Applicazioni immunologiche delle cellule staminali nel diabete di tipo 1

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1 Applicazioni immunologiche delle cellule staminali nel diabete di tipo 1 Paolo Fiorina, MD PhD Harvard Medical School, Boston Boston Children s Hospital Ospedale San Raffaele, Milano San Raffaele Scientific Institute

2 Disclosure Io ho relazione finanziarie con: - Sorgente

3 Le cellule staminali nel diabete di tipo 1 1. Introduzione 2. Cellule staminali embrionali (ESCs) 3. Cellule staminali cordonali (CB-SCs) 4. Cellule staminali mesenchimali (MSCs) 5. Cellule staminali ematopoietiche (HSCs) 6. Conclusioni

5 I miss one piece

6 Il diabete di tipo 1 (T1D) e una malattia autoimmune Nel T1D manca l insulina a causa della distruzione autoimmune delle cellule nel pancreas Nel T1D si trovano autoanticorpi contro antigeni insulari (insulin, GAD 65, IA-2 -ICA512) Nel T1D si riscontra una risposta dei linfociti T contro le proteine insulari T1D e una malattia rara? Sempre meno (5 su,)

7 Meccanismi cellulari del T1D Target NK CD4CD25 β cells β cells βcells β cells β cells β cells β cells B Tc1 MO Cellule effetrici Tr1 Th1 Th2 Th3 NKT Cellule Regolatorie B cells

8 Approcci terapeutici proposti per il T1D Immunoterapia Molti efetti collaterali (Herold KC. NEJM 22) Trapianto di Pancreas Chirurgia maggiore (Gruessner RW. JAMA 23) Previene complicanze T1D (Fiorina P. Diabetes 21) Trapianto di Isole 2% di funzione dopo 3 anni (Shapiro AM. NEJM 21) Previene complicanze (Fiorina P. Diabetes Care 23)

9 Immunoterapia Ben Nasr M et al. Manuscript in Preparation

10 Trapianto di pancreas Primo fatto nel 1966 Ottimo compenso glicemico Chirurgia maggiore Terapia immunosuppressione Pochi organi Fiorina P et al. JASN 21

11 Trapianto di isole Meno rischio chirurgico Meno immunosoppressione Funzionano x 2-3 anni.prevengono le complicanze del diabete Fiorina P et al. JASN 23 Fiorina P et al. Diabetes Care 25 Fiorina P et al. Diabetes Care 27

12 Le cellule staminali Le cellule staminali possono essere usate con due scopi: Scopo 1 Proprieta rigenerative Scopo 2 Proprieta Immunoregolatorie

13 Storia naturale del T1D Numero di cellule producenti insulina Ipotetici fattori ambientali Proprieta immunoregolatrici delle cellule staminali Proprieta rigenerative delle cellule staminali Autoimmunita cellulare Autoanticorpi (ICA, IAA, ANTI-GAD65, IA2AB) Predisposizione genetica Danno insulareinsulite Intolleranza al glucosio (OGTT) Prediabete Esordio clinico Diabete Tempo

14 Classificazione delle cellule staminali Francese RM and Fiorina P. Clin Immunol (2)

16 Immunogenicita delle ESCs - Bassa espressione delle molecole MHC class I - Assente espressione delle molecole MHC class II and costimulatorie Ohtsukaet S et al. Gene Therapy 28 Zouet GM et al. Transplant Proc 23 Bonde S. et Al. Stem Cells 26

17 Effetti delle ESCs sul sistema immune In vitro mescs bloccano attivazione delle APC In vitro mescs bloccano la attivazione delle T cell In vivo mescs inducono tolleranza verso graft ESCs rilasciano VEGF, IGF-I, and IL-, IL-1, IL-6 and TNF, SDF1/CXCL12 Drukker M,. Stem Cells 26 Fandrich F, Nat Med 22 Lee JS et al. Cell Transplant 2

18 ESCs prolungano la sopravvivenza del graft WKY ESCs iniettate nella vena porta in fully MHC-mismatched DA rats prolungano la sopravvivenza dell organo trapiantato CFDA labeled WKY derived ESCs are detected (D7) in liver, LN, spleen and thymus of DA rats Fandrich F, Nat Med 22

19 ESCs Pros and cons Pros: Elevata plasticita e pluripotency Cons: Tumorigenesis Aumentare lo stato differenziativo (timidinekinase) o incapsulamento Considerazioni etiche kill-gene strategy

21 Le cellule staminali cordonali (CB-SCs) o - Le CB-SCs vengono raccolte alla nascita - Le CB-SCs sono cellule che si auto rinnovano o - Le CB-SCs danno origine ad una varieta di tessuti Rogers I et al. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol 24

22 Il numero di tx da staminali cordonali ha superato quello dei tx da staminali midollari Fonte: Bone Marrow and Cord Blood Donation and Transplantation

23 CB-MSC caratteristiche % of Max % of Max % of Max % of Max % of Max % of Max % of Max % of Max % of Max FL2-H CD FL1-H 3 CD FL4-H CD FL4-H 3 HLA-ABC FL2-H CD FL1-H CD FL2-H 3 4 CD FL4-H HLA-DR FL1-H 3 CD58 4 % of Max 8 % of Max 8 % of Max 8 % of Max 8 % of Max 8 % of Max 8 % of Max 8 % of Max FL2-H CD FL1-H 3 CD FL2-H CD4 Osteo Alizarin red staining FL2-H 3 4 CD19 Adipo Oil red staining 1 2 FL2-H 3 CD FL4-H CD FL1-H CD FL1-H CD FL2-H CD86 Chondro Safranin-O staining Abdi R et al. Manuscript in Preparation

24 Immunogenicita delle CB-SCs CB-SCs are immature immuno privileged cells CB-HSCs generate less GVHD compared to BM-HSCs Undifferentiated CB-MSCs express very low levels of MHC class I, but not class II, CD4, CD4L, CD8, CD86 Incapable of inducing allogeneic PBMC proliferation CB-SCs rilasciano IL-8, MCP-1, IL-1, IL-6, IL-8, tissue inhibitor of metalloproteinases 1-2 Francese R/Fiorina P. Clin Immunology 2 Wang M et al. Immunology 29 Newman MB et al. Exp Neurol 26 Castellani ML et al. Pharmacol Res 27

25 Effetto delle CB-SCs sul sistema immune Abdi R et al. Manuscript In preparation

26 CB-SCs nel T1D Zhao Y et al. PLoS ONE 29

27 CB-SCs nel T1D N=23 pts con nuova diagnosi di T1D Haller MJ et al. Diabetes Care 29

28 CB-SCs Pros and cons Pros: Raccolta safe Alta plasticita come testimoniata dal basso rate di GVHD, and Alto potenziale rigenerativo Cons: La quantita di cellule raccolte e ancora bassa (protocolli di espansione) Servono Trials clinici piu ampi Francese R and Fiorina P. Clin Immunology 2

30 Caratteristiche delle MSCs MSCs sono: Cellule stromali multipotenti localizzate nel midollo (.2%) caratterizate da estesa capacita proliferativa negative per CD34, CD31, CD117, CD45, CD14, CD11a positive per CD5 (SH2), CD73 (SH3/4), CD44, CD166 (VCAM) Abdi R/Fiorina P et al. Diabetes 28

31 Immunogenicita delle MSCs Prockop DJ et al. Science, 1997 Fiorina P et al. J Immunol 29

32 Le MSCs hanno un Serpin protease inhibitor 6 (Spi6) che blocca citotossicita Counts Isotype Ab MSC CELL KILLING ASSAY (E:T= 5:1) CELL LYSIS OF SPI6 + GrB Inhibitor C SPI * Percent Lysis of M SC PERCENT LYSIS * * El Hassad N et al. Blood 211

33 Le MSCs curano il diabete nei topi NOD Insulin pellet Insulin pellet BALB/c MSC-treated (n=8) Control (n=6) Time after treatment BALB/c MSC-treated, MST=45.5 days Control, MST=15.5 days % of normoglycemic Glucoe levels (mg/dl) P= Days after treatment Fiorina P et al. J Immunol 29

34 MSCs da topi resistenti al diabete curano il diabete Insulin pellet 6 * Control NOR MSC-treated Weeks post diabetes onset % Normoglycemic Blood glucose 7 NOR MSC-treated (n=2) 8 Control (n=29) Weeks after treatment Jurewicz M et al. Diabetes 211

35 Le MSCs curano il diabete nei topi NOD BALB/c MSC day 14 BALB/c MSC day 9 B22 CD3 H&E Control day 14 Fiorina P et al. J Immunol 29

36 Il meccanismo sembra essere mediato da una produzione di IL-6 -anti-il CD 11b CD 11b C D1 1b Ly6c C D11b Ly6c 3 4 * Ly6c Ly6c * * 4 2 CD11b MSC anti-il MSC anti-il MSC anti-il-6 Ly-6c -anti-il-6 Giemsa showed lower nuclear/cytoplasmic ratio with MSCs, and IL-6 blockade abrogate this effect Ly-6cint Ly-6chigh 45 2 CD11b CD11c CD11b+CD11c CD11b CD11c CD11b CD11c CD11c CD11b 3 CD11b 3 4 CD11c +anti-il MSC -anti-il-6 4 -MSC +anti-il-6 4 +anti-il-6 -MSC +MSC Jurewicz M et al. Diabetes 2

37 BALB/C-MSC NOD-MSC Le MSCs formano tumori Fiorina P et al. J Immunol 29

38 !! MSC Warning!! MSCs: Sviluppano abnormalita cromosomiche Possono diventare celleule neoplastiche generano fibrosarcomi in topi immunodeficient Miura M et al. Stem Cells 26 Tolar J et al. Stem Cells 27 Li H et al. Cancer Res 27 Serakinci N et al. Oncogene 24

39 MSCs Pros and cons Pros: Facili da espandere Facili da manipolare Cons: Oncogenicita? Formazione di tessuto ectopico Francese R and Fiorina P. Clin Immunology 2

41 Effetto delle HSCs sul sistema immune o o Bachar-Lustig E et al. Nat Med 1995 Kared H et al. Blood 28

42 HSCs in T1D: Voltarelli Trial 23 pts con T1D Autologous Nonmyeloablative HSC tx Eta Primary End Point: feasibility/safety and efficacy, EIR, C-peptide, HbA1c HSC mobilization (Cy + G-CSF), harvesting (leukapheresis) and freezing Day -5 -> -1 conditioning con Cy+ATG Day -> reinfusion of thawed HSC From day +1 -> G-CSF until neutrophils recovery 12/23 pts insulino indipendenti a 3 mesi di follow up Voltarelli J et al. JAMA 27 Couri CE et al. JAMA 29

43 HSCs in T1D: Voltarelli Trial Couri CEB et al. JAMA 29

44 HSCs in T1D: Voltarelli Trial Couri CEB et al. JAMA 29

45 HSCs in T1D: Shangai Trial 28 pts con T1D -- Autologous Nonmyeloablative HSC tx Eta 14 3 anni Induzione con Cy+ATG Cyclophosphamide iv 5 mg/kg/day on days 5, 4, 3, and 2 ATG day 5 of.5 mg/kg, then 1 mg/kg/day on days 4, 3, 2 15/28 pts insulino indipendenti at ~19.3 mesi di follow up Gu W et al. Diabetes Care 212

46 Shangai Trial Gu W et al. Diabetes Care 212

47 HSCs Pros and cons Pros: Le HSCs sono facilmente ottenibili Non danno tessuto ectopico ne tumori La risposta clinica e rapida Cons: Ricorrenza della malattia Il regime di condizionamento era potenzialente forte Francese R and Fiorina P. Clin Immunology 2

49 Problemi ancora irrisolti con le staminali Quale fonte usare (midollo, cordone, sangue, etc) Allogeniche o autologhe? Quanto infondere e frequenza? Serve una terapia immunosoppressiva concomintante? Attenzione alla formazione di tessuto ectopico Attenzione alla formazione di tumori Abdi R, Fiorina P et al. Diabetes 28

50 MSCs CBSCs HSCs/MSCs HSCs Study Year Identifier Site and PI Phase I/II, Autologous MSC infusion in new onset T1D 2 NCT Uppsala University H., PI: Carlsson, PO Upcoming Phase II, Allogeneic MSC (Prochymal) infusion in new onset T1D 28 NCT696 6 Osiris Therapeutics, Inc. Ongoing, not recruiting Phase II, Autologous CB-SC infusion with Vitamin D and Omega 3 fatty acids in recent onset T1D 29 NCT University of Florida, PI: Haller, MJ Follow up / 23 pts (Recruiting 15 pts) Phase I, Autologous CBSCs infusion in new onset T1D 29 NCT Universität München, PI: Ziegler, AG Recruiting (if CB stored at Vita34 bank) Phase I/II, Autologous bone marrow transplant in T1D/T2D 26 NCT Shandong University, PI: Kong, B Recruiting 2 pts Phase I/II, Autologous HSC transplant in new onset T1D 2 NCT Hospital Gonzalez; PI: Lavalle, FJ Recruiting 15 pts Phase II, Autologous nonmyeloablative HSC transplant in new onset T1D 28 NCT Shanghai University, PI: Ning, G Recruiting 3 pts Phase II, Autologous bone marrow arterial infusion in longstanding T1D 29 NCT University of Moron, PI: Mesples, AD Recruiting 34 pts Phase I/II, Autologous HSC transplant in new onset T1D 23 NCT31513 University of Sao Paulo, 3 PI: Voltarelli, J Source: clinicaltrial.gov Status/Recruited pts Follow up / 23 pts (Recruiting 24 pts)

51 NO M OR E I miss one piece

52 Ringraziamenti San Raffaele Scientific Institute American Diabetes Association (ADA) Juvenile Diabetes Research Foundation (JDRF) American Society of Nephrology (ASN) and many thanks to all of you!!!