Bone marrow vascular niches sustain hematopoietic stem cells (HSCs) and are drastically remodeled in leukemia to support pathological functions. Acute myeloid leukemia (AML) cells produce angiogenic factors, which likely contribute to this remodeling, but anti-angiogenic therapies do not improve AML patient outcomes. Using intravital microscopy, we found that AML progression leads to differential remodeling of vasculature in central and endosteal bone marrow regions. Endosteal AML cells produce pro-inflammatory and anti-angiogenic cytokines and gradually degrade endosteal endothelium, stromal cells, and osteoblastic cells, whereas central marrow remains vascularized and splenic vascular niches expand. Remodeled endosteal regions have reduced capacity to support non-leukemic HSCs, correlating with loss of normal hematopoiesis. Preserving endosteal endothelium with the small molecule deferoxamine or a genetic approach rescues HSCs loss, promotes chemotherapeutic efficacy, and enhances survival. These findings suggest that preventing degradation of the endosteal vasculature may improve current paradigms for treating AML.

Abstract Acute myeloid leukemia (AML) is a blood cancer of the myeloid lineage. Its prognosis remains poor, highlighting the need for new therapeutic and precision medicine approaches. AML symptoms often include cytopenias, linked to loss of healthy hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The mechanism behind HSPC decline is complex and still poorly understood. Here, intravital microscopy (IVM) of a well-established experimental model of AML allows direct observation of the interactions between healthy and malignant cells in the bone marrow (BM), suggesting that physical dislodgment of healthy cells by AML through damaged vasculature may play an important role. Numerous human leukemia types, particularly MLL-AF9 samples, show high expression levels of multiple matrix metalloproteinases (MMPs). Therefore, we evaluate the therapeutic potential of the MMP inhibitor (MMPI) prinomastat. IVM analyses of treated mice reveal reduced vascular permeability and healthy cell clusters in circulation, and lower AML cell speed. Furthermore, treated mice have decreased BM infiltration, increased retention of healthy HSPCs in the BM and increased survival following chemotherapy. Overall, our results suggest that MMPIs could be a promising complementary therapy to reduce AML growth and limit the loss of HSPC and BM vascular damage caused by MLL-AF9 and possibly other AML subtypes.

Abstract Throughout postnatal life, haematopoiesis in the bone marrow (BM) maintains blood and immune cell production. Haematopoiesis first emerges in human BM at 12 post conception weeks while fetal liver (FL) haematopoiesis is still expanding. Yet, almost nothing is known about how fetal BM evolves to meet the highly specialised needs of the fetus and newborn infant. Here, we detail the development of fetal BM including stroma using single cell RNA-sequencing. We find that the full blood and immune cell repertoire is established in fetal BM in a short time window of 6-7 weeks early in the second trimester. Fetal BM promotes rapid and extensive diversification of myeloid cells, with granulocytes, eosinophils and dendritic cell (DC) subsets emerging for the first time. B-lymphocyte expansion occurs, in contrast with erythroid predominance in FL at the same gestational age. We identify transcriptional and functional differences that underlie tissue-specific identity and cellular diversification in fetal BM and FL. Finally, we reveal selective disruption of B-lymphocyte, erythroid and myeloid development due to cell intrinsic differentiation bias as well as extrinsic regulation through an altered microenvironment in the fetal BM from constitutional chromosome anomaly Down syndrome during this crucial developmental time window.

Abstract Acute Myeloid Leukemia, a hematological malignancy with poor clinical outcome, is composed of hierarchically heterogeneous cells. We examine the contribution of this heterogeneity to disease progression in the context of anti-tumor immune responses and investigate whether these responses regulate the balance between stemness and differentiation in AML. Combining phenotypic analysis with proliferation dynamics and fate-mapping of AML cells in a murine AML model, we demonstrate the presence of a terminally differentiated, chemoresistant population expressing high levels of PDL1. We show that PDL1 upregulation in AML cells, following exposure to IFNγ from activated T cells, is coupled with AML differentiation and the dynamic balance between proliferation, versus differentiation and immunosuppression, facilitates disease progression in the presence of immune responses. This microenvironment-responsive hierarchical heterogeneity in AML may be key in facilitating disease growth at the population level at multiple stages of disease, including following bone marrow transplantation and immunotherapy.

Abstract The paradigmatic tree model of hematopoiesis is increasingly recognized to be limited as it is based on heterogeneous populations and largely inferred from non-homeostatic cell fate assays. Here, we combine persistent labeling with time-series single-cell RNA-Seq to build the first real- time, quantitative model of in vivo tissue dynamics for any mammalian organ. We couple cascading single-cell expression patterns with dynamic changes in differentiation and growth speeds. The resulting explicit linkage between single cell molecular states and cellular behavior reveals widely varying self-renewal and differentiation properties across distinct lineages. Transplanted stem cells show strong acceleration of neutrophil differentiation, illustrating how the new model can quantify the impact of perturbations. Our reconstruction of dynamic behavior from snapshot measurements is akin to how a Kinetoscope allows sequential images to merge into a movie. We posit that this approach is broadly applicable to empower single cell genomics to reveal important tissue scale dynamics information. Highlights Cell flux analysis reveals high-resolution kinetics of native bone marrow hematopoiesis Quantitative model simulates cell behavior in real-time and connects it with gene expression patterns Distinct lineage-affiliated progenitors have unique self-renewal and differentiation properties Transplanted HSCs display accelerated stage- and lineage-specific differentiation

Recent lineage tracing single-cell techniques (LT-scSeq), e.g., the Lineage And RNA RecoverY (LARRY) barcoding system, have enabled clonally resolved interpretation of differentiation trajectories. However, the heterogeneity of clone-specific kinetics remains understudied, both quantitatively and in terms of interpretability, thus limiting the power of bar-coding systems to unravel how heterogeneous stem cell clones drive overall cell population dynamics. Here, we present CLADES, a NeuralODE-based framework to faithfully estimate clone-specific kinetics of cell states from newly generated and publicly available human cord blood LARRY LT-scSeq data. By incorporating a stochastic simulation algorithm (SSA) and differential expression gene (DEGs) analysis, CLADES yields cell division dynamics across differentiation timecourses and fate bias predictions for the early progenitor cells. Moreover, clone-level quantitative behaviours can be grouped into characteristic types by pooling individual clones into meta-clones. By benchmarking with CoSpar, we found that CLADES improves fate bias prediction accuracy at the meta-clone level. In conclusion, we report a broadly applicable approach to robustly quantify differentiation kinetics using meta-clones while providing valuable insights into the fate bias of cellular populations for any organ system maintained by a pool of heterogeneous stem and progenitor cells.

Severe infections are a major source of stress on haematopoiesis, where consequences for haematopoietic stem cells (HSCs) have only recently started to emerge. HSC function critically depends on the integrity of complex bone marrow niches, which have been shown to be altered during ageing and haematopoietic malignancies. Whether the bone marrow (BM) microenvironment plays a role in mediating the effects of infection on HSCs remains an open question. Here we used an experimental murine model of malaria coupled with intravital microscopy, single cell RNA-Seq, mathematical modelling and transplantation assays to obtain a quantitative understanding of the proliferation dynamics of haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) during Plasmodium infection. We uncovered that during Plasmodium infection the HSC compartment turns over significantly faster than in steady state, and that a global interferon response and loss of functional HSCs are linked to alterations in BM endothelium function and osteoblasts number. Finally, interventions that targeted osteoblasts uncoupled HSC proliferation and function thus opening up new avenues for therapeutic interventions that may improve the health of survivors of severe infections.