Study of the alterations of myeloid-derived suppressor cells in patients with bone marrow failure syndromes and correlation with clinical and epidemiological characteristics, quality of life, and disease outcomes, including the occurrence of severe respiratory tract infections

Abstract

Cytopenia constitutes low peripheral blood (PB) cell counts of one or more of the haematopoietic lineages and can be of central origin, i.e. due to less production and/or abnormal differentiation of the precursor cells in the bone marrow (BM), or peripheral origin, i.e. due to destruction of the mature cells in the periphery. Bone marrow failure syndromes (BMFS) constitute a heterogeneous group of disorders of the haematopoietic precursors and the BM microenvironment that is characterised by cytopenias due to decreased production of one or more of the haematopoietic lineages and varying degrees of probability of progression to acute myeloid leukaemia. Chronic idiopathic neutropenia (CIN), which is one of the conditions included in the term BMFS, is characterised by the persistent and unexplained reduction of PB absolute neutrophil counts. The pathogenesis of CIN has been associated with increased apoptosis of the granulocytic progenitor cells due to an inflammatory BM microenvironment consisting of activated T lymphocytes, proinflammatory monocytes, and proapoptotic cytokines.Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) are immature myeloid cells, deviating from the standard differentiation pathway during (aberrant) myelopoiesis, that display immunomodulatory properties mainly by suppressing T-cell responses and are increased in chronic inflammation, autoimmune diseases and cancer. This study aimed at investigating the number and functional characteristics of the subpopulations of MDSCs, i.e. polymorphonuclear (PMN-) MDSCs and mononuclear (M-) MDSCs, in patients suffering from BMFS, especially patients with myelodysplastic neoplasms (MDS), aplastic anaemia (AA), and CIN, and correlate them with disease outcomes. The literature was systematically searched and a number of studies investigating the number and functionality of MDSCs in BMFS were found. Based on the systematic synthesis of the literature, MDSCs seemed to be increased in higher-risk MDS and unaffected or in smaller numbers in lower-risk MDS. The high numbers of MDSCs were correlated with poor outcomes for the patients. On the other hand, MDSCs were found to be decreased in patients with AA, while their functionality was also impaired. There were no studies, except ours, found regarding MDSCs in neutropenia of central origin and, thus, in the present study we explored for the first time the possible involvement of MDSCs in the pathophysiology of such a condition by investigating their number, functional characteristics, and transcriptome profile in a group of CIN patients and age- and sex-matched healthy controls (HCs). We found that CIN patients display significantly lower proportions of MDSCs in both the PB and BM mononuclear cell fractions compared to HCs. The MDSCs from CIN patients and HCs could suppress T cells ex vivo, but the patient MDSCs displayed differentiated transcriptome profile, compared to HCs, suggesting possible functional abnormalities of the cells in vivo. Specifically, patient MDSCs highly expressed genes related to T-cell activation/responses, while they expressed at a lower level, genes related to innate immunity functions. Genes important for cell viability, such as repair of DNA damage and response to toxic substances, are also expressed at a lower level. Based on our results, we suggest that the lower numbers and altered properties of MDSCs in CIN may contribute to the pathophysiology of the disease by sustaining/inducing the immune dysregulation. In conclusion, MDSCs are altered in numbers and functionality in patients with BMFS and these alterations may be correlated with poor disease outcomes. We expect that the results of our study will highlight the role of MDSCs as new therapeutic target for these patients as well as new biomarkers for disease activity and response to treatment.

Ως κυτταροπενία ορίζεται ο χαμηλότερος του φυσιολογικού αριθμός κυττάρων του περιφερικού αίματος (ΠΑ) μίας ή περισσότερων από τις αιμοποιητικές σειρές και μπορεί να είναι κεντρικής αιτιολογίας, δηλαδή λόγω μικρότερης παραγωγής ή/και μη φυσιολογικής διαφοροποίησης των πρόδρομων κυττάρων στον μυελό των οστών (ΜΟ), ή περιφερικής προέλευσης, δηλαδή λόγω καταστροφής των ώριμων κυττάρων στην περιφέρεια. Τα σύνδρομα μυελικής ανεπάρκειας (BMFS) αποτελούν μία ετερογενή ομάδα διαταραχών των πρόδρομων αιμοποιητικών κυττάρων και του μικροπεριβάλλοντος του ΜΟ και χαρακτηρίζονται από κυτταροπενίες λόγω μειωμένης παραγωγής μίας ή περισσότερων από τις αιμοποιητικές σειρές και ποικίλου βαθμού πιθανότητας εξέλιξης σε οξεία λευχαιμία. Η χρόνια ιδιοπαθής ουδετεροπενία (CIN), η οποία είναι μία από τις καταστάσεις που περιλαμβάνονται στον όρο BMFS, χαρακτηρίζεται από την επίμονη και ανεξήγητη μείωση του απόλυτου αριθμού ουδετερόφιλων στο ΠΑ. Η παθογένεια της CIN έχει συσχετιστεί με αυξημένη απόπτωση προγονικών κυττάρων της κοκκιοκυτταρικής σειράς λόγω ενός φλεγμονώδους μικροπεριβάλλοντος στο ΜΟ που αποτελείται από ενεργοποιημένα Τ λεμφοκύτταρα, προφλεγμονώδη μονοκύτταρα και προαποπτωτικές κυτταροκίνες. Τα μυελικά κατασταλτικά κύτταρα (MDSCs) είναι ανώριμα μυελικά κύτταρα, που αποκλίνουν από την τυπική οδό διαφοροποίησης κατά τη διάρκεια της (παρεκκλίνουσας) μυελοποίησης, εμφανίζουν ανοσοτροποποιητικές ιδιότητες κυρίως καταστέλλοντας τις αποκρίσεις των Τ κυττάρων και αυξάνονται σε καταστάσεις που εμπλέκουν χρόνια φλεγμονή, αυτοανοσία και κακοήθειες. Η παρούσα εργασία στόχευσε στη μελέτη του αριθμού και των λειτουργικών χαρακτηριστικών των υποπληθυσμών των MDSCs, δηλαδή των πολυμορφοπυρηνικών (PMN-) MDSCs και των μονοπυρηνικών (M-) MDSCs, σε ασθενείς που πάσχουν από BMFS, ιδιαίτερα σε ασθενείς με μυελοδυσπλαστικά νεοπλάσματα (MDS), απλαστική αναιμία (ΑΑ) και CIN, και στη συσχέτισή τους με χαρακτηριστικά και εκβάσεις της νόσου. Διενεργήθηκε συστηματική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και βρέθηκε ένας επαρκής αριθμός μελετών για τη διερεύνηση του αριθμού και της λειτουργικότητας των MDSCs στα BMFS. Με βάση τη συστηματική σύνθεση των δεδομένων από τη βιβλιογραφία, τα MDSCs φάνηκαν να είναι αυξημένα στα MDS υψηλού κινδύνου και ανεπηρέαστα ή σε μικρότερους πληθυσμούς στα MDS χαμηλού κινδύνου. Ο υψηλός αριθμός των MDSCs συσχετίστηκε με δυσμενείς εκβάσεις για τους ασθενείς. Αντίθετα, τα MDSCs βρέθηκαν μειωμένα σε ασθενείς με ΑΑ, ενώ και η λειτουργικότητά τους φάνηκε να είναι επηρεασμένη. Δεν βρέθηκαν μελέτες, εκτός της δικής μας, σχετικά με τα MDSCs σε ουδετεροπενίες κεντρικής αιτιολογίας και, επομένως, στην παρούσα μελέτη διερευνήσαμε για πρώτη φορά την πιθανή εμπλοκή των MDSCs στην παθοφυσιολογία μίας τέτοιας κατάστασης διερευνώντας τον αριθμό, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και το προφίλ μεταγραφής τους σε μία ομάδα ασθενών με CIN και υγιείς μάρτυρες ίδιας ηλικίας και φύλου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, οι ασθενείς με CIN παρουσιάζουν σημαντικά χαμηλότερα ποσοστά MDSCs τόσο στο κλάσμα των μονοπύρηνων κυττάρων του ΠΑ όσο και του ΜΟ σε σύγκριση με τους υγιείς μάρτυρες. Τα MDSCs από τους ασθενείς με CIN και τους υγιείς μάρτυρες είχαν την ικανότητα να καταστέλλουν τα Τ κύτταρα ex vivo, αλλά τα MDSCs των ασθενών παρουσίαζαν ένα διαφοροποιημένο προφίλ του μεταγραφώματος, σε σύγκριση με τους υγιείς μάρτυρες, υποδηλώνοντας πιθανές λειτουργικές βλάβες των κυττάρων in vivo. Συγκεκριμένα, τα MDSCs των ασθενών παρουσίασαν σε μεγαλύτερο βαθμό έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με την ενεργοποίηση/αποκρίση των Τ κυττάρων, ενώ παρουσίασαν σε χαμηλότερο βαθμό έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με τις λειτουργίες της εγγενούς ανοσίας. Γονίδια σημαντικά για τη βιωσιμότητα των κυττάρων, όπως η αποκατάσταση της βλάβης του DNA και η απόκριση σε τοξικές ουσίες, εκφράζονταν επίσης σε χαμηλότερο βαθμό. Βάσει των αποτελεσμάτων μας, υποθέτουμε ότι οι χαμηλότεροι αριθμοί και οι αλλοιωμένες ιδιότητες των MDSCs στη CIN μπορεί να συμβάλλουν στην παθοφυσιολογία της νόσου διατηρώντας ή/και προκαλώντας την ανοσολογική δυσρύθμιση. Συμπερασματικά, τα MDSCs παρουσιάζουν μεταβολές στον αριθμό και την λειτουργικότητά τους σε ασθενείς με BMFS και αυτές οι αλλαγές μπορεί να συσχετίζονται με κακή έκβαση της νόσου. Αναμένουμε ότι τα αποτελέσματα της μελέτης θα αναδείξουν τον ρόλο των MDSCs ως πιθανούς νέους θεραπευτικούς στόχους για τους ασθενείς αυτούς, καθώς και ως νέους βιολογικούς δείκτες για τη δραστηριότητα της νόσου και την ανταπόκριση στη θεραπεία.