MiRNAs and Extracellular Vesicles as potential biomarkers of acute Graft-versus-Host Disease

Allogeneic stem cell transplantation (Allo-SCT) is a widely used therapy for a variety of malignant and non-malignant hematological diseases. Allo-SCT exploits the ability of donor's immune-competent T cells to recognize and to eradicate host malignant cells (Graft versus Tumor effect). Unfortunately, 30-50% of patients who undergo an allogeneic transplant later develop acute Graft versus Host disease (aGVHD). This post-transplant complication is characterized by an adaptive immune response against host healthy cells caused by alloreactive T cells of donor origin. Donor’s alloreactive T cells, which are indirectly activated by some antigens expressed on the surface of the recipient's cells, cause severe tissue damage which mainly affect three organs: skin, liver and gastrointestinal tract. The pathogenesis of aGVHD is classically divided in three phases: 1) damage caused by conditioning therapy that triggers the innate immune response 2) the activation of APC cells that activate mature donor T lymphocytes 3) triggering the adaptive immune response with concomitant inflammation and "cytokine storm" leading to further damage. Nowadays, GVHD remains one of the most important post-transplant complications, and its diagnosis and prognosis depends entirely on the presence of clinical symptoms that require a confirmatory biopsy. Currently, despite the presence of many studies on this field, there are no reliable and validated biomarkers predictive of aGVHD development or of patient's treatment response. Recently, many studies investigated the potential use of extracellular vesicles (EVs) and miRNAs as GVHD biomarkers. A study published by Crossland et al. established that miR423, miR199 and miR93 have prognostic and diagnostic value as biomarkers for aGVHD: their expression is significantly increased from day 14 post-transplant in a cohort of independent patients. In addition, they found that these miRNAs were also contained in EVs extracted from patient’s serum, with a significantly reduced expression starting from the 14th day after SCT in patients with aGVHD. This differential expression remains unclear and represents an interesting subject for further investigations. In addition to their role as biomarkers, miRNAs could be particularly useful as possible therapeutic targets given their role in T cells differentiation, activation, and homeostasis (e.g. miR17-92, miR142, miR155, miR181a, miR153-3p). EVs could also represent a great source of potential biomarkers for aGVHD. They are cellular organelles surrounded by membranes, which are released in the extracellular space by the cells. In addition, EVs transfer their content to target cells, and their content, number and morphology may vary in pathological conditions. EVs role as biomarkers may derive not only from their content (such as miRNAs) but also from membrane proteins composition: a flow cytometry study carried out by Lia et al. showed that the expression levels of 3 EVs surface antigens (CD146, CD31 and CD140) are correlated with aGVHD onset time. Furthermore, a second study by the same author highlighted how the expression level of some miRNAs (miR100, miR155 and miR194) carried by EVs is also correlated with the risk of developing aGVHD. In conclusion, these studies show that miRNAs and EVs are promising biomarkers of aGVHD, but further investigations are needed to validate them and define their clinical application.

Il trapianto allogenico di cellule staminali è una terapia largamente utilizzata per curare un’ampia varietà di malattie ematologiche, maligne e non. Esso sfrutta la capacità delle cellule T immuno-competenti del donatore di riconoscere ed eliminare le cellule maligne dell’ospite (Graft versus Tumor effect). Sfortunatamente, il 30-50% dei pazienti che subiscono un trapianto allogenico sviluppano in seguito la Graft versus Host disease acuta (aGVHD). Questa complicanza del trapianto è caratterizzata dal fatto che le cellule T alloreattive del donatore, attivate indirettamente da antigeni presenti sulla superficie delle cellule del ricevente, innescano una risposta immunitaria adattativa contro le cellule sane dell’ospite, provocando gravi danni tissutali principalmente a carico di tre organi: cute, fegato e tratto gastro-intestinale. La patogenesi dell’aGVHD è classicamente divisa in tre fasi: 1) danno causato dalla terapia di condizionamento che attiva la risposta immunitaria innata 2) attivazione delle cellule APC che attivano i linfociti T maturi del donatore 3) innesco della risposta immunitaria adattativa accompagnata da infiammazione e da una “tempesta citochinica” che causa ulteriori danni. La GVHD rimane ad oggi una delle più importanti complicanze post-trapianto, la cui diagnosi e prognosi, ad oggi, dipendono interamente dalla presenza di sintomi clinici che necessitano di una biopsia di conferma. Nonostante la presenza di molti studi a riguardo, attualmente non ci sono biomarcatori ritenuti affidabili e validati nel predire lo sviluppo dell’aGVHD e la risposta del paziente al trattamento. Recentemente, molti studi stanno investigando il ruolo di Vescicole Extracellulari (EVs) e dei miRNA come biomarcatori. Uno studio pubblicato da Crossland et al. ha stabilito che i miR423, miR199 e miR93 hanno un valore prognostico e diagnostico come biomarcatori per la aGVHD: la loro espressione è significativamente aumentata dal giorno 14 post trapianto in coorti di pazienti indipendenti. Questi stessi miRNA sono risultati contenuti anche nelle EVs estratte dal siero dei pazienti, con un’espressione significativamente ridotta a partire dal 14esimo giorno nei pazienti con aGVHD. Questa diversità di espressione rimane non chiara, rappresentando un punto di partenza per future ricerche. Oltre al ruolo come biomarcatori, i miRNA risultano molto utili come possibili bersagli terapeutici dato il loro ruolo nella differenziazione, attivazione e omeostasi delle cellule T (es miR17-92, miR142, miR155, miR181a, miR153-3p). Anche le EVs rappresentano un ottimo potenziale biomarcatore per l’aGVHD. Esse sono organelli cellulari circondati da membrana rilasciati all’esterno dalle cellule, contenenti diverse biomolecole che vengono trasportate fino a delle cellule bersaglio; in condizioni patologiche possono variare il loro contenuto, numero e morfologia. Il loro ruolo come biomarcatori può derivare non solo da quello che trasportano (compresi i miRNA) ma anche dalle loro proteine di membrana: uno studio di G. Lia et al. ha evidenziato, tramite caratterizzazione citofluorimetrica, una correlazione tra il livello di espressione di 3 antigeni di superficie delle EVs (CD146, CD31 e CD140) e l’onset di aGVHD. Inoltre, un secondo studio, sempre dello stesso autore, ha potuto evidenziare come anche il livello di espressione di alcuni miRNAs (miR100, miR155 e miR194) veicolati dalle EVs sia correlato con il rischio di sviluppare l’aGVHD. In conclusione, gli studi condotti dimostrano come miRNAs e EVs siano promettenti biomarcatori di aGVHD, ma saranno necessari ulteriori indagini per validarli e definirne la loro applicabilità clinica.