The availability of several methods to unambiguously mark individual cells has strongly fostered the understanding of clonal developments in hematopoiesis and other stem cell driven regenerative tissues. While cellular barcoding is the method of choice for experimental studies, patients that underwent gene therapy carry a unique insertional mark within the transplanted cells originating from the integration of the retroviral vector. Close monitoring of such patients allows accessing their clonal dynamics, however, the early detection of events that predict monoclonal conversion and potentially the onset of leukemia are beneficial for treatment. We developed a simple mathematical model of a self-stabilizing hematopoietic stem cell population to generate a wide range of possible clonal developments, reproducing typical, experimentally and clinically observed scenarios. We use the resulting model scenarios to suggest and test a set of statistical measures that should allow for an interpretation and classification of relevant clonal dynamics. Apart from the assessment of several established diversity indices we suggest a measure that quantifies the extension to which the increase in the size of one clone is attributed to the total loss in the size of all other clones. By evaluating the change in relative clone sizes between consecutive measurements, the suggested measure, referred to as maximum relative clonal expansion (mRCE), proves to be highly sensitive in the detection of rapidly expanding cell clones prior to their dominant manifestation. This predictive potential places the mRCE as a suitable means for the early recognition of leukemogenesis especially in gene therapy patients that are closely monitored. Our model based approach illustrates how simulation studies can actively support the design and evaluation of preclinical strategies for the analysis and risk evaluation of clonal developments.

Bei Patienten mit Keimzelltumoren werden Mobilisation und Separation peripherer Blut-stammzellen durch das Alter, die zytostatische Vorbehandlung und Art der Mobilisations-chemotherapie statistisch signifikant beeinfluát. Der beste pr diktive Parameter f r die gesammelten Stamm- und Vorl uferzellen ist die Anzahl der peripheren CD34+ Zellen, die am Tag der Leukapherese im Blutkreislauf zirkulieren. F r die Rekonstitution der Granulo- und Thrombozytopoese nach Hochdosischemotherapie ist die Dosis der trans-fundierten CD34+ Zellen von signifikantem Wert. Bei der Transplantation von mehr als 2,5 x 10 hoch 6 CD34+ Zellen/kg kann mit einer schnellen und sicheren Regeneration der H matopoese, einem niedrigeren Bedarf an Antibiotika, Erythrozyten- und Thrombozy-tenkonzentraten sowie einem k rzeren Krankenhausaufenthalt gerechnet werden. / In patients with germ cell cancer the mobilization and collection of peripheral blood progenitor cells are significantly influenced by patient's age, cytotoxic pretreatment and the mobilization chemotherapy used. The best predictive factor for harvested progenitor cells is the number of CD34+ cells circulating in the peripheral blood on the day of leukapheresis. The dose of transfused CD34+ cells has a significant impact on the reconstitution of granulocytes and platelets after high-dose chemotherapy. Transplantation of more than 2,5 x 10 to the power of 6 CD34+ cells/kg results in a rapid and safe regeneration of hematopoiesis, less antibiotics and transfusion requirements (red blood cell and platelet concentrates) and a shorter hospital stay.

Aus hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) können sich neben allen anderen Zellen des Immunsystems auch dendritische Zellen (DCs) entwickeln. DCs spielen eine zentrale Rolle sowohl bei der Induktion von Immunantworten als auch bei der Aufrechterhaltung peripherer Toleranz. Eine Beeinflussung von DCs zur therapeutischen Nutzung wäre wünschenswert, erfordert aber ein noch tieferes Verständnis über deren Entwicklung im humanen Organismus. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung potentieller DC-Vorläuferzellen in humanen lymphatischen Geweben. In Immunfluoreszenzaufnahmen von Thymus, Milz und Tonsillen mit Stammzell-charakterisierenden Markern konnten sowohl die in der Literatur als „Hämatopoetisches Stammzellkompartiment“ beschriebene Zellpopulation als auch weitere Zwischenstufen der Entwicklungsreihe der HSCs detektiert werden. Als Nächstes wurde untersucht, ob die im Gewebe identifizierten CD34+ Zellen in der in vitro Kultur zu DCs differenziert werden konnten. Hierzu wurden zunächst Protokolle etabliert und weiterentwickelt, in denen CD34+ Stammzellen des Nabelschnurbluts zu DCs gereift wurden. In einem anschließenden Schritt wurde das Protokoll mit den besten Ausbeuten an DCs auf Thymuszellen angewendet. Somit gelang es, aus Thymusstammzellen eine DCSubpopulation zu generieren, die aufgrund ihrer Markerexpression den Langerhanszellen ähnelt. Auf ihnen konnten außer Langerin auch andere C-Typ Lektinrezeptoren (Clec9a, DCIR und CD205) detektiert werden. Diese Zellen sind daher interessante Ziele für Untersuchungen zur Antigenbeladung von DCs und deren Präsentation an das adaptive Immunsystem. Zur effektiven Antigenbeladung von DCs werden Antikörper gegen endozytotisch wirksame Oberflächenmoleküle benötigt. Für deren Produktion wurden im weiteren Verlauf der Arbeit His-tragende und Ig-Fusionsproteine von Clec9a, Langerin, Dectin-1 und Dectin-2 produziert, um diese zur Immunisierung und Antikörperproduktion einzusetzen. In Zukunft können diese Antikörper zur Charakterisierung verschiedenster DC-Subpopulationen und außerdem zur Antigenbeladung von DCs herangezogen werden.

Aus hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) können sich neben allen anderen Zellen des Immunsystems auch dendritische Zellen (DCs) entwickeln. DCs spielen eine zentrale Rolle sowohl bei der Induktion von Immunantworten als auch bei der Aufrechterhaltung peripherer Toleranz. Eine Beeinflussung von DCs zur therapeutischen Nutzung wäre wünschenswert, erfordert aber ein noch tieferes Verständnis über deren Entwicklung im humanen Organismus. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung potentieller DC-Vorläuferzellen in humanen lymphatischen Geweben. In Immunfluoreszenzaufnahmen von Thymus, Milz und Tonsillen mit Stammzell-charakterisierenden Markern konnten sowohl die in der Literatur als „Hämatopoetisches Stammzellkompartiment“ beschriebene Zellpopulation als auch weitere Zwischenstufen der Entwicklungsreihe der HSCs detektiert werden. Als Nächstes wurde untersucht, ob die im Gewebe identifizierten CD34+ Zellen in der in vitro Kultur zu DCs differenziert werden konnten. Hierzu wurden zunächst Protokolle etabliert und weiterentwickelt, in denen CD34+ Stammzellen des Nabelschnurbluts zu DCs gereift wurden. In einem anschließenden Schritt wurde das Protokoll mit den besten Ausbeuten an DCs auf Thymuszellen angewendet. Somit gelang es, aus Thymusstammzellen eine DCSubpopulation zu generieren, die aufgrund ihrer Markerexpression den Langerhanszellen ähnelt. Auf ihnen konnten außer Langerin auch andere C-Typ Lektinrezeptoren (Clec9a, DCIR und CD205) detektiert werden. Diese Zellen sind daher interessante Ziele für Untersuchungen zur Antigenbeladung von DCs und deren Präsentation an das adaptive Immunsystem. Zur effektiven Antigenbeladung von DCs werden Antikörper gegen endozytotisch wirksame Oberflächenmoleküle benötigt. Für deren Produktion wurden im weiteren Verlauf der Arbeit His-tragende und Ig-Fusionsproteine von Clec9a, Langerin, Dectin-1 und Dectin-2 produziert, um diese zur Immunisierung und Antikörperproduktion einzusetzen. In Zukunft können diese Antikörper zur Charakterisierung verschiedenster DC-Subpopulationen und außerdem zur Antigenbeladung von DCs herangezogen werden.

Angeborene lymphatische Zellen (ILC) sind wichtige Effektorzellen der angeborenen Immunantwort, deren Entwicklung und Aktivierungswege attraktive therapeutische Ziele darstellen. Sie bestehen aus ILC der Gruppe 1 (Natürliche Killerzellen (NK) und ILC1), ILC2 und ILC3. Neben T-Zellen leisten ILCs einen entscheidenen Beitrag zu den Typ-1-, Typ-2- und Typ-3-Immunantworten. Die Entwicklung von ILCs beim Menschen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht, und frühere in vitro Untersuchungen stützten sich auf die Analyse einiger weniger Marker oder Zytokine, die für die Bestimmung der Identität der verschiedenen ILC-Linien suboptimal sind. Um diese Mängel zu beheben, stellen wir hier eine Plattform vor, die zuverlässig alle menschlichen ILC-Linien aus CD34+ CD45RA+ hämatopoetischen Vorläuferzellen, gewonnen aus Nabelschnurblut und Knochenmark, erzeugt. Mit einem systematischen Ansatz zeigt diese Arbeit, dass eine einzige Kulturbedingung nicht ausreicht, um alle ILC-Untergruppen zu generieren, sondern stattdessen bestimmte Kombinationen von Zytokinen und Notch-Signalen für die Entscheidung über das Schicksal der Linien wesentlich ist. Eine umfangreiche Analyse des Transkriptoms ergab, dass der Erwerb von CD161 robust eine globale ILC-Signatur identifiziert und in vitro ILCs von T-Zell-Signaturen trennt. Die Identität spezifischer in vitro generierter ILC-Linien (NK-Zellen und ILC1, ILC2 und ILC3) wurde durch Proteinexpression, funktionelle Assays und Transkriptomanalysen auf globaler sowie auf Einzelzellebene umfassend validiert. Diese in vitro erzeugten ILC-Linien rekapitulieren die Signaturen und Funktionen ihrer ex vivo isolierten ILC-Pendants. Des Weiteren, behandeln diese Daten die Einschränkungen der Unterscheidung von menschlichen NK Zellen und ILC1 sowohl in vitro als auch ex vivo an. Darüber hinaus löst diese Plattform gängige Probleme bei der Untersuchung menschlicher ILCs, wie z. B. unzureichende Zellzahlen oder die mangelnde Verfügbarkeit von Gewebeproben. Insgesamt stellt diese Arbeit eine Ressource dar, die nicht nur zur Klärung der Biologie und Differenzierung menschlicher ILCs beiträgt, sondern auch als wichtiges Instrument zur Untersuchung der Dysregulation von ILC-Funktionen dient, die bei verschiedenen entzündlichen Erkrankungen des Menschen eine Rolle spielen. / Innate lymphoid cells (ILCs) are critical effectors of innate immunity and inflammation that consist of Group 1 ILCs (natural killer (NK) cells and ILC1), ILC2, and ILC3. As tissue resident lymphocytes, they play a crucial role type 1, type 2 and type 3 immune responses, respectively. Importantly, dysregulated ILC populations have been linked to the pathogenesis of a variety of chronic inflammatory diseases and thus represent attractive therapeutic targets with a potential for autologous cell therapies. However, human ILC generation has not been systematically explored, and previous in vitro investigations have relied on the analysis of few markers or cytokines, which are suboptimal to assign lineage identity and full functional capacity. To address these faults, we present here an effective in vitro platform, which reliably generates the core human ILC lineages from CD34+ CD45RA+ hematopoietic progenitors derived from cord blood and bone marrow. With a systematic approach, this work shows that a single culture condition is insufficient to generate all ILC subsets, and instead, distinct combinations of cytokines and Notch signaling are essential for lineage fate making decisions. In depth transcriptomic analysis revealed that acquisition of CD161 robustly identifies a global ILC signature and separates them from T cell signatures in vitro. The identity of specific ILC subsets, (NK cells and ILC1, ILC2, and ILC3) generated in vitro was validated extensively by protein expression, functional assays, and both global and single-cell transcriptome analysis. These in vitro generated ILC subsets recapitulate the signatures and functions of their ex vivo ILC counterparts. Finally, these data shed light on the limitations in untying the identity of human NK cells and ILC1 in vitro, similarly correlating to lineage identification difficulties ex vivo. Additionally, this platform tackles common problems in human ILC studies such as insufficient cell numbers and scarce availability of tissue samples. Altogether, this work presents a resource not only to aid in clarifying human ILC biology and differentiation, but also to serve as an important tool to study dysregulation of ILC functions, which have been implied in various inflammatory diseases in humans.

The principle of trained immunity represents innate immune memory due to sustained, mainly epigenetic, changes triggered by endogenous or exogenous stimuli in bone marrow (BM) progenitors (central trained immunity) and their innate immune cell progeny, thereby triggering elevated responsiveness against secondary stimuli. BM progenitors can respond to microbial and sterile signals, thereby possibly acquiring trained immunity-mediated long-lasting alterations that may shape the fate and function of their progeny, for example, neutrophils. Neutrophils, the most abundant innate immune cell population, are produced in the BM from committed progenitor cells in a process designated granulopoiesis. Neutrophils are the first responders against infectious or inflammatory challenges and have versatile functions in immunity. Together with other innate immune cells, neutrophils are effectors of peripheral trained immunity. However, given the short lifetime of neutrophils, their ability to acquire immunological memory may lie in the central training of their BM progenitors resulting in generation of reprogrammed, that is, “trained”, neutrophils. Although trained immunity may have beneficial effects in infection or cancer, it may also mediate detrimental outcomes in chronic inflammation. Here, we review the emerging research area of trained immunity with a particular emphasis on the role of neutrophils and granulopoiesis.

Functional impairment of the bone marrow (BM) niche has been suggested as a major reason for prolonged cytopenia and secondary graft failure after allogeneic hematopoietic cell transplantation (alloHCT). Because mesenchymal stromal cells (MSCs) serve as multipotent progenitors for several niche components in the BM, they might play a key role in this process. We used collagenase digested trephine biopsies to directly quantify MSCs in 73 patients before (n = 18) and/or after alloHCT (n = 65). For the first time, we demonstrate that acute graft-versus-host disease (aGvHD, n = 39) is associated with a significant decrease in MSC numbers. MSC reduction can be observed even before the clinical onset of aGvHD (n = 10). Assessing MSCs instantly after biopsy collection revealed phenotypic and functional differences depending on the occurrence of aGvHD. These differences vanished during ex vivo expansion. The MSC endotypes observed revealed an enhanced population of donor-derived classical dendritic cells type 1 and alloreactive T cells as the causing agent for compartmental inflammation and MSC damage before clinical onset of aGvHD was ascertained. In conclusion, MSCs endotypes may constitute a predisposing conductor of alloreactivity after alloHCT preceding the clinical diagnosis of aGvHD.

The availability of several methods to unambiguously mark individual cells has strongly fostered the understanding of clonal developments in hematopoiesis and other stem cell driven regenerative tissues. While cellular barcoding is the method of choice for experimental studies, patients that underwent gene therapy carry a unique insertional mark within the transplanted cells originating from the integration of the retroviral vector. Close monitoring of such patients allows accessing their clonal dynamics, however, the early detection of events that predict monoclonal conversion and potentially the onset of leukemia are beneficial for treatment. We developed a simple mathematical model of a self-stabilizing hematopoietic stem cell population to generate a wide range of possible clonal developments, reproducing typical, experimentally and clinically observed scenarios. We use the resulting model scenarios to suggest and test a set of statistical measures that should allow for an interpretation and classification of relevant clonal dynamics. Apart from the assessment of several established diversity indices we suggest a measure that quantifies the extension to which the increase in the size of one clone is attributed to the total loss in the size of all other clones. By evaluating the change in relative clone sizes between consecutive measurements, the suggested measure, referred to as maximum relative clonal expansion (mRCE), proves to be highly sensitive in the detection of rapidly expanding cell clones prior to their dominant manifestation. This predictive potential places the mRCE as a suitable means for the early recognition of leukemogenesis especially in gene therapy patients that are closely monitored. Our model based approach illustrates how simulation studies can actively support the design and evaluation of preclinical strategies for the analysis and risk evaluation of clonal developments.

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