Deciphering the immune microenvironment in pediatric Acute Myeloid Leukaemia (AML) using single-cell multi-omics

Paediatric Acute Myeloid Leukaemia (pAML) is a rare malignant disease of the bone marrow, characterized by the rapid accumulation of abnormal immature myeloid blood cells. Treatment outcomes for pAML patients are unsatisfactory, particularly in terms of event-free survival, due to the high relapse rates. Recently, increasing attention has been given to the role of the immune system in pAML, both as a prognostic index and as a therapeutic target, due to the advancement of cell-based approaches such as CAR-T cell therapies. With the aim of characterising the pAML immune microenvironment, this work focuses on the analysis of a newly developed single-cell multi-omic dataset, comprising of 22 longitudinal bone marrow samples from 13 high-risk pAML patients and 5 healthy controls. The Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitopes by Sequencing (CITE-seq) allowed a multimodal characterisation of cells, providing the unbiased measure of their transcriptome and quantifying the levels of 81 surface proteins. After the pre-processing steps, the analysis focused on a selected subset of healthy lymphoid cells, consisting of ~20,000 T/NK and 10,000 B lymphocytes, which were carefully re-annotated to identify distinct cell subtypes. Differential abundance and gene expression analyses were performed on all identified lymphoid populations (AML vs Control cells) to evidence any AML or disease timepoint related differences. This analysis, combined with surface protein expression analysis, revealed functional and phenotypical alterations in the lymphoid compartment associated with AML. This work confirmed previous findings such as the presence of Atypical B cells in pAML samples, and the AML-related exhaustion state of T cells, associated with the progressive loss of surface CD26. Moreover, some novel aspects have emerged regarding the hyper-activation of Natural Killer lymphocytes in AML. These results, still requiring validation in larger cohorts, have potential relevance in designing innovative cell-based and immune therapies, set to become the next frontier in AML treatment.

La Leucemia Mieloide Acuta pediatrica (LMAp) è una neoplasia rara del midollo osseo, caratterizzata da un rapido accumulo di cellule mieloidi anomale e immature. I risultati terapeutici per i pazienti con LMAp sono poco soddisfacenti, in particolare in termini di sopravvivenza libera da eventi, a causa degli alti tassi di recidiva. La ricerca sta di recente investigando il ruolo prognostico e terapeutico del sistema immunitario nella LMAp, fondamentale nello sviluppo di terapie cellulari come le CAR-T. Per caratterizzare il microambiente immunitario nella LMAp, in questo lavoro è stato analizzato un nuovo dataset con risoluzione a singola cellula, composto da 22 campioni longitudinali di midollo osseo da 13 pazienti LMA pediatrici ad alto rischio e 5 controlli sani. La tecnica di acquisizione CITE-seq, ha permesso una caratterizzazione multimodale delle cellule, fornendo una misura completa del loro trascritto e la quantificazione di 81 epitopi di superficie. Dopo il pre-processing, l’analisi si è concentrata su una selezione di circa 20,000 linfociti T/NK e 10,000 B, poi ri-annotati per identificare i sottotipi cellulari. Analisi differenziali di abbondanza ed espressione genica sono state eseguite sulle popolazioni linfoidi, al fine di evidenziare eventuali differenze legate alla LMAp in sè o alla sua progressione. Queste, Insieme all’analisi di espressione delle proteine di superficie, hanno permesso di evidenziare alterazioni funzionali e fenotipiche nelle cellule linfoidi, legate alla LMA. Questo lavoro ha confermato alcuni risultati di studi precedenti, come la presenza delle Cellule B Atipiche nei campioni LMAp e lo stato di esaurimento delle cellule T in LMAp, associato alla progressiva perdita di espressione superficiale di CD26. Inoltre, sono emersi nuovi aspetti riguardo l’iper-attivazione dei linfociti NK in LMA. Questi risultati, da verificare in un maggior numero di pazienti, hanno una potenziale rilevanza nella progettazione di nuove terapie cellulari e strategie immunoterapeutiche, destinate a diventare la nuova frontiera nel trattamento della LMA.