Cutting-edge transcriptomics to identify leukemia-intrinsic and - extrinsic correlates of defined patterns of immune escape and post- transplantation relapse

Il trapianto allogenico di midollo osseo (allo-trapianto) è la dimostrazione che le immunoterapie possono curare le neoplasie ematologiche, compresa la Leucemia Mieloide Acuta (LMA). Tuttavia, le cellule leucemiche possono mettere in atto molteplici strategie per eludere il controllo immunitario, ad esempio attraverso la compromissione dei meccanismi di presentazione antigenica, o l'espressione di proteine che inibiscono le risposte immunitarie. Sempre più evidenze suggeriscono che le cellule leucemiche in realtà tessono una rete di interazioni molto più ampia, coinvolgendo diversi altri tipi di cellule immunitarie all'interno del microambiente del midollo osseo. Tuttavia, il modo in cui questo complesso scambio tra le cellule tumorali e la nicchia del midollo osseo possa modellare le caratteristiche delle recidive di leucemia dopo trapianto rimane sconosciuto. Sfruttando l'alta risoluzione fornita dal sequenziamento RNA a singole cellule (scRNA-seq), in questo lavoro forniamo una visione dettagliata del microambiente immune del midollo osseo umano e dei cambiamenti che si verificano dopo allo-trapianto, sia quando la ricomparsa della malattia viene impedita, sia quando si verifica. Utilizzando aspirati di midollo osseo crioconservati, abbiamo profilato N=25 pazienti adulti affetti da AML al momento della ricaduta della malattia; N=5 pazienti post-trapianto in remissione completa (RC), ciascuno analizzato in due momenti diversi (+90 e +365 giorni) e N=6 controlli sani (CS). Il scRNA-seq ci ha permesso di ricapitolare le note alterazioni intrinseche alla leucemia che possono caratterizzare le recidive, come la perdita di HLA, la ridotta espressione delle molecole HLA di classe II e l’aumentata espressione dei ligandi inibitori delle cellule T. Inoltre, concentrandoci sulle cellule tumorali, abbiamo potuto evidenziare caratteristiche inedite della ricaduta. Inoltre, siamo riusciti ad evidenziare nuove caratteristiche della ricaduta. Le ricadute con perdita di HLA hanno mostrato un profilo più immaturo, suggerendo che la cellula emopoietica di origine ha un impatto sul meccanismo della recidivapost-trapianto. Le cellule leucemiche presentavano anche una “firma” genetica associata all'infiammazione (iScore) più elevata, evidente anche nelle cellule immature non maligne dei pazienti recidivati rispetto a RC e CS. Concentrandoci su specifici compartimenti immunitari del midollo osseo, abbiamo annotato un raro sottogruppo di cellule NK immature CD56bright, caratterizzate da una maggiore espressione di geni interferone-correlati e di marcatori di esaurimento NK, più frequenti nei pazienti con aumentata espressione dei ligandi inibitori delle cellule T rispetto ad altre ricadute, suggerendo così un meccanismo condiviso di disfunzione tra cellule T e NK che può favorire l'evasione immunitaria della leucemia. Inoltre, abbiamo descritto un rimodellamento funzionale e nella composizione del compartimento T. In conclusione, abbiamo generato un atlante completo del microambiente immunitario del midollo osseo nelle recidive post-trapianto di LMA, dimostrando che l'infiammazione modella la composizione dei sottogruppi immunitari e il profilo trascrizionale nel midollo osseo e che i meccanismi di evasione immunitaria della leucemia sono influenzati dall'ambiente circostante.

Allo-HCT provides a remarkable demonstration that immunotherapies can cure hematological malignancies, including AML. However, leukemic cells can enact multiple strategies to evade immune recognition and outgrow in clinical relapse, such as reducing antigen presentation or dampening effector responses through the expression of inhibitory checkpoint molecules. Increasing evidence suggests that leukemic cells actually weave a much broader net of interactions, involving several other immune cell types within the bone marrow microenvironment. Still, how this complex crosstalk between malignant cells and the bone marrow niche may shape the features of leukemia post-transplant relapse remains unknown. By exploiting the high resolution provided by scRNA-seq, we provide a detailed insight of the human bone marrow immune microenvironment and the changes that arise following allo-HCT, both when disease reemergence is prevented, and when it occurs. Using cryopreserved BM aspirates, we profiled samples from N=25 adult AML patients at the time of disease relapse; N=5 post-transplant patients in complete remission (CR), each tested at two different timepoints (+90 and +365 days) and N=6 healthy controls (HC). ScRNA-seq allowed us to recapitulate known leukemia-intrinsic features of each relapse modality, such as HLA loss, down-regulation of HLA class II molecules and upregulation of inhibitory T cell ligands. Moreover, by focusing on malignant cells, we could highlight novel features of relapse. HLA loss relapses exhibited a more immature profile, hinting that the hematopoietic cell of origin impacts on the mechanism of post-transplantation relapse. Leukemic cells also featured a high inflammation-associated gene score (iScore), as also evident in non-malignant HSPCs from relapsed patients compared to HC and CR. Focusing on specific BM immune compartments, we annotated a rare subset of immature CD56bright NK cells characterized by higher expression of IFN-related genes and NK exhaustion markers, which were enriched in patients with upregulation of T cell inhibitory ligands compared to other relapses, thus suggesting a shared mechanism of dysfunction signature between T and NK cell that may favor leukemia immune evasion. Further, we describe functional and compositional reshaping of the T cell compartment. In conclusion, we generated a comprehensive atlas of the BM immune microenvironment in AML post-transplantation relapses, showing that inflammation shapes immune subset composition and transcriptional profile in the BM, and that leukemia mechanisms of immune evasion are influenced by the surrounding milieu.