The chemokine, Monocyte Chemoattractant Protein (MCP-1), enhances integrin mediated monocyte adhesion to the vascular endothelium during inflammation. In this study, we demonstrate that MCP-1 promotes rapid sub-second adhesion of THP-1 cells to Vascular Cell Adhesion Molecule-1 (VCAM-1), but not to Intercellular Cell Adhesion Molecule-1 (ICAM-1). MCP-1 activates membrane tethered Very Late Antigen 4 (VLA-4, α4β1), but not necessarily cytoskeleton anchored VLA-4. Activated tethered VLA-4 bonds tremendously increased the period of time monocytes remain bound from hundreds of milliseconds to several seconds and also increased the distance over which immunologic surveillance occurs from several microns up to 20 microns along the endothelium. Lastly at the single molecule level, MCP-1 stimulated tethered VLA-4 bonds exhibit increased resistance to pulling force. In conclusion MCP-1 increased tethered VLA-4 bond resistance to force providing a mechanism for monocyte recruitment to the endothelium.

Le rôle central de VLA-4 et de CXCR4 dans le processus dimplantation médullaire des cellules souches hématopoïétiques (CSH) est bien documenté tandis que la fonction de VLA-5 est plus discutée. Plusieurs études ont rapporté que lamplification ex vivo des CSH en présence de cytokines exogènes réduisait leurs capacités de repeuplement médullaire ; le maintien dune interaction appropriée dans lenvironnement médullaire étant critique pour la conservation dune implantation efficace. Les travaux présentés contribuent à lidentification des changements fonctionnels des récepteurs dadhérence impliqués dans le processus implantatoire des CSH cultivées. En première partie, les interactions statiques et dynamiques de LTC-IC générées ex vivo vis-à-vis de ligands du stroma médullaire ont été comparées aux LTC-IC natives. Lévaluation de ladhérence des LTC-IC in vitro sur les fragments de Fn et VCAM-1 a permis didentifier une altération de létat dactivité de VLA-4 et VLA-5 après expansion. Les adhérences statiques et dynamiques médiées par VLA-4 sur VCAM-1 et Fn étaient compromises contrairement au VLA-5 dont lactivité était augmentée après expansion. Dans un second temps, leffet de lexposition cytokinique sur la contribution respective de VLA-4, VLA-5 et CXCR-4 dans limplantation et le repeuplement médullaire a été examinée chez la souris NOD/SCID et NOD/SCID b2-/-. Il a été montré que limplantation et le repeuplement par des CSH natives sont dépendants de VLA-4, lexpansion ex vivo étant associée à linactivation de VLA-4 ce qui révèle le rôle joué par VLA-5 dans la reconstitution hématopoïétique in vivo. De plus, une diminution de lactivité de CXCR-4 peut induire une perte de sélectivité médullaire lors de limplantation de CSH amplifiées.

In our previous work we demonstrated that the integrin antagonist, HYD1, induced necrotic cell death in myeloma cell lines in vitro and in vivo as a single agent. In order to further delineate biomarkers of response to HYD1 we developed an isogenic drug resistant variant named H929-60. We show that the acquisition of resistance towards HYD1 correlates with reduced expression of the cleaved α4 integrin subunit and beta 1 integrin. Moreover, we demonstrate that HYD1 interacts with α4 integrin in myeloma cells. Consistent with reduced VLA-4 expression, the resistant variant showed ablated functional binding to fibronectin, VCAM-1 and the bone marrow stroma cell line, HS-5. The reduction in binding to extracellular matrices of the resistant variant translated to sensitivity to melphalan and bortezomib induced cell death in the bone marrow stroma co-culture model of drug resistance. Moreover, CD138 positive myeloma cells were more sensitive to HYD1 induced cell death compared to the CD138 negative fraction, and potency of HYD1 induced cell death significantly correlated with α4 integrin expression. We were also able to show that reducing α4 or β1 integrin using shRNA strategies was sufficient to cause resistance in myeloma cell lines. In addition we investigated the effects of cyclized variants of HYD1 to improve potency of the agent. One such compound, named HM-27, was determined to be 30 fold more active in H929 cells when compared to HYD1. HM-27 and HYD1 were determined to have similar mechanisms of action as H929-60 cells were shown to be resistant to both compounds when compared to H929 cells. We further characterized HM-27's mechanism of action by investigating what effects HM-27 induced Ca2+ oscillations had on HM-27 induced cell death. The increases in intracellular Ca2+ seen after treatment with HM-27 were determined to occur via release from ER stores and not through influx through plasma membrane channels. Inhibiting Ca2+ release from the ER also potentiated the effects of HM-27 in MM cells. Furthermore, inhibiting Ca2+ release from the ER was also shown to block the onset of autophagy after ER treatment. Treating cells with the lysosomotropic agent, chloroquine, was shown to potentiate the activity of HM-27 in vitro and ex vivo. HM-27 was also shown to have activity in an in vivo model with combination treatment containing bortezomib and HM-27 increasing mouse survival. Collectively our data indicate that VLA-4 expression is a critical determinant of response to HYD1 induced cell death. We also showed that increases in intracellular Ca2+ seen after treatment with HM-27 had a cytoprotective effect in MM cells. Moreover, neutralizing autophagy potentiates HM-27 induced cell death in vitro and ex vivo while combining bortezomib and HM-27 increased survival in vivo. These data continue to provide rationale for further pre-clinical development of HYD1 as a novel anticancer agent.

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L’hématopoïèse est un processus finement régulé pour permettre sa pérennité et son adaptation aux contraintes physiologiques et pathologiques. Ce potentiel repose en grande partie sur les capacités de quiescence, auto-renouvellement, division asymétrique et multipotence des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Les CSH et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH) sont principalement régulés de façon extrinsèque au sein des niches hématopoïétiques médullaires et cette régulation fait intervenir, des contacts intercellulaires et des facteurs diffusibles. Le phénotype « side-population » (SP), secondaire à l’efflux actif d’un colorant fluorescent (Hoechst 33342) par des pompes de type multidrugresistance, est une caractéristique des cellules souches de la plupart des tissus. Au sein de l’hématopoïèse, le phénotype SP est un excellent moyen pour identifier les CSH murines et est associé à leur quiescence et à leur adhésion à la niche endostéale, mais sa valeur comme marqueur des CSH est plus discutée chez l’homme. Les cellules SP, de par leur nature, sont également étudiées en oncologie, et sont associées aux cellules tumorales les plus résistantes et les plus tumorogènes. La compréhension des mécanismes régulant la fonctionnalité SP devrait permettre d’ouvrir des pistes en physiologie quand à la compréhension de la régulation des CSPH par les niches mésenchymateuses et en pathologie pour cibler les mécanismes de chimiorésistance.Dans ce travail nous montrons pour la première fois chez l’homme que l’acquisition du phénotype SP est un phénomène dynamique et versatile sous le contrôle du stroma médullaire. Le stroma médullaire est en effet capable de maintenir le phénotype SP de CSPH médullaires et d’induire le phénotype SP de CSPH circulants. L’acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes nécessite à la fois un « nichage » au sein du stroma et des facteurs diffusibles. Les cellules circulantes capables d’acquérir le phénotype SP contiennent des CSPH au regard de (i) leur expression du CD34, (ii) leur richesse en cellules quiescentes, (iii) leur capacité clonogénique et proliférative en cultures secondaires, (iv) leur expression des gènes de « nichage » et de « souchitude », (v) leur capacité de migration en réponse à un gradient de CXCL12, (vi) leur activité LT-SRC in vivo. De plus nous avons mis en évidence, au sein de ces CSPH SP+CD34+ révélés par le stroma médullaire, une sous-population CD44-/faible qui pourrait contenir les cellules plus immatures en raison de sa quiescence et de l’intensité de son efflux du Hoechst 33342. Les études mécanistiques montrent que l’acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes est sous la dépendance de l’intégrine VLA-4 et du CD44. La transduction du signal implique des protéines G et la famille des Src-kinases. Nous montrons également que le stroma médullaire peut induire/maintenir/amplifier la fonctionnalité SP de blastes circulants de leucémie aigüe myéloblastique de façon ß1-intégrine dépendante et que cette fonctionnalité est associée à une capacité d’efflux de Mitoxantrone. Ce mécanisme de modulation de l’activité d’ABC-transporteurs par l’adhésion au stroma correspond à un mécanisme encore jamais décrit de CAM-DR. / Hematopoiesis is a finely tuned process to allow its long-term efficiency and its adaptation to various physiological and pathological stresses. Hematopoietic stem cell (HSC) is the keystone of hematopoiesis through its multipotency, quiescence, asymmetrical division and self-renewing properties. HSC bone marrow (BM) niches mainly regulate hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) through intercellular contacts and diffusible factors. Side-population (SP) cells are characterized by their capability to actively efflux Hoechst 33342 dye through multidrug resistance-like pumps. SP phenotype is a characteristic of stem cells in many tissues and especially, it is a stringent criterion to purify murine HSCs. In mice, this phenotype has been demonstrated to be related to quiescence and resistance to drugs/environmental stresses and to be controlled by endosteal niche adhesion. SP cells are also studied in oncology and are associated to chemo-resistance and tumor initiating capacity. At steady state, SP cells are mainly present in the BM and are mostly absent from the circulation except in stress conditions, raising the hypothesis of the versatility of the SP functionality. Therefore, studying SP phenotype regulation is of importance to understand how BM niches regulate HSPC and how to interfere with cancer cells chemo-resistance.In this work, we demonstrate for the first time and in human that SP phenotype acquisition is a dynamic phenomenon under control of stromal BM cells. Stromal cells from healthy donors maintain SP phenotype of BM HSPC and promote SP phenotype acquisition in circulating ones. SP phenotype promotion depends of stroma nesting and of diffusible factors secretion. This stroma-induced circulating SP cell fraction contains HSPC, as ascertained by (i) CD34 expression, (ii) proportion of cells in G0, (iii) clonogenic and proliferative potential, (iv) nesting and “stemness” gene expression, (v) CXCL12-related migration capability and (vi) LT-SRC activity. Moreover, we describe an SP+CD34+CD44-/low sub-population that could contain most immature HSPCs with regards to their quiescence and Hoechst efflux intensity. Mechanistic studies show that the stoma-mediated SP promoting effect is VLA-4/4ß1-integrin and CD44 dependent, and implicate G-protein and Src-kinase pathways. We also demonstrate that BM stroma from healthy donors can induce/maintain/amplify in a ß1-integrin dependent manner an SP sub-population with mitoxantrone efflux capability in blast cells from acute myeloid leukemia. The existence of a similar mechanism in circulating leukemic blasts suggests the possibility to interfere with the chemo-resistant phenotype of blast cells through integrin/CD44 axis blockade.

<p>Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 1996, härtill 6 uppsatser</p> / digitalisering@umu

L'hématopoïèse est un processus finement régulé pour permettre sa pérennité et son adaptation aux contraintes physiologiques et pathologiques. Ce potentiel repose en grande partie sur les capacités de quiescence, auto-renouvellement, division asymétrique et multipotence des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Les CSH et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH) sont principalement régulés de façon extrinsèque au sein des niches hématopoïétiques médullaires et cette régulation fait intervenir, des contacts intercellulaires et des facteurs diffusibles. Le phénotype " side-population " (SP), secondaire à l'efflux actif d'un colorant fluorescent (Hoechst 33342) par des pompes de type multidrugresistance, est une caractéristique des cellules souches de la plupart des tissus. Au sein de l'hématopoïèse, le phénotype SP est un excellent moyen pour identifier les CSH murines et est associé à leur quiescence et à leur adhésion à la niche endostéale, mais sa valeur comme marqueur des CSH est plus discutée chez l'homme. Les cellules SP, de par leur nature, sont également étudiées en oncologie, et sont associées aux cellules tumorales les plus résistantes et les plus tumorogènes. La compréhension des mécanismes régulant la fonctionnalité SP devrait permettre d'ouvrir des pistes en physiologie quand à la compréhension de la régulation des CSPH par les niches mésenchymateuses et en pathologie pour cibler les mécanismes de chimiorésistance.Dans ce travail nous montrons pour la première fois chez l'homme que l'acquisition du phénotype SP est un phénomène dynamique et versatile sous le contrôle du stroma médullaire. Le stroma médullaire est en effet capable de maintenir le phénotype SP de CSPH médullaires et d'induire le phénotype SP de CSPH circulants. L'acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes nécessite à la fois un " nichage " au sein du stroma et des facteurs diffusibles. Les cellules circulantes capables d'acquérir le phénotype SP contiennent des CSPH au regard de (i) leur expression du CD34, (ii) leur richesse en cellules quiescentes, (iii) leur capacité clonogénique et proliférative en cultures secondaires, (iv) leur expression des gènes de " nichage " et de " souchitude ", (v) leur capacité de migration en réponse à un gradient de CXCL12, (vi) leur activité LT-SRC in vivo. De plus nous avons mis en évidence, au sein de ces CSPH SP+CD34+ révélés par le stroma médullaire, une sous-population CD44-/faible qui pourrait contenir les cellules plus immatures en raison de sa quiescence et de l'intensité de son efflux du Hoechst 33342. Les études mécanistiques montrent que l'acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes est sous la dépendance de l'intégrine VLA-4 et du CD44. La transduction du signal implique des protéines G et la famille des Src-kinases. Nous montrons également que le stroma médullaire peut induire/maintenir/amplifier la fonctionnalité SP de blastes circulants de leucémie aigüe myéloblastique de façon ß1-intégrine dépendante et que cette fonctionnalité est associée à une capacité d'efflux de Mitoxantrone. Ce mécanisme de modulation de l'activité d'ABC-transporteurs par l'adhésion au stroma correspond à un mécanisme encore jamais décrit de CAM-DR.

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