Study of bone metabolism in the engraftment of hematopoietic stem cells

AIMS: HSCT (hematopoietic stem cell transplantation) is a classic example of bone marrow microenvironment and HSC (hematopoietic stem cell) interaction. The role of bone tissue and endothelium in HSC trafficking has not been adequately studied in humans. The study of bone metabolism and angiogenesis during HSCT is the subject of the present work. PATIENTS AND METHODS: 29 patients (median age 38 years, males 66%, HL 48%, NHL 45%, MM 7%) were studied. Serum from each patient was collected before HDT (d-8 for lymphomas, d-4 for multiple myeloma), at the end of HDT (d-1), after the administration of HSC (d+1), at the nadir of myelotoxicity (d+5) and at the engraftment (d+10). The following markers were studied with ELISA: 1. Bone resorption markers (CTx, TRAP5b), 2. Bone formation markers (bALP, OCN), 3. Osteoblast inhibitors (Dkk1), 4. Osteoclastogenesis regulators (RANKL, OPG), 5. Angiogenic growth factors (Ang1, Ang2). RESULTS: 1. Bone resorption markers: CTx increases (not significantly) between the initiation (d-8/-4) and the end of HDT (d-1) and decreases until the engraftment (d-1 to d+10, p=0.005). Similarly, TRAP5b increases between d-8/-4 and d-1 (p=0.005) and decreases thereafter between d-1 and d+10 (p<0.001). 2. Bone formation markers: bALP decreases until the madir of myelotoxicity (d-8/-4 to d+5, p<0.001) and increases subsequently (d+5 to d+10, p=0.048). On the contrary, OCN decreases continuously during HSCT (d-8/-4 to d+10, p<0.001). 3. Osteoblast inhibitors: Dkk1 shows a similar pattern of variation to bALP as it decreases between d-8/-4 and d+5 (p<0.001) and increases thereafter (d+5 to d+10, p=0.008). 4. Osteoclastogenesis regulators: Due to the variations observed in RANKL and OPG the ratio RANKL/OPG shows no significant difference between d-8/-4 and d+5, but it increases between d+5 and d+10 (p=0.019). 5. Angiogenic growth factors: The changes of Ang1 and Ang2 lead to a progressive reduction of the ratio Ang1/Ang2 until the nadir of myelotoxicity (d-8/-4 to d+5, p<0.001) followed by a subsequent increase (not significant) until the engraftment. Furthermore, the levels of Ang1 and the value of Ang1/Ang2 ratio at d+1 correlate significantly with time to engraftment concerning neutrophil (cc=0.932, p<0.001 and cc=0.929, p<0.001 respectively) and platelet recovery (cc=0.727, p<0.001 and cc=0.709, p<0.001 respectively). The 140 number of CD34+ cells/kg of body weight infused was associated only with time to platelet engraftment (cc=-0.438, p=0.018) in this group of patients. When these variations were compared with the corresponding ones during conventional chemotherapy (CCT) intending to HSC mobilization it was shown that the last were similar to the first implying that these changes are due to similar events both in HSCT and CCT. CONCLUSIONS: Bone metabolism is clearly altered during autologous HSCT. The observed changes could be attributed to the toxic effect of HDT. However, it seems that the stress induced by HDT leads to bone remodeling that is characterised by osteoblast activation (increase in bALP after d+5) that intends to osteoclastogenesis and osteoclast activation (increase in RANKL/OPG ratio after d+5) and not to osteoid production (declining trend in OCN, reduction in Dkk1 after d+5). Probably, the initiation phase of bone remodeling that is not characterised by osteoclast activity and bone resorption (reduction in CTx and TRAP5b) takes place during HSCT. Considering the corresponding changes in bone metabolism markers during conventional chemotherapy intending to HSC mobilization it should be assumed that bone remodeling takes place in this case too as a result of the toxicity of chemotherapy. However, in this occasion it seems that the events represent a subsequent stage -initiation of bone resorption phase of bone remodeling?- (rising trend in TRAP5b even not significant). This may be attributed to the fact that osteoblasts have a major role in the procedure of engraftment, whereas osteoclasts have a leading role in the procedure of mobilization. Regarding endothelium it seems that the endothelial barrier disrupts under the effect of chemotherapy leading to the increase of the vascular permeability (prerequisite?) both in HSCT and in conventional chemotherapy (significant reduction of Ang1/Ang2 ratio). However, in the case of HSCT the rising trend of Ang1/Ang2 ratio (even not significant) after the nadir of myelotoxicity, probably, notifies the initiation of a procedure of vascular repair (enhancing effect in hematopoiesis?). Moreover, some markers, such as Ang1 and Ang1/Ang2 ratio at d+1 might predict engraftment even more strongly than the number of CD34+ cells infused.ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ: Η αυτόλογη μεταμόσχευση αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων αποτελεί κλασσικό παράδειγμα της αλληλεπίδρασής τους με το μικροπεριβάλλον του μυελού των οστών. Ο ρόλος του οστίτη ιστού και του ενδοθηλίου στην αιμοποίηση εν γένει, αλλά και στην κυκλοφορία των αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων ειδικότερα, δεν έχει μελετηθεί επαρκώς στον άνθρωπο. Η μελέτη του οστικού μεταβολισμού και της αγγειογένεσης στην αυτόλογη μεταμόσχευση αποτελεί το αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας. ΑΣΘΕΝΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ: Μελετήθηκαν είκοσι εννέα (29) ασθενείς (διάμεση ηλικία 38 έτη, 66% άρρενες, HL 48%, NHL 45%, MM 7%). Συλλέχθηκε σε κάθε ασθενή ορός προ έναρξης της μεγαθεραπείας (d-8 για τα λεμφώματα, d-4 για το μυέλωμα), μετά το πέρας αυτής (d-1), μετά την έγχυση των αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων (d+1), στο ναδίρ της μυελοτοξικότητας (d+5) και στην εγκατάσταση του μοσχεύματος (d+10). Μετρήθηκαν με ELISA τα ακόλουθα μόρια: 1. Δείκτες οστικής απορρόφησης (CTx, TRAP5b), 2. Δείκτες οστικού σχηματισμού (bALP, OCN), 3. Αναστολείς οστεοβλαστών (Dkk1), 4. Ρυθμιστές οστεοκλαστογένεσης (RANKL, OPG), 5. Αγγειογενετικοί αυξητικοί παράγοντες (Ang1, Ang2). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ: 1. Δείκτες οστικής απορρόφησης: Το CTx αυξάνεται (μη σημαντικά) ανάμεσα στην έναρξη της μεγαθεραπείας (d-8/-4) και το πέρας αυτής (d1) και ελαττώνεται στη συνέχεια μέχρι την εγκατάσταση του μοσχεύματος (d-1 έως d+10, p=0.005). Παρόμοια, η TRAP5b εμφανίζει ανοδική τάση μεταξύ d-8/-4 και d-1 (p=0.005) και καθοδική τάση μεταξύ d-1 και d+10 (p<0.001). 2. Δείκτες οστικού σχηματισμού: Η bALP μειώνεται μέχρι το ναδίρ της μυελοτοξικότητας (d-8/-4 έως d+5, p<0.001), ενώ δείχνει να αυξάνεται από εκεί και πέρα (d+5 έως d+10, p=0.048). Απεναντίας, η OCN παρουσιάζει συνεχή πτωτική πορεία κατά τη διάρκεια της αυτόλογης μεταμόσχευσης (d-8/-4 έως d+10, p<0.001). 3. Αναστολείς οστεοβλαστών: Η Dkk1 ακολουθεί παρόμοιο μοτίβο μεταβολών με την bALP, δηλαδή αρχική ελάττωση έως το ναδίρ της μυελοτοξικότητας (d-8/-4 έως d+5, p<0.001) και επακόλουθη άνοδο (d+5 έως d+10, p=0.008). 4. Ρυθμιστές οστεοκλαστογένεσης: Ως αποτέλεσμα των παρατηρούμενων αλλαγών του RANKL και της OPG ο λόγος RANKL/OPG, ενώ δε μεταβάλλεται σημαντικά μέχρι την d+5, 136 παρουσιάζει σημαντική στατιστικά αύξηση έως την d+10 (d+5 έως d+10, p=0.019). 5. Αγγειογενετικοί αυξητικοί παράγοντες: Οι μεταβολές της Ang1 και της Ang2 οδηγούν σε σημαντική ελάττωση του λόγου Ang1/Ang2 μέχρι το ναδίρ της μυελοτοξικότητας (d-8/-4 έως d+5, p<0.001) ο οποίος εμφανίζει ανοδική τάση (μη σημαντική) εν συνέχεια έως την εγκατάσταση του μοσχεύματος. Επιπροσθέτως, τα επίπεδα της Ang1 και ο λόγος Ang1/Ang2 την ημέρα μετά την έγχυση των αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων (d+1) συσχετίσθηκαν σημαντικά με τον χρόνο εγκατάστασης του μοσχεύματος όσον αφορά στην ημέρα αιματολογικής αποκατάστασης των ουδετεροφίλων (cc=0.932, p<0.001 και cc=0.929, p<0.001 αντίστοιχα) και των αιμοπεταλίων (cc=0.727, p<0.001 και cc=0.709, p