Unlocking the potential of umbilical cord blood by improving ex vivo expansion of hematopoietic stem/progenitor cells

André Dargen de Matos Branco

Informações chave

Autores:

André Dargen de Matos Branco (André Dargen de Matos Branco)

Orientadores:

Ana Margarida Pires Fernandes Platzgummer (Ana Margarida Pires Fernandes Platzgummer), Cláudia Alexandra Martins Lobato da Silva (CLÁUDIA ALEXANDRA MARTINS LOBATO DA SILVA- Investigadora)

Publicado em

09/11/2023

Resumo

O sangue do cordão umbilical (CB) representa uma fonte relevante de células hematopoiéticas estaminais e progenitoras (HSPC) para terapias celulares e génicas (CGT). O CB é facilmente obtido e contém células bastante primitivas. Apesar do seu volume finito, a expansão celular ex vivo veio desbloquear enorme potencial, permitindo que o CB responda a qualquer dose necessária. Contudo, o seu uso está em decréscimo e existe somente uma CGT baseada em HPSC expandidas de CB (Omisirge). Aqui, várias abordagens foram exploradas para aperfeiçoar a expansão de HSPC, incluindo a otimização de citocinas, usadas na maioria das estratégias de expansão. Determinaram-se as concentrações ótimas de SCF, Flt-3L e TPO em dois sistemas de expansão: cultura líquida e co-cultura com células estromais mesenquimais (MSC). Cocktails de citocinas otimizados foram calculados e validados, e demonstraram um melhor rendimento de expansão celular. As MSC pertencem ao nicho da medula óssea e dão suporte hematopoiético na expansão em co-cultura. Por conseguinte, deverão ser integradas no processo de manufatura. A criopreservação é o método principal de armazenamento e transporte celular, apesar dos efeitos negativos. Esferas de alginato hipotérmicas foram avaliadas para MSC. Conseguiu-se um encapsulamento até 12 dias, preservando a viabilidade celular e função, bem como as capacidades de suporte hematopoiético. A potência celular é crucial para assegurar a qualidade das CGT, apesar dos ensaios estarem subdesenvolvidos. A transcriptómica e espectroscopia FTIR foram exploradas como novas ferramentas para controlo de qualidade durante a expansão ex vivo de HSPC. Ambas conseguiram discriminar entre sistemas de expansão, apresentando diferenças sistemáticas em HSPC expandidas. Estes avanços na expansão ex vivo de HSPC do CB pretendem promover um ambiente de aperfeiçoamento contínuo, recomendado para um desenvolvimento sustentável das CGT. Aumentou-se o valor global da expansão ex vivo de HSPC, beneficiando o seu futuro uso. Umbilical cord blood (CB) is a clinically relevant source of hematopoietic stem/progenitor cells (HSPC) for cell and gene therapies (CGT). As a by-product of childbirth, CB can be easily procured and has a primitive cellular compartment. Although with a finite volume, ex vivo expansion has unsealed considerable potential, allowing CB to respond to any cell dose requirement. Still, CB use in HCT is decreasing and only a single approved CGT based on CB-derived expanded HSPC exists (i.e. Omisirge). Several attempts were made to progress HSPC expansion, hoping to improve its attractiveness. After development of HSPC expansion media, exogenous cytokines, ubiquitous in expansion strategies, were targeted for optimization. Optimal concentrations of stem cell factor (SCF), fms-related tyrosine kinase 3 ligand (Flt-3L) and thrombopoietin (TPO) were determined for HSPC expanded with two different strategies, liquid culture and mesenchymal stromal cell (MSC) co-culture. An optimal cytokine cocktail was calculated and validated, displaying improved cell yield. As a contributor to the bone marrow niche, MSC provide hematopoietic support during co-culture expansion. Consequently, MSC have to be integrated in the manufacturing pipeline. Cryopreservation remains the standard method to store and transport cells but also has detrimental effects. Hypothermic alginate beads were evaluated for MSC. Successfully encapsulation was verified up to 12 days, retaining cell fitness and function (including hematopoietic support capabilities). Cell potency is crucial for assuring quality, with assays being alarmingly underdeveloped. Transcriptomics and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were explored as novel techniques for quality monitoring during ex vivo HSPC expansion. Both were able to discriminate between different expansion systems, with systematic dissimilarities being uncovered in expanded HSPC. These advances in CB-based HSPC expansion aim at promoting a continuous improvement environment, which is deemed crucial for healthy development of CGT. Value of ex vivo expansion of HSPC was significantly enhanced, benefitting future CB use.