title: Oxidative stress related immune alterations with impact on the Graft-versus-Leukemia effect in allogeneic stem cell transplantation
title: Durch oxidativen Stress bedingte Immunalterationen mit Einfluss auf den Graft-versus-Leukemia Effekt nach allogener Stammzelltransplantation
Creators: name: Karl, Franziska
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: allogeneic stem cell transplantation
subject: oxidative stress
subject: T-cells
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 57 Biowissenschaften; Biologie :: 570 Biowissenschaften; Biologie

description: Therapeutic success of allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT), the only curative treatment option for a range of high-risk and/or relapsing malignant hematological diseases, relies on the potency of transplanted donor T-cells to eliminate residual malignant cells – termed the Graft-versus-Leukemia (GvL) effect. However, until now precise separation of the desired GvL effect and the severe complication Graft-versus-Host disease (GvHD) is a major obstacle. In consequence, identification of factors influencing those mechanisms is of utmost importance. Allo-HSCT potentially leads to accumulation of reactive oxygen species (ROS), known as oxidative stress, which has detrimental impact on immune cells and is known to severely affect T-cell biology. Indeed, data from mainly preclinical models suggest redox dysregulation upon allo-HSCT. Thus, we hypothesized that oxidative stress is present upon allo-HSCT, and that this disturbance of the redox balance interferes with T-cell function affecting long-term outcome. We confirmed presence of oxidative stress on systemic and single T-cell level by performing a multicolor flow cytometry-based longitudinal immune monitoring and serum analyses of allo-HSCT patient samples. This was proven to be specific for allo-HSCT as there was no such evidence after autologous HSCT. Focusing on oxidative DNA lesions (oxidized derivates of hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG)) in patients’ T-cells, detailed ex vivo analysis showed oxidative stress related alterations with a (metabolically) active T-cell phenotype, which was paralleled by signs of exhaustion. Cytotoxic function of oxidatively damaged T-cells was restricted. In vitro analysis revealed hampered cytokine production and diminished cell death of autologous blast samples when challenged in a co-culture model. This T-cell phenotype was recapitulated when artificially inducing (low dose) oxidative stress in vitro. Immune reconstitution of T-cell subsets in patients with high oxidative damage was extensively altered with an overall lowered absolute lymphocyte count and lower frequencies of late differentiated (memory) T-cells. Strikingly, high 8-OHdG levels in T-cells were linked to an inferior long-term outcome with decreased overall survival and progression free survival while the GvHD incidence was not altered. Receiver operating characteristic (ROC) analysis revealed 8-OHdG T-cell levels at d+60 after allo-HSCT as most critical for patients’ course. Eager to identify factors influencing the T-cells’ bioenergetics and to enhance T-cells’ antioxidative properties, we investigated the master redox regulator Nrf2 and the effect of two routinely administered immunosuppressants, namely cyclosporine A (CsA) and mycophenolate mofetil (MMF). In contradiction to murine data, incidence of acute GvHD was unrelated to Nrf2 expression in T-cells. Instead, high Nrf2 levels in (CD8+) T-cells at d+30 were shown to be associated with a lower incidence of chronic GvHD. Effects of immunosuppressants on T-cells’ redox balance were compound-dependent, possessing the potential for individually adapted treatment approaches. CsA displayed ROS-protective effects, which were reflected in superior cytotoxic function of CsA-treated T-cells (as compared to MMF). To prospectively validate oxidative DNA damage in T-cells as a biomarker for relapse risk, it is indispensable to increase cohort size and to prospectively analyze samples within a multi-center setup. Further, identification of underlying mechanisms and interference therewith has the potential to enable prophylactic interventions to improve therapeutic success of allo-HSCT.
description: Die allogene hämatopoetische Stammzellentransplantation (allo-HSZT) ist für eine Vielzahl maligner hämatopoetischer Erkrankungen die einzig potenziell kurative Behandlung. Dieser Therapieansatz basiert auf der Idee des Graft-versus-Leukemia (GvL) Effektes, welcher die Fähigkeit der transplantierten T-Zellen, die verbleibenden Leukämiezellen des Empfängers zu erkennen und gezielt zu beseitigen, beschreibt. Bis heute ist es problematisch, spezifisch diesen gewünschten GvL Effekt (ohne Auftreten der schweren Nebenwirkung Graft-versus-Host disease (GvHD)) zu erzielen. Für einen größtmöglichen Behandlungserfolg ist es daher wichtig mögliche Einflussfaktoren zu identifizieren. Oxidativer Stress wird durch eine Anreicherung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) verursacht und ist schädlich für das Überleben und die Funktionalität von T-Zellen. Murine Modellsysteme deuten auf ein dysreguliertes Redoxsystem nach allo-HSZT hin. Bisher fehlen jedoch ausreichende, auf einer Patientenkohorte basierende Daten. Aus diesem Grund lautete unsere Hypothese, dass oxidativer Stress nach allo-HSZT vorhanden ist, die T-Zell Funktion einschränkt, und letztlich zu einem verringertem Therapieerfolg sowie Langzeitüberleben führt. Serumanalysen von allo-HSZT Patientenproben zeigten oxidativen Stress auf systemischer Ebene auf. Eine auf Durchflusszytometrie basierende, longitudinale Analyse konnte Dies auf Einzel-T-Zell Ebene bestätigen. Im Gegensatz dazu waren nach autologer HSZT keine erhöhten oxidativen DNA-Schäden messbar. Obwohl T-Zellen mit ausgeprägten oxidativen Schäden (oxidierte Hydroxydesoxyguanosinderivate (8-OHdG)) (auch metabolisch) aktiv waren, war die Expression von Erschöpfungsmarkern erhöht. Die zytotoxische Aktivität der Zellen war zudem verringert. Experimentell konnte dieser Phänotyp durch eine in vitro Behandlung von T-Zellen mit ROS reproduziert werden. Dies hatte auch Einfluss auf die Immunrekonstitution: In Patienten mit stark oxidativ geschädigten T-Zellen war die Gesamtzahl an Lymphozyten und die Frequenz an differenzierten Gedächtnis T-Zellen reduziert. Das (progressionsfreie) Überleben dieser Patienten war deutlich vermindert. Im Gegensatz dazu war das Auftreten und die Ausprägung der GvHD unabhängig vom Ausmaß der oxidativen Schäden. Mittels Grenzwertoptimierungskurven (ROC-Analysen) konnte zudem Tag (d) +60 nach allo-HSZT als kritischer Zeitpunkt für den klinischen Verlauf identifiziert werden. Zusätzlich wurde der Einfluss von Nrf2, ein bedeutender Redoxregulator, auf rekonstiutierende T-Zellen nach allo-HSZT untersucht. Das Auftreten akuter GvHD war unabhängig von der Nrf2 Expression. Im Gegensatz dazu war eine hohe Nrf2 Expression mit verringertem Auftreten chronischer GvHD assoziiert. Mit dem Ziel Redoxmodulatoren im allo-HSZT Kontext zu identifizieren, haben wir uns den Effekt zweier routinemäßig eingesetzter Immunsuppressiva (Cyclosporin A (CsA) und Mycophenolat Mofetil (MMF)) auf die Bioenergetik der T-Zellen angesehen. Eine Behandlung mit CsA führte zu einer erhöhten ROS Resistenz und verbesserter zytotoxischer Funktion (im Vergleich zu MMF-behandelten Zellen). Langfristig gesehen haben solche medikamentenabhängigen Effekte das Potential, für individuell angepasste Therapieformen genutzt werden zu können. Bevor 8-OHdG als valider Rezidivbiomarker nach allo-HSZT bezeichnet werden kann, ist es nun unabdingbar unsere Ergebnisse in einer prospektiven, multizentrischen Studie zu bestätigen. Zusammen mit sich daraus ergebenden therapeutischen Interventionen kann dies zu einem verbesserten Therapieerfolg nach allo-HSZT beitragen.