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In haploidentical stem cell transplantation (SCT), achieving a balance between graft versus host disease (GvHD), graft versus leukemia effect (GvL) and bridging the vulnerable phase of aplasia against viral infections is still a challenge. Graft preparation strategies attempt to achieve this balance by removing and retaining harmful and helpful cells. At this point it is known that T cell subpopulations hold different properties concerning GvHD promotion and immunocompetence towards pathogens. CD45RA+ naïve T cells show the greatest, while CD45RO+ memory T cells show less alloreactive potential but provide immunocompetence. CD45RA depletion is a promising new approach to graft processing that potentially combines GvHD prevention, GvL promotion and transfer of immunological competence by removing potentially harmful CD45RA+ naïve T cells and retaining CD45RO+ memory cells. This work focused on manufacturing CD45RA-depleted grafts within a one- or two-step approach, as well as a feasibility assessment of the process and the establishment of a 10-color fluorescence activated cell sorting (FACS) measurement panel for clinical-scale graft generation. CD45RA depletions were conducted from granulocyte-colony stimulated factor (G-CSF) mobilized peripheral blood stem cells (PBSC) applying two different strategies, direct depletion of CD45RA+ cells (one-step approach), or depletion following preceding CD34 selection. A 10-color FACS measurement panel was established ensuring quality control and enabling preliminary data acquisition on CD45RA co-expression for cell loss estimations. Residual virus-specific T cells after depletion were measured using MHC multimers. It was observed that the depletion antibody occupied the cell binding sites, resulting in insufficient binding of the fluorescent dye for subsequent FACS measurement. Therefore, three FACS antibodies were tested and compared, and CD45RA-PE (clone:2H4) was found to be the best choice for reliable cell detection. To further characterize residual T cells, two homing markers, CD62L and CCR7, were compared, with particular attention paid to the expression of the surface markers after cooling. Both markers were complementary to each other, resulting in the decision to include an additional FACS measuring tube whenever samples are cooled or further T cell characterization is needed. With a median log depletion of -3.9 (one-step) and -3.8 (two-step) data showed equally efficient removal of CD45RA+CD3+ T cells for both approaches. Close to complete B cell removal was obtained without additional reagent use. However, also close to complete NK cell loss occurred due to high CD45RA co-expression. Stem cells recovered at a median of 52% (range: 49.7 - 67.2%) after one-step CD45RA depletion. CD45RO+ memory T cells recovery was statistically not differing between both approaches. Virus-specific T cells were detectable after depletion, suggesting that virus-specific immunocompetence is transferable. In conclusion, CD45RA depletions are equally feasible for both approaches when performed from fresh, non-cryopreserved starting products, show reliable reduction of CD45RA and B cells, but also result in co-depletion of NK cells. Stem cell recovery and NK cell losses must be considered carefully especially regarding overcoming HLA barriers, pathogen protection during aplasia, early engraftment an GvL. Therefore, a combination of CD45RA-depleted products with already established other processing methods to ensure sufficient stem and NK cells is desirable to allow high clinical flexibility.
In der Akuten Lymphatischen Leukämie (ALL) im Erwachsenenalter beträgt die 5–Jahres-Überlebensrate trotz verbesserter Therapien unter 40%. Die Prognose wird durch das Auftreten von Rezidiven signifikant verschlechtert. ALL entsteht durch genetische Veränderungen lymphatischer Vorläuferzellen im Knochenmark, welche zu einem Differenzierungsblock und zu starker Zunahme der Vorläufer-zellen führen. Eine mögliche Erklärung für das bestehende hohe Rezidiv-Risiko wird in der unvollständigen Elimination von Leukämie-induzierenden Zellen (LIZ) durch die Primärtherapie gesehen. Die Identifizierung und Charakterisierung von LIZ in der ALL anhand spezifischer Oberflächenmarker war bisher nicht möglich, daher ist die molekulare und funktionelle Charakterisierung von LIZ für die Entwicklung moderner Therapieansätze unabdingbar. Metabolische Analysen primärer ALL-Langzeitkulturen (LZK) in Vorarbeiten zeigten eine deutliche Abweichung des Kohlenhydratstoffwechsels vom physiologischen metabolischen Profil einer Knochenmarkszelle hin zur Nutzung der Glykolyse mit zunehmendem leukämogenen Potential der etablierten LZK. Folglich ist in dieser Dissertation der Zusammenhang zwischen höherer Glukoseaffinität, schnellerer Glukoseaufnahme und dem Vorliegen eines höheren leukämogenen Potentials der Zellen und damit einer Definition der LIZ anhand ihres Energiestoffwechsels untersucht worden.
Hierfür wurden Tests im Mausmodell in vivo und in vitro mit drei ALL-LZK CR, PH und BV durchgeführt. Wir etablierten unter Verwendung des fluoreszenzmarkierten Glukoseanalogons 2–NBDG sowie eines gegen den GLUT–1 gerichteten Antikör-pers jeweils ein durchflusszytometrisches Verfahren zur quantitativen Messung der Glukoseaufnahme. Anhand dieser Parameter erfolgte die FACS-Anreicherung unterschiedlicher Zellpopulationen der LZK und die Xenotransplantation zur Evaluation potentieller Unterschiede des leukämogenen Potentials.
Durch durchflusszytometrische Messungen konnten in den drei LZK jeweils drei Subpopulationen von Zellen anhand ihrer Glukoseaffinität unterschieden werden (2–NBDG negativ, 2–NBDG positiv und 2–NBDG hochaffin). Auch zeigten sich Unterschiede in der Kinetik der Glukoseaufnahme der drei getesteten LZK, wobei CR Zellen mit Abstand am schnellsten 2–NBDG aufnahmen, gefolgt von PH. Die schnellere Glukoseaufnahme der LZK CR und PH wurde durch eine vermehrte Expression des GLUT-1 Rezeptors und einen höheren Anteil an GLUT–1 positiver Zellen hervorgerufen. Interessanterweise bestand auch eine Korrelation zwischen höherem leukämogenem Potential mit schnellerer Glukoseaufnahme und stärkerer GLUT–1 Expression. Hierbei zeigte sich, dass die HIF-1α Stabilisierung unter Normoxie in einer vermehrten GLUT–1 Expression und daraufhin vermehrter Glukoseaufnahme resultierte. Die prospektive Anreicherung von distinkten Zellsubpopulationen der LZK CR und PH aufgrund ihrer Glukoseaufnahme (gemessen durch 2–NBDG) und Transplantation der sortierten Zellpopulationen in NSG Empfängermäuse zeigte keine kohärente Beziehung zwischen der Glukoseaffinität der Zellen und der Entwicklung der Leukämie. Während es bei CR Zellen initial zu einer beschleunigten Expansion der 2–NBDG-positiv sortierten Leukämiezellen kommt, was sich aber nicht signifikant auf das Gesamtüberleben der Empfängermäuse auswirkt, zeigte die serielle Transplantation von 2–NBDG negativen Zellen ein schnelleres Ableben der Tiere. Bei der LZK PH expandierten 2–NBDG-negative Zellen schneller in primären Empfängermäusen als positive Zellen. Dabei konnten zelltoxische Effekte durch die Verwendung von 2–NBDG ausgeschlossen werden. Auch die Transplantation von GLUT-1 positiven bzw. negativen CR Zellen zeigte, dass GLUT-1 negative Zellen schneller in den Mäusen expandierten, eine aggressivere Leukämie verursachten und zu einem früheren Ableben der Mäuse führte.
Diese Ergebnisse zeigen keine unmittelbare Korrelation von Glukoseaufnahme oder GLUT-1 Expression und der Leukämogenität der untersuchten ALL Zellen. Daher können diese Eigenschaften nicht dazu verwendet werden LIZ in ALL prospektiv anzureichern. Im Rahmen dieser Dissertation zeigte sich aber auch, dass sich die LZK in ihrer jeweiligen Gesamtpopulation bezüglich ihres Glukoseaufnahmeverhaltens und ihrem Anteil GLUT-1-positiver Zellen unterschieden. Weiterführende Untersuchungen sind nötig, um den Grund der differentiellen Expression von GLUT-1 und der damit zusammenhängenden gesteigerten Glukoseaufnahme einzelner Zellen in der ALL zu ermitteln.