The role of osteoblasts in regulating hematopoietic stem cell activity and tumor metastasis

Bone marrow stromal cells are critical regulators of hematopoiesis. Osteoblasts are part of the stromal cell support system in bone marrow and may be derived from a common precursor. Several studies suggested that osteoblasts regulate hematopoiesis, yet the entire mechanism is not understood. It is clear, however, that both hematopoietic precursors and osteoblasts interact for the production of osteoclasts and the activation of resorption. We observed that hematopoietic stem cells (HSCs) regulate osteoblastic secretion of various growth factors, and that osteoblasts express some soluble factors exclusively in the presence of HSCs. Osteoblasts and hematopoietic cells are closely associated with each other in the bone marrow, suggesting a reciprocal relationship between them to develop the HSC niche. One critical component regulating the niche is stromal-derived factor-1 (SDF-1) and its receptor CXCR4 which regulates stem cell homing and, as we have recently demonstrated, plays a crucial role in facilitating those tumors which metastasize to bone. Osteoblasts produce abundant amounts of SDF-1 and therefore osteoblasts play an important role in metastasis. These findings are discussed in the context of the role of osteoblasts in marrow function in health and disease.

Mesenchymal stem cells from patients with chronic myeloid leukemia do not express BCR-ABL and have absence of chimerism after allogeneic bone marrow transplant

Bone marrow is a heterogeneous cell population which includes hematopoietic and mesenchymal progenitor cells. Dysregulated hematopoiesis occurs in chronic myelogenous leukemia (CML), being caused at least in part by abnormalities in the hematopoietic progenitors. However, the role of mesenchymal stem cells (MSCs) in CML has not been well characterized. The objectives of the present study were to observe the biological characteristics of MSCs from CML patients and to determine if MSCs originate in part from donors in CML patients after bone marrow transplantation (BMT). We analyzed MSCs from 5 untreated patients and from 3 CML patients after sex-mismatched allogeneic BMT. Flow cytometry analysis revealed the typical MSC phenotype and in vitro assays showed ability to differentiate into adipocytes and osteoblasts. Moreover, although some RT-PCR data were contradictory, combined fluorescence in situ hybridization analysis showed that MSCs from CML patients do not express the bcr-abl gene. Regarding MSCs of donor origin, although it is possible to detect Y target sequence by nested PCR, the low frequency (0.14 and 0.34%) of XY cells in 2 MSC CML patients by fluorescence in situ hybridization analysis suggests the presence of contaminant hematopoietic cells and the absence of host-derived MSCs in CML patients. Therefore, we conclude that MSCs from CML patients express the typical MSC phenotype, can differentiate into osteogenic and adipogenic lineages and do not express the bcr-abl gene. MSCs cannot be found in recipients 12 to 20 months after BMT. The influence of MSCs on the dysregulation of hematopoiesis in CML patients deserves further investigation.

Effect of metabolic control on interferon-gamma and interleukin-10 production by peripheral blood mononuclear cells from type 1 and type 2 diabetic patients

The objective of the present study was to evaluate the production of cytokines, interferon-g (INF-g) and interleukin-10 (IL-10), in cultures of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from type 1 and type 2 diabetic patients and to correlate it with inadequate and adequate metabolic control. We studied 11 type 1 and 13 type 2 diabetic patients and 21 healthy individuals divided into two groups (N = 11 and 10) paired by sex and age with type 1 and type 2 diabetic patients. The PBMC cultures were stimulated with concanavalin-A to measure INF-g and IL-10 supernatant concentration by ELISA. For patients with inadequate metabolic control, the cultures were performed on the first day of hospitalization and again after intensive treatment to achieve adequate control. INF-g levels in the supernatants of type 1 diabetic patient cultures were higher compared to type 2 diabetic patients with adequate metabolic control (P < 0.001). Additionally, INF-g and IL-10 tended to increase the liberation of PBMC from type 1 and 2 diabetic patients with adequate metabolic control (P = 0.009 and 0.09, respectively). The increased levels of INF-g and IL-10 released from PBMC of type 1 and 2 diabetic patients with adequate metabolic control suggest that diabetic control improves the capacity of activation and maintenance of the immune response, reducing the susceptibility to infections.

Factors associated with bacteremia due to multidrug-resistant Gram-negative bacilli in hematopoietic stem cell transplant recipients

The epidemiology of bacteremia developing during neutropenia has changed in the past decade, with the re-emergence of Gram-negative (GN) bacteria and the development of multidrug resistance (MDR) among GN bacteria. We conducted a case-control study in order to identify factors associated with bacteremia due to multidrug-resistant Gram-negative (MDRGN) isolates in hematopoietic stem cell transplant recipients. Ten patients with MDRGN bacteremia were compared with 44 patients with GN bacteremia without MDR. Bacteremia due to Burkholderia or Stenotrophomonas sp was excluded from analysis (3 cases), because the possibility of intrinsical resistance. Infection due to MDRGN bacteria occurred in 2.9% of 342 hematopoietic stem cell transplant recipients. Klebsiella pneumoniae was the most frequent MDRGN (4 isolates), followed by Pseudomonas aeruginosa (3 isolates). Among non-MDRGN, P. aeruginosa was the most frequent agent (34%), followed by Escherichia coli (30%). The development of GN bacteremia during the empirical treatment of febrile neutropenia (breakthrough bacteremia) was associated with MDR (P < 0.001, odds ratio = 32, 95% confidence interval = 5_190) by multivariate analysis. Bacteremia due to MDRGN bacteria was associated with a higher death rate by univariate analysis (40 vs 9%; P = 0.03). We were unable to identify risk factors on admission or at the time of the first fever, but the occurrence of breakthrough bacteremia was strongly associated with MDRGN bacteria. An immediate change in the antibiotic regimen in such circumstances may improve the prognosis of these patients.

Stem cell factor protects against neuronal apoptosis by activating AKT/ERK in diabetic mice

Neuronal apoptosis occurs in the diabetic brain due to insulin deficiency or insulin resistance, both of which reduce the expression of stem cell factor (SCF). We investigated the possible involvement of the activation of the MAPK/ERK and/or AKT pathways in neuroprotection by SCF in diabetes. Male C57/B6 mice (20-25 g) were randomly divided into four groups of 10 animals each. The morphology of the diabetic brain in mice treated or not with insulin or SCF was evaluated by H&E staining and TUNEL. SCF, ERK1/2 and AKT were measured by Western blotting. In diabetic mice treated with insulin or SCF, there was fewer structural change and apoptosis in the cortex compared to untreated mice. The apoptosis rate of the normal group, the diabetic group receiving vehicle, the diabetic group treated with insulin, and the diabetic group treated with SCF was 0.54 ± 0.077%, 2.83 ± 0.156%, 1.86 ± 0.094%, and 1.78 ± 0.095% (mean ± SEM), respectively. SCF expression was lower in the diabetic cortex than in the normal cortex; however, insulin increased the expression of SCF in the diabetic cortex. Furthermore, expression of phosphorylated ERK1/2 and AKT was decreased in the diabetic cortex compared to the normal cortex. However, insulin or SCF could activate the phosphorylation of ERK1/2 and AKT in the diabetic cortex. The results suggest that SCF may protect the brain from apoptosis in diabetes and that the mechanism of this protection may, at least in part, involve activation of the ERK1/2 and AKT pathways. These results provide insight into the mechanisms by which SCF and insulin exert their neuroprotective effects in the diabetic brain.

Cultivation and identification of colon cancer stem cell-derived spheres from the Colo205 cell line

Our group established a method to culture spheres under serum-free culture condition. However, the biological characteristics and the tumorigenicity of spheres are unknown. Here, we demonstrate that sphere cells expressed high levels of the putative colorectal cancer stem cell markers CD133 and CD44. The CD133-positive rates were 13.27 ± 5.62, 52.71 ± 16.97 and 16.47 ± 2.45% in sphere cells, regular Colo205 cells and differentiated sphere cells, respectively, while the CD44-positive rates were 62.92 ± 8.38, 79.06 ± 12.10 and 47.80 ± 2.5%, respectively, and the CD133/CD44-double-positive rates were 10.77 ± 4.96, 46.89 ± 19.17 and 12.41 ± 2.27%, respectively (P < 0.05). Cancer sphere cells formed crypt-like structures in 3-D culture. Moreover, cells from cancer spheres exhibited more tumorigenicity than regular Colo205 cells in a xenograft assay. The cancer sphere cells displayed much higher oncogenicity than regular Colo205 cells to initiate neoplasms, as assayed by H&E staining, Musashi-1 staining and electron microscopy. Our findings indicated that the sphere cells were enriched with cancer stem cells (CSCs), and exhibited more proliferation capacity, more differentiation potential and especially more tumorigenicity than regular Colo205 cells in vitro and in vivo. Further isolation and characterization of these CSCs may provide new insights for novel therapeutic targets and prognostic markers.

ChIP-seq analysis of histone H3K9 trimethylation in peripheral blood mononuclear cells of membranous nephropathy patients

Membranous nephropathy (MN), characterized by the presence of diffuse thickening of the glomerular basement membrane and subepithelial in situimmune complex disposition, is the most common cause of idiopathic nephrotic syndrome in adults, with an incidence of 5-10 per million per year. A number of studies have confirmed the relevance of several experimental insights to the pathogenesis of human MN, but the specific biomarkers of MN have not been fully elucidated. As a result, our knowledge of the alterations in histone methylation in MN is unclear. We used chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (ChIP-seq) to analyze the variations in a methylated histone (H3K9me3) in peripheral blood mononuclear cells from 10 MN patients and 10 healthy subjects. There were 108 genes with significantly different expression in the MN patients compared with the normal controls. In MN patients, significantly increased activity was seen in 75 H3K9me3 genes, and decreased activity was seen in 33, compared with healthy subjects. Five positive genes, DiGeorge syndrome critical region gene 6 (DGCR6), sorting nexin 16 (SNX16), contactin 4 (CNTN4), baculoviral IAP repeat containing 3 (BIRC3), and baculoviral IAP repeat containing 2 (BIRC2), were selected and quantified. There were alterations of H3K9me3 in MN patients. These may be candidates to help explain pathogenesis in MN patients. Such novel findings show that H3K9me3 may be a potential biomarker or promising target for epigenetic-based MN therapies.

Intensive chemotherapy as salvage treatment for solid tumors: focus on germ cell cancer

Germ cell tumors present contrasting biological and molecular features compared to many solid tumors, which may partially explain their unusual sensitivity to chemotherapy. Reduced DNA repair capacity and enhanced induction of apoptosis appear to be key factors in the sensitivity of germ cell tumors to cisplatin. Despite substantial cure rates, some patients relapse and subsequently die of their disease. Intensive doses of chemotherapy are used to counter mechanisms of drug resistance. So far, high-dose chemotherapy with hematopoietic stem cell support for solid tumors is used only in the setting of testicular germ cell tumors. In that indication, high-dose chemotherapy is given as the first or late salvage treatment for patients with either relapsed or progressive tumors after initial conventional salvage chemotherapy. High-dose chemotherapy is usually given as two or three sequential cycles using carboplatin and etoposide with or without ifosfamide. The administration of intensive therapy carries significant side effects and can only be efficiently and safely conducted in specialized referral centers to assure optimum patient care outcomes. In breast and ovarian cancer, most studies have demonstrated improvement in progression-free survival (PFS), but overall survival remained unchanged. Therefore, most of these approaches have been dropped. In germ cell tumors, clinical trials are currently investigating novel therapeutic combinations and active treatments. In particular, the integration of targeted therapies constitutes an important area of research for patients with a poor prognosis.

Cytokine expression patterns and mesenchymal stem cell karyotypes from the bone marrow microenvironment of patients with myelodysplastic syndromes

The purpose of this study was to explore cytokine expression patterns and cytogenetic abnormalities of mesenchymal stem cells (MSCs) from the bone marrow microenvironment of Chinese patients with myelodysplastic syndromes (MDS). Bone marrow samples were obtained from 30 cases of MDS (MDS group) and 30 healthy donors (control group). The expression pattern of cytokines was detected by customized protein array. The karyotypes of MSCs were analyzed using fluorescence in situ hybridization. Compared with the control group, leukemia inhibitory factor, stem cell factor (SCF), stromal cell-derived factor (SDF-1), bone morphogenetic protein 4, hematopoietic stem cell (HSC) stimulating factor, and transforming growth factor-β in the MDS group were significantly downregulated (P<0.05), while interferon-γ (IFN-γ), tumor necrosis factor-α (TNF-α), and programmed death ligand (B7-H1) were significantly upregulated (P<0.05). For chromosome abnormality analysis, the detection rate of abnormal karyotypes (+8, -8, -20, 20q-, -Y, -7, 5q-) was 30% in the MDS group and 0% in the control group. In conclusion, the up- and downregulated expression of these cytokines might play a key role in the pathogenesis of MDS. Among them, SCF and SDF-1 may play roles in the apoptosis of HSCs in MDS; and IFN-γ, TNF-α, and B7-H1 may be associated with apoptosis of bone marrow cells in MDS. In addition, the abnormal karyotypes might be actively involved in the pathogenesis of MDS. Further studies are required to determine the role of abnormal karyotypes in the occurrence and development of MDS.

Les cellules dendritiques plasmacytoides dans le sang de cordon et après greffe de sang de cordon

La greffe de sang de cordon est de plus en plus utilisée et a permis de traiter avec succès chez l’enfant des déficits immunitaires ainsi que des hémopathies malignes comme les leucémies. Malgré d’importants avantages tels que l’absence de risque pour le donneur ou la plus faible incidence de maladie du greffon contre l’hôte (GvHD), utiliser le sang de cordon comporte certains inconvénients. En effet, une reconstitution immunitaire retardée, des infections opportunistes en plus grand nombre et un risque de rechute sont des complications qui peuvent survenir et engendrer un risque pour le pronostic vital du patient. Par conséquent, de nouvelles stratégies d’immunothérapies doivent être envisagées. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes particulièrement intéressés aux cellules dendritiques plasmacytoides (pDC) dont les fonctions sont importantes pour l’initiation des réponses immunitaires innée et adaptative et particulièrement pour leur capacité à activer les cellules NK. Afin d’élucider le rôle et l’impact de ces cellules dans les greffes de sang de cordon, le nombre et la fonction des pDC et des NK a été suivi longitudinalement chez des patients ayant subi une greffe de sang de cordon comparativement à des patients transplantés avec de la moelle osseuse. Nous avons ainsi démontré que les pDC et les NK apparaissent précocement suite à une greffe de sang de cordon et que ces cellules sont fonctionnelles. Ces résultats mettent donc en lumière que ces cellules pourraient être de bons outils pour l’établissement d’une immunothérapie après greffe de sang de cordon. De plus, la caractérisation fonctionnelle des pDC du greffon de sang de cordon a permis de révéler une plus faible production d’IFN-α par les pDC, comparativement aux pDC de sang d’adulte. Cette différence pourrait jouer un rôle dans la plus faible incidence de GvHD après les greffes de sang de cordon. Dans le but de préciser les mécanismes moléculaires de régulation négative de la production d’IFN-α par les pDC de sang de cordon, nous avons étudié les protéines de la voie de signalisation TLR9-IRF7. L’expression similaire de l’ARN du TLR9, MyD88, IRAK1 et IRF7 contraste avec la plus faible expression des protéines correspondantes. De plus, l’expression des MicroARNs miR-146a et miR-155 est plus élevé dans les pDC de sang de cordon comparativement aux pDC de sang d’adultes. Ensemble, ces données pointent une régulation négative post-transcriptionnelle de la voie TLR9-IRF7 qui pourrait expliquer la plus faible production d’IFN-α des pDC du sang de cordon. L’ensemble des ces travaux suggère que les pDC pourraient représenter une cible de choix dans le développement de nouvelles approches thérapeutiques dans les greffes de sang de cordon.

Impact de la maladie du greffon contre l’hôte sur la reconstitution immunitaire suite à une greffe de moelle osseuse allogénique

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques est une technique très efficace pour traiter différents cancers du sang. Malheureusement la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) demeure la cause principale de morbidité et de mortalité post-greffe. La GVHD entraîne une diminution de la reconstitution immunitaire ce qui accentue considérablement l’immunosuppression associée à ce traitement et de ce fait augmente les risques d’infection et de rechute. Notre laboratoire a démontré précédemment que les niveaux élevés d’IL-7 dans des hôtes lymphopéniques interféraient avec la capacité des cellules dendritiques (DC) à soutenir la prolifération homéostatique (PH) des lymphocytes T CD4+. Puisque les niveaux d’IL-7 sont aussi élevés dans un contexte de GVHD, nous avons émis l’hypothèse que la signalisation de l’IL-7 sur les DC pouvait contribuer à diminuer la reconstitution immunitaire des lymphocytes T CD4+. Pour répondre à cette question, nous avons utilisé le modèle murin de GVHD C57BL/6 (B6) dans B6D2F1. Afin de régénérer une niche hématopoïétique permissive à la PH des lymphocytes T CD4+, nous avons transplanté des souris B6D2F1 avec de la moelle osseuse de souris B6 IL-7Rα-/-. La GVHD a été induite en transférant des lymphocytes T B6 réactifs aux cellules B6D2F1. Dans les souris contrôles, la PH des lymphocytes T CD4+ est maintenue. Par contre, la PH est absente dans les souris en GVHD malgré la présence d’une niche périphérique qui ne répond pas à l’IL-7. L’absence de PH des lymphocytes T CD4+ durant la GVHD est associée à une diminution du nombre de DC. En utilisant un test de cytotoxicité in vivo nous démontrons que les DC B6 générées dans une hôte B6D2F1 sont éliminées par les lymphocytes T B6 alloréactifs. En conclusion, nos résultats démontrent que l’immunosuppression associée à la GVHD est en partie causée par une élimination des DC par les lymphocytes T allogéniques. Nous postulons donc que la perte des DC, et non la signalisation de l’IL-7 sur les DC, est le facteur limitant la PH des lymphocytes T CD4+ durant la GVHD.

Les Déterminants Génétiques de la Pharmacocinétique du Busulfan et les Résultats de la Transplantation

Le busulfan (Bu) est un composé clé de la phase de conditionnement chez les enfants subissant une transplantation des cellules souches hématopoïétiques (TCSH). Les différences inter-individuelles de la pharmacocinétique (PK) du Bu pourraient affecter son efficacité et sa toxicité. Le Bu est principalement métabolisé par la glutathion-S-transférase (GST). Nous avons étudié la relation des génotypes GSTA1, GSTM1 et GSTP1 avec la PK de la première dose de Bu et la relation avec les résultats de la TCSH chez 69 enfants recevant un régime de conditionnement myéloablatif. Le génotype GSTM1 nul a corrélé avec une exposition élevée du Bu et une faible clairance (CL) chez les patients âgés de 4 ans (p ≤ 0,04). Dans le respect du rôle fonctionnel suggéré d’haplotype GSTA1 *A2, il a été associé à des niveaux plus faibles de médicaments et des niveaux élevés de CL (p ≤ 0,03). L’effet Gène-dose a également été observé (p = ≤ 0,007). L’haplotype de GSTA1 était associé avec les résultats de la TCSH. Les porteurs de deux copies d’haplotype *A2 avaient une meilleure survie sans événement (p = 0,03). En revanche, les individus homozygotes pour haplotypes * B et *B1 ont un risque plus élevé d’atteindre la maladie veino-occlusive (MVO) (p = 0,009). Les individus porteurs de GSTM1 nul âgés de 4 ans possèdent un risque plus fréquent d’avoir la maladie du greffon contre l'hôte (GvHD) (p = 0,03). En conclusion, nous avons montré que les variantes génétiques de GST influencent la PK du BU et les résultats de la TCSH chez les enfants. Pour l'ajustement de la posologie, un modèle avec l'inclusion des facteurs génétiques et non génétiques devrait être évalué et validé dans une étude prospective.

Impact de la maladie du greffon contre l’hôte sur la reconstitution immunitaire suite à une transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques (ASCT) est couramment utilisée pour traiter différents cancers hématologiques. Malheureusement, l’effet bénéfique de cette technique est limité par la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) qui demeure la cause principale de mortalité post-greffe. La GVHD endommage différents organes et retarde la reconstitution immunitaire des lymphocytes T (LT) ce qui augmente les risques d’infection et de rechute. Le développement de nouveaux traitements permettant d’accélérer la reconstitution immunitaire augmenterait donc les chances de survie des patients greffés. Il existe deux façons de régénérer des LT: via la thymopoïèse qui consiste à produire de nouveaux LT, ou par la prolifération homéostatique (PH) qui implique l’expansion rapide des LT matures retrouvés dans le greffon. La PH requiert deux signaux essentiels: l’interleukine-7 (IL-7) et la présentation d’antigènes du soi par les cellules dendritiques (DC) via le complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) I pour les LT CD8+ et le CMH II pour les LT CD4+. Dans un contexte d’ASCT, la chimiothérapie et la GVHD endommagent le thymus rendant la thymopoïèse inefficace. Par conséquent, la reconstitution immunitaire repose presque entièrement sur la PH des LT. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment la GVHD affecte la reconstitution des LT. Grâce à un modèle murin, nous avons démontré que la PH des LT CD4+ est absente durant la GVHD et ce, dû à de faibles niveaux d’IL-7 et une diminution du nombre de DC. La perte des DC est en grande partie causée par des niveaux réduits de stromal derived factor-1α (SDF-1α) et par l’absence de progéniteurs de DC dans la moelle osseuse des souris en GVHD. Le traitement des souris en GVHD avec du SDF-1α permet d’augmenter le nombre de DC, et lorsqu’administré avec l’IL-7, améliore significativement la PH des LT CD4+. Contrairement aux LT CD4+, l’administration d’IL-7 seule est suffisante pour restaurer la PH des LT CD8+ durant la GVHD et ce, même en absence des DC. Ces différences s’expliquent pour deux raisons : 1) l’expression du CMH I, contrairement au CMH II, n’est pas limitée aux DC mais est également exprimée par les cellules stromales du receveur ce qui est suffisant pour induire la PH des LT CD8+ et 2) les LT CD8+ répondent à des concentrations plus faibles d’IL-7 systémique comparativement aux LT CD4+. En conclusion, l’ensemble de ces résultats permettra de mettre en place des études translationnelles sur le potentiel thérapeutique du SDF-1α et de l’IL-7 dans la reconstitution immunitaire des patients greffés.