Selective enhancement of donor hematopoietic cell engraftment by the CXCR4 antagonist AMD3100 in a mouse transplantation model.

The interaction between stromal cell-derived factor-1 (SDF-1) with CXCR4 chemokine receptors plays an important role in hematopoiesis following hematopoietic stem cell transplantation. We examined the efficacy of post transplant administration of a specific CXCR4 antagonist (AMD3100) in improving animal survival and in enhancing donor hematopoietic cell engraftment using a congeneic mouse transplantation model. AMD3100 was administered subcutaneously at 5 mg/kg body weight 3 times a week beginning at day +2 post-transplant. Post-transplant administration of AMD3100 significantly improves animal survival. AMD3100 reduces pro-inflammatory cytokine/chemokine production. Furthermore, post transplant administration of AMD3100 selectively enhances donor cell engraftment and promotes recovery of all donor cell lineages (myeloid cells, T and B lymphocytes, erythrocytes and platelets). This enhancement results from a combined effect of increased marrow niche availability and greater cell division induced by AMD3100. Our studies shed new lights into the biological roles of SDF-1/CXCR4 interaction in hematopoietic stem cell engraftment following transplantation and in transplant-related mortality. Our results indicate that AMD3100 provides a novel approach for enhancing hematological recovery following transplantation, and will likely benefit patients undergoing transplantation.

A possible role for chemokine signalling through CXCR4 as a downstream effector of retinoic acid signalling in the regenerating tail and spinal cord of Notophthalmus viridescens

The newt, Notopthalmus viridescens is one of the few tet rapod vertebrates capable of extensive regeneration of the central nervous system, however, the factors involved in this process are still unknown. Chemokine signalling through the receptor CXCR4, has been found to be involved in the development of the central nervous system of mammals and more recently in epimorphic fin regeneration in zebrafish. We have hypothesized that the CXCR4 signalling pathway is involved in spinal cord and tail regeneration in the adul t newt , possibly as a downstream target of retinoic acid signalling. We found that CXCR4 mRNA expression was observed in the brain, spinal cord, heart, gut, liver and regenerating tail blastemas. CXCR4 expression increased over the f i rst 12 days of tail regeneration and returned to basal expression levels at day 21 of regeneration. Inhibition of CXCR4 wi th AMD3100, a specific receptor antagonist, led to a decrease in CXCR4 mRNA in the regenerating tail 14 days post amputation. Histological analysis suggests a delay in the early stages of tail and spinal cord regeneration. Spinal cord explants t reated wi th CXCL12, the ligand to CXCR4, displayed enhanced neurite outgrowth in vitro. Explants t reated wi th AMD3100 abolished any retinoic acid enhanced neurite outgrowth effects suggesting a link between these signalling pathways.

Optimisation de la domiciliation des cellules CD34+ de sang de cordon ombilical: élucider les mécanismes en cause dépendant du CXCR4.

Le sang provenant d’un cordon ombilical (SCO) représente une bonne source de cellules souches hématopoïétiques (CSH) pour des transplantations. Cependant, le nombre de cellules souches contenues dans ce sang est souvent insuffisant pour greffer un adulte. Le mécanisme intervenant dans la domiciliation de ces cellules au sein de la moelle osseuse (MO) est encore mal compris. On sait que l’interaction entre la chimiokine SDF-1 et le récepteur CXCR4, présent sur les cellules CD34+ de SCO, mène à la migration de ces cellules en direction de la MO. Nous pensons que l’augmentation de la proportion de cellules qui réussit à se greffer pourra pallier au problème du nombre. Les produits de dégradation, C3a et le C3desarg,, issus du système du complément, sont connus pour favoriser la réponse de cellules exprimant CXCR4 vers SDF-1. Nous avons analysé l’effet du C3adesarg, molécule non anaphylatoxique, sur la migration cellulaire vers SDF-1, de même que sur la prise de greffe des cellules CD34+ issues de SCO suite à une transplantation sur des souris NOD/SCIDyC-. Nos expériences ont démontré que le C3a ainsi que le C3adesarg augmentaient tous les deux la réponse des cellules CD34+ vers SDF-1. Toutefois, nous n’avons pas pu démontrer que ces molécules liaient directement le récepteur CXCR4. Par contre, le composé C3adesarg favorise la prise de greffe des cellules CD34+ de SCO. Il serait donc un bon candidat pour poursuivre une optimisation de ses propriétés. Nous avons également constaté que suite à une transplantation chez la souris, les cellules CD34+ de SCO subissent une hausse d’expression transitoire de leur CXCR4 environ quatre jours après la greffe. Cette hausse d’expression coïncide avec la multiplication des cellules CD34+ dans la MO. Nous avons également confirmé qu’une cellule CD34+ avec une forte expression de CXCR4 était dans un état prolifératif. Nos données suggèrent que l’interaction directe avec les cellules stromales soit responsable de cette hausse d’expression de CXCR4.

Etude des inhibiteurs d'entrée de CXCR4 : corécepteur d'entrée du virus de l'immunodéficience humaine.

L’entrée virale du VIH-1 dans ses cellules cibles constitue une cible thérapeutique de choix. À l’heure actuelle, un inhibiteur de fusion et un inhibiteur ciblant le corécepteur CCR5 sont utilisés en thérapie. Dans notre étude, notre objectif était d’évaluer le profil antiviral et fonctionnel de plusieurs types moléculaires envisagés comme inhibiteurs d’entrée du corécepteur CXCR4, soient : 1) de dérivés peptidiques mimant des portions du récepteur 2) de dérivés peptidiques issus du ligand naturel de CXCR4, le SDF-1 et 3) de dérivés du puissant inhibiteur de faible poids moléculaire, le T140. Notre recherche se concentrait sur la mise au point de molécules capables d’inhiber l’entrée du VIH en ciblant sélectivement le corécepteur CXCR4 tout en conservant les fonctions naturelles de ce dernier. Parmi les molécules testées, certaines possèdent un grand potentiel dans le développement de nouveaux médicaments antirétroviraux.

Évaluation de l'effet des antagonistes synthétiques du récepteur de chimiokine, CXCR4 sur CXCR7

Le récepteur de chimiokine CXCR7 a été récemment identifié comme liant la chimiokine SDF-1, anciennement considérée comme ligand exclusif du récepteur CXCR4. Ces deux récepteurs sont exprimés majoritairement dans les mêmes types cellulaires et, ainsi, la découverte de CXCR7 incite à réévaluer les effets respectifs de SDF-1 sur CXCR4. Étant donné son rôle dans le cancer, CXCR4 est une cible de choix pour le développement de molécules thérapeutiques. Également, CXCR7 semble être impliqué dans la croissance tumorale. AMD3100, un antagoniste «sélectif» pour CXCR4, est maintenant commercialisé. Cet antagoniste a été identifié comme liant lui aussi CXCR7. De plus, sur CXCR7, l’AMD3100 agit comme agoniste puisqu’il induit le recrutement de la β-arrestine, à l’opposé de son effet sur. En revanche, AMD3100 n’induit pas le recrutement de la β-arrestine à CXCR4. Basé sur ces résultats, il est nécessaire de revoir la sélectivité d’autres antagonistes synthétiques de CXCR4. À l’aide de la technique de BRET (Résonance d’un transfert d’énergie par bioluminescence), nos résultats montrent que le Tc14012, un autre antagoniste synthétique de CXCR4, et structurellement distinct de l’AMD3100, interagit avec CXCR7. Contrairement à CXCR4, les deux antagonistes de CXCR4 agissent comme agonistes sur CXCR7 en induisant le recrutement de la β-arrestine. Nos résultats suggèrent que l’organisation spatiale du corps du récepteur serait responsable de cet effet opposé. En conclusion, AMD3100 et Tc14012 ne sont pas sélectifs pour CXCR4, puisqu’ils interagissent avec CXCR7. Lors du développement de nouvelles molécules synthétiques ciblant CXCR4, il serait alors nécessaire d’en évaluer leur sélectivité, et leurs effets en les testant aussi sur CXCR7.

Structure quaternaire des récepteurs de chimiokines CXCR4 et CCR2 et interaction avec leurs effecteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'université Montpellier2 dans le laboratoire de pharmacologie moléculaire de Jean-Philippe Pin à l'institut de génomique fonctionnelle (IGF), Montpellier, France.

Régulation de l’activité transcriptionnelle des récepteurs des estrogènes (ER) par le récepteur à chimiokine CXCR4 et les récepteurs à activité tyrosine kinase ErbB2 et ErbB3

La régulation de la transcription des gènes par les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ joue un rôle important dans la croissance cellulaire et dans le développement du cancer du sein. Une augmentation de l’expression de CXCR4 et de son ligand SDF-1/CXCL12 corrèle avec un phénotype plus agressif du cancer du sein. Ici, nous démontrons un mécanisme de boucle de régulation positive entre la signalisation de CXCR4/SDF-1 et l’activité transcriptionnelle des ERs dans des cellules cancéreuses mammaires. L’activité transcriptionnelle de ER et l’expression de gènes cibles de ER, dont SDF-1 lui-même, sont augmentées dans la lignée cancéreuse mammaire MCF-7 en réponse à SDF-1. Ces effets sont bloqués par l’anti-estrogène fulvestrant et par la délétion de CXCR4. Par ailleurs, l’expression des gènes et la prolifération des cellules cancéreuses mammaires MCF-7 en réponse à l’estrogène sont altérées par l’inhibition de CXCR4. La signalisation par les facteurs de croissance joue un rôle important dans le cancer du sein. La surexpression et la dérégulation de la signalisation par le récepteur à activité tyrosine kinase ErbB2 corrèlent avec un phénotype tumoral mammaire plus agressif et un moins bon pronostic. Cependant, comment la signalisation de ErbB2 et de CXCR4 sont fonctionnellement reliées dans la régulation de la réponse de ER dans les cellules cancéreuses mammaires n’est pas connue. Nous démontrons ici que CXCR4 régule négativement l’expression protéique de ErbB2 et de son partenaire d’interaction ErbB3 ainsi que la phosphorylation de ErbB2. CXCR4 altère l’activation de la voie PI3-K/Akt par le dimère ErbB2/ErbB3 en réponse à héréguline alors qu’en présence de SDF-1, les niveaux d’activation sont récupérés. Nous avons trouvé que héréguline-β promouvoit la phosphorylation de la sérine 339 de CXCR4, un site important pour l’internalisation et la signalisation du récepteur. De plus, le recrutement de ErbB2 à CXCR4 est favorisé par ErbB3 et héréguline-β. L’activité transcriptionnelle ainsi que l’expression des gènes cibles de ER en réponse à l’héréguline sont relevées avec l’expression de CXCR4 et partiellement récupérées avec l’addition de SDF-1. Ces résultats démontrent que le recrutement de CXCR4 à ErbB2 altère la signalisation médiée par ErbB2/ErbB3 ainsi que l’activité hormonale de ER dans des cellules cancéreuses mammaires. Nous travaux ont permis d’identifier et de caractériser l’impact de la signalisation médiée par des récepteurs membranaires sur la réponse transcriptionnelle de ER dans des cellules cancéreuses mammaires. La signalisation membranaire est un facteur pouvant contribuer à la résistance aux thérapies endocriniennes et donc cibler les récepteurs impliqués s’avèrerait utile pour améliorer les traitements existants et mettre au point de nouvelles approches.

Protein-disulfide isomerase-mediated reduction of two disulfide bonds of HIV envelope glycoprotein 120 occurs post-CXCR4 binding and is required for fusion

The human immunodeficiency virus (HIV) envelope (Env) glycoprotein (gp) 120 is a highly disulfide-bonded molecule that attaches HIV to the lymphocyte surface receptors CD4 and CXCR4. Conformation changes within gp120 result from binding and trigger HIV/cell fusion. Inhibition of lymphocyte surface-associated protein-disulfide isomerase (PDI) blocks HIV/cell fusion, suggesting that redox changes within Env are required. Using a sensitive assay based on a thiol reagent, we show that (i) the thiol content of gp120, either secreted by mammalian cells or bound to a lymphocyte surface enabling CD4 but not CXCR4 binding, was 0.5-1 pmol SH/pmol gp120 (SH/gp120), whereas that of gp120 after its interaction with a surface enabling both CD4 and CXCR4 binding was raised to 4 SH/gp120; (ii) PDI inhibitors prevented this change; and (iii) gp120 displaying 2 SH/gp120 exhibited CD4 but not CXCR4 binding capacity. In addition, PDI inhibition did not impair gp120 binding to receptors. We conclude that on average two of the nine disulfides of gp120 are reduced during interaction with the lymphocyte surface after CXCR4 binding prior to fusion and that cell surface PDI catalyzes this process. Disulfide bond restructuring within Env may constitute the molecular basis of the post-receptor binding conformational changes that induce fusion competence.

Modulating the interaction of CXCR4 and CXCL12 by low-molecular-weight heparin inhibits hepatic metastasis of colon cancer

Liver metastasis is the major obstacle for prolonging the survival of colon cancer patients. Low-molecular-weight heparin (LMWH), a common drug for venous thromboembolism, has displayed beneficial effects in improving the survival of cancer patients, though the mechanism remains unclear. This study aimed to investigate the effects of LMWH on hepatic metastasis of colon cancer and its underlying molecular mechanism by targeting the interaction of the chemokine receptor CXCR4 and its ligand CXCL12 (formerly known as stromal cell-derived factor 1α, SDF-1α), as the CXCR4-CXCL12 axis has been shown to regulate the interaction of cancer cells and stroma. Experimental results revealed that LMWH (Enoxaparin, 3500-5500 Da) inhibited the CXCL12-stimulated proliferation, adhesion and colony formation of human colon cancer HCT-116 cells that highly expressed CXCR4. Interestingly, LMWH or an anti-CXCR4 blocking antibody diminished the migrating and invading abilities of HCT116 cells stimulated by the recombinant CXCL12 protein or liver homogenates which contained endogenous CXCL12 protein. Although LMWH did not significantly inhibit the growth of subcutaneous colon tumors, it significantly suppressed the formation of hepatic metastasis established by intrasplenic injection of colon cancer cells in nude Balb/c mice and also downregulated the expression of CXCL12 in hepatic sinusoidal endothelial cells. The results suggest that LMWH inhibits the formation of hepatic metastasis of colon cancer by disrupting the interaction of CXCR4 and CXCL12, supporting that perioperative administration of LMWH may help to prevent the seeding and subsequent growth of hepatic metastases of colon cancer cells.

CXCR4 Antagonism attenuates the development of diabetic cardiac fibrosis

Heart failure (HF) is an increasingly recognized complication of diabetes. Cardiac fibrosis is an important causative mechanism of HF associated with diabetes. Recent data indicate that inflammation may be particularly important in the pathogenesis of cardiovascular fibrosis. We sought to determine the mechanism by which cardiac fibrosis develops and to specifically investigate the role of the CXCR4 axis in this process. Animals with type I diabetes (streptozotocin treated mice) or type II diabetes (Israeli Sand-rats) and controls were randomized to treatment with a CXCR4 antagonist, candesartan or vehicle control. Additional groups of mice also underwent bone marrow transplantation (GFP+ donor marrow) to investigate the potential role of bone marrow derived cell mobilization in the pathogenesis of cardiac fibrosis. Both type I and II models of diabetes were accompanied by the development of significant cardiac fibrosis. CXCR4 antagonism markedly reduced cardiac fibrosis in both models of diabetes, similar in magnitude to that seen with candesartan. In contrast to candesartan, the anti-fibrotic actions of CXCR4 antagonism occurred in a blood pressure independent manner. Whilst the induction of diabetes did not increase the overall myocardial burden of GFP+ cells, it was accompanied by an increase in GFP+ cells expressing the fibroblast marker alpha-smooth muscle actin and this was attenuated by CXCR4 antagonism. CXCR4 antagonism was also accompanied by increased levels of circulating regulatory T cells. Taken together the current data indicate that pharmacological inhibition of CXCR4 significantly reduces diabetes induced cardiac fibrosis, providing a potentially important therapeutic approach.

Faster HIV-1 Disease Progression among Brazilian Individuals Recently Infected with CXCR4-Utilizing Strains

Introduction: Primary HIV infection is usually caused by R5 viruses, and there is an association between the emergence of CCXR4-utilizing strains and faster disease progression. We characterized HIV-1 from a cohort of recently infected individuals in Brazil, predicted the virus's co-receptor use based on the env genotype and attempted to correlate virus profiles with disease progression. Methods: A total of 72 recently infected HIV patients were recruited based on the Serologic Testing Algorithm for Recent HIV Seroconversion and were followed every three to four months for up to 78 weeks. The HIV-1 V3 region was characterized by sequencing nine to twelve weeks after enrollment. Disease progression was characterized by CD4+ T-cell count decline to levels consistently below 350 cells/mu L. Results: Twelve out of 72 individuals (17%) were predicted to harbor CXCR4-utilizing strains; a baseline CD4,350 was more frequent among these individuals (p = 0.03). Fifty-seven individuals that were predicted to have CCR5-utilizing viruses and 10 individuals having CXCR4-utilizing strains presented with baseline CD4.350; after 78 weeks, 33 individuals with CCR5 strains and one individual with CXCR4 strains had CD4.350 (p = 0.001). There was no association between CD4 decline and demographic characteristics or HIV-1 subtype. Conclusions: Our findings confirm the presence of strains with higher in vitro pathogenicity during early HIV infection, suggesting that even among recently infected individuals, rapid progression may be a consequence of the early emergence of CXCR4-utilizing strains. Characterizing the HIV-1 V3 region by sequencing may be useful in predicting disease progression and guiding treatment initiation decisions.

Die Rolle von Chemokinrezeptor CXCR4 und Connective Tissue Growth Factor innerhalb der Tumor-Stroma-Interaktion in der akuten myeloischen Leukämie

Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine heterogene Erkrankung der hämatopoetischen Vorläuferzelle, die durch unkontrollierte Vermehrung und ein reduziertes Differenzierungsverhalten gekennzeichnet ist. Aufgrund von Therapieresistenzen und häufig vorkommenden Rückfällen ist die AML mit einer schlechten Langzeitprognose verbunden. Neue Studienergebnisse zeigen, dass leukämische Zellen einer hierarchischen Ordnung unterliegen, an deren Spitze die leukämische Stammzelle (LSC) steht, welche den Tumor speist und ähnliche Charakteristika besitzt wie die hämatopoetische Stammzelle. Die LSC nutzt den Kontakt zu Zellen der hämatopoetischen Nische des Knochenmarks, um die erste Therapie zu überdauern und Resistenzen zu erwerben. Neue Therapieansätze versuchen diese Interaktion zwischen leukämischen Zellen und supportiv wirkenden Stromazellen anzugreifen. rnrnIn dieser Arbeit sollte die Bedeutung des CXC-Motiv Chemokinrezeptors Typ 4 (CXCR4) und des Connective Tissue Growth Factors (CTGF) innerhalb der AML-Stroma-Interaktion untersucht werden. CXCR4, der in vivo dafür sorgt, dass AML-Zellen in der Nische gehalten und geschützt werden, wurde durch den neuwertigen humanen CXCR4-spezifischen Antikörper BMS-936564/MDX-1338 in AML-Zelllinien und Patientenzellen in Zellkulturversuchen blockiert. Dies induzierte Apoptose sowie Differenzierung und führte in Kokulturversuchen zu einer Aufhebung des Stroma-vermittelten Schutzes gegenüber der Chemotherapie. Für diese Effekte musste teilweise ein sekundärer Antikörper verwendet werden, der die CXCR4-Moleküle miteinander kreuzvernetzt.rnDie Auswertung eines quantitativen Real time PCR (qPCR)-Arrays ergab, dass CTGF in der AML-Zelllinie Molm-14 nach Kontakt zu Stromazellen hochreguliert wird. Diese Hochregulation konnte in insgesamt drei AML-Zelllinien sowie in drei Patientenproben in qPCR- und Western Blot-Versuchen bestätigt werden. Weitere Untersuchungen zeigten, dass diese Hochregulation (i) unabhängig von der Stromazelllinie ist, (ii) den direkten Kontakt zum Stroma benötigt und (iii) auch unter hypoxischen Bedingungen, wie sie innerhalb des Knochenmarks vorherrschen, stattfindet. Der durch Zell-Zell- oder Zell-Matrix-Kontakt gesteuerte Hippo-Signalweg konnte aus folgenden Gründen als möglicher upstream-Regulationsmechanismus identifiziert werden: (i) Dessen zentraler Transkriptions-Kofaktor TAZ wurde in kokultivierten Molm-14-Zellen stabilisiert, (ii) der shRNA-gesteuerte Knockdown von TAZ führte zu einer reduzierten CTGF-Hochregulation, (iii) CTGF wurde in Abhängigkeit von der Zelldichte reguliert, (iv) Cysteine-rich angiogenic inducer 61 (Cyr61), ein weiteres Zielgen von TAZ, wurde in kokultivierten AML-Zellen ebenfalls verstärkt exprimiert. Der Knockdown von CTGF führte in vitro zu einer partiellen Aufhebung der Stroma-vermittelten Resistenz und die Blockierung von CTGF durch den Antikörper FG-3019 wirkte im AML-Mausmodell lebensverlängernd. rn rnDie Rolle von CTGF in der AML ist bisher nicht untersucht. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass CTGF ein interessantes Therapieziel in der AML darstellt. Es bedarf weiterer Untersuchungen, um die Bedeutung von CTGF in der Tumor-Stroma-Interaktion näher zu charakterisieren und nachgeschaltete Signalwege zu identifizieren.

Changes in CXCL12/CXCR4-chemokine expression during onset of colorectal malignancies

Chemokines have been proposed to contribute to tumour growth and metastatic spread of several cancer entities. Here, we examined the relative levels of CXCL12/CXCR4 in resection specimens from patients with different malignant and non-malignant colorectal diseases as well as colorectal liver metastases (CRLM). CXCL12/CXCR4 mRNA and protein expression profiles were assessed by quantitative real-time PCR, Western blot analysis, enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and immunohistochemistry in resection specimens from patients with ulcerative colitis (UC; n = 15), colorectal adenoma (CRA; n = 15), colorectal adenocarcinoma (CRC; n = 47) and CRLM (n = 16). Corresponding non-affected tissues served as control. In contrast to UC tissues, CXCL12 showed a distinct down-regulation in CRA, CRC and CRLM specimens, whereas the corresponding receptor CXCR4 demonstrated a significant up-regulation in CRC and CRLM related to corresponding non-affected tissues (p < 0.05, respectively). Our results strongly suggest an association between CXCL12/CXCR4 expression and the induction of CRA, CRC and the development of CRLM. Therefore, CXCR4 may be a potential target for specific therapeutic interventions.

Functional expression of CCR1, CCR3, CCR4, and CXCR4 chemokine receptors on human platelets

Platelets are known to contain platelet factor 4 and beta-thromboglobulin, alpha-chemokines containing the CXC motif, but recent studies extended the range to the beta-family characterized by the CC motif, including RANTES and Gro-alpha. There is also evidence for expression of chemokine receptors CCR4 and CXCR4 in platelets. This study shows that platelets have functional CCR1, CCR3, CCR4, and CXCR4 chemokine receptors. Polymerase chain reaction detected chemokine receptor messenger RNA in platelet RNA. CCR1, CCR3, and especially CCR4 gave strong signals; CXCR1 and CXCR4 were weakly positive. Flow cytometry with specific antibodies showed the presence of a clear signal for CXCR4 and weak signals for CCR1 and CCR3, whereas CXCR1, CXCR2, CXCR3, and CCR5 were all negative. Immunoprecipitation and Western blotting with polyclonal antibodies to cytoplasmic peptides clearly showed the presence of CCR1 and CCR4 in platelets in amounts comparable to monocytes and CCR4 transfected cells, respectively. Chemokines specific for these receptors, including monocyte chemotactic protein 1, macrophage inflammatory peptide 1alpha, eotaxin, RANTES, TARC, macrophage-derived chemokine, and stromal cell-derived factor 1, activate platelets to give Ca(++) signals, aggregation, and release of granule contents. Platelet aggregation was dependent on release of adenosine diphosphate (ADP) and its interaction with platelet ADP receptors. Part, but not all, of the Ca(++) signal was due to ADP release feeding back to its receptors. Platelet activation also involved heparan or chondroitin sulfate associated with the platelet surface and was inhibited by cleavage of these glycosaminoglycans or by heparin or low molecular weight heparin. These platelet receptors may be involved in inflammatory or allergic responses or in platelet activation in human immunodeficiency virus infection.