Khalid Muhammad

• Diverse roles of B cells in the pathophysiology of rheumatoid arthritis are now well established. B cells contribute to autoimmunity by producing autoantibodies, processing autoantigen and the production of different cytokines which are involved in the inflammatory cascade. Therefore approaches to target B lymphocytes directly or indirectly are developed for clinical practice to treat autoimmune diseases including rheumatoid arthritis. Transient B cell depletion by rituximab (anti-CD20 antibody) has gained prime importance in recent years.Diverse roles of B cells in the pathophysiology of rheumatoid arthritis are now well established. B cells contribute to autoimmunity by producing autoantibodies, processing autoantigen and the production of different cytokines which are involved in the inflammatory cascade. Therefore approaches to target B lymphocytes directly or indirectly are developed for clinical practice to treat autoimmune diseases including rheumatoid arthritis. Transient B cell depletion by rituximab (anti-CD20 antibody) has gained prime importance in recent years. Meanwhile anti-CD20 mediated transient B cell depletion therapy is now used with clinical efficiency in the treatment of patients with rheumatoid arthritis. Rituximab induces noteworthy changes in the homeostasis of peripheral B cell subpopulations during the repletion phase with emerging immature B cells in peripheral blood followed by normalization of the naïve B cell pool and a longterm delay in memory B cell subsets in patients with rheumatoid arthritis. Particularly IgD+CD27+ memory B cells repopulate very slowly during B cell regeneration. In a prospective clinical study, our laboratory has shown that the overall number of memory B cells correlates well to the duration of clinical response to rituximab. Little is known about the particular molecular changes in the memory B cell repertoire after rituximab therapy. To better understand peripheral memory B cell subsets, we explored in detail the somatic mutational frequency and pattern of Ig-VH3 gene rearrangements by using a single B cell sorting technique followed by nested PCR before and up to 6 years after rituximab therapy in 18 RA patients. We compared rituximab inflicted dynamics of mutational acquisition to memory B cell repopulation in 4 healthy donors and 6 non RA patients undergoing high dose chemotherapy followed by autologous or allogeneic stem cell transplantation (SCT). Firstly we analyzed the peripheral composition of memory B cell subsets. The phenotypic analysis of peripheral pre-switch (IgD+CD27+) and post-switch (IgD-CD27+) memory B cells did not reveal any quantitative differences in RA patients prior to B cell depletion therapy compared to healthy donors. However extending those studies in directly analysing the B cell immunoglobulin receptor from individual B cells of RA patients and healthy controls brought interesting results. Pre-switched and post-switched memory B cells showed a highly significant difference in the amount of mutations/sequence. The population of IgD+CD27+ memory B cells is comprised of non-mutated, low and highly mutated (median= 9 mutations/ sequence) rearranged Ig receptors whereas the IgD-CD27+ memory B cell compartment shows quite uniformly highly mutated (median 18 mutations/ sequence) sequences indicating a significant difference between these two groups (mutational frequencies 3.83±0.19% vs. 7.1±0.53%; P=0.0001). Profound changes were noted in the re-emerging pre-switch memory B cells (IgD+/ CD27+) after transient B cell depletion with rituximab. These cells showed over a time period of 6 years after treatment with rituximab significantly delayed acquisition of mutations in Ig receptors on the single B cell level. One year after a single course of rituximab 84% of single repopulating IgD+/CD27+ B cells were unmutated and no highly mutated Ig-VH gene rearrangements were found(P=0.0001). Over time increasing numbers of mutations could be detected i-e 7.8% during 2nd year of regeneration (P=0.0001), 14% after 4 years (n=2). Nevertheless even 6 years after rituximab, VH mutations in IgD+ memory B cells were still reduced with 27% highly mutated sequences compared to 52% pre therapy(P=0.0001). Post-therapy analysis of CDR3 length of regenerated IgD+ memory B cells revealed increased CDR3 length which also correlates well with elevated number of non-mutated VH gene rearrangements observed during repletion phase. In comparison patients undergoing high dose chemotherapy followed by allogeneic stem cell transplantation repopulated IgD+ memory cells earlier with higher numbers of mutations in IgD+ memory B cells. One year after transplantation Ig receptors showed already 22% highly mutated and 42 % unmutated VH rearrangements. These findings indicated that anti-CD20 mediated B cell depletion seems not only to delay the production of pre-switch memory B cells but also significantly affects the acquisition of mutations in the IgD+ memory B cell pool. In contrary to the mutational pattern of IgD+ memory B cells after rituximab class switched memory B cells repopulate in the periphery with quantitatively normal mutations in their Ig receptors. Although the numeric replenishment of these recirculating class-switched memory B cells was also reduced after rituximab, we found no delay in quantitative acquisition of mutations also an increased proportion of IgA expressing B cells in this memory B cell subset was detected. Our data showed that post-therapy mutational targeting in RGYW/WRCY motifs were significantly increased as compared with that of pre-treatment (27% before rituximab vs. 43% after therapy, P=0.0003) indicating that affinity maturation may operate differently in class-switched memory B cells before and after B cell depletion. These results indicate a normal development process with an unimpaired mechanism of mutational acquisition in class-switched memory B cells. These data argue for different requirements to undergo somatic hypermutations in IgD+ memory B cells in comparison to class switched memory B cells. To conclude, our work has demonstrated for the first time a delayed acquisition of somatic hypermutations at single Ig receptor VH gene rearrangements of IgD+ memory B cells in comparison to class-switched memory B cells. These results demonstrate that IgD+ memory B cells are particularly susceptible to anti-CD20 treatment in patients with rheumatoid arthritis. In addition antigenic pressure and/or selection are substantially reduced by rituximab therapy which is basically not seen in the class-switched memory compartment. These data are in line with the hypothesis that IgD+ memory B cells have distinct requirements for activating their mutational machinery compared to class-switched memory B cells which recover normal mutations during regeneration phase. The results have implications in understanding the pathophysiology of memory B cell in rheumatoid arthritis and may be helpful in designing new targeted therapies.…
• B-Lymphozyten leisten unterschiedliche Beiträge zur Pathophysiologie der Rheumatoiden Arthritis. Sie produzieren Autoantikörper, präsentieren Autoantigene und schütten verschiedene Zytokine, die am proinflammatorischen Prozess beteiligt sind, aus. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden in den letzten Jahren Therapien entwickelt, die gezielt B-Lymphozyten ansteuern um direkt oder indirekt in den autoimmunen Krankheitsverlauf einzugreifen. Die zeitlich begrenzte B-Zell-Depletion mit Rituximab (anti CD20-Antikörper) hat dabei in den letztenB-Lymphozyten leisten unterschiedliche Beiträge zur Pathophysiologie der Rheumatoiden Arthritis. Sie produzieren Autoantikörper, präsentieren Autoantigene und schütten verschiedene Zytokine, die am proinflammatorischen Prozess beteiligt sind, aus. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden in den letzten Jahren Therapien entwickelt, die gezielt B-Lymphozyten ansteuern um direkt oder indirekt in den autoimmunen Krankheitsverlauf einzugreifen. Die zeitlich begrenzte B-Zell-Depletion mit Rituximab (anti CD20-Antikörper) hat dabei in den letzten Jahren einen hohen Stellenwert erlangt und wird im klinischen Alltag insbesondere bei der Behandlung von Patienten mit rheumatoider Arthritis angewandt. Rituximab induziert im peripheren Blut bemerkenswerte Veränderungen in der Homöostase der B-Zell-Subpopulationen. Nach Therapie mit dem anti-CD20 Antikörper Rituximab beginnt die Repletionsphase mit der peripheren Aussaat von transitionalen unreifen B-Zellen. Im weiteren Verlauf kommt es zu einer Normalisierung des naiven B-Zell-Pools. Das B-Zell Gedächtnis und in besonderem Maße die IgD+CD27+ Gedächtniszellen erholen sich nach Therapie nur langsam. In einer prospektiven klinischen Studie hat unsere Arbeitsgruppe gezeigt, dass die Gesamtzahl der Gedächtniszellen gut mit der Dauer der klinischen Antwort auf Rituximab korreliert. Es ist wenig über die speziellen molekularen Veränderungen innerhalb der Gedächtnis B-Zellen nach Rituximab Therapie bekannt. Um die Veränderungen im peripheren Blut zu verstehen untersuchten wir die somatische Mutationsfrequenz und das Muster der Ig-VH3 Gen Rearrangements, indem wir prä- und posttherapeutisch bei 18 Patienten einzelne B-Zellen isolierten und den individuellen B-Zellrezeptor durch eine Einzelzell RT-PCR amplifizierten und sequenzierten. Wir verglichen das Mutationsmuster nach erfolgreicher B-Zelldepletion in den neu rezirkulierenden Gedächtnis B-Zellen mit dem Mutationsmuster von vier Gesunden Blutspendern und sechs nicht-RA Patienten, die eine Hochdosis Chemotherapie mit anschließender autologer oder allogener Stammzelltransplantation erhalten hatten. Zunächst haben wir die Zusammensetzung der Gedächtniszellen im peripheren Blut analysiert. Der Phänotyp der peripheren prä-switch (IgD+CD27+) und post-switch (IgD-CD27+) Gedächtniszellen zeigte keine quantitativen Unterschiede in RA-Patienten im Vergleich zu Gesunden. Bei der direkten Analyse des B-Zell Immunglobulin Rezeptors fanden sich jedoch zwischen klassengeswitchten und ungeswitchten Gedächtnis B-Zellen signifikante Unterschiede in der Anzahl der Mutationen in der variablen Region der Ig Rezeptors. Die Population der IgD+CD27+ Gedächtniszellen beinhaltete sowohl nicht mutierte, wenig mutierte und stark mutierte (Median= 9 Mutationen pro Sequenz) rearrangierte Ig- Rezeptoren, wohingegen die IgD-CD27+ Gedächtniszellen einen durchgehend hoch mutierten (Median = 18 Mutationen pro Sequenz) Rezeptor aufwiesen. Der Unterschied zwischen beiden Gruppen war signifikant (Mutationsfrequenzen 3.83±0.19% vs. 7.1±0.53%; P=0.0001). Grundlegende Veränderungen wurden bei den rezirkulierenden ungeswitchten Gedächtniszellen (IgD+CD27+) nach vorübergehender B-Zell Depletion mit Rituximab festgestellt. Diese Zellen wurden bis 6 Jahre nach Rituximab beobachtet und zeigten eine stark verzögerte Zunahme an Mutationen im Ig-Rezeptor. Ein Jahr nach einmaliger Gabe von Rituximab waren 84% der einzelnen zirkulierenden IgD+/CD27+ B-Zellen unmutiert. Zu diesem Zeitpunkt fanden sich keine stark mutierten Ig-VH3 Gen Rearrangements (P=0.0001). Mit zunehmendem Abstand zur B-Zell depletierenden Therapie konnten in der Repopulationsphase zunehmende Zahlen an Mutationen in den B-Zell Ig Rezeptoren festgestellt werden. Beispielsweise waren während des 2. Jahres der Regeneration (P=0.0001) 7.8%, sowie nach 4 Jahren nur 14% der Ig Rezeptoren mutiert. Sogar 6 Jahre nach Behandlung, waren VH Mutationen in IgD+ Gedächtniszellen noch deutlich vermindert. Selbst nach dieser Zeit fanden sich in der prä-switch Gedächtnispopulation nur 27% hochmutierte Sequenzen während vor der passageren B-Zelldepletion 52% ein hohe Zahl an Mutationen trugen (P=0.0001). Die posttherapeutische Analyse der CDR3 Länge der regenerierten IgD+ Gedächtniszellen ergab eine erhöhte CDR3 Länge, die signifikant mit der Anzahl der nicht mutierten VH Genrearrangements während der Repletionsphase korreliert. Interessanterweise regenerierten Patienten nach Hochdosis Chemotherapie und allogener Stammzelltransplantation ihre IgD+ Gedächtniszellen mit einer deutlich höheren Anzahl an Mutationen. Ein Jahr nach Transplantation zeigten die Ig Rezeptoren schon 22% hoch mutierte und 42% unmutierte VH Rearrangements. Das zeigt, dass eine gegen CD20 gerichtete Behandlung nicht nur eine Verzögerung der Produktion der ungeswitchten Gedächtniszellen zur Folge hat, sondern darüber hinaus einen signifikanten Effekt auf die Mutationsrate im präswitch Gedächtnis B-Zellpool besitzt. Im Gegensatz zum Mutationsmuster der IgD+ Gedächtniszellen regenerierten die klassengeswitchten Gedächtniszellen nach anti-CD20 Depletion im peripheren Blut mit quantitativ normalen Mutationen im Ig Rezeptor. Interessanterweise fand sich allerdings eine Änderung der exprimierten Isotypen mit deutlicher Dominanz IgA exprimierender B Zellen. Weitere Analysen der klassengeswitchten Gedächtnis B-Zellen zeigen außerdem eine Therapie induzierte qualitative Veränderung dieses B-Zellpools. So waren posttherapeutisch die Mutationen in bestimmten T-Zell abhängigen Mutationshotspots, dem RGYW/WRCY Motiv, signifikant vermehrt (Mutationstargeting vor Therapie 27% vs. 43% nach Rituximab, P=0.0003). Dies weist darauf hin, dass die Mechanismen der Affinitätsreifung im klassengeswitchten B-Zellgedächtnis vor und nach B-Zelldepletion unterschiedlich funktionieren. Der Mutationsmechanismus selbst ist allerdings in diesen Zellen quantitativ nicht eingeschränkt. Zusammenfassend zeigt unsere Arbeit zum erstem mal, dass es nach einer passageren B-Zelldepletion mit anti-CD20 Antikörpern zu einer über Jahre hinweg nachweisbaren ausgeprägten Verzögerung in der Aquisition von somatischen Mutationen in rearrangierten VH Genen der IgD+ Gedächtniszellen kommt. Demgegenüber erholt sich das klassengeswitchte B-Zellgedächtnis mit uneingeschränkter Zahl von Mutationen im Ig Rezeptor. Diese Resultate zeigen, dass anti-CD20 gerichtete Therapien in besonderem Maße IgD+ Gedächtniszellen beeinflussen. Der Selektionsdruck durch Antigene und/oder die Selektion der Ig Rezeptoren erscheint unter diesen Bedingungen speziell bei IgD-Gedächtnis B-Zellen reduziert. Die Daten unterstützen die Hypothese, dass prä-switch Gedächtnis B-Zellen im Vergleich zu post-switch Gedächtnis B-Zellen andere Bedingungen für die Aktivierung der Mutationsmaschinerie benötigen. Die Resultate eröffnen neue Wege für das Verständnis der Pathophysiologie der B-Zell Gedächtnisentwicklung und können helfen neue zielgerichtete Therapien zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen zu konzipieren.…