Project Funding Details

Problem definition Patients with hematological malignancies can be successfully treated with allogeneic stem cell transplantation (allogeneic SCT). Unfortunately, desired anti-tumor or Graft-versus-Leukemia (GvL) reactivity often coincides with undesired side effects against healthy tissues, a complication known as Graft-versus-Host Disease (GvHD). After HLA-matched allogeneic SCT, GvL and GvHD are both mediated by donor derived T-cells recognizing polymorphic peptides presented by HLA on patient cells. These polymorphic targets or so-called minor histocompatibility antigens (MiHA) are produced by genetic differences in single nucleotide polymorphisms (SNPs) between patient and donor. Donor T-cells recognizing MiHA on the malignant cells of the patient mediate desired GvL reactivity, whereas donor T-cells recognizing MiHA on healthy non-hematopoietic tissues induce undesired GvHD. MiHA with restricted expression on cells of the hematopoietic system are relevant for immunotherapy, since donor T-cells for these antigens eliminate the malignant cells of the patient, while sparing non-hematopoietic tissues as well as healthy hematopoietic cells, which are after allogeneic SCT of donor origin. Recent data in our laboratory suggest that immune responses in patients with GvHD are stronger and directed against more MiHA than in patients without GvHD. Hematopoiesis-restricted MiHA as well as MiHA with broad expression on healthy tissues have been isolated from both patient groups, but T-cell reactivity seems skewed towards hematopoiesis-restricted MiHA in patients without GvHD. Furthermore, we repeatedly isolated T-cells for the same MiHA from different patients, indicating that the dominant repertoire of HLA class I-restricted MiHA is restricted and difficult to predict based on the high number of SNP disparities between patient and donor in the DNA.   Solution of the problem Selective induction of GvL reactivity without GvHD will increase efficacy, reduce toxicity and broaden applicability of allogeneic SCT, thereby improving overall survival and quality of life of patients with hematological malignancies.  Aim The aim of the study is to identify the dominant repertoire of HLA class I-restricted MiHA in GvL and GvHD.  Plan of Investigation Activated CD8 T-cells are single cell isolated from 100-150 patients who developed GvL reactivity after allogeneic SCT with or without GvHD. Growing T-cell clones recognizing patient but not donor EBV-B cells are selected as MiHA-specific T-cells. For these T-cells, the number of targeted MiHA is determined as well as their population frequencies and HLA restriction alleles. T-cell clones recognizing MiHA with population frequencies between 10-90% in 7 common HLA class I alleles that are each expressed in 24-50% of human individuals are selected for whole genome association scanning (WGAs). In our laboratory, WGAs has been optimized to increase the efficiency of MiHA discovery. EBV-B cells are used for which all SNPs are known in the 1000 Genome Project and all transcripts have been measured by RNA-sequencing. Associating SNPs as identified by WGAs are investigated to produce HLA class I-restricted MiHA that are recognized by specific T-cells and the tissue distribution of the MiHA is determined by gene expression analysis using available databases. Finally, all 100-150 patients are screened for MiHA-specific T-cells by pMHC-multimers to identify the dominant repertoire of HLA class I-restricted MiHA.  Expected outcome In this research, the dominant repertoire of HLA class I-restricted MiHA in GvL and GvHD is discovered. These MiHA can be used in future strategies to improve the balance between desired and undesired effects after allogeneic SCT. In future strategies, patients and donors can be SNP-genotyped for the dominant repertoire of HLA class I-restricted MiHA and optimal donors can be selected who are mismatched for hematopoiesis-restricted MiHA, but matched for MiHA that are broadly expressed on healthy tissues. Since donor selection is only relevant if multiple donors are available, MiHA discovery in this research is limited to 7 HLA class I alleles that are each expressed in 24-50% of human individuals. MiHA can also be used for immunotherapy to stimulate GvL reactivity after allogeneic SCT without GvHD. Patients can be vaccinated with MiHA or treated with donor lymphocyte infusions that are enriched for T-cells for hematopoiesis-restricted MiHA by in vitro isolation (and expansion) or production by T-cell receptor gene therapy. Finally, MiHA discovery contributes to understanding of the immunobiology of GvL and GvHD and gives relevant insight into how immune responses should be induced or manipulated to stimulate GvL reactivity after allogeneic SCT without GvHD. In conclusion, discovery of the dominant repertoire of HLA class I-restricted MiHA is relevant for development of strategies to optimize the balance between GvL and GvHD to increase efficacy, reduce toxicity and broaden applicability of allogeneic SCT, thereby improving overall survival and quality of life of patients with hematological malignancies.  

Probleemstelling Patiënten met kwaadaardige aandoeningen van het bloedvormend systeem kunnen met succes worden behandeld met allogene stamceltransplantatie, maar helaas gaat het gewenste anti-tumor of Graft-versus-Leukemia (GvL) effect vaak gepaard met ongewenste bijwerkingen door schade aan gezonde weefsels. Deze levensbedreigende complicatie wordt Graft-versus-Host Disease (GvHD) genoemd en is een belangrijke oorzaak van ziekte en sterfte na allogene stamceltransplantatie. Na HLA-identieke allogene stamceltransplantatie, worden GvL en GvHD veroorzaakt door donor afkomstige T-lymfocyten die polymorfe structuren herkennen die worden gepresenteerd door HLA oppervlakte moleculen op lichaamscellen van de patiënt. Deze polymorfe peptiden of minor histocompatibiliteits antigenen (MiHA) worden geproduceerd door genetische verschillen tussen patiënt en donor in het DNA. Donor T-lymfocyten die MiHA herkennen op de kwaadaardige cellen van de patiënt induceren het gewenste anti-tumor effect, terwijl donor T-lymfocyten die MiHA herkennen op gezonde weefsels GvHD veroorzaken. MiHA die alleen worden gepresenteerd op cellen van het bloedvormend systeem zijn belangrijk voor therapie omdat T-lymfocyten voor deze antigenen de kwaadaardige cellen van de patiënt opruimen zonder de gezonde weefsels aan te vallen omdat deze antigenen niet worden gepresenteerd op andere organen dan het bloedvormend systeem en gezonde bloedcellen na allogene stamceltransplantatie van donor oorsprong zijn.  Doelstelling Het doel van het onderzoek is om het dominante repertoire aan HLA klasse I-bindende MiHA te identificeren in GvL en GvHD. Deze MiHA kunnen worden gebruikt om de anti-tumor respons te versterken en bijwerkingen na allogene stamceltransplantatie te verminderen, wat belangrijk is om de overleving en kwaliteit van leven van patiënten met kwaadaardige aandoeningen van het bloedvormend systeem te verbeteren. Het onderzoek draagt tevens bij aan kennis van de immuunbiologie van GvL en GvHD, wat belangrijk inzicht geeft in hoe immuunresponsen moeten worden geïnduceerd of gemanipuleerd om GvL reactiviteit na allogene stamceltransplantatie te stimuleren zonder GvHD.  Doelgroep en bijdrage aan KWF missiedoelen Op de afdeling Hematologie van het Leids Universitair Medisch Centrum, worden gemiddeld 80 patiënten per jaar met bloedkanker, lymfeklierkanker of multipel myeloom behandeld met allogene stamceltransplantatie. Door de grote kans op bijwerkingen, worden op dit moment alleen patiënten in relatief goede conditie met slechte prognose behandeld met allogene stamceltransplantatie. Het onderzoek richt zich op het versterken van het anti-tumor effect en het verminderen van bijwerkingen na allogene stamceltransplantatie om de overleving en kwaliteit van leven van patiënten met kwaadaardige aandoeningen van het bloedvormend systeem te verbeteren.   Wetenschappelijke onderbouwing Recente resultaten in ons laboratorium tonen aan dat immuunresponsen in patiënten met GvHD sterker zijn en dat meer MiHA worden aangevallen dan in patiënten zonder GvHD. In beide patiëntengroepen worden MiHA die alleen voorkomen op het bloedvormend systeem en MiHA die breed tot expressie komen op gezonde weefsels aangevallen, maar het aantal T-lymfocyten voor MiHA die alleen voorkomen op bloedcellen lijkt groter in patiënten zonder GvHD. Verder hebben wij uit verschillende patiënten T-lymfocyten geïsoleerd voor dezelfde MiHA, wat aantoont dat het dominante repertoire aan MiHA beperkt is en niet goed te voorspellen op grond van de vele polymorfisme verschillen tussen patiënt en donor in het DNA.    Studieopzet Geactiveerde CD8 T-lymfocyten worden geïsoleerd uit 100-150 patiënten met GvL reactiviteit na allogene stamceltransplantatie met of zonder GvHD. Groeiende T-lymfocyten die EBV-B cellen herkennen van de patiënt, maar niet van de donor, worden geselecteerd als MiHA-specifieke T-lymfocyten. Deze T-lymfocyten worden onderzocht op het aantal MiHA dat wordt herkend, de populatie frequenties van de MiHA en HLA restrictie allelen. T-lymfocyten voor MiHA met populatie frequenties tussen de 10-90% in 7 HLA class I allelen die elk voorkomen in 24-50% van de bevolking worden geselecteerd voor whole genome association scanning (WGAs). In ons laboratorium is WGAs geoptimaliseerd om efficiënter MiHA te ontdekken. EBV-B cellen worden gebruikt waarvan alle polymorfismen bekend zijn in het 1000 Genome Project en alle transcripten gemeten zijn met RNA-sequencing. De polymorfismen die gevonden zijn met WGAs worden getest op het produceren van HLA klasse I-bindende MiHA die herkend worden door T-lymfocyten en de weefseldistributie van de desbetreffende genen wordt bepaald met beschikbare databases. Tenslotte worden alle 100-150 patiënten onderzocht op MiHA-specifieke T-lymfocyten met pMHC-multimeren om het dominante repertoire aan HLA klasse I-bindende MiHA te identificeren.   Samenwerkingen In het onderzoek wordt samengewerkt met het Duitse centrum voor beenmergdonoren (DKMS). DKMS is het grootste database netwerk in de wereld en heeft als doel om voor elke patiënt een passende donor te vinden of om te helpen toegang te krijgen tot de juiste behandeling. Samen met het DKMS zal gezocht worden naar strategieën om MiHA te gebruiken in de kliniek om stamceldonoren te selecteren. MiHA kunnen ook worden gebruikt voor immuuntherapie en in het onderzoek wordt samengewerkt met (inter)nationale onderzoekers die ervaring hebben met het identificeren en implementeren van MiHA in de kliniek.   Verwachte resultaten en vervolgstappen De HLA klasse I-bindende MiHA die in dit onderzoek worden geïdentificeerd kunnen worden gebruikt om strategieën te ontwikkelen om een optimale balans te bewerkstelligen tussen gewenste en ongewenste effecten na allogene stamceltransplantatie. In vervolgonderzoek kunnen patiënten en donoren worden getypeerd voor HLA klasse I-bindende MiHA en kunnen optimale donoren worden geselecteerd op aanwezigheid van MiHA die alleen voorkomen op bloedcellen en afwezigheid van MiHA die breed tot expressie komen. Omdat donor selectie alleen zin heeft als meerdere donoren beschikbaar zijn, beperkt het onderzoek zich tot het identificeren van MiHA in 7 veelvoorkomende HLA klasse I moleculen. MiHA kunnen ook worden gebruikt voor immuuntherapie om het anti-tumor effect na allogene stamceltransplantatie te versterken zonder bijwerkingen. Patiënten kunnen worden gevaccineerd met MiHA of worden behandeld met donor lymfocyten infusies die verrijkt zijn door buiten het lichaam T-lymfocyten voor MiHA die alleen voorkomen op bloedcellen te isoleren of te produceren met gentherapie. Samengevat leidt identificatie van het dominante repertoire aan HLA klasse I-bindende MiHA tot vervolgonderzoek dat gericht is op het ontwikkelen van strategieën om een optimale balans tussen gewenste en ongewenste effecten na allogene stamceltransplantatie te bewerkstelligen om op die manier de overleving en kwaliteit van leven van patiënten met kwaadaardige aandoeningen van het bloedvormend systeem te verbeteren.