Exploring immunological mechanisms of human graft-versus-host disease after hematopoietic stem cell transplantation
Institution:
Sorbonne Paris CitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is a curative treatment for many hematologic malignancies. However, its success is hindered by graft-versus-host disease (GVHD), a potentially fatal complication deriving from alloreactive donor T cells attacking recipient tissues. Acute GVHD (aGVHD) prevalence lies between 40 and 80% depending on transplant characteristics. GVHD is the main cause of non-relapse morbidity and mortality after HSCT and despite the advances in the field, disease processes in humans remain poorly understood.In this study we investigated the phenotypic and molecular characteristics of immune cells in patients after HSCT and in their HLA-identical sibling donors, with the goal of defining immune parameters associated with the recovery of donor-derived immunity and with the development of acute GVHD. We analysed 101 donor-recipient pairs in three independent cohorts for which blood was collected from the donors before transplantation and for the recipients either at aGVHD onset, before any treatment, or at day 30 or 90 post-HSCT for recipients that did not develop GVHD. On the donors’ and recipients’ samples we performed cellular profiling using spectral flow cytometry as well as gene expression analysis.Immunophenotyping reveals an incomplete reconstitution of the T cell compartment in the recipients, with an inversion of the CD4/CD8 ratio, both at one and three months after HSCT. Moreover, the reconstituting T cell compartment is characterized by a shift in the effector/memory phenotype of these cells, with a parallel depletion of the naïve T cell pool. NK cell reconstitution is characterized by an expansion of the CD56bright subset, while monocytes undergo an expansion of CD16+ cells. At aGVHD onset recipients have an increase of cells with a T stem cell memory-like (TSCM-like) phenotype compared to recipients without aGVHD. These cells may represent a cellular reservoir for GVHD, maintaining the production of alloreactive T cells in the presence of host persistent antigens. Molecular profiling shows that donor T cells react to the environment of the host by acquiring an activated phenotype, with upregulation of genes associated with T cell activation, adhesion, migration and effector functions. T cell transcriptome profiling at aGVHD onset shows upregulation of inflammatory mediators as well as genes involved in cytokine signal transduction, cell migration and cell trafficking.Our data demonstrate that comprehensive analysis of the distribution of different immune cell subsets with flow cytometry together with gene expression profiling can contribute to elucidate the processes involved in immune reconstitution and acute GVHD development in humans. In the future, studies with new technologies will hopefully bring insights into the mechanisms underlying GVHD development that will help design new preventive and therapeutic strategies to be applied in the clinics.
Abstract FR:
L’allogreffe de cellules souches hématopoïétiques est un traitement curatif pour de nombreuses maladies hématologiques. Cependant, le succès de cette procédure est entravé par la maladie du Greffon-contre-l’Hôte (GVH), une complication potentiellement fatale induite par l’attaque des tissues de l’hôte par les cellules T alloreactives du donneur. La GVH a une prévalence de 40 à 80%, selon les caractéristiques de la transplantation. La GVH est la cause principale de mortalité post-greffe en dehors des rechutes et, en dépit des nombreuses avancées dans le domaine de l’allogreffe, la physiopathologie de cette maladie est encore mal comprise à ce jour, en particulier chez l’homme. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation phénotypique et moléculaire du système immunitaire des patients greffés et de leurs donneurs. L’objectif de l’étude est de déterminer les facteurs liés à la reconstitution du système immunitaire et au développement de la GVH aigüe. Nous avons collecté le sang de 101 couples donneur /receveur apparentés HLA-identique provenant de trois cohortes indépendantes : avant transplantation pour les donneurs, à l’apparition des premiers symptômes chez les patients atteint de la GVH aigüe et 30 ou 90 jours post-greffe pour les patients non atteints. Nous avons caractérisé le profil cellulaire de ces échantillons par cytométrie spectrale et analysé leur profil transcriptomique.L’immunophenotypage des patients nous a permis de montrer que la reconstitution du compartiment des cellules T est incomplète, avec une inversion du rapport CD4/CD8 après la greffe. De plus, le compartiment cellulaire T est enrichi en cellules possédant un phénotype effecteur/mémoire tandis que le réservoir des cellules T naïves est appauvri. La reconstitution des cellules NK est caractérisée par un enrichissement du sous-type CD56bright et celle des monocytes par l’enrichissement des cellules CD16+. A l’apparition de la GVH, une augmentation de la fréquence des cellules possédant un phénotype semblable aux cellules souches mémoire est observée, par rapport aux patients non-atteints. Ces cellules pourraient représenter un réservoir cellulaire de la maladie, maintenant la production de cellules T alloréactives. Le profilage transcriptomique montre que les cellules T du donneur réagissent à l'environnement de l’hôte en acquérant un phénotype activé, avec une surexpression des gènes associés à l’activation, l’adhésion, la migration et les fonctions effectrices. Au commencement de la maladie, on observe que les cellules T surexpriment des gènes médiateurs de l’inflammation ainsi que des gènes impliqués dans la transduction du signal cytokinique et la migration cellulaire. Nos données démontrent que l’analyse de la distribution des sous-types cellulaires par cytométrie associée au profilage transcriptomique peut contribuer à élucider les mécanismes impliqués dans la reconstitution immunitaire et dans le développement de la GVH humaine.