Deciphering stromal dysregulations in clonal hematopoiesis and myelodysplasia
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Myelodysplastische Neoplasien (MDS) sind bösartige Erkrankungen des blutbildenden Systems, welche die Differenzierung von Leukozyten beeinträchtigen und meist ältere Menschen betreffen. Unbehandelt leiden Betroffene meist unter Dysplasien (charakterisiert durch die Präsenz abnormer Leukozyten im Knochenmark, sogenannter Blasten) und Zytopenien (verminderte Konzentration von Zellen im Blut), was oft zu Infektionen oder unkontrollierten Blutungen führt. Grund für diese ineffiziente Hämatopoese sind Mutationen in Hämatopoetischen Stamm- und Progenitorzellen (HSPC), die klonale Expansion, genomische Instabilität und ineffektive Differenzierung induzieren.
Kürzlich wurde klonale Hämatopoese von unbestimmtem Potenzial (engl. Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential, CHIP) als prämaligne Vorstufe von MDS erkannt. CHIP-Träger weisen klonale Hämatopoese auf, ohne dabei hämatologische Symptome zu zeigen. Der dominante Hämatopoetische Stammzell(engl. Hematopoietic Stem Cell, HSC)-Klon zeigt oft Mutationen in den gleichen Genen für epigenetische Kontrollproteine, die auch in MDS zu finden sind (z.B. DNMT3A und TET2), jedoch selten in Onkogenen. Dies resultiert im Wachstum des Klons, wodurch dessen Nachkommen langsam die anderer HSCs verdrängen (klonale Evolution). Diese klonale Hämatopoese hat zwar keine direkten nachteiligen Effekte, dennoch zeigen CHIP-Träger ein um 40% erhöhtes Risiko für kardiovaskuläre Krankheiten und ein Risiko von 0,5–1% pro Jahr, MDS oder Akute Myeloische Leukämie (AML) zu entwickeln, was die Signifikanz von CHIP als potenziellem klinischem Biomarker in der älteren Bevölkerung unterstreicht. Um die zugrundeliegenden Ursachen des Fortschreitens von CHIP zu MDS/AML zu verstehen, muss der Blick auf den Ursprung der ineffizienten Hämatopoese gerichtet werden, die Knochenmarksmikroumgebung („Nische“), welche die Mikroumgebung von HSPC im Knochenmark beschreibt. HSPC liegen nicht isoliert vor, sondern sind in engem Kontakt mit regulatorischen Stroma- und Immunzellen, welche einerseits Faktoren für die Quieszenz, Selbsterneuerung und Rekrutierung ins Knochenmark, und andererseits Faktoren für Proliferation, Differenzierung und Mobilisierung sekretieren.
Ziel dieser Dissertation ist die morphologische, zelluläre und molekulare Charakterisierung der HSC-Nische von CHIP- und MDS-Knochenmarksproben. Dies wurde durch multiplex-fluoreszierende immunhistochemische Färbungen von menschlichen und murinen Knochenmarksbiopsaten, sowie durch Einzelzell-RNA-
Sequenzierung (scRNA Seq) von dazugehörigen menschlichen Knochenmarksaspiraten erreicht.
Die Bildgebungsstudien von menschlichen CHIP-Knochenmarksproben zeigten Tendenzen zu mehr sinusoiden Blutgefäßen, jedoch waren die Ergebnisse anderer Stromapopulationen nicht aussagekräftig. Durch Zuhilfenahme eines Mausmodells für CHIP mit hoher Allelfrequenz (DNMT3AR878H) konnte eine signifikante Umformung des Knochenmarks, gekennzeichnet durch Expansion von Sinusoiden und adipogenen MSC sowie durch Akkumulation von regulatorischen T-Zellen (Treg), festgestellt werden. Diese Befunde wurden bekräftigt durch die Detektion eines adipogenen Differenzierungsbias sowie das Auftreten einer stressinduzierten MSC-Subpopulation in menschlichen CHIP-Trägern in scRNA Seq-Studien. Diese Zellpopulationen konnten inflammatorischen und angiogenen Prozessen zugeordnet werden, welche auf transkriptionellem Level in Stroma- und T-Zellen vorhanden waren. Zudem waren verschiedene spezialisierte T-Zell-Populationen, die in chronischen Entzündungsbildern auftreten, präsent. Zusammengenommen sind die Veränderungen in der Knochenmarksnische das Resultat chronischer entzündlicher Prozesse, was zu Angiogenese, Differenzierungsbias von MSC und subsequent gesteigerter Adipogenese führt. Dadurch wird die Unterstützung von HSC vermindert, was das Risiko einer Stresshämatopoese-induzierten Ansammlung somatischer Mutationen erhöht und die Entwicklung von MDS auslösen kann.
MDS-Proben wiesen morphologische Veränderungen in der Zellularität und der Dichte des sinusoidalen Netzwerks sowie eine Expansion von MSC auf; gleichzeitig war die Häufigkeit von Treg vermindert. ScRNA Seq von Stromazellen zeigte die gleiche stressinduzierte MSC-Subpopulation, die auch in CHIP-Trägern auftrat, sowie einen Wechsel hin zu osteogener und osteochondrogener Differenzierung von MSC. T-Lymphozyten wiesen vermehrt zytotoxische Populationen auf, und eine Genexpressionsanalyse identifizierte erhöhte metabolische Prozesse, Veränderung in der Differenzierung von T-Helferzellen sowie verstärktes proinflammatorisches Potenzial mehrerer Subpopulationen. Diese inflammatorischen und angiogenen Prozesse wurden durch ein in-vitro-Modell von MSC und MDS-Blasten reproduziert, was die Wichtigkeit der MSC-MDS-Achse für die Veränderungen in der Knochenmarksnische und die Entstehung von MDS unterstreicht.