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 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.

Multi-potent progenitor (MPP) cells act as a key intermediary step between haematopoietic stem cells and the entirety of the mature blood cell system. Their eventual fate determination is thought to be achieved through migration in and out of spatially distinct niches. Here we first analyze statistically MPP cell trajectory data obtained from a series of long time-course 3D in-vivo imaging experiments on irradiated mouse calvaria, and report that MPPs display transient super-diffusion with apparent non-Gaussian displacement distributions. Second, we explain these experimental findings using a run-and-tumble model of cell motion which incorporates the observed dynamical heterogeneity of the MPPs. Third, we use our model to extrapolate the dynamics to time-periods currently inaccessible experimentally, which enables us to quantitatively estimate the time and length scales at which super-diffusion transitions to Fickian diffusion. Our work sheds light on the potential importance of motility in early haematopoietic progenitor function.