A Comparison between Three Graft Manipulation Methods for Haploidentical Stem Cell Transplantation in Pediatric Patients: Preliminary Results of a Pilot Study

Abstract

Transplantation of hematopoietic stem cells from mismatched related donors makes a potential donor available for every child in need of stem cell transplantation. Here, we compare three different graft manipulation methods in patients with leukemias and lymphomas: positive selection of stem cells with either CD34 (n = 39) or CD133-coated magnetic microbeads (n = 14) and a new strategy which depletes T- and B-cells through the use of CD3- and CD19-coated microbeads (n = 11). Median purity of stem cells was comparable after CD34⁺-selection and CD133⁺-selection, whereas stem cells were only slightly enriched after CD3⁺/CD19⁺-depletion (97.5 %, 93.4 % and 1.02 %). Indirect depletion of T-cells by positive selection resulted in 1 × 10⁴ (median) residual CD3⁺-cells/kg (0.7-3 × 10⁴). Patients with CD3/CD19-depleted grafts received 3.2 × 10⁴ (median) (0.7-16 × 10⁴) residual T-cells/kg. Those grafts also comprised NK-cells (median number: 86 × 10⁶/kg), dendritic cells and monocytes/granulocytes. Primary engraftment of the stem cell products was comparable after CD34- and CD133-selection (85 and 72 %). In the CD3/CD19 group, 91 % had a primary engraftment. After reconditioning, all patients (64/64) were finally engrafted. Patients with CD34-selected or CD133-selected grafts had similar incidences of a GvHD II-IV (3 and7 %), whereas a GvHD was slightly increased in patients receiving CD3/CD19-depleted cells (27 %). Reconstitution of CD3⁺ T-cells was faster in the CD3/CD19 group than in the CD34 or CD133 group. These preliminary results indicate, that CD3/CD19-selected grafts may be advantageous regarding engraftment and immunoreconstitution. Since effector cell with potential antileukemic activity are cotransfused, such grafts may be suited in particular for patients with insufficient remission.

Zusammenfassung

Mittels immunomagnetischer Methoden zur Bearbeitung hämatopoetischer Stammzellen ist es möglich, Transplantate auch von HLA nichtidentischen Familienspendern zu gewinnen. Für die klinische Praxis bedeutet dies, dass prinzipiell für jedes Kind Spender in Gestalt seiner Eltern verfügbar sind. In der vorliegende Arbeit werden 3 Methoden zur Stammzellbearbeitung für Kinder mit malignen hämatologischen Erkrankungen verglichen: die Positivselektion von Stammzellen mittels magnetischer Mikrobeads, die mit Antikörpern gegen das CD34- oder CD133-Antigen beschichtet sind sowie eine neue Methode, bei der T- und B-Zellen mitttels antiCD3 und antiCD19 beschichteter Mikrobeads aus dem Transplantat entfernt werden und die Stammzellen unverändert bleiben. Die Reinheit der Stammzellen war nach Aufreinigung (Positivselektion) mit CD34-Beads oder mit CD133-Beads vergleichbar, währen nach Entfernung von T- und B-Zellen (CD3/CD19-Depletion) nur eine leichte indirekte Anreicherung erzielt wurde (Mediane: 97,5 %, 93,4 % und 1,02 %). Durch die Positivselektion der Stammzellen wurden T-Zellen effektiv aus dem Transplantat entfernt (im Median verblieben 1 × 10⁴ CD3⁺-Zellen/kg im Transplantat). Patienten mit CD3/CD19 depletierten Transplantaten erhielten im Median 3,2 × 10⁴ verbleibende T-Zellen/kg. Diese Transplantate enthielten zusätzlich natürliche Killerzellen (Median: 86 × 10⁶/kg), dendritische Zellen sowie Monozyten/Granulozyten. Nach CD34-Selektion und CD133-Selektion wurde ein Anwachsen des Transplantates (primäres Engraftment) bei 85 und 72 % der Patienten beobachtet, nach CD3/CD19-Depletion bei 91 %. Nach Rekonditionierung konnte allerdings bei allen Patienten ein Engraftment erzielt werden. Die Rate an akuter Graft versus Host Erkrankung (GvHD) Grad II-IV war ähnlich nach CD34-Selektion und CD133-Selektion (3 und 7 %), während nach CD3/CD19-Depletion eine etwas höherer Rate auftrat (27 %). Die Regeneration CD3⁺ T-Zellen war schneller nach CD3/CD19-Depletion als nach Positivselektion. Diese noch vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass CD3/CD19 depletierte Transplantate Vorteile hinsichtlich Engraftment und Immunrekonstitution bieten. Da zudem Effektorzellen mit einer prinzipiell möglichen antileukämischen Wirkung mitinfundiert werden, halten wir solche Transplantate insbesondere sinnvoll für Patienten mit ungenügender Remission und somit hohem Rezidivrisiko.

Haploidentical - stem cell transplantation - graft manipulation - CD34-selection - CD3/CD19-depletion

haploidentisch - Stammzelltransplantation - Graft-Manipulation - CD34-Selektion - CD3/CD19-Depletion

References

• 1 Aversa F, Terenzi A, Felicini R, Tabilio A, Falzetti F, Carotti A, Falcinelli F, Sodani P, Amici A, Zucchetti P, Mazzarino I, Martelli M F. Mismatched T cell-depleted hematopoietic stem cell transplantation for children with high-risk acute leukemia.  Bone Marrow Transplant. 1998;  22 (Suppl 5) S29-S32
• 2 Aversa F, Velardi A, Tabilio A, Reisner Y, Martelli M F. Haploidentical stem cell transplantation in leukemia.  Blood Rev. 2001;  15 111-119
• 3 Barfield R C, Otto M, Houston J, Holladay M, Geiger T, Martin J, Leimig T, Gordon P, Chen X, Handgretinger R. A one-step large-scale method for T- and B-cell depletion of mobilized PBSC for allogeneic transplantation.  Cytotherapy. 2004;  6 1-6
• 4 Borgmann A, Stackelberg A von, Hartmann R, Ebell W, Klingebiel T, Peters C, Henze G. Unrelated donor stem cell transplantation compared with chemotherapy for children with acute lymphoblastic leukemia in a second remission: a matched-pair analysis.  Blood. 2003;  101 3835-3839
• 5 Bunin N, Carston M, Wall D, Adams R, Casper J, Kamani N, King R. Unrelated marrow transplantation for children with acute lymphoblastic leukemia in second remission.  Blood. 2002;  99 3151-3157
• 6 Friedrich W, Honig M, Schulz A, Muller S M. Immune reconstitution in congenital disorders after HLA-haploidentical hemopoietic stem cell transplantation.  Blood Cells Mol Dis. 2004;  33 291-293
• 7 Handgretinger R, Klingebiel T, Lang P, Schumm M, Neu S, Geiselhart A, Bader P, Schlegel P G, Greil J, Stachel D, Herzog R J, Niethammer D. Megadose transplantation of purified peripheral blood CD34(+) progenitor cells from HLA-mismatched parental donors in children.  Bone Marrow Transplant. 2001;  27 777-783
• 8 Lang P, Handgretinger R, Niethammer D, Schlegel P G, Schumm M, Greil J, Bader P, Engel C, Scheel-Walter H, Eyrich M, Klingebiel T. Transplantation of highly purified CD34(+) progenitor cells from unrelated donors in pediatric leukemia.  Blood. 2003;  101 1630-1636
• 9 Lang P, Klingebiel T, Bader P, Greil J, Schumm M, Schlegel P G, Eyrich M, Mueller-Weihrich S, Niethammer D, Handgretinger R. Transplantation of highly purified peripheral-blood CD34(+) progenitor cells from related and unrelated donors in children with nonmalignant diseases.  Bone Marrow Transplantation. 2004;  33 25-32
• 10 Lang P, Greil J, Bader P, Handgretinger R, Klingebiel T, Schumm M, Schlegel P G, Feuchtinger T, Pfeiffer M, Scheel-Walter H, Fuhrer M, Martin D, Niethammer D. Long-term outcome after haploidentical stem cell transplantation in children.  Blood Cells Mol Dis. 2004;  33 281-287
• 11 Lang P, Greil J, Schumm M, Pfeiffer M, Bethge W, Handgretinger R, Niethammer D, Bader P. Use of CD3+/CD19+ depleted grafts from mismatched related donors in children.  Bone Marrow Transplantation. 2004;  33 S94
• 12 Lang P, Bader P, Schumm M, Feuchtinger T, Einsele H, Fuhrer M, Weinstock C, Handgretinger R, Kuci S, Martin D, Niethammer D, Greil J. Transplantation of a combination of CD133(+) and CD34(+) selected progenitor cells from alternative donors.  British Journal of Haematology. 2004;  124 72-79
• 13 Locatelli F, Zecca M, Messina C, Rondelli R, Lanino E, Sacchi N, Uderzo C, Fagioli F, Conter V, Bonetti F, Favre C, Porta F, Giorgiani G, Pession A. Improvement over time in outcome for children with acute lymphoblastic leukemia in second remission given hematopoietic stem cell transplantation from unrelated donors.  Leukemia. 2002;  16 2228-2237
• 14 Sauer M, Grewal S, Peters C. Hematopoietic stem cell transplantation for mucopolysaccharidoses and leukodystrophies.  Klin Padiatr. 2004;  216 163-168
• 15 Schonberger S, Niehues T, Meisel R, Bernbeck B, Laws H J, Kogler G, Enzmann J, Wernet P, Gobel U, Dilloo D. Transplantation of haematopoietic stem cells derived from cord blood, bone marrow or peripheral blood: a single centre matched-pair analysis in a heterogeneous risk population.  Klin Padiatr. 2004;  216 356-363