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Einfluss der CD44-Standardisoform und der CD44-varianten Isoformen auf den Erhalt des hämatopoetischen und leukämischen Stammzellpotenzials

Taubert, Isabel

English Title: The influence of the CD44 standard isoform and the CD44 variant isoforms on the maintenance of the hematopoietic and leukemic stem cell potential

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PDF, German
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Abstract

Hämatopoetische Stammzellen (HSCs) und leukämische Stammzellen (LSCs) benötigen ein spezielles Mikromilieu im Knochenmark, die sogenannte Stammzellnische, um ihre Stammzelleigenschaften, wie beispielsweise die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und ihre niedrige Proliferationsrate, aufrecht zu erhalten. Eine Verdrängung der Stammzellen aus ihrer Nische geht mit einem Verlust dieser Eigenschaften einher und könnte daher die Therapieresistenz der LSCs durchbrechen. Für die Regulationsmechanismen innerhalb der Stammzellnische spielen eine Vielzahl von Molekülen, unter anderem auch das Adhäsionsmolekül CD44, eine wichtige Rolle. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der CD44-Standardisoform (CD44s) und der CD44-varianten Isoformen (CD44v) auf die Interaktion von HSCs und LSCs mit mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und Hyaluronsäure, als Bestandteilen der Stammzellnische, untersucht. Dazu wurden zunächst verschiedene Subpopulationen gesunder humaner hämatopoetischer Vorläuferzellen aus Nabelschnurblut, mobilisiertem Peripherblut und Knochenmark, sowie verschiedene leukämische Stammzellkandidaten aus Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) auf ihre CD44s- und CD44v-Expression untersucht. Sowohl in gesunden als auch in leukämischen Zellen wurden dieselben alternativ gespleißten variablen CD44-Exonprodukte gefunden. In HSCs fand man generell nur eine schwache CD44v-Expression, die aber in den Zellen aus Knochenmark, also in HSCs, die in Kontakt zu ihrer Nische waren, im Vergleich zu denen aus Nabelschnurblut und mobilisiertem Peripherblut höher war. In LSCs aus AML-Patienten fand man eine sehr heterogene Verteilung der CD44v-Expression, die entweder niedriger, gleichhoch, höher oder viel höher war im Vergleich zu den HSCs. In leukämischen Zelllinien konnte eine zellzyklusabhängige CD44v-Expression festgestellt werden. Diese Beobachtung war auch in Übereinstimmung mit dem Anstieg der CD44v-Expression, der bei HSCs mit zunehmender Differenzierung beobachtet werden konnte. Im Falle von CD44v7 war dieser Anstieg nach Kokultur mit MSCs sogar noch höher als bei HSCs, die ohne MSCs kultiviert wurden. Die CD44v-Expression ist somit eine im Differenzierungsprozess erworbene Eigenschaft, wobei myeloide Zellen eine höhere Expression der CD44-Varianten zeigten als lymphoide. Grundsätzlich förderte die Kokultur mit MSCs bzw. Hyaluronsäure den Selbsterhalt, aber auch die Differenzierung von HSCs. Die Ligation von CD44s mit dem Antikörper A3D8 induzierte Apoptose in HSCs und leukämischen Zelllinien, wobei der Effekt in den leukämischen Zellen stärker war als in den gesunden Zellen. Nach Kokultur mit MSCs konnte der apoptotische Effekt durch A3D8 auf die HSCs noch verstärkt werden. Unter Verwendung eines Mikrofluidik-Assays konnte gezeigt werden, dass Scherströmung die Adhäsion und das Rolling von CD44-exprimierenden leukämischen Zelllinien und HSCs an Hyaluronsäure induziert, was für verschiedene Prozesse wie beispielsweise Homing, Engraftment und das Verbleiben der Stammzellen in ihrer Nische von Bedeutung sein könnte. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die CD44-Standardisoform und die CD44-varianten Isoformen zur Erhaltung der Stammzelleigenschaften beitragen und dass es zwischen HSCs und LSCs Unterschiede in der CD44v-Expression sowie in ihrer Reaktion auf CD44-Ligation gibt, die wichtig für die Prognose in AML-Patienten sowie für die Entwicklung neuer AML-Therapien sein könnten.

Translation of abstract (English)

Hematopoietic stem cells (HSCs) and leukemic stem cells (LSCs) need a special microenvironment in the bone marrow, the so-called stem cell niche, to sustain their stem cell properties, like their ability to self-renew and their low proliferation rate. An extrusion of the stem cells out of their niche leads to a loss of the properties and could therefore burst the therapy resistance of the LSCs. To regulate the different mechanisms in the stem cell niche a lot of molecules, like the adhesion molecule CD44, are involved. In this work the influence of the CD44 standard form (CD44s) and the CD44 variant isoforms on the interaction of HSCs and LSCs with mesenchymal stem cells (MSCs) and hyaluronic acid, both parts of the stem cell niche, was investigated. Therefore we analyzed the CD44s and CD44 variant isoform expression in different healthy subpopulations of human hematopoietic progenitor cells from cord blood, mobilized peripheral blood and bone marrow, as well as of leukemic stem cell candidates from patients with acute myeloid leukemia (AML). Both healthy and leukemic cells expressed the same alternatively spliced variant CD44 exon products. In HSCs there was only a weak CD44 variant isoform expression detectable, which was higher in cells from bone marrow, i.e. in HSCs which were in contact with their niche, in comparison to cells from cord blood or mobilized peripheral blood. LSCs from patients with AML showed a quite heterogeneous distribution in the expression of the CD44 variant isoforms, which was lower, equal, higher or much higher in comparison to the HSCs. Leukemic cell lines showed a cell cycle dependent expression of the CD44 variant isoforms. This observation was in line with the increase of the CD44 variant isoform expression in HSCs during differentiation. In the case of CD44v7 this increase was even higher after co-culture with MSCs.Thus the CD44 variant isoform expression is a property of differentiation and is higher in myeloid than in lymphoid cells. In general the co-culture with MSCs or rather hyaluronic acid was important for the HSCs to self-renew but also to differentiate. Ligation of CD44s with the antibody A3D8 induced apoptosis in HSCs and leukemic cell lines, but the effect in leukemic cells was stronger than in healthy cells. After co-culture with MSCs the apoptotic effect of A3D8 on the HSCs was even higher. By using a microfluidic system it was shown that shear stress induced adhesion and rolling of CD44 expressing leukemic cell lines and HSCs on hyaluronic acid. This could be important for different processes, like homing, engraftment and retention of stem cells in their niche. Altogether the results of this work show the participation of CD44s and CD44 variant isoforms in the maintenance of the stem cell properties. Furthermore there are differences in the expression of CD44 variant isoforms between HSCs and LSCs as well as in their reaction to CD44 ligation, which could be important for the prognosis of patients with AML and for the development of new therapies for AML.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Buselmaier, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 7. June 2011
Date Deposited: 09. Jun 2011 11:38
Date: 2011
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Medizinische Universitäts-Klinik und Poliklinik
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: CD44 , HSC , LSC , AdhäsionCD44 , HSC , LSC , adhesion
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