Transfer als möglicher Therapieoption. Diese Studie liefert die Grundlage, auf der weitere Entwicklungen, wie mechanistische Analysen sowie die Entwicklung von therapeutischen Ansätzen, entstehen können.