Immune cell reconstitution after HSC / Reconstitución de células inmunes después de HSC

 Autologous stem cell transplantation (ASCT) following intensive immunosuppression has been widely reported as an effective therapeutic strategy for patients with multiple sclerosis (MS).

HSCT has been harnessed for more than 40 years in the clinic as an effective therapeutic approach. In 1995, the first transplantation of hematopoietic stem cells (HSCs) was suggested as a treatment for MS after hypothesizing that an immune-mediated attack on myelin causes pathologic events in MS. Two years later in the United States, HSCT was performed in 15 MS patients with a progressive form. 

In the Hematopoietic Cell Transplantation for Relapsing-Remitting Multiple Sclerosis (HALT-MS) phase II trial of HDIT/HSCT, overall event-free survival 5 years’ post therapy was 69.2%. The mechanistic rationale of this therapy is to first remove pathogenic autoreactive cells thought to perpetuate disease, and replace them with a de novo repertoire of immune cells that hopefully promote immune tolerance to disease-specific antigen.

In this study, the analytical power of mass cytometry (CyTOF), together with multi-parameter flow cytometry were used to expand and define the repopulation kinetics, composition, activation and cytokine profiles of discrete T cell subsets in the peripheral blood of MS patients before and after HDIT/HSCT treatment in the HALT-MS trial. This comprehensive analysis of peripheral blood leukocytes allowed to examine the dynamics of leukocyte repopulation in lymphopenic MS patients.

Clin Exp Immunol. 2017 May 12. doi: 10.1111/cei.12985. [Epub ahead of print]

Reconstitution of immune cell populations in multiple sclerosis patients after autologous stem cell transplantation.

Karnell FG, Lin D, Motley S, Duhen T, Lim N, Campbell DJ, Turka LA, Maecker HT, Harris KM.

Abstract

Multiple sclerosis is an inflammatory T-cell-mediated autoimmune disease. In a phase II clinical trial, high-dose immunosuppressive therapy combined with autologous CD34+ hematopoietic stem cell transplant resulted in 69.2% of subjects remaining disease-free without evidence of relapse, loss of neurological function or new MRI lesions through year 5 post-treatment. A combination of CyTOF mass cytometry and multi-parameter flow cytometry was used to explore the reconstitution kinetics of immune cell subsets in the periphery post HSCT and the impact of treatment on the phenotype of circulating T cells in this study population. Repopulation of immune cell subsets progressed similarly for all patients studied 2 years post therapy, regardless of clinical outcome. At month 2, monocytes and NK cells were proportionally more abundant, while CD4 T cells and B cells were reduced, relative to baseline. In contrast to the changes observed at earlier time points in the T cell compartment, B cells were proportionally more abundant and expansion in the proportion of naïve B cells was observed 1 and 2 years post therapy. Within the T cell compartment, the proportion of effector memory and late effector subsets of CD4 and CD8 T cells was increased, together with transient increases in proportions of CD45RA- Tregs, and Th1 cells, and a decrease in Th17.1 cells. While none of the treatment effects studied correlated with clinical outcome, patients that remained healthy throughout the 5-year study had significantly higher absolute numbers of memory CD4 and CD8 T cells in the periphery prior to stem cell transplantation. 

Time course of immune cell reconstitution post-stem cell transplant for all HALT-MS patients, using concatenated data, visualized by SPADE trees constructed from a concatenated FCS file containing equal numbers of cell events from each patient for each time point. Major immune cell populations were grouped according to the SPADE analysis. Each node in the SPADE tree represents a cluster of cells that share a similar phenotype. Nodes in this SPADE tree are colored according to CD8 staining intensity and their size reflects number of cells within the cluster represented by that node. Pie charts are based on absolute cell numbers to illustrate the proportion of cell subsets within the major immune cell population. Absolute counts were calculated from SPADE analysis together with total lymphocyte counts from CBC. All cell subsets, except for CD4+ T cells, were fully recovered by 2 years’ post-transplant. At 2 months, monocytes and NK cells are proportionally more abundant. There is also a redistribution of CD8+ T cell phenotypes, with a bias towards late effector phenotypes. At 1 and 2 years’ post- transplant, B cells are proportionally more abundant, and other populations more closely reflect baseline distributions. Naïve T cells: CD45RA+CCR7+; CM T cells: CD45RA-CCR7+; EM T cells: CD45RA-CCR7-; Effector T cells: CD45RA+CCR7-; Naïve B cells: IgD+CD27-; Memory B cells: IgD-CD27+CD38-; PC: IgD-CD27+CD38+


They found : 

• Increased PD-1 on multiple subsets of circulating CD4 and CD8 T cells, which paralleled the bias towards effector memory and late effector phenotypes during early immune reconstitution. PD-1 is a co-inhibitory receptor that serves as a negative regulator of T cell function, proliferation, and survival.
• The proportion of CXCR3+CCR6- Th1 effector memory cells was significantly increased, while the proportion of CXCR3+CCR6+ Th17.1 effector memory cells was decreased 6 months post-HSCT. This transient early bias towards a Th1 effector memory surface phenotype was paralleled by increased IFNy  staining intensity as revealed by CyTOF analysis in select subsets of CD4 T cells early after HDIT/HSCT, demonstrating a bias towards the Th1 phenotype in reconstituting effector memory CD4 T cells. In contrast, IFNy production in CD8 T cells remained relatively stable at all time points evaluated, with IFNγ high-expressing cells co-expressing other cytokines such as IL-2 and TNFa.
• These findings suggest HDIT/HSCT intervention results in an early bias towards memory subtypes in conventional and regulatory T cell populations during the reconstitution process in peripheral blood. 

ESPAÑOL 

El Trasplante autólogo de células madre (ASCT) después de la inmunosupresión intensiva ha sido ampliamente reportado como una estrategia terapéutica eficaz para los pacientes con esclerosis múltiple (EM).

HSCT ha sido utilizado por más de 40 años en clínica como un enfoque terapéutico eficaz. En 1995, se sugirió el primer trasplante de células madre hematopoyéticas (HSC) como tratamiento para la EM después de la hipótesis de que un ataque mediado por inmunidad contra la mielina causa eventos patológicos en la EM. Dos años más tarde en los Estados Unidos, se realizó HSCT  en 15 pacientes con EM con formas progresivas. 

En el ensayo de fase II de HDIT / HSCT en el trasplante de células hematopoyéticas para la esclerosis múltiple remitente-recurrente  (HALT-MS), la supervivencia global sin recaidas a  5 años después del tratamiento fue del 69,2%. El fundamento de esta terapia es eliminar primero las células autorreactivas patógenas que perpetuan  la enfermedad y reemplazarlas con un repertorio de novo de células inmunes que esperanzadamente promueven la tolerancia inmune al antígeno específico de la enfermedad.

En este estudio, se utilizó la potencia analítica de la citometría de masa (CyTOF), junto con citometría de flujo multiparamétrica para expandir y definir la cinética de repoblación, composición, activación y perfiles de citoquinas de subconjuntos de células T  en sangre periférica de pacientes con EM antes y  después del tratamiento HDIT / HSCT en el ensayo HALT-MS. Este análisis exhaustivo de leucocitos de sangre periférica permitió examinar la dinámica de repoblación de leucocitos en pacientes con linfopenia MS

Clin Exp Immunol. 2017 May 12. doi: 10.1111/cei.12985. [Epub ahead of print]

Reconstitution of immune cell populations in multiple sclerosis patients after autologous stem cell transplantation.

Karnell FG, Lin D, Motley S, Duhen T, Lim N, Campbell DJ, Turka LA, Maecker HT, Harris KM.

Abstract

La esclerosis múltiple es una enfermedad autoinmune mediada por células T inflamatoria. En un ensayo clínico de fase II, el tratamiento inmunosupresor en dosis altas combinado con el trasplante de células madre hematopoyéticas CD34 + autólogas dio como resultado que el 69,2% de los sujetos permanecieran libres de enfermedad sin evidencia de recaída, pérdida de función neurológica o nuevas lesiones de MRI hasta el año 5 después del tratamiento. Se utilizó una combinación de citometría de masa CyTOF y citometría de flujo multiparamétrica para explorar la cinética de reconstitución de subconjuntos de células inmunitarias en la periferia post HSCT y el impacto del tratamiento sobre el fenotipo de células T circulantes en esta población de estudio. La repoblación de subconjuntos de células inmunitarias progresó de manera similar para todos los pacientes estudiados 2 años después de la terapia, independientemente del resultado clínico. Al mes 2, los monocitos y las células NK fueron proporcionalmente más abundantes, mientras que las células T CD4 y las células B se redujeron, en relación con la línea de base. En contraste con los cambios observados en puntos de tiempo anteriores en el compartimiento de células T, las células B eran proporcionalmente más abundantes y se observó expansión en la proporción de células B naïve 1 y 2 años después de la terapia. Dentro del compartimento de células T, se incrementó la proporción de memoria efectora y subconjuntos efectores tardíos de células T CD4 y CD8, junto con aumentos transitorios en las proporciones de CD45RA-Tregs y células Th1 y una disminución en células Th17.1. Aunque ninguno de los efectos del tratamiento estudiados se correlacionó con el resultado clínico, los pacientes que se mantuvieron sanos durante el estudio de 5 años tuvieron un número absoluto significativamente mayor de células T CD4 y CD8 de memoria en la periferia antes del trasplante de células madre. 

Tiempo transcurrido desde la reconstitución de células inmunitarias tras el trasplante de células madre para todos los pacientes con HALT-MS, utilizando datos concatenados, visualizados por árboles SPADE construidos a partir de un archivo FCS concatenado que contiene un número igual de eventos celulares de cada paciente para cada momento. Las principales poblaciones de células inmunes se agruparon según el análisis SPADE. Cada nodo en el árbol SPADE representa un grupo de células que comparten un fenotipo similar. Los nodos en este árbol de SPADE se colorean de acuerdo con la intensidad de tinción de CD8 y su tamaño refleja el número de células dentro del grupo representado por ese nodo. Las gráficas de torta se basan en números de células absolutos para ilustrar la proporción de subconjuntos de células dentro de la población de células inmunitarias principales. Los recuentos absolutos se calcularon a partir del análisis de SPADE junto con los recuentos de linfocitos totales de CBC. Todos los subconjuntos de células, excepto para las células T CD4 +, se recuperaron completamente después de 2 años de trasplante. A los 2 meses, los monocitos y las células NK son proporcionalmente más abundantes. También hay una redistribución de los fenotipos de células T CD8 +, con un sesgo hacia fenotipos efectores tardíos. A los 1 y 2 años después del trasplante, las células B son proporcionalmente más abundantes y otras poblaciones reflejan más estrechamente las distribuciones basales. Células T Naïve: CD45RA + CCR7 +; Células T CM: CD45RA - CCR7 +; Células T EM: CD45RA - CCR7 -; Células T efectoras: CD45RA + CCR7-; Células B Naïve: IgD + CD27-; Células B de memoria: IgD - CD27 + CD38 -; PC: IgD - CD27 + CD38 +

Ellos encontraron :

• Aumento de PD-1 en múltiples subconjuntos de células T CD4 y CD8 circulantes, que paralelizar el sesgo hacia la memoria efectora y fenotipos efector tardío durante la reconstitución inmunológica temprana. PD-1 es un receptor co-inhibidor que sirve como un regulador negativo de la función de las células T, proliferación y supervivencia.
• La proporción de células de memoria efectoras CXCR3 + CCR6-Th1 aumentó significativamente, mientras que la proporción de células de memoria efectoras CXCR3 + CCR6 + Th17.1 se redujo 6 meses después del HSCT. Esta polarización temprana transitoria hacia un fenotipo de superficie de memoria efector Th1 fue paralela a la intensidad de tinción de IFNy aumentada como revelado por análisis de CyTOF en subconjuntos selectos de células T CD4 temprano después de HDIT / HSCT, demostrando un sesgo hacia el fenotipo Th1 en reconstituir células T CD4 de memoria efectoras . Por el contrario, la producción de IFNy en células T CD8 se mantuvo relativamente estable en todos los puntos temporales evaluados, con IFN γ células de alto expreso que coexpresan otras citoquinas como IL-2 y TNFa.
• Estos hallazgos sugieren que la intervención de HDIT / HSCT da lugar a un sesgo temprano hacia subtipos de memoria en poblaciones de células T convencionales y reguladoras durante el proceso de reconstitución en sangre periférica.