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Immunoglobulin gene repertoire analysis during therapeutic B cell depletion


Maurer, Michael Andreas. Immunoglobulin gene repertoire analysis during therapeutic B cell depletion. 2013, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Zusammenfassung Autoimmunkrankheiten gehören zu den schwersten Formen chronischer Krankheiten in der westlichen Welt. Bei diesen Krankheiten wendet sich das körpereigene Immunsystem gegen verschiedene Organe im Körper. Bis heute sind die Ursachen für diese Krankheiten weitge- hend unbekannt und die Therapieoptionen sehr beschränkt. Es werden meist immunmod- ulierende Substanzen verwendet, welche das gesamte Immunsystem supprimieren, aber die Krankheit nicht heilen können. Eine neue Klasse von Medikamenten, für welche klinis- che Studien laufen, sind monoklonale Antikörper, die nicht mehr das gesamte Immunsys- tem modulieren sondern nur eine gewisse Zellpopulation des Immunsystems dezimieren. Es besteht die Hoffnung, dass die nach der Therapie vom Körper neu produzierten Zellen den autoimmunen Charakter verlieren. Einer dieser Antikörper (Rituximab) wendet sich gegen die B Zellen und führt zu einer Zer- störung dieser Zellen. Rituximab wurde für die Krebstherapie entwickelt und wird heute auch bei Autoimmunkrankheiten verwendet. Es zeigte sich, dass gewisse Patienten mit Autoim- munkrankheiten stark von dieser Therapie profitieren können. Der genaue Wirkungsmecha- nismus zwischen der Zerstörung der B Zellen durch Rituximab und der daraus folgenden Besserung des Krankheitsverlaufs ist bis heute unbekannt. In der vorliegenden Studie ver- suchten wir herauszufinden, welcher Mechanismus diesem Zusammenhang zugrunde liegt. Hierfür haben wir die Immunglobulinsequenzen von Patienten mit anti-Myelin-assoziiertes- Glykoprotein Neuropathie (anti-MAG Neuropathie) vor und nach Gabe von Rituximab unter- sucht. Anti-MAG Neuropathie ist eine Autoimmunkrankheit des peripheren Nervensystems (PNS), welche sich in Patienten mit anti-MAG IgM Antikörpern entwickelt und zum Verlust der Nervenimpulsübertragung im PNS führt. Zur Analyse der Immunglobulinsequenzen haben wir eine Einzelzellen PCR verwendet, welche uns erlaubt die Entwicklung und Veränderung des B Zell Repertoires unter dem Einfluss von Rituximab zu untersuchen. Wir sortierten jeweils drei verschiedene B Zellengruppen vor und 12 Monate nach der Therapie. Die B Zellengrup- pen zeigten unterschiedliche Entwicklungsstufen und waren aufgeteilt in naïve, IgM memory und IgG memory B Zellen. Wir verglichen die Resultate innerhalb der anti-MAG Neuropathie- Gruppe zwischen mit Placebo und mit Rituximab behandelten Patienten, wie auch zwischen Patienten, die auf die Therapie ansprachen und solchen, die nicht ansprachen. Als Kontrolle verwendeten wir eine dem Alter angepasste gesunde Patientengruppe. Mit dieser Studie konnten wir zeigen, dass anti-MAG Neuropathie Patienten eine grosse Expansion von IgM memory B Zellen, welche MAG erkennen, im Blut haben. Patienten, welche auf die Therapie ansprachen zeigten kleinere Expansionen vor und nach der Behan- dlung verglichen mit therapieresistenten Patienten. Des Weiteren fanden wir eine klonale Persistenz, eine statische Situation in der Mutationsfrequenz der variablen Region der IgM Antikörper bevor und nach der Therapie und ein Nichtvorhandensein der B Zell Maturierung- scheckpoints in den therapieresistenten Patienten. Aus diesen Daten schliessen wir, dass der Therapieerfolg davon abhängt wie gut die zirkuli- erenden pathogenen IgM memory B Zellen ausgelöscht werden können. Die effiziente Auslöschung führt zu einer Neukonfigurierung des Immunsystems, welches sich in einer Reetablierung der Checkpoints äussert und der Reduktion der pathogenen IgM Antikörper.
Summary Autoimmune diseases include some of the most severe chronic diseases in the western world. In autoimmune diseases the immune system of the host attacks itself. Yet the underly- ing cause of most autoimmune mediated conditions is not completely understood and the de- velopment of efficient treatments is still ongoing. Different drugs have been tested for treating these kinds of diseases. Most of them primarily function in an anti-inflammatory manner, are often accompanied by severe side effects and the chronicity of the conditions often doesn’t improve. The lack of knowledge about the mechanism of action and the progression of the disease in most of these patients led to numerous clinical trials alongside the establishment of new classes of drugs. In this work a new class of drugs for the treatment of autoimmune dis- eases is analyzed. This new class comprises antibodies, which do not suppress the immune system in general as is often done by old established drugs. These therapies deplete certain populations of cells of the adaptive immune system. This study focuses on the depletion of the B cells. The B cell-depleting IgG1 monoclonal antibody Rituximab can persistently suppress disease progression in some patients with autoimmune diseases, but the mechanism has remained unclear. In this study the Ig gene usage in a group of patients with anti-myelin-associat- ed glycoprotein (MAG) neuropathy, an autoimmune disease of the peripheral nervous sys- tem, which develops in individuals with an IgM monoclonal gammopathy and is mediated by IgM autoantibodies binding to the MAG antigen was evaluated. Single cell sorted naïve, IgM memory and IgG memory B cells were analyzed before and 12 months after treatment initiation and compared to age-matched healthy controls. Patients with anti-MAG neuropathy showed substantial clonal expansions of blood IgM mem- ory B cells which recognized MAG antigen. The group of patients showing no clinical improve- ment following Rituximab therapy could be distinguished from clinical responders through a higher load of clonal IgM memory B cell expansions before and after therapy, the persis- tence of clonal expansions despite efficient peripheral B cell depletion, the lack of significant changes in somatic hypermutation frequencies of IgM memory B cells and the lack of newly reestablished checkpoints in IgM memory and IgG memory compartments. We infer from these data that the beneficial long-term immunomodulatory effect of Rituximab therapy de- pends on efficient depletion of both circulating and non-circulating B cells and is associated with qualitative immunological changes that indicate reconfiguration of B cell memory through sustained reduction of autoreactive clonal expansions and the reestablishing of checkpoints for the controlling of the B cell maturation.

Abstract

Zusammenfassung Autoimmunkrankheiten gehören zu den schwersten Formen chronischer Krankheiten in der westlichen Welt. Bei diesen Krankheiten wendet sich das körpereigene Immunsystem gegen verschiedene Organe im Körper. Bis heute sind die Ursachen für diese Krankheiten weitge- hend unbekannt und die Therapieoptionen sehr beschränkt. Es werden meist immunmod- ulierende Substanzen verwendet, welche das gesamte Immunsystem supprimieren, aber die Krankheit nicht heilen können. Eine neue Klasse von Medikamenten, für welche klinis- che Studien laufen, sind monoklonale Antikörper, die nicht mehr das gesamte Immunsys- tem modulieren sondern nur eine gewisse Zellpopulation des Immunsystems dezimieren. Es besteht die Hoffnung, dass die nach der Therapie vom Körper neu produzierten Zellen den autoimmunen Charakter verlieren. Einer dieser Antikörper (Rituximab) wendet sich gegen die B Zellen und führt zu einer Zer- störung dieser Zellen. Rituximab wurde für die Krebstherapie entwickelt und wird heute auch bei Autoimmunkrankheiten verwendet. Es zeigte sich, dass gewisse Patienten mit Autoim- munkrankheiten stark von dieser Therapie profitieren können. Der genaue Wirkungsmecha- nismus zwischen der Zerstörung der B Zellen durch Rituximab und der daraus folgenden Besserung des Krankheitsverlaufs ist bis heute unbekannt. In der vorliegenden Studie ver- suchten wir herauszufinden, welcher Mechanismus diesem Zusammenhang zugrunde liegt. Hierfür haben wir die Immunglobulinsequenzen von Patienten mit anti-Myelin-assoziiertes- Glykoprotein Neuropathie (anti-MAG Neuropathie) vor und nach Gabe von Rituximab unter- sucht. Anti-MAG Neuropathie ist eine Autoimmunkrankheit des peripheren Nervensystems (PNS), welche sich in Patienten mit anti-MAG IgM Antikörpern entwickelt und zum Verlust der Nervenimpulsübertragung im PNS führt. Zur Analyse der Immunglobulinsequenzen haben wir eine Einzelzellen PCR verwendet, welche uns erlaubt die Entwicklung und Veränderung des B Zell Repertoires unter dem Einfluss von Rituximab zu untersuchen. Wir sortierten jeweils drei verschiedene B Zellengruppen vor und 12 Monate nach der Therapie. Die B Zellengrup- pen zeigten unterschiedliche Entwicklungsstufen und waren aufgeteilt in naïve, IgM memory und IgG memory B Zellen. Wir verglichen die Resultate innerhalb der anti-MAG Neuropathie- Gruppe zwischen mit Placebo und mit Rituximab behandelten Patienten, wie auch zwischen Patienten, die auf die Therapie ansprachen und solchen, die nicht ansprachen. Als Kontrolle verwendeten wir eine dem Alter angepasste gesunde Patientengruppe. Mit dieser Studie konnten wir zeigen, dass anti-MAG Neuropathie Patienten eine grosse Expansion von IgM memory B Zellen, welche MAG erkennen, im Blut haben. Patienten, welche auf die Therapie ansprachen zeigten kleinere Expansionen vor und nach der Behan- dlung verglichen mit therapieresistenten Patienten. Des Weiteren fanden wir eine klonale Persistenz, eine statische Situation in der Mutationsfrequenz der variablen Region der IgM Antikörper bevor und nach der Therapie und ein Nichtvorhandensein der B Zell Maturierung- scheckpoints in den therapieresistenten Patienten. Aus diesen Daten schliessen wir, dass der Therapieerfolg davon abhängt wie gut die zirkuli- erenden pathogenen IgM memory B Zellen ausgelöscht werden können. Die effiziente Auslöschung führt zu einer Neukonfigurierung des Immunsystems, welches sich in einer Reetablierung der Checkpoints äussert und der Reduktion der pathogenen IgM Antikörper.
Summary Autoimmune diseases include some of the most severe chronic diseases in the western world. In autoimmune diseases the immune system of the host attacks itself. Yet the underly- ing cause of most autoimmune mediated conditions is not completely understood and the de- velopment of efficient treatments is still ongoing. Different drugs have been tested for treating these kinds of diseases. Most of them primarily function in an anti-inflammatory manner, are often accompanied by severe side effects and the chronicity of the conditions often doesn’t improve. The lack of knowledge about the mechanism of action and the progression of the disease in most of these patients led to numerous clinical trials alongside the establishment of new classes of drugs. In this work a new class of drugs for the treatment of autoimmune dis- eases is analyzed. This new class comprises antibodies, which do not suppress the immune system in general as is often done by old established drugs. These therapies deplete certain populations of cells of the adaptive immune system. This study focuses on the depletion of the B cells. The B cell-depleting IgG1 monoclonal antibody Rituximab can persistently suppress disease progression in some patients with autoimmune diseases, but the mechanism has remained unclear. In this study the Ig gene usage in a group of patients with anti-myelin-associat- ed glycoprotein (MAG) neuropathy, an autoimmune disease of the peripheral nervous sys- tem, which develops in individuals with an IgM monoclonal gammopathy and is mediated by IgM autoantibodies binding to the MAG antigen was evaluated. Single cell sorted naïve, IgM memory and IgG memory B cells were analyzed before and 12 months after treatment initiation and compared to age-matched healthy controls. Patients with anti-MAG neuropathy showed substantial clonal expansions of blood IgM mem- ory B cells which recognized MAG antigen. The group of patients showing no clinical improve- ment following Rituximab therapy could be distinguished from clinical responders through a higher load of clonal IgM memory B cell expansions before and after therapy, the persis- tence of clonal expansions despite efficient peripheral B cell depletion, the lack of significant changes in somatic hypermutation frequencies of IgM memory B cells and the lack of newly reestablished checkpoints in IgM memory and IgG memory compartments. We infer from these data that the beneficial long-term immunomodulatory effect of Rituximab therapy de- pends on efficient depletion of both circulating and non-circulating B cells and is associated with qualitative immunological changes that indicate reconfiguration of B cell memory through sustained reduction of autoreactive clonal expansions and the reestablishing of checkpoints for the controlling of the B cell maturation.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Lünemann Jan, Münz Christian
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2013
Deposited On:04 Apr 2019 09:42
Last Modified:15 Apr 2021 15:01
Number of Pages:96
OA Status:Green

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