Räumlich-zeitliche Analyse der Interaktion von hämatopoietischen Stammzellen und der Stammzellnische während des Engraftments
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Blutstammzelltransplantationen (SZT) werden routinemäßig in der Klinik zur Behandlung von Blutkrebserkrankungen und hämatologischen Erbkrankheiten eingesetzt. Hierbei migrieren transplantierte Spenderzellen, aus der Blutbahn in das Knochenmark, wo sie langfristig ihre blutbildende Funktion aufnehmen. Es ist jedoch unklar, ob alle Spenderzellen ausschließlich das Knochenmark aufsuchen oder ob diese auch in andere Gewebe (extramedulläre Organe) migrieren. Im vorliegenden Projekt wurde das Migrationsverhalten transplantierter hämatopoietischer Stammzellen anhand eines autologen Mausmodells untersucht. Mithilfe eines hochsensitiven Reportersystems konnten wir feststellen, dass Teile des Zellgrafts während der ersten Woche nach Transplantation in die Milz migrieren und dort stark proliferieren. Die proliferative Aktivität konnte dabei in drei „Schüben“ an Tag 9, 12 und 18 gemessen werden. Sekundäre Transplantationsversuche zeigten, dass es sich bei den aktiven Zellen nicht um multipotente Stammzellen handelte. Eine genauere Charakterisierung der Milzzellen (Splenozyten) zeigte eine distinkte Distribution von Vorläuferzellen und differenzierten Zellen, die sich wesentlich von der Zusammensetzung im Knochenmark unterschied. Die Gruppe der common myeloid progenitors (CMP; cKit+Sca-1-CD34+FcgR-) stellte sich dabei als diejenige Vorläuferpopulation heraus, die für die hohe proliferative Aktivität verantwortlich ist. Vor Transplantation splenektomierte Mäuse zeigten eine deutlich verzögtere Erholung der Blutparameter (Hämoglobin (Hb)- und Leukozytenkonzentration). Diese Ergebnisse bestätigten unsere Annahme, dass milzspezifische CMPs einen relevanten Beitrag zur hämatopoietischen Rekonstitution in der frühen post-transplant Phase leisten. Wir nutzten diese Erkenntnis, um die Blutbildung in dieser kritischen Phase mithilfe von ex vivo generierten CMPs (cultured CMPs) zu unterstützen. Die zusätzliche Gabe dieser expandierten CMPs bei der Stammmzelltransplantation führte zu einer wesentlich stärkeren Erholung der myeloischen Reihe. Dieser Effekt war bei splenektomierten Empfängern wie erwartet nicht zu beobachten. Dieses Projekt konnte die Relevanz der extra-medullären Migration von transplantierten Spenderzellen funktional untermauern und leitet hiervon einen Therapieansatz zur Unterstützung der Hamätopoiese nach Transplantation ab. In einem zweiten Projekt wurde basierend auf einem neuen ex vivo Expansionsprotokoll untersucht, ob mittels Gene Editing manipulierte Stammzellen auf eine für Transplantationen relevante Anzahl expandiert werden können. Im Sinne einer Gentherapie können diese expandierten Zellen können dann zur Behandlung von genetischen Erkranungen des Blutsystems eingesetzt werden. In einem Mausmodell für Immuninsuffizienz (Prkdcscid) wurden Stammzellen isoliert und die zugrunde liegende Mutation mit CRISPR/Cas9 zunächst in rund 20-30% der Zellen korrigiert. Im weiteren Verlauf der Expansion konnten primitive CD201+CD150+KL Stammzellen um den Faktor 9 vermehrt werden. Immundefiziente Empfänger wiesen nach deren Transplantation ein funktionales Immunsystem auf. Nach längerer Expansion und der Transplantation mit sehr hohen Zellzahlen konnte auch ohne vorherige Konditionierung ein stabiles Engraftment erreicht werden. Durch den Einsatz eines neuartigen Polymers im Kultursystem konnten wir editierte Stammzellklone einzeln expandieren, was die genetische Charakterisierung einzelner Klone bezüglich ihrer On- und Off-target Modifikationen ermöglichte. Dies erlaubte das genetische Screening und die marker-freie Selektion sowie den Ausschluss einzelner Klone nach Mutationsprofil. Die klonale Selektion und Expansion von geneditierten Stammzellen ist bislang nur über induzierte plurupotente Stammzellen (iPSCs) möglich. Der hier beschriebene Ansatz hat das Potential, den therapeutischen Nutzen und die Sicherheit von gentherapeutischen Anwendungen relevant zu verbessern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Activated HoxB4-induced hematopoietic stem cells from murine pluripotent stem cells via long-term programming. Exp Hematol. 2020 Sep;89:68-79.e7
Izawa K, Yamazaki S, Becker HJ, Bhadury J, Kakegawa T, Sakaguchi M, Tojo A
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Defined Expansion Protocol Supports Ex Vivo Expansion of Gene Edited Hematopoietic Stem Cells to the Single Cell Level. 62nd ASH Annual Meeting, Dec 05-08, 2020
Becker HJ, Sakurai M, Yamazaki S
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Ex-Vivo Hematopoietic Stem Cell Expansion System as a Platform For Gene Editing. 25th Annual Meeting of the European Society of Hematology (EHA), Jun 11-21, 2020
Becker HJ, Yamazaki S
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Ex-Vivo Hematopoietic Stem Cell Expansion System as a Platform For Gene Editing. 82nd Annual Meeting of the Japanese Society of Hematology (JSH), Oct 10-Nov 08, 2020
Becker HJ, Yamazaki S
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HHEX promotes myeloid transformation in cooperation with mutant ASXL1. Blood. 2020 Oct 1;136(14):1670-1684
Takeda R, Asada S, Park SJ, Yokoyama A, Becker HJ, Kanai A, Visconte V, Hershberger C, Hayashi Y, Yonezawa T, Tamura M, Fukushima T, Tanaka Y, Fukuyama T, Matsumoto A, Yamasaki S, Nakai K, Yamazaki S, Inaba T, Shibata T, Inoue D, Honda H, Goyama S, Maciejewski JP, Kitamura T
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DHODH inhibition synergizes with DNA-demethylating agents in the treatment of myelodysplastic syndromes. Blood Adv. 2021 Jan 26;5(2):438-450
Kayamori K, Nagai Y, Zhong C, Kaito S, Shinoda D, Koide S, Kuribayashi W, Oshima M, Nakajima- Takagi Y, Yamashita M, Mimura N, Becker HJ, Izawa K, Yamazaki S, Iwano S, Miyawaki A, Ito R, Tohyama K, Lennox W, Sheedy J, Weetall M, Sakaidä, Yokote K, Iwama A
