Clinical and predictive relevance of in vitro generation of dendritic cells of leukemic origin in patients with AML and MDS

Freudenreich, Markus (2026): Clinical and predictive relevance of in vitro generation of dendritic cells of leukemic origin in patients with AML and MDS. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

For many patients suffering from acute myeloid leukemia (AML) and myelodysplastic syndrome (MDS), allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (SCT) is the sole potential curative treatment approach, but outcomes are limited by high relapse rates and severe side effects. The primary pathway of SCT for eliminating malignant cells is the graft-versus-leukemia (GvL) effect, driven by immune effector cells (IEC) of donor origin, such as cytotoxic T lymphocytes (T cells) and natural killer (NK) cells. Presenta-tion of leukemia-specific antigens by professional antigen-presenting cells (APC) is essential for trigger-ing effective anti-leukemic immune responses. Leukemic blasts exhibit insufficient stimulatory capacity due to impaired antigen-presentation, costimulatory signaling, and overexpression of inhibitory cyto-kines. Dendritic cells (DC) are potent APC that bridge innate and adoptive immunity by activating IEC and other components of the immune system. Myeloid tumor cells can be induced to differentiate ex vivo towards leukemia-derived DC (DCleu) that potentially display the full spectrum of known and unidenti-fied individual leukemic antigens. These DCleu can elicit potent IEC-mediated antileukemic immune reactions ex vivo and presumably in vivo. This cumulative thesis includes three studies aimed at gaining deeper insights into the contribution of DC to antileukemic immune responses. In publication I (as co-author), the individual dendritic cell antigen (DCA) expression profiles on naïve blasts, as well as how these profiles changed after culture, were assessed in order to refine culture meth-ods that can generate substantial quantities of DC capable of inducing antileukemic T cell reactions. Six different methods were used to generate DC from 186 patients with AML and MDS. The results showed that DCA were consistently expressed at varying levels pre-culture on leukemic cells and were upregulat-ed after culture. At least one method was effective in producing adequate amounts of DC in each patient case. IEC stimulated by these DC in a T cell enriched mixed lymphocyte culture (MLC) demonstrated cytotoxic potential against leukemic cells in a fluorolysis assay. In publication II (as co-author), we evaluated the capacity of ex vivo-generated DC to prime IEC for antileukemic activity and established predictive factors for the lytic potential of DC-primed IEC. We generated and quantified DC and various subtypes of DC from 19 AML and MDS patients and used a functional fluorolysis assay following MLC to assess the lytic capacity of primed (DC/MNC) allogeneic and autologous IEC. The results showed that DC-primed IEC exhibit superior lytic potential compared to MNC-primed or unprimed T cells. Higher frequencies of certain DC subsets were found to be linked with blast-lytic efficiency, specifically DCleu in the DC fraction (DCleu+/DC), mature (CD83+) DC, and mature migratory (CCR7+) DC. In publication III (as first author), we investigated the predictive value of ex vivo-generated DC in as-sessing treatment outcomes of AML and MDS patients undergoing SCT-based immunotherapy. DC were successfully cultured and quantified ex vivo from 69 samples of AML and MDS patients. Fre-quencies of DC and DC subsets were correlated with patients’ outcomes after SCT. It was found that elevated rates of DCleu+/DC have a highly significant correlation with improved outcomes in terms of long-term response, leukemia-free and overall survival, and longer time to relapse post-SCT. To predict patients’ outcomes, cutoff values could be established to categorize patients as long-term responders or non-responders to SCT, as well as those with extended overall and leukemia-free survival or time to relapse. We conclude that DC, particularly DCleu and mature DC, can induce the differentiation of immunocom-petent antileukemic cells ex vivo and, notably, in vivo. Ex vivo generation and quantification of DC, particularly DCleu and mature DC, and functional fluoroly-sis assays of DC-stimulated IEC may not only serve as an indicator to assess antileukemic immune reac-tions and DC functionality ex vivo, but also as an additional parameter for predicting the long-term re-sponse to SCT and evaluating patients’ therapy options. Furthermore, we demonstrated that it is feasible to generate substantial quantities of DC (e.g., for vaccination) in any AML and MDS patient, using the most effective of three previously tested methods. Our research has led to the development of novel therapies utilizing clinically approved cytokines, chem-okines, and danger signals aiming at the in vivo generation of DC from leukemic blasts. These approach-es have shown promising results in ex vivo experiments and initial clinical trials on individual patients.

Abstract

Die allogene Stammzelltransplantation (SCT) ist die einzige potenziell kurative Behandlungsoption für Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) und myelodysplastischem Syndrom (MDS), jedoch sind die Erfolgsraten trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahrzehnten aufgrund hoher Rezidivraten und schwerer Nebenwirkungen nach wie vor unbefriedigend. Der wichtigste Mechanismus der SCT für die Eradikation maligner Zellen ist der Graft-versus-Leukemia-Effekt (GvL), der durch immunkompetente Effektorzellen (IEC) wie T- und NK-Zellen des Spenders vermittelt wird. Die Präsentation tumorassozi-ierter oder tumorspezifischer Antigene durch professionelle antigenpräsentierende Zellen (APC) kann effektive antileukämische Immunantworten auslösen. Unzureichende Antigenpräsentation durch leukämi-sche Blasten, eingeschränkte Kostimulation und Überproduktion inhibitorischer Zytokine verhindern eine effiziente Immunantwort gegen aberrante Zellen. Dendritische Zellen (DC) sind potente APC und verbin-den angeborene und adaptive Immunität, indem sie IEC und andere Komponenten des Immunsystems aktivieren. Leukämische Blasten können ex vivo in DC leukämischer Herkunft (DCleu) differenziert wer-den, die potenziell das gesamte Repertoire bekannter und unbekannter individueller leukämischer Antige-ne präsentieren. Diese DCleu können ex vivo und vermutlich auch in vivo potente IEC-vermittelte anti-leukämische Immunreaktionen auslösen. Diese kumulative Dissertation umfasst drei Publikationen, die darauf abzielen, die Rolle von DC in anti-leukämischen Immunreaktionen besser zu verstehen. In Publikation I (als Co-Autor) wurden die Expressionsprofile von DC Antigenen (DCA) auf naiven Blasten sowie die Veränderung dieser Profile nach der Zellkultur untersucht. Ziel war es, bestehende DC Generierungsmethoden so zu optimieren, dass zuverlässig ausreichende Mengen an DC produziert werden können, die antileukämische IEC-Reaktionen auslösen. Es wurden sechs verschiedene Methoden ange-wandt, um DC von 186 Patienten mit AML und MDS zu generieren. Die Ergebnisse zeigten, dass DCA regelmäßig in unterschiedlichem Ausmaß auf unkultivierten Blasten exprimiert werden und nach der Kultur hochreguliert werden. Mit mindestens einer Methode konnten bei jedem Patienten ausreichende Mengen an DC erzeugt werden. Immunzellen, die von diesen DC (in T-Zell angereicherter gemischter Lymphozytenkultur (MLC)) stimuliert wurden, zeigten in einem Fluorolyse-Assay lytische Aktivität gegen leukämische Blasten. In Publikation II (als Co-Autor) untersuchten wir die Fähigkeit von ex vivo erzeugten DC, Effektorzel-len für antileukämische Reaktionen zu stimulieren, und ermittelten prädiktive Faktoren für das lytische Potenzial von DC-stimulierten IEC. Wir generierten und quantifizierten DC und verschiedene DC-Subtypen aus Proben von 19 AML- und MDS-Patienten, und verwendeten einen funktionellen Fluoroly-se-Assay, um die lytische Kapazität von DC bzw. MNC stimulierten IEC zu bewerten. Es konnte festge-stellt werden, dass DC-stimulierte im Vergleich zu MNC- oder unstimulierten IEC ein höheres lytisches Potenzial aufweisen. Ein höherer Anteil von DCleu in der DC-Fraktion, von reifen/migratorischen (CD83+, CCR7+) korrelierte mit blastenlytischer Effektivität. In Publikation III (als Erstautor) untersuchten wir einen möglichen Zusammenhang einer ex vivo DC Generierbarkeit mit dem klinischen Verlauf der Patienten nach SCT. DC wurden aus 69 Proben von AML- und MDS-Patienten erfolgreich ex vivo kultiviert und quantifiziert. Die Häufigkeit von DC (-Subtypen) wurde mit dem klinischen Verlauf der Patienten nach SCT korreliert. Es zeigte sich, dass ein höherer Anteil von DCleu in der DC-Fraktion signifikant mit langfristigem Ansprechen auf SCT, dem leukämiefreien und dem Gesamtüberleben, sowie längeren Intervallen bis zum Rezidiv nach der SCT korreliert. Zur Vorhersage des klinischen Verlaufs konnten Cutoff-Werte berechnet werden, die eine Ab-grenzung von Langzeit-Respondern zu Non-Respondern auf SCT oder von Patienten mit verlängertem leukämiefreien- oder Gesamtüberleben oder längerer Zeit bis zum Rezidiv ermöglichen. Daraus schließen wir, dass DC, insbesondere DCleu und reife DC, die Differenzierung von immunkom-petenten antileukämischen Zellen nicht nur in vitro, sondern auch in vivo induzieren können. Ex vivo Generierung und Quantifizierung von DC, insbesondere von DCleu und reifen DC, sowie funktionelle Fluorolyse-Assays von DC-stimulierten IEC können nicht nur zur Vorhersage und Bewertung von anti-leukämischen Immunreaktionen und DC-Funktionalität ex vivo dienen, sondern auch als zusätzlicher Parameter für die Vorhersage des langfristigen Ansprechens auf SCT und hilfreich bei der Evaluierung der patientenindividuellen Therapieoptionen helfen. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass es möglich ist, bei jedem Patienten mit AML und MDS ausreichende Mengen an DC (z. B. für DC basierte Impfungen) zu erzeugen, indem man die beste von drei zuvor getesteten Methoden anwendet. Unsere Forschung hat zur Entwicklung neuartiger Therapien geführt, bei denen zugelassene Medikamente (Response Modifier: Zytokine, Chemokine und Danger Signals) eingesetzt werden, um eine in vivo Dif-ferenzierung von leukämischen Blasten zu DC zu induzieren. Diese Ansätze haben in ex vivo-Experimenten und individuellen Heilversuchen vielversprechende Ergebnisse gezeigt.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: leukemia, dendritic cells, allogeneic stem cell transplantation, immunotherapy, serum free culture
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. Januar 2026
• 1. Bericht­erstatter:in: Schmetzer, Helga