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Träger des Otto Naegeli-Preises 2016

Mehr werden durch Teilen: Blutstammzell-Homöostase und Notfall-GranulopoieseMarkus G. Manz

Klinik für Hämatologie, Hämato-Onkologisches Zentrum, UniversitäsSpital Zürich

Komplexe Lebewesen bestehen aus hochspezialisier-ten, sich ergänzenden und miteinander kommunizie-renden Organsystemen, die ihre Funktion jeweils be-darfsgesteuert und komplementär wahrnehmen. Die einzelnen Organsysteme bestehen aus Stromazellen, d.h. Struktur- und Gefässzellen, sowie aus Parenchym-zellen, d.h. organspezifischen Gewebezellen, die jeweils definierte Überlebenszeiten von Tagen bis Jahren haben und während des gesamten Lebens entsprechend durch Zellteilung erneuert werden müssen. Während in eini-gen Organen (z.B. der Leber) reife Parenchymzellen die-sen Erneuerungsprozess unterhalten können, wird in anderen Organen, insbesondere in Organen mit hohem zellulärem Umsatz wie zum Beispiel Haut, Darm und Blut, dieser durch somatische Stammzellen unter-halten, das heisst durch im Organ quantitativ wenige Zelle n, die sich durch Teilung sowohl selbst erneuern als auch organspezifisch mit hohem proliferativem Poten tial in alle reifen Parenchymzellen differenzieren können.Das hämatopoietische System ist das bisher wohl am besten charakterisierte, von somatischen Stammzellen, den hämatopoietischen Stammzellen (HSC), unterhal-tene Organsystem. Beim erwachsenen Säugetier und auch beim Menschen sind die HSC im Knochenmark, dem Ort der Bildung von Erythrozyten (Lebenszeit ca. 120 Tage), Thrombozyten (Lebenszeit ca. 8 Tage) und Leukozyten (Lebenszeit von Granulozyten ca. 8 Tage), angesiedelt. Das Knochenmark ist eines der grössten Organe des Menschen, es beträgt 4–5% des Körperge-wichtes, d.h. bei einer 70 kg schweren Person etwa 3 kg, und umfasst ein etwa ebenso grosses Volumen in Litern. Im Fiessgleichgewicht beträgt die Blutzellpro-duktion 3–4 × 1011 Zellen pro Tag, und es wird geschätzt, dass etwa 90% aller Zellen im Körper vom Knochen-mark abstammen oder dort angesiedelt sind (wobei ein Erythrozyt oder Thrombozyt erheblich weniger Volumen als z.B. eine Muskelzelle besitzt). Die homöo-statische Blutproduktion wird im Bedarfsfall, zum Beispiel nach Blutverlust oder bei schwerer Infektion, zusätzlich temporär erheblich gesteigert, um nach

Kompensation eines erhöhten zellulären Verbrauchs dann wieder ins Fliessgleichgewicht zurückzukehren. Dies bedarf der Regulation und Steuerung in engen Grenzen, da ein «zu wenig» schnell zu einem Mangel, im ungünstigsten Fall zur hämatopoietischen Aplasie, und ein «zu viel» schnell zum Überfluss, im ungünstigs-ten Fall zu einer Leukämie, führen kann – Zustände, denen wir im klinischen Alltag bei Patienten begegnen und die mittelfristig nicht mit dem Überleben verein-bar sind. Wie auch bei Erkrankungen anderer Organ-systeme, finden sich sowohl Dysregulationen als auch Neoplasien der frühen Blutbildung insbesondere beim älteren Menschen. Hierbei spielen sowohl extrinsische, d.h. ausserhalb der Blutbildung veränderte (Umwelt-)Faktoren als auch intrinsische, d.h. in den HSC oder hämatopoietischen Vorläuferzellen mit der Alterung akkumulierende Faktoren wie Ansammlung von gene-tischen Ereignissen und epigenetischen Veränderungen eine Rolle.In diesem kurzen Artikel fokussiere ich auf Fragestel-lungen zur Blutstammzellbiologie und Regulation der Blutbildung, denen mein Labor in den letzten Jahren nachgegangen ist und zu welchen wir (und auch andere, hier aufgrund des Fokus nicht erwähnte, aber in den zitierten Reviews genannte Wissenschaftler) relevante Erkenntnisse beitragen konnten.Markus G. Manz

Otto Naegeli-Preis für die medizinische Forschung

Der «Otto Naegeli-Preis für die medizinische For-

schung» wurde 1960 zum Andenken an den 1938

verstorbenen grossen Wissenschaftler und Leh-

rer für Innere Medizin an der Universität Zürich,

Professor Otto Naegeli, geschaffen. Der Preis gilt

als einer der bedeutendsten wissenschaftlichen

Preise der Schweiz; er geniesst hohe internatio-

nale Anerkennung.

Der «Otto Naegeli-Preis» bezweckt die Förderung der medizini-

schen bzw. biomedizinischen Forschung und wird in der Regel

alle zwei Jahre an Forschende in der Schweiz verliehen. Die Preis-

summe beträgt zurzeit CHF 200 000. Mit dem Preis sollen auch

jüngere Forschende zu weiteren Leistungen angeregt werden.

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Homöostase der Blutstammzellen

Während der Embryonal- und Fetalentwicklung wird das definitive hämatopoietische System zuerst in der para-aortalen Region und dann in der Leber angelegt, um von dort ins Knochenmark zu translozieren. Post-natal expandieren HSC im Knochenmark, ihrer fortan natürlichen Umgebung, bis zum Wachstumsstopp und werden anschliessend homöostatisch in ihrer Zahl über das Leben in etwa konstant gehalten. In der adul-ten ca. 25 g schweren Maus finden sich ca. 15 000 HSC (linear extrapoliert beim Menschen ca. 40 × 106), d.h. ca. 0,01% der kernhaltigen Knochenmarkzellen, die sich per Definition sowohl selbst erneuern als auch über zunehmend Blutlinien-spezifizierte hochprolife-rative Progenitor- oder Vorläuferzellen in alle Zellen des Blutes entwickeln können (Abb. 1) [1].Ein Beweis für die enorme HSC-Aktivität und deren hohes Regenerationspotential stellt die seit nun über 50 Jahren klinisch praktizierte, allogene Blutstamm-zelltransplantation dar, bei der ein kleiner Bruchteil der Spender-HSC im Empfänger homöostatisch expan-dieren und die gesamte Hämatopoiese ersetzen kann –

ein schönes Beispiel dafür, wie durch Teilen mehr wer-den kann.In unserer Forschung gehen wir den Fragen nach, wel-che Faktoren zu HSC-Teilung oder HSC-Ruhezustand führen, wie HSC-Homöostase reguliert wird, wie viele HSC zu jeder Zeit aktiv am Blutbildungsprozess beteiligt sind, welcher Teilungsdynamik die Gesamt-HSC-Popu-lation im Fliessgleichgewicht und unter hämatopoie-tischen Stress-Situationen folgt, ob die Proliferations-historie einer HSC prädiktiv für ihr zukünftiges HSC-Verhalten ist und wie die proliferative Alterung von HSC Blut-Neoplasie-Entstehung begünstigen kann [2]. Durch komplexe In-vivo-Versuche in der Maus konnten wir und andere Forschergruppen zeigen, dass zu jeder gegebenen Zeit ein Grossteil der HSC (>80%) im zellulären Ruhezustand sind (G0) und damit nicht aktiv zur Blutbildung beitragen. Bei einem Teil der HSC beträgt dieser Ruhezustand im Fliessgleichgewicht der Blutbildung mehr als 20 Wochen, d.h. ca. einen Fünftel der Lebenszeit einer Maus, während andere HSC sich häufiger teilen. Bei Analyse der Daten in mathema-tischen Modellen fand sich eine durchschnittliche Tei-lungshäufigkeit von ca. 39 Tagen. Wir konnten keinen

HSCs

HPCs

Peripheral OrganEffector Cells

Platelets

RBCs

Monocytes

Macrophages Granulocytes

s

Dendriticcells B cells

T cellsNK cells NKT cells

Immediate• Terminal maturation

• Oxidative burst

• Phagocytosis

• Adaptive immunity

Rapid • Proliferation

• Lineage-demand

adapted differentiation

Sustained • Self-renewal

• Proliferation and HPC

generation Bone Marrow

HSPC

Pro

life

rati

veC

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Mat

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HSC

“Niche”

Progenitor

“Niche”

Abbildung 1: Modell der Hämatopoiese.

Hämatopoietische Stammzellen (HSC) im Knochenmark haben lebenslanges Selbsterneuerungs- und Differenzierungspoten-

tial. Sie generieren intermediäre, zunehmend blutlinienspezifische Progenitorzellen (HPC) mit hohem proliferativem Potential,

die dann reife Blut-Effektorzellen produzieren. Blutstammzellen und Blutprogenitorzellen mit zunehmendem blutlinienspezi-

fiziertem Potential konnten in den letzten 20 Jahren identifiziert werden.

Abkürzungen: HSPC = hematopoietic stem / progenitor cell; MPP = multipotent progenitor; LMPP = lympho-myeloid progenitor;

CMP = common myeloid progenitor; MEP = megakaryocyte erythrocyte progenitor; GMP = granulocyte macrophage progenitor;

CLP = common lymphoid progenitor; CDP = common dendritic cell progenitor; ProB = pro-B cell; ProT = pro-T cell.

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Anhaltspunkt dafür finden, dass es entsprechend der Teilungsrate unterschiedliche HSC-Subpopulationen gibt. Interessanterweise konnten wir auch zeigen, dass sich schnell teilende HSC wieder in ihrer Teilungsfre-quenz verlangsamen können und dass häufig geteilte HSC einen grösseren Drang zum Ruhezustand zeigen als HSC, die sich seltener geteilt haben. Ferner konnten wir feststellen, dass Inflammation, ausgelöst durch Lipopolysaccharide (LPS), einen typischen Bestandteil gramnegativer Bakterien, ruhende HSC in den Teilungs-zustand befördern und diese nach Abklingen der In-flammation wieder in den Ruhezustand zurückkehren können [3]. Dies fügt sich zu einem Bild zusammen, bei dem zu jeder gegebenen Zeit im Fliessgleichgewicht nur ein kleiner Teil der HSC zur Blutbildung beiträgt und ein grösserer Teil inaktiv ist, der jedoch bei Bedarf für mehr Blutbildung zügig aktiviert werden kann. Das scheint evolutionär Sinn zu machen: Der Wechsel zwischen Teilungsaktivität und Ruhezustand garan-tiert wahrscheinlich, dass im Fliessgleichgewicht im-mer ein Teil der HSC möglichen metabolisch-toxischen Substanzen entzogen und damit geschützt ist und gleichzeitig das gesamte HSC-Kompartiment über die Lebenszeit gleichmässig genutzt wird, d.h. die Gefahr teilungsbedingter Schäden durch Hyperproliferation

Macrophage

a Local bacterial infection

NeutrophilBlood

Tissue

Endothelium

HSC

Bacteria

Bone

Bone marrow

Osteoblast

Steady-state granulopoiesis

Lymphopoiesis

b Systemic bacterial infection

Emergency granulopoiesis

Lymphopoiesis

Abbildung 3: Granulopoese bei lokaler vs. systemischer bakterieller Infektion.

Bei lokal kontrollierten bakteriellen Infektionen finden sich keine Veränderungen in der Blutzusammensetzung und im

Knochenmark. Bei fehlender lokaler Kontrolle und systemischer Ausbreitung reagiert das System mit massiver Neutrophilie

und verstärkter Granulopoiese im Knochenmark.

Abkürzungen: HSC = hematopoietic stem cell.

Abbildung adaptiert aus Manz MG, Boettcher S. Nat Rev Immunol. 2014;14(5):302–14.

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Abbildung 2: Modell zur HSC-Teilung.

Hämatopoietische Stammzellen (HSC) im Knochenmark

fluktuieren vom Ruhezustand ohne Beitrag zur Blutbildung

in den Teilungszustand mit Beitrag zur Blutbildung und

wieder zurück. Dabei ist am Ende des Lebens die individuelle

HSC-Teilungsfrequenz in der Gesamtpopulation ähnlich.

In Situa tionen des akuten Mehrbedarfs von Blutzellen werden

ruhende HSC aktiviert, die zur Blutbildung beitragen, um an-

schliessend wieder in einen dynamischen Repetitionsmodus

zwischen Ruhe und Aktivierung zu gehen.

Abbildung adaptiert aus Takizawa H, et al. J Exp Med. 2011;

208(2):273–84.

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gleichmässig möglichst niedrig gehalten wird. Im Falle einer Notfallsituation (wie einer schweren Sepsis) muss der langfristige Vorteil der teilweisen Inaktivität jedoch der akuten Notwendigkeit der Überlebensreak-tion untergeordnet werden (Abb. 2).

Bedarfsgesteuerte Blutbildung am Beispiel der Notfall-Granulopoiese

Eine faszinierende klinische Beobachtung ist die mas-sive Neutrophilie und gesteigerte Granulopoiese (Not-fall-Granulopoiese) bei lokal unkontrollierten, sich systemisch ausbreitenden Infekten, d.h. der Bakteri-ämie bzw. Sepsis (Abb. 3).

Während der Schaltkreis der Hypoxie-Wahrnehmung in der Niere mit nachfolgender Erythropoietin-Produk tion, die subsequent zur verstärkten Erythro-poiese führt, gut bekannt ist, war die Steuerung der Granulopoiese in Notfallsituationen bisher ungeklärt. Wir sind daher der Frage nachgegangen, wie das Signal der disseminierten gramnegativen Infektion in Gra-nulopoiese umgesetzt wird [4]. In genetisch modifizier-ten Mausmodellen konnten wir durch die Applikation von LPS und Infektion mit Escherichia coli zeigen, dass Endothelzellen den Rezeptor für LPS, d.h. TLR4 (toll-like receptor 4) und dessen nachgeschaltete Adaptormo le-küle wie MyD88 (myeloid differentiation 88), exprimie-ren und bei Stimulation massiv Granulozyten-Wachs-tumsfaktor (G-CSF) produzieren (Abb. 4). Dies stand im Gegensatz zur Erwartung, dass Zellen des histiozytä-ren Systems die Hauptquelle für dieses Zytokin sind. Wir konnten hingegen zeigen, dass Endothelzellen bei disseminierter Infektion die wesentliche, nicht redun-dante Quelle von G-CSF sind und dass eine Unterbre-chung der Signaltransduktion in Endothelzellen einen Überlebensnachteil mit sich bringt. G-CSF wiederum induziert über Signaltransduktion ins Knochenmark dort die Notfall-Granulopoiese in hämatopoietischen Progenitorzellen [5]. Diese Beobachtung deckt eine hochspezialisierte Interaktion des vaskulären und des hämato-immunologischen Systems auf. In der Tat sind vaskuläre Endothelzellen ideal positioniert, um die Schwelle zwischen lokaler und systemischer Infek-tion zu kontrollieren, und es scheint plausibel, dass sich eine derartige Abwehrstrategie evolutionär her-ausgebildet hat.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Untersuchungen in Modellsystemen zum besseren Verständnis der Physiologie und Pathophysiologie des blutbildenden Systems erfahren ihre Rechtfertigung durch die klinischen Fragestellungen bzw. den gesell-schaftlichen Auftrag, die Medizin auf dem Boden fun-dierter Erkenntnisse morgen besser als heute zu machen [6]. In diesem Bemühen beschäftigt sich mein Labor, basierend auf den oben genannten Erkenntnissen, der-zeit mit der Frage, ob und wie der HSC- und Progenitor-zell-Umsatz bei Inflammation und in der Alterung mit HSC-Funktionsverlust, klonaler Evolution und Neopla-sieentstehung verknüpft ist (Abb. 5). Interessanterweise konnte durch andere Arbeitsgrup-pen in populationsbasierten Studien tatsächlich gezeigt werden, dass eine Assoziation zwischen Inflammation (Infekte und Autoimmunerkrankungen) und HSC-Neo-plasien besteht. Ebenso konnte aktuell gezeigt werden, dass HSC mit der Alterung klonale Ereignisse akku-

Tissue

Blood vessel

Bacteria

OsteoblastsBone

Endothelialcells

Bone marrow

HSC

Emergency Granulopoiesis

TLR4

Neutrophil

G-CSFG-CSF

G-CSF

G-CSF

G-CSFR

G-CSFR

Abbildung 4: Modell zum Schaltkreis der Notfall-Granulopoiese.

Endothelzellen wirken als «Rauchmelder» systemisch disseminierter, bakterieller

Infektionen und produzieren hämatopoietische Wachstumsfaktoren wie G-CSF,

die subsequent die notwendige Abwehrreaktion der Notfall-Granulopoiese zur Infektions-

kontrolle ein leiten. Abkürzungen: TLR4 = toll-like receptor 4; G-CSF = granulocyte-

colony-stimulating factor; G-CSFR = granulocyte-colony-stimulating factor receptor;

HSC = hematopoietic stem cell.

Abbildung adaptiert aus Boettcher S, et al. Blood. 2014;124(9):1393–403.

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mulieren, dass selbsterneuerungsfördernde Ereignisse und klonale hämatopoietische Dominanz bei rund einem Zehntel der gesunden über Siebzigjährigen prä-sent sind, und dass diese wiederum die höchste Wahr-scheinlichkeit für die Transformation in klinische Neoplasien des Blutes bedingen. Mit diesem Wissen ist es nun von grosser Bedeutung, Erkenntnisse zu ge-winnen, wie schon die Vorformen der Erkrankungen auf diesem Niveau gehalten oder gar zurückgedrängt werden können.

VerdankungIch danke der Otto-Naegeli Stiftung für die Preisverleihung 2016 sowie meinen Studenten, Mitarbeitern und Kooperationspartnern, deren Wissensdurst und Kompetenz den Erkenntnisgewinn möglich machen. Ferner danke ich dem Schweizerischen Nationalfonds, der Krebsliga Schweiz, der Promedica Foundation (Chur), dem National Institute of Health (USA), der Bill und Melinda Gates Foundation (USA) und der Universität Zürich für die grosszügige Unterstützung bei der Durchführung der hier beschriebenen Projekte.

Porträt© KEYSTONE | Ennio Leanza

Time

Steady-state: Homeostasis

HSC maturation

HSC maintenance

HSC death

HSC

Cell death

Mature cells

Genetic hit

HSC maturation

HSC maintenance

HSC death

HSC

Mature cells

Cell death

Genetic hit

Genetic hit

Hematologic neoplasia(AML/MDS) development

Abbildung 5: Hypothetisches Modell zur inflammationsverstärkten Proliferation und Neoplasieentstehung in der Hämatopoiese.

Hämatopoietische Stammzellen (HSC) weisen im Zustand der Inflammation einen erhöhten Umsatz auf und sind damit wahr-

scheinlich einer erhöhten Gefahr von genetischen Ereignissen ausgesetzt, die entweder neutral sind, einen Verlust oder einen

Proliferationsvorteil induzieren können. Dabei können inflammatorische Signale möglicherweise eine weitere Verstärkung der

Ausbildung klonaler Evolution bis hin zur klinischen Neoplasie bewirken.

Abkürzungen: HSC = hämatopoietische Stammzelle; AML = akute myeloische Leukämie; MDS = myelodysplastisches Syndrom.

Abbildung adaptiert aus Takizawa H, et al. Blood. 2012;119(13):2991–3002.

Korrespondenz: Prof. Dr. med. Markus G. Manz Direktor Klinik für Hämatologie Leiter Hämato-Onko-logisches Zentrum UniversitäsSpital Zürich Rämistrasse 100 CH-8091 Zürich markus.manz[at]usz.ch

Disclosure statementDer Autor hat keine finanziellen oder persönlichen Verbindungen im Zusammenhang mit diesem Beitrag deklariert.

Literatur1 Kondo M, Wagers AJ, Manz MG, Prohaska SS, Scherer DC, Beilhack GF,

et al. Biology of hematopoietic stem cells and progenitors: implications for clinical application. Annu Rev Immunol. 2003; 21:759–806.

2 Takizawa H, Boettcher S, Manz MG. Demand-adapted regulation of early hematopoiesis in infection and inflammation. Blood. 2012; 119(13):2991–3002. doi: 10.1182/blood-2011-12-380113.

3 Takizawa H, Regoes RR, Boddupalli CS, Bonhoeffer S, Manz MG. Dynamic variation in cycling of hematopoietic stem cells in steady state and inflammation. J Exp Med. 2011;208(2):273–84. doi: 10.1084/jem.20101643.

4 Manz MG, Boettcher S. Emergency granulopoiesis. Nat Rev Immunol. 2014;14(5):302–14. doi: 10.1038/nri3660.

5 Boettcher S, Gerosa RC, Radpour R, Bauer J, Ampenberger F, Heikenwalder M, et al. Endothelial cells translate pathogen signals into G-CSF-driven emergency granulopoiesis. Blood. 2014; 124(9):1393–403. doi: 10.1182/blood-2014-04-570762.

6 Rongvaux A, Takizawa H, Strowig T, Willinger T, Eynon EE, Flavell RA, Manz MG. Human hemato-lymphoid system mice: current use and future potential for medicine. Annu Rev Immunol. 2013; 31:635–74. doi: 10.1146/annurev-immunol-032712-095921.

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