For a variety of malignant diseases of the hematopoietic system, the allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT) is the only curative treatment option. Accordingly, the number of allo-HSCTs performed worldwide has increased greatly in the past decades. However, the mortality after allo-HSCT is high: more than half of the patients die within the first two years because of graft-versus-host disease (GVHD) or GVHD-associated complications as tumor relapse or fatal infections. Acute GVHD is a systemic inflammatory disease caused by alloreactive T cells primarily affecting liver, skin and intestines; so that current therapeutic approaches aim at supressing these effector T cells. This has the significant disadvantage of creating a secondary immune deficiency with increased risk for the above named complications; and most GVHD-related deaths are due to treatment failure or significant toxicities of the used immunosuppressive agents. Therefore, there is an urgent medical need for alternative therapies, which do not attenuate the immune system. Recent work identified such a novel approach: the inhibition of pathologic angiogenesis, which is involved in GVHD as well as in tumor growth after allo-HSCT. The crosstalk between angiogenesis and inflammation is well-established and used in anti-angiogenic treatment strategies. However, it is still not clear if angiogenesis is a consequence or the cause of inflammation. This obstacle and missing suitable targets that are differentially regulated during pathologic and physiologic angiogenesis limit the efficacy of current anti-angiogenic therapies and hinder the development of novel therapeutic approaches. This cumulative thesis consists of two publications, aiming to understand GVHD-initiating mechanisms related to angiogenesis and to provide potential new therapeutic targets being involved in early GVHD while aiming at the endothelium. For a better translation of experimental results into the human setting of allo-HSCT, I first established a clinical relevant, acute GVHD mouse model; as the most commonly used ones exhibit significant clinical limitations. The features of our novel chemotherapy-based, major histocompatibility complex (MHC)-matched GVHD model included profound engraftment, typical clinical features of GVHD, and systemic and target organ-specific inflammation. The clinical pattern and timing of GVHD closely resembled the clinical situation of human leukocyte antigen (HLA)-matched allo-HSCT with GVHD prophylaxis, providing a suitable tool to better understand pathogenic mechanisms in GVHD as well as to develop and translate new treatment approaches. Second, I provided novel evidence on a primary involvement of angiogenesis in the initiation of tissue inflammation in GVHD and found that during initial angiogenesis classical inflammation- associated endothelial activation signs were absent, but metabolic and cytoskeletal alterations occurred, resulting in enhanced migratory and proliferative potential of endothelial cells. I identified potential novel targets for pursuing mechanistic studies and the development of anti- inflammatory therapies aiming at angiogenesis. This study helps to amend the knowledge on the interplay between the vasculature and inflammation and opens a new window to develop novel therapeutic strategies targeting the endothelium after allo-HSCT.
Für verschiedene maligne Erkrankungen des hämatopoetischen Systems stellt die allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation (allo-HSZT) die einzige kurative Therapieoption dar, sodass die Anzahl der weltweit durchgeführten allo-HSZTs in den letzten Jahrzehnten deutlich angestiegen ist. Allerdings ist die Mortalität nach allo-HSZT sehr hoch. Mehr als die Hälfte der Patienten versterben in den ersten zwei Jahren an der graft-versus-host Krankheit (GVHD) oder an GVHD-assoziierten Komplikationen wie Tumorrezidive oder tödlich verlaufende Infektionen. Die akute GVHD ist eine systemische Entzündungskrankheit bei der alloreaktive T-Zellen in die Leber, Haut und den Gastrointestinaltrakt einwandern und diese Organe schädigen. Die aktuellen GVHD Therapien sind daher auf eine Unterdrückung dieser T-Zellfunktionen ausgerichtet, wodurch sich allerdings häufig kritische sekundäre Immundefizienzen entwickeln, die mit einem erhöhten Risiko eine der oben genannten Komplikationen zu entwickeln, einhergehen. Fast alle GVHD Todesfälle lassen sich auf ein Therapieversagen oder auf erhebliche Nebenwirkungen der eingesetzten Immunsuppressiva zurückführen, was einen dringenden medizinischen Bedarf an alternativen therapeutischen Ansätzen, die nicht das Immunsystem schwächen, aufzeigt. Vorarbeiten konnten solch einen innovativen therapeutischen Ansatz identifizieren: die Hemmung der pathologischen Gefäßneubildung (Angiogenese), die sowohl bei Tumorwachstum als auch während der GVHD nach allo-HSZT involviert ist. Antiangiogene Therapiestrategien bauen auf der weithin etablierten Beobachtung auf, dass Angiogenese und Entzündung zwei eng miteinander verknüpfte Prozesse sind. Allerdings ist nicht geklärt, ob die Angiogenese ein initiales oder sekundäres Ereignis gegenüber der Entzündung darstellt. Dies und das bisherige Fehlen von therapeutischen Zielstrukturen, die bei pathologischer und physiologischer Angiogenese unterschiedlich reguliert werden, behindern zurzeit die effektive therapeutische Nutzung der Hemmung des Blutgefäßwachstums. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob die Angiogenese einen initialen Mechanismus bei der Entstehung der GVHD darstellt. Zusätzlich sollten neue potentielle therapeutische Ansatzpunkte am Endothel identifiziert werden, die in der frühen Entstehungsphase der GVHD eine Rolle spielen. Dieser kumulativen Arbeit liegen zwei eigene Publikationen zugrunde. Für eine bessere translationale Übertragung der experimentell gewonnenen Daten, wurde zunächst ein neues Mausmodell der akuten GVHD entwickelt, welches im Gegensatz zu den zurzeit am häufigsten genutzten Mausmodellen, die klinische Situation der allo-HSZT besser abbildet. Dieses neue Chemotherapie-basierte, Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC)-kompatible GVHD Modell ist charakterisiert durch ein stabiles Anwachsen der Knochenmarksstammzellen, einen klinisch-vergleichbaren GVHD-Phänotyp sowie durch eine systemische als auch Zielorgan-spezifische Entzündungsreaktion. Die GVHD-Pathogenese im Mausmodell ist eng vergleichbar mit dem klinischen GVHD-Verlauf nach einer humanen Leukozyten-Antigen (HLA)-kompatiblen allo-HSZT mit GVHD-Prophylaxe. Daher stellt dieses Modell ein geeignetes Werkzeug dar, um pathogene Mechanismen der GVHD und translationale Therapieansätze zu untersuchen. In diesem Mausmodell konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Angiogenese ein initiales Ereignis während der GVHD-Pathogenese darstellt und der charakteristischen Entzündungsreaktion vorausgeht. Während dieser initialen Angiogenese zeigte sich keine entzündungs-assoziierte Endothelzellaktivierung. Stattdessen traten signifikante metabolische und zytoskeletale Veränderungen in den Endothelzellen auf, die zu einem erhöhten Migrations- und Proliferationspotenial führten. Neue Kandidatengene und Proteine wurden identifiziert, die in Endothelzellen während der pathologischen Angiogenese nach allo-HSZT unterschiedlich reguliert waren. Diese sollen in weiterführenden mechanistischen Studien untersucht werden. Insgesamt konnte die Arbeit neue Erkenntnisse zur Entstehung der pathologischen Angiogenese bei entzündlichen Erkrankungen wie der GVHD liefern und sie leistet einen substantiellen Beitrag für die translationale Entwicklung der therapeutischen Hemmung der pathologischen Angiogenese nach allo-HSZT.
