Hannover, Universiẗat, Diss., 2000.

Neuroinflammation and excitotoxicity are frequently regarded as the classical hallmarks of all major central nervous system (CNS) diseases such as stroke and neurodegenerative disorders. However, the limited number of current clinical options for the treatment of these diseases and the side effects associated with these treatment options indicate that there is an urgent and important need to develop drugs that delay neurological diseases. Although the molecular mechanisms underlying these neurological diseases remain poorly understood, it is widely accepted that alterations in microglia function is the key causative factor. It was recently reported that granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) and a natural marine compound, GB9, show great potential as anti-inflammatory agents. In the present study, we used a model of neuroinflammation to investigate the neuroprotective effects of G-CSF and GB9, and whether they exert an anti-neuroinflammatory effect on IFN-£^-stimulated microglia (BV2). Our results revealed that both G-CSF and GB9 attenuate the upregulation of proinflammatory mediators such as inducible nitric oxide synthase (iNOS) and cyclooxygenase-2 (COX-2) in IFN-£^-stimulated microglia. Furthermore, Western blot and immunohistochemical analyses revealed that G-CSF or GB9 prevent downregulation of the glutamate transporter (Glu-Asp transporter, GLAST) and activation of the glutamate receptor in the IFN-£^-stimulated microglia. Additionally, our in vivo analyses revealed that centrally administered G-CSF could reverse the increase of OX-42 immunoactivity, which is the marker of IFN-£^-stimulated microglia. In summary, our findings support the hypotheses that G-CSF and the marine compound, GB9, possess anti-neuroinflammatory properties and could be pursued as potential therapeutic agents for CNS diseases.

L’allogreffe de cellules souches hématopoïétiques (CSH) reste à l’heure actuelle la seule thérapie curative de nombreuses hémopathies malignes. Les lymphocytes T (LT) du donneur constituent une immunothérapie contre les cellules de la leucémie (ou lymphome) appelé effet « GVL » pour « Graft versus Leukemia ». Malheureusement cet effet est intimement lié à la maladie du greffon contre l’hôte appelée « GVH » pour « Graft versus Host » (destruction des cellules saines du receveur par les LT du donneur). L’allogreffe de CSH est de plus en plus souvent réalisées avec des greffons mobilisés par du G-CSF. Quelques publications identifient des cellules immunosuppressives avec un phénotype peu précis CD11b+ Gr1+ induites par le G-CSF pouvant regrouper plusieurs sous-types cellulaires et sans trouver de contre-partie humaine ou avec un mécanisme d’action peu clair. Nous avons démontré que le G-CSF mobilise chez l’homme, dans la fraction CD34+ du greffon, une population monocytaire. Lorsqu’elle représente plus de 12% des CD34+, les receveurs ont une incidence moindre de la GVH aiguë. Cette même population est phénotypiquement et fonctionnellement conservée chez la souris. En réponse à l’IFN-γ relargué par les LT allogéniques, elle produit de l’Oxyde Nitrique capable d’induire l’apoptose de ces LT in vitro. In vivo, nous avons pu décortiquer (chez la souris uniquement) les mécanismes de régulation de la GVH aiguë. Les LT apoptotiques phagocytés par les macrophages capables alors de devenir tolérogènes en produisant du TGF-β et ainsi d’induire des LT régulateurs. Dans le modèle murin d’allogreffe de CSH, le transfert adoptif de cette population purifiée protège le receveur de la GVH aiguë. Nous pensons que si cette population peut être cultivée et expandue ex vivo, elle pourrait être une thérapie cellulaire préventive contre la GVH. / Allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation (Allo-HSCT) is the most effective immunotherapy for acute leukemia, due to the development of graft-versus-leukemia (GVL) effect mediated by alloreactive donor T cells. However, donor T cells specific for recipient alloantigens are also responsible for graft-versus-host disease (GVHD), a life-threatening complication that frequently occurs after allo-HSCT. The administration of Granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) is routinely performed to collect Peripheral Blood Stem Cells (PBSC) from healthy donors for allo-HSCT. Few studies identified that G-CSF can induce myeloid suppressive cells in mice (CD11b+ Gr1+) with no human counterpart. We demonstrated in our study that G-CSF can induce a new population named CD34+Monocyte. The cumulative incidence of acute grade II to IV GVHD following allo-HSCT was lower in patients receiving grafts containing CD34+ monocyte frequencies above 12% of the CD34+ population. In mice, we demonstrated that G-CSF mobilized a highly conserved CD34+ monocyte population. CD34+Monocytes require T cell-mediated IFN-γ to produce Nitric Oxide that inhibits T cell activation and proliferation. In vivo, we report that CD34+ monocyte-derived NO regulates the alloreactive response by inducing T cell apoptosis and subsequently, the induction of regulatory T cells. In fact, uptake of apoptotic T cells by macrophages triggers them to produce high levels of TGF-β that drives the expansion of Tregs and induces immune tolerance. Such tolerogenic monocytes could represent a good candidate for the development of novel immunoregulatory and therapeutic cellular therapies.

Eine Vielzahl präklinischer Schlaganfallstudien zeigte die neuroprotektive und neuroregenerative Wirkung des hämatopoetischen Wachstumsfaktors G-CSF (Granulozyten-Kolonie stimulierender Faktor). Ein Wirkungsmechanismus des G-CSF ist die Mobilisation von protektiven Knochen-markzellen in die ischämische Läsion, wobei diese zeitverzögert nach G-CSF-Gabe stattfindet. Eine zusätzliche frühzeitige Transplantation mononukleärer Knochenmarkzellen (BM MNC) könnte diese therapeutische Lücke füllen. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Wirksamkeit dieser Kombinations-therapie in einem Schlaganfallmodell der spontan hypertensiven Ratte (SHR) zu testen. Syngene BM MNC wurden aus dem Knochenmark von SHRs durch immunmagnetische Depletion der Granulozyten isoliert. Nach Verschluss der Arteria cerebri media wurde den Tieren über insgesamt 5 Tage G-CSF verabreicht und zusätzlich zu einem frühen (6h nach Schlaganfall) oder späteren (48h nach Schlaganfall) Zeitpunkt BM MNC intravenös appliziert. Unbehandelte Schlaganfalltiere sowie Tiere mit alleiniger G-CSF-Therapie dienten als Kontrolle. Das Infarktvolumen wurde weder durch die alleinige G-CSF-Gabe noch durch die zusätzliche Zelltherapie verändert. Dennoch wiesen Tiere mit G-CSF-Einzeltherapie eine anhaltende funktionelle Verbesserung des sensomotorischen Defizites auf. Während die zusätzliche frühzeitige Zelltransplantation (6h) keinen weiteren Therapieeffekt zeigte, führte die Zelltransplantation nach 48h zu einer Aufhebung des protektiven G-CSF Effektes. Die G-CSF-Therapie bewirkte erwartungsgemäß einen deutlichen Anstieg der zirkulierenden Leukozyten. Interessanterweise wurde der Granulozytengehalt im Blut und in der Milz durch die einmalige Zelltherapie nach 48h signifikant erhöht. Ein Großteil der transplantierten BM MNC (48h) konnte in der Milz nachgewiesen werden und führte dort vermutlich zu einer kompetitiven Hemmung des Granulozytenabbaus. Dies hatte sowohl den Anstieg der zirkulierenden Granulozyten als auch deren vermehrte Infiltration in das ischämische Hirngewebe zur Folge und könnte schließlich den negativen Einfluss auf die funktionelle Verbesserung erklären. Die beobachteten Interaktionsmechanismen werfen ein interessantes Licht auf die mögliche Wirkungsweise von Zelltherapien und unterstreichen die entscheidende Rolle des Immunsystems in der Pathophysiologie des Schlaganfalls.

In dieser Arbeit wird das in vivo-Verhalten der murinen Erythro- und Granulopoese, einschließlich der hämatopoetischer Stammzellen, unter dem Einfluß von exogen appliziertem G-CSF und Erythropoietin mit Hilfe eines mathematischen Kompartimentmodelles untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung von linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekten. Zu diesem Zweck werden experimentelle Daten mit den Modellsimulationen unter Berücksichtigung verschiedener Modellannahmen verglichen. Die experimentellen Daten für die Modellentwicklung stammen zum einem kleinen Teil aus der Literatur, hauptsächlich betrachtet wurden jedoch Daten einer kooperierenden niederländischen Arbeitsgruppe. Die beiden Wachstumsfaktoren wurden kontinuierlich und simultan mittels osmotischer Minipumpen subkutan über einen längeren Zeitraum appliziert. Die experimentellen Daten werden zunächst mit Hilfe eines nichtlinearen Regressionsmodelles analysiert und quantitativ beschrieben, wobei Interaktionseffekte zwischen den Wachstumsfaktoren besondere Berücksichtigung finden. Es wird dann ein umfassendes mathematischen Differentialgleichungsmodell der murinen Erythro- und Granulopoese unter Berücksichtigung der linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekte und Interaktionen aufgestellt. Es wird zunächst überprüft, ob sich die beobachteten Daten unter Simultanstimulation durch die einfache Zusammenschaltung zweier bereits existierender Einzelmodelle der Erythro- und Granulopoese ohne weitere Modellannahmen erklären lassen. Dazu werden Daten von normalen als auch splenektomierten Tieren berücksichtigt. Es zeigt sich nach Prüfung verschiedener Hypothesen, dass erst unter Annahme einer durch Erythropoietin potenzierten Amplifikation der primär G-CSF-abhängigen Zellstufe der lienalen CFU-GM die experimentell beobachteten Effekte erklärt werden können. Es wird außerdem gezeigt, daß sich mit demselben Modell und denselben Modellparametern die bei splenektomierten Tieren zu beobachtetende G-CSFabhängige Entwicklung einer EPO-resistenten Anämie gut erklärt wird. In einem zweiten Teil der Arbeit wird ein Modellkonzept erarbeitet, mit welchem sich die Effekte nach Langzeitgabe von G-CSF mittels rezeptorvermitteltem G-CSF-Abbau erklären lassen. In einem dritten Teil wird geprüft, ob sich die hämatopoetische Zellzahldynamik nach Absetzen der G-CSF-Gabe durch eine aktive Rückmigration von Progenitoren aus der Milz in das Knochenmark erklären läßt. Das in dieser Arbeit entwickelte kombinierte Modell der Erythro- und Granulopoese impliziert eine Reihe von weiteren Fragen und bedarf der Überprüfung und Weiterentwicklung anhand weiterer experimenteller Daten. Dafür werden entsprechende Vorschläge erarbeitet, die weitere Einblicke in das komplexe Systemverhalten der Hämatopoese liefern könnten.

Background: Although the growth-factor G-CSF is widely used to prevent granulotoxic side effects of cytotoxic chemotherapies, its optimal use is still unknown since treatment outcome depends on many parameters such as dosing and timing of chemotherapies, pharmaceutical derivative of G-CSF used and individual risk factors. We showed in the past that a pharmacokinetic and dynamic model of G-CSF and human granulopoiesis can be used to predict the performance of yet untested G-CSF schedules. However, only a single chemotherapy was considered so far. In the present paper, we propose a comprehensive model of chemotherapy toxicity and combine it with our cell kinetic model of granulopoiesis. Major assumptions are: proportionality of cell numbers and cell loss, delayed action of chemotherapy, drug, drugdose and cell stage specific toxicities, no interaction of drugs and higher toxicity of drugs at the first time of application. Correspondingly, chemotherapies can be characterized by a set of toxicity parameters which can be estimated by fitting the predictions of our model to clinical time series data of patients under therapy. Data were either extracted from the literature or were received from cooperating clinical study groups. Results: Model assumptions proved to be feasible in explaining granulotoxicity of 10 different chemotherapeutic drugs or drug-combinations applied in 33 different schedules with and without G-CSF. Risk groups of granulotoxicity were traced back to differences in toxicity parameters. Conclusion: We established a comprehensive model of combined G-CSF and chemotherapy action in humans which allows us to predict and compare the outcome of alternative G-CSF schedules. We aim to apply the model in different clinical contexts to optimize and individualize G-CSF treatment.

Zugl.: Leipzig, Universiẗat, Diss., 2001.

No description available.

Background: Haematotoxicity of conventional chemotherapies often results in delays of treatment or reduction of chemotherapy dose. To ameliorate these side-effects, patients are routinely treated with blood transfusions or haematopoietic growth factors such as erythropoietin (EPO) or granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF). For the latter ones, pharmaceutical derivatives are available, which differ in absorption kinetics, pharmacokinetic and -dynamic properties. Due to the complex interaction of cytotoxic effects of chemotherapy and the stimulating effects of different growth factor derivatives, optimal treatment is a non-trivial task. In the past, we developed mathematical models of thrombopoiesis, granulopoiesis and erythropoiesis under chemotherapy and growth-factor applications which can be used to perform clinically relevant predictions regarding the feasibility of chemotherapy schedules and cytopenia prophylaxis with haematopoietic growth factors. However, interactions of lineages and growth-factors were ignored so far. Results: To close this gap, we constructed a hybrid model of human granulopoiesis and erythropoiesis under conventional chemotherapy, G-CSF and EPO applications. This was achieved by combining our single lineage models of human erythropoiesis and granulopoiesis with a common stem cell model. G-CSF effects on erythropoiesis were also implemented. Pharmacodynamic models are based on ordinary differential equations describing proliferation and maturation of haematopoietic cells. The system is regulated by feedback loops partly mediated by endogenous and exogenous EPO and G-CSF. Chemotherapy is modelled by depletion of cells. Unknown model parameters were determined by fitting the model predictions to time series data of blood counts and cytokine profiles. Data were extracted from literature or received from cooperating clinical study groups. Our model explains dynamics of mature blood cells and cytokines after growth-factor applications in healthy volunteers. Moreover, we modelled 15 different chemotherapeutic drugs by estimating their bone marrow toxicity. Taking into account different growth-factor schedules, this adds up to 33 different chemotherapy regimens explained by the model. Conclusions: We conclude that we established a comprehensive biomathematical model to explain the dynamics of granulopoiesis and erythropoiesis under combined chemotherapy, G-CSF, and EPO applications. We demonstrate how it can be used to make predictions regarding haematotoxicity of yet untested chemotherapy and growth-factor schedules.

Eine Vielzahl präklinischer Schlaganfallstudien zeigte die neuroprotektive und neuroregenerative Wirkung des hämatopoetischen Wachstumsfaktors G-CSF (Granulozyten-Kolonie stimulierender Faktor). Ein Wirkungsmechanismus des G-CSF ist die Mobilisation von protektiven Knochen-markzellen in die ischämische Läsion, wobei diese zeitverzögert nach G-CSF-Gabe stattfindet. Eine zusätzliche frühzeitige Transplantation mononukleärer Knochenmarkzellen (BM MNC) könnte diese therapeutische Lücke füllen. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Wirksamkeit dieser Kombinations-therapie in einem Schlaganfallmodell der spontan hypertensiven Ratte (SHR) zu testen. Syngene BM MNC wurden aus dem Knochenmark von SHRs durch immunmagnetische Depletion der Granulozyten isoliert. Nach Verschluss der Arteria cerebri media wurde den Tieren über insgesamt 5 Tage G-CSF verabreicht und zusätzlich zu einem frühen (6h nach Schlaganfall) oder späteren (48h nach Schlaganfall) Zeitpunkt BM MNC intravenös appliziert. Unbehandelte Schlaganfalltiere sowie Tiere mit alleiniger G-CSF-Therapie dienten als Kontrolle. Das Infarktvolumen wurde weder durch die alleinige G-CSF-Gabe noch durch die zusätzliche Zelltherapie verändert. Dennoch wiesen Tiere mit G-CSF-Einzeltherapie eine anhaltende funktionelle Verbesserung des sensomotorischen Defizites auf. Während die zusätzliche frühzeitige Zelltransplantation (6h) keinen weiteren Therapieeffekt zeigte, führte die Zelltransplantation nach 48h zu einer Aufhebung des protektiven G-CSF Effektes. Die G-CSF-Therapie bewirkte erwartungsgemäß einen deutlichen Anstieg der zirkulierenden Leukozyten. Interessanterweise wurde der Granulozytengehalt im Blut und in der Milz durch die einmalige Zelltherapie nach 48h signifikant erhöht. Ein Großteil der transplantierten BM MNC (48h) konnte in der Milz nachgewiesen werden und führte dort vermutlich zu einer kompetitiven Hemmung des Granulozytenabbaus. Dies hatte sowohl den Anstieg der zirkulierenden Granulozyten als auch deren vermehrte Infiltration in das ischämische Hirngewebe zur Folge und könnte schließlich den negativen Einfluss auf die funktionelle Verbesserung erklären. Die beobachteten Interaktionsmechanismen werfen ein interessantes Licht auf die mögliche Wirkungsweise von Zelltherapien und unterstreichen die entscheidende Rolle des Immunsystems in der Pathophysiologie des Schlaganfalls.