New approaches to improve the cord blood unit hematopoietic progenitor cell content

Abstract

Cord blood is a well-established alternative to bone marrow and peripheral blood stem cell transplantation. To this day, over 400 000 unrelated donor cord blood units have been stored in cord blood banks worldwide. To enable successful cord blood transplantation, recent efforts have been focused on finding ways to increase the hematopoietic progenitor cell content of cord blood units. In this study, factors that may improve the selection and quality of cord blood collections for banking were identified.

In 167 consecutive cord blood units collected from healthy full-term neonates and processed at a national cord blood bank, mean platelet volume (MPV) correlated with the numbers of cord blood unit hematopoietic progenitors (CD34+ cells and colony-forming units); this is a novel finding. Mean platelet volume can be thought to represent general hematopoietic activity, as newly formed platelets have been reported to be large.

Stress during delivery is hypothesized to lead to the mobilization of hematopoietic progenitor cells through cytokine stimulation. Accordingly, low-normal umbilical arterial pH, thought to be associated with perinatal stress, correlated with high cord blood unit CD34+ cell and colony-forming unit numbers. The associations were closer in vaginal deliveries than in Cesarean sections. Vaginal delivery entails specific physiological changes, which may also affect the hematopoietic system. Thus, different factors may predict cord blood hematopoietic progenitor cell numbers in the two modes of delivery.

Theoretical models were created to enable the use of platelet characteristics (mean platelet volume) and perinatal factors (umbilical arterial pH and placental weight) in the selection of cord blood collections with high hematopoietic progenitor cell counts. These observations could thus be implemented as a part of the evaluation of cord blood collections for banking.

The quality of cord blood units has been the focus of several recent studies. However, hemostasis activation during cord blood collection is scarcely evaluated in cord blood banks. In this study, hemostasis activation was assessed with prothrombin activation fragment 1+2 (F1+2), a direct indicator of thrombin generation, and platelet factor 4 (PF4), indicating platelet activation. Altogether three sample series were collected during the set-up of the cord blood bank as well as after changes in personnel and collection equipment. The activation decreased from the first to the subsequent series, which were collected with the bank fully in operation and following international standards, and was at a level similar to that previously reported for healthy neonates. As hemostasis activation may have unwanted effects on cord blood cell contents, it should be minimized. The assessment of hemostasis activation could be implemented as a part of process control in cord blood banks.

Culture assays provide information about the hematopoietic potential of the cord blood unit. In processed cord blood units prior to freezing, megakaryocytic colony growth was evaluated in semisolid cultures with a novel scoring system. Three investigators analyzed the colony assays, and the scores were highly concordant. With such scoring systems, the growth potential of various cord blood cell lineages can be assessed. In addition, erythroid cells were observed in liquid cultures of cryostored and thawed, unseparated cord blood units without exogenous erythropoietin. This was hypothesized to be due to the erythropoietic effect of thrombopoietin, endogenous erythropoietin production, and diverse cell-cell interactions in the culture. This observation underscores the complex interactions of cytokines and supporting cells in the heterogeneous cell population of the thawed cord blood unit.

Istukkaveren kantasolujen siirto on vakiintunut hoito muun muassa erilaisissa luuytimen sairauksissa. Istukkaverta kerätään vapaaehtoisten äitien terveiltä, täysiaikaisilta vastasyntyneiltä, ja sitä säilytetään pakastettuna myöhempää käyttöä varten istukkaveripankeissa ympäri maailmaa. Hyvien siirtotulosten varmistamiseksi on tärkeää, että istukkaveriyksikössä on riittävästi verta muodostavia kantasoluja. Väitöstutkimukseni tavoitteena oli selvittää tekijöitä, joiden avulla voitaisiin aiempaa paremmin ennustaa istukkaveriyksiköiden kantasolusisältöä ja varmistaa kantasolujen säilyminen istukkaveren käsittelyn ja säilytyksen aikana.

Nuorien verihiutaleiden keskikoon (mean platelet volume, MPV) on aiemmin todettu olevan korkeampi kuin pitkään verenkierrossa olleiden. Väitöstutkimuksen hypoteesina oli, että verihiutaleiden keskikoko kuvaisi myös yleistä verisolutuotannon aktiivisuutta. Kun analysoitiin 167 yhden vuoden aikana istukkaveripankissa prosessoitua istukkaverikeräystä, todettiin verihiutaleiden keskikoon korreloivan positiivisesti istukkaveriyksikön verta muodostavien kantasolujen määriin (CD34-pintamerkkiaineella tunnistettavat kantasolut sekä pesäkkeitä muodostavat solut).

Synnytyksenaikaisen stressin on arvioitu lisäävän verenkierrossa olevien verta muodostavien kantasolujen määrää muun muassa kasvutekijävaikutusten kautta. Väitöstutkimuksessa osoitettiin matalan napavaltimon pH:n, jonka oletetaan kuvaavan synnytyksenaikaista stressiä, ennustavan korkeita istukkaveriyksikön kantasolumääriä terveillä vastasyntyneillä. Matalan pH:n vaikutus korostui alatiesynnytyksissä keisarinleikkauksiin verrattuna. Mainittujen havaintojen hyödyntämiseksi istukkaveripankkitoiminnassa luotiin teoreettisia malleja, joilla istukkaveriyksikön kantasolumääriä voitaisiin ennustaa.

Veren hyytymisjärjestelmän aktivaatiolla voi olla vaikutuksia muun muassa kantasolujen erilaistumiseen, ja sitä tulisikin välttää istukkaveren keräyksessä. Hyytymisjärjestelmä voi aktivoitua esimerkiksi neulanpistosta syntyvän verisuonivaurion yhteydessä tai veren solujen kohdatessa keräyspussin vieraita pintoja. Väitöskirjatyössä tutkittiin hyytymisjärjestelmän aktivoitumista istukkaveren keräykseen liittyvien toimenpiteiden yhteydessä. Tutkittavina olivat verihiutaleiden vapauttama verihiutaletekijä 4 (PF4) ja keskeisen hyytymistekijän, trombiinin, muodostuessa vapautuva protrombiinifragmentti 1+2 (F1+2). Hyytymisjärjestelmän aktivaation todettiin pysyvän terveillä vastasyntyneillä aiemmin havaitulla tasolla; tosin aiempia tutkimuksia aiheesta on vähän.

Istukkaveriyksikön kykyä tuottaa veren eri solutyyppejä voidaan tutkia soluviljelymenetelmin. Väitöstutkimuksessa kehitettiin yksinkertainen pisteytysmenetelmä istukkaveren verihiutalelinjan solujen kasvun arviointiin puolikiinteällä kasvualustalla. Lisäksi istukkaveriyksikön erottelemattomista, pakasteessa olleista soluista todettiin kehittyvän myös punasolulinjan soluja, kun niitä kasvatettiin verihiutalelinjan solujen kasvua tukevalla nestemäisellä viljelyalustalla. Tämän oletettiin johtuvan verihiutalekasvutekijän punasoluvaikutuksesta, viljelmän muiden solujen tuottamista kasvutekijöistä sekä muista solujen välisistä vuorovaikutuksista. Erottelemattoman istukkaveriyksikön solujen kasvua ohjaavat siis useat eri tekijät.