Endothelial dysfunction during Graft-versus-Host Disease

Abstract

Transplantation of donor stem cells, called allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT), is currently the only curative treatment for a variety of hematopoietic diseases, in particular for malignant diseases. Despite the progress made in the past decades in terms of safety, complications by allo-HSCTs lead to high post-treatment mortality rates. The primary complication after allo-HSCT is the “graft-versus-host disease” (GVHD). GVHD is an inflammatory disease affecting liver, intestine and skin. Allo-reactive T lymphocytes are the main mediators of this inflammatory condition. Current therapeutic approaches aim to reduce activation and expansion of effector T lymphocytes, resulting in increased infection rates due to systemic immune suppression by steroids. Approximately 30% of patients develop a progressive GVHD despite immune suppression; this condition is called “steroid refractory GVHD” (srGVHD). Especially in the srGVHD condition, there is an urgent need to find appropriate treatment options. The study of srGVHD, to find targets for successful treatment, is hampered by the lack of mouse models. Recent studies revealed an increased endothelial damage during GVHD and srGVHD. Up to now, the characterization of endothelium during GVHD is incomplete. In this thesis, endothelial dysfunction during GVHD has been investigated in human samples by caspase staining. Endothelial dysfunction in murine GVHD was accompanied by a reduced pericyte coverage, an increased leakage and a higher contraction capability of endothelium in GVHD target organs without structural changes. The increase in adhesion, co-stimulatory and antigen-presenting molecules at the surface of endothelial cells indicates an active role of these cells in the pathogenesis of GVHD. Targeting different functions with compounds directed to the endothelium was not successful in ameliorating the course of GVHD. Gene array performed with isolated hepatic endothelial cells revealed metabolomic pathways, which were altered during established GVHD. Additionally, known pathways to induce apoptosis and cellular dysfunction were increased in hepatic endothelial cells during established GVHD. In our murine srGVHD model increased endothelial damage and leakage index in the colon indicated a contribution of endothelial cells to the pathophysiology of srGVHD. The reduced number of hepatic endothelial cells and the reduced expression of adhesion molecules add evidence to a potential role of endothelial dysfunction in srGVHD. This study highlights the importance of endothelial cells to the GVHD cascade in mice and humans, while therapeutic approaches were not successful to ameliorate murine GVHD. A murine model of srGVHD showed involvement of endothelial cells in this condition. A deeper insight to endothelial cell pathophysiology in established GVHD and srGVHD may help to identify clinical markers for early stages of GVHD and open a new field of therapeutics to ameliorate GVHD while preserving immunity.

Die Übertragung fremder Stammzellen bei der allogenen Stammzelltransplantation (allo-HSCT) ist die einzige kurative Behandlung für eine Vielzahl von hämatopoetischen und malignen Erkrankungen. Leider kommt es häufig zu schweren Komplikationen mit hoher Mortalität. Die Hauptkomplikation nach allo-HSCT ist die „Graft-versus-host“ Krankheit (GVHD). Die GVHD ist eine entzündliche Erkrankung, die Leber, Darm und Haut betrifft. Allo-reaktive T-Lymphozyten sind hierbei die Hauptmediatoren. Die derzeit verwendeten therapeutischen Ansätze zielen darauf ab, die Aktivierung und Expansion von Effektor-T-Lymphozyten zu reduzieren. Hierbei stellen jedoch erhöhte Infektionsraten - aufgrund systemischer Immunsuppression - ein erhebliches Problem dar. Rund 30% der Patienten entwickeln eine progressive GVHD trotz Immunsuppression mit Steroiden, die „Steroid-refraktäre GVHD“ (srGVHD). Fehlende Mausmodelle behindern die Suche nach geeigneten Therapien der srGVHD. Aktuelle Studien zeigen erhöhte Endothelschäden sowohl bei der GVHD als auch bei srGVHD Patienten. Bisher ist die endotheliale Schädigung während der fortgeschrittenen GVHD nur unvollständig charakterisiert. In dieser Arbeit wurde die endotheliale Dysfunktion während der etablierten GVHD in humanen Proben durch Caspase Färbungen beschrieben. Die endotheliale Dysfunktion in der murinen GVHD wurde begleitet von einer reduzierten Pericytendichte, erhöhter Kontration von mesenterischen Aterien, sowie einer erhöhten Durchlässigkeit des Endothels in den GVHD-Zielorganen, ohne zu strukturellen Veränderungen der Mikrogefäße zu führen. Die erhöhte Oberflächenexpression von Adhäsionsmolekülen, co-stimulierenden und antigenpräsentierenden Molekülen auf Endothelzellen, lässt vermuten, dass diesen Zellen eine wichtige Rolle während der GVHD zukommt. Verschiedene therapeutische Ansätze, die endotheliale Funktion zu modulieren, bewirkten keine Abschwächung der GVHD. Hepatische Endothelzellen wiesen eine erhöhte Genexpression von Genen auf, die für metabolische Signalwege codieren. Zusätzlich war die Genexpression von Genen, die bei der Induktion von Apoptose und zellulärer Dysfunktion wichtig sind, während der etablierten GVHD erhöht. Die Verwendung eines srGVHD-Modells zeigte eine erhöhte Endothelschädigung mit erhöhter vaskulärer Permeabilität im Kolon, was auf einen Beitrag von Endothelzellen zur Pathogenese von srGVHD hindeutet. Hinweise auf eine endotheliale Dysfunktion in der srGVDH waren die reduzierte Anzahl von Endothelzellen der Leber und die Reduktion in der Expression von Adhäsionsmolekülen während der srGVHD. Diese Studie konnte neue Evidenzen für die Bedeutung von Endothelzellen in der murinen und humanen GVHD hervorbringen. Therapeutische Ansätze, den Verlauf der murinen GVHD zu mildern, zeigten keinen Erfolg. Ein murines Modell der srGVHD wies endotheliale Schädigung auf, was eine Beteiligung des Endothels bei der srGVHD vermuten lässt. Weitere Kenntnisse über das Endothel bei der etablierten GVHD und bei der srGVHD könnten es zukünftig ermöglichen, klinische Marker für den Beginn der GVHD zu ergänzen und die Sensitivität bereits genutzter Marker zu erhöhen. Der Einsatz von Therapeutika, die spezifisch auf das Endothel wirken und den Verlauf der GVHD abmildern, könnten zukünftig das Auftreten von Infektionen und Tumorrezidiven als schwere Nebenwirkung der Immunsupression verringern.