ST2 als potentieller Biomarker für die Graft-versus-Host-Disease (GvHD) Zusammenhänge zwischen der Diversität des intestinalen Mikrobioms und der Graft-versus-Host-Disease (GvHD)

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Graft-versus-Host-Disease. Diese ist der relevante Faktor der therapieassoziierten Morbidität und Mortalität bei einer allogenen Stammzelltransplantation. Für die Studie wurden 50 adulte Probanden nach allogener Stammzelltransplantation eingeschlossen. Die klinischen und laborchemischen Daten wurden retrospektiv aus den klinischen Unterlagen gesammelt. Zusätzlich wurden zu festgelegten Zeitpunkten Stuhl- und Plasmaproben entnommen und zur Weiterverarbeitung aufbereitet. Die Weiterverarbeitung erfolgte durch Anne Kaysen (Luxembourg Centre for Systems Biomedicine, University of Luxembourg) und das Zentrallabor der Universitätsklinik des Saarlandes. Die statistische Analyse der Daten erfolgte mittels der Programme Excel und SPSS. Untersucht wurde der lösliche ST2-Rezeptor („suppression of tumorigenivity-2“) als Biomarker für die Entwicklung einer schweren GvHD und für die therapieassoziierte Mortalität. Es konnte eine signifikante Korrelation des ST2-Wertes an Tag 28 nach Stammzelltransplantation mit einem steroidresistenten Verlauf der Graft-versus-Host-Disease festgestellt werden. Zudem zeigte sich ein Zusammenhang zwischen höheren ST2-Werten an Tag 14 und Tag 28 und der Entwicklung einer schweren Graft-versus-Host-Disease. Eine Korrelation des ST2-Wertes mit der therapieassoziierten Mortalität konnte nicht festgestellt werden, wir führen dies auf die geringe Fallzahl zurück. Bestätigt werden konnte hingegen der Einfluss des Konditionierungsregimes (regulär versus dosisreduziert) auf die ST2-Werte. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit der Entwicklung von angepassten Normwerten für ST2 an das jeweilige Konditionierungsregime. Untersucht wurden zudem die Veränderungen der alpha-Diversität des intestinalen Mikrobioms unter der allogenen Stammzelltransplantation und in Hinblick auf die Entwicklung einer schweren Graft versus-Host-Disease, einer schweren Mukositis und auf das Engraftment. In der eukaryonten Gemeinschaft ergaben sich während der allogenen Stammzelltransplantation keine relevanten Veränderungen. Die prokaryonte intestinale Gemeinschaft zeigte hingegen einen drastischen Einbruch der Diversität nach Stammzelltransplantation. Trotz einer gewissen Erholungstendenz blieb diese auch langfristig (Tag 100 bis 240) unter dem Diversitätsniveau vor Transplantation. Es ergab sich kein Zusammenhang mit dem Konditionierungsregime (regulär versus dosisreduziert). Auf der Ebene der Diversität zeigte sich kein Zusammenhang zwischen dem intestinalen Mikrobiom und der Entwicklung einer schweren Mukositis. Tendenziell zeigte sich, dass eine höhere Biodiversität der Prokaryonten in der ersten Woche nach Stammzelltransplantation mit einem schnelleren Engraftment zusammenhing. Aufgrund der zu geringen Datenlage konnte keine Aussage zum Zusammenhang zwischen der Biodiversität der Prokaryonten und der Entwicklung einer schweren Graft-versus-Host Disease getroffen werden. Patienten mit einer niedrigeren Biodiversität zum Zeitpunkt des Engraftments zeigten tendenziell ein erhöhtes Mortalitätsrisiko. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit konnten die Stärken und Schwächen des löslichen ST2-Rezeptors als Marker der Graft-versus-Host-Disease in einer kleineren Kohorte getestet werden. Als alleiniger Marker scheint ST2 nicht auszureichen um Therapieentscheidungen zu beeinflussen. Vielversprechender ist hier der durch das „Mount Sinai Acute GvHD International Consortium“ entwickelte Algorithmus aus ST2 und REGα (Regenerating islet-derived 3-alpha), welcher jedoch aus Kostengründen im klinischen Alltag noch wenig Anwendung findet. (Major-Monfried et al., 2018) Die Ergebnisse dieser Arbeit bezüglich der Veränderungen des Mikrobioms können als Basis für weitere Forschung bezüglich der eng verknüpften Mikrobiom-Immunsystem- Beziehung dienen, die durch die allogene Stammzelltransplantation in ihren Grundfesten erschüttert wird. Es bleibt spannend, die komplexen immunologischen Zusammenhänge weiter zu erforschen. Das Ziel wäre hier die Risiken einer allogenen Stammzelltransplantation mittels eines gesunden Mikrobioms zu minimieren.

This dissertation is about the Graft-versus-Host Disease. The Graft-versus-Host Disease is the most important factor for therapy-associated morbidity and mortality of allogenic stem cell transplantation. 50 adult patients undergoing stem cell transplantation were included in this study. The clinical and biochemical data was extracted in retrospect from the medical files. Additionally, stool samples and plasma samples were taken at fixed time points and prepared for subsequent processing. The subsequent processing was carried out by Anne Kaysen (Luxembourg Centre for Systems Biomedicine, University of Luxembourg) and the central laboratory of the “Universitätsklinik des Saarlandes”. The data was statistically analyzed using the programs Excel and SPSS. The soluble ST2 receptor (suppression of tumorigenivity-2) was analyzed as a biomarker for severe Graft-versus-Host Disease and therapy associated mortality. We found a significant correlation between the ST2 value on day 28 after stem cell transplantation and a steroid resistant development of the GvHD. We didn’t find a correlation between ST2 and therapy associated mortality, most likely due to small case numbers. This study confirms the impact of the conditioning regime (regular versus reduced intensity) on ST2 values, proving it necessary to develop adapted standard values for different conditioning regimes. Moreover we analyzed changes in the alpha diversity of the intestinal microbiome with regard to conditioning regime, severe mucositis, engraftment and severe Graft-versus-Host Disease. The eukaryotic community didn’t present any relevant changes during the process of allogenic stem cell transplantation. In contrast the diversity of the prokaryotic community dropped severely after stem cell transplantation. Even in the long term (day 100 – 240) diversity levels didn’t reach pre-transplantation values, despite relevant recovery of the prokaryotic community. We didn’t find correlations between the chosen conditioning regime (regular versus reduced intensity) and diversity levels of the microbiome. At the diversity level, no association was found between the state of health of the intestinal microbiome and the development of severe mucositis. There was a trend towards faster engraftment in patients with higher diversity levels in the first week after stem cell transplantation. Due to small case numbers we couldn’t form a conclusion concerning the assumed connection between lower diversity levels and severe Graft-versus-host Disease. We observed a tendency for higher mortality risk in patients with lower biodiversity at engraftment. In this study we tested the strengths and weaknesses of the soluble ST2-receptor as biomarker for the Graft-versus-host Disease in a smaller cohort. ST2 doesn’t seem to be sufficient as a sole marker to influence treatment decisions. The algorithm of ST2 and REGα (Regenerating islet-derived 3-alpha) developed by the Mount Sinai Acute GvHD International Consortium is more promising. Due to cost efficiency reasons this algorithm is still rarely used in the everyday clinical practice. (Major-Monfried et al., 2018) The results of this study regarding changes in the intestinal microbiome can serve as a basis for further research into the closely linked microbiome immune system relations, which are fundamentally disrupted by the allogenic stem cell transplantation. It remains fascinating to further explore these complex immunological relations. The goal is to reduce the risks of allogenic stem cell transplantion by means of a healthy microbiome.