Experiments were conducted to isolate and characterize the gene and gene product of a human hematopoietic colony-stimulating factor with pluripotent biological activities. This factor has the ability to induce differentiation of a murine myelomonocytic leukemia cell line WEHI-3B(D + ) and cells from patients with newly diagnosed acute nonlymphocytic leukemia (ANLL). A complementary DNA copy of the gene encoding a pluripotent human granulocyte colony-stimulating factor (hG-CSF) was cloned and expressed in Escherichia coli . The recombinant form of hG-CSF is capable of supporting neutrophil proliferation in a CFU-GM assay. In addition, recombinant hG-CSF can support early erythroid colonies and mixed colony formation. Competitive binding studies done with 125 I-labeled hG-CSF and cell samples from two patients with newly diagnosed human leukemias as well as WEHI-3B(D + ) cells showed that one of the human leukemias (ANLL, classified as M4) and the WEHI-3B(D + ) cells have receptors for hG-CSF. Furthermore, the murine WEHI-3B(D + ) cells and human leukemic cells classified as M2, M3, and M4 were induced by recombinant hG-CSF to undergo terminal differentiation to macrophages and granulocytes. The secreted form of the protein produced by the bladder carcinoma cell line 5637 was found to be O -glycosylated and to have a molecular weight of 19,600.

Original Article from The New England Journal of Medicine — Effect of Granulocyte Colony-Stimulating Factor on Neutropenia and Associated Morbidity Due to Chemotherapy for Transitional-Cell Carcinoma of the Urothelium

A phase I/II study of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) was undertaken in patients with advanced malignancy receiving melphalan to determine the granulocyte response, side-effects, and pharmacokinetics. Patients received doses of 1-60 micrograms/kg intravenously. There were 3 patients at each dose level. Before chemotherapy the immediate effect of G-CSF was a transient depression in circulating neutrophils followed by a dose-dependent rise. Neutrophil counts up to 80 X 10(9)/l were achieved. G-CSF administration following melphalan reduced the period of neutropenia caused by melphalan. G-CSF was well tolerated and the only clinical observation that appeared related to G-CSF administration was slight bone pain during some infusions. G-CSF was rapidly cleared from the blood with a mean half-life of 110 min for the second phase. Reductions in the number of days of neutropenia following cytotoxic chemotherapy may reduce the morbidity and mortality of chemotherapy.

Twelve patients with advanced small cell carcinoma of the bronchus were treated by continuous infusion of recombinant human granulocyte colony-stimulating factor (rhG-CSF) at the following dose levels: 1 microgram, 5 micrograms, 10 micrograms, 20 micrograms and 40 micrograms kg-1 day-1 for 5 days. No toxicities resulted from the treatment and in all 12 patients the number of peripheral neutrophils increased rapidly to a maximum of 100 x 10(9) l-1 at 10 micrograms kg-1 day-1. The neutrophils were shown to be functionally normal in tests of their mobility and bactericidal activity. During the phase II part of the study the patients were treated by a combination of intravenous adriamycin 50 mg m-2, ifosfamide 5 g m-2 by i.v. infusion with mesna 8 g m-2 on day 1, and etoposide 120 mg m-2 on days 1, 2 and 3 also intravenously. The chemotherapy regime was repeated every 3 weeks. RhG-CSF was given to each patient for 14 days on alternate cycles of chemotherapy and reduced the period of absolute neutropenia considerably (median of 80%), with a return to normal, or above normal, neutrophil counts within 2 weeks after day 1 of chemotherapy. Six severe infective episodes were observed during the cycles of chemotherapy which did not include rhG-CSF, while no infective episodes occurred when patients were treated with rhG-CSF. These results demonstrate the utility of rhG-CSF in restoring functional neutrophils to patients undergoing intensive chemotherapy.

Congenital agranulocytosis is a disorder characterized by severe neutropenia and a profound deficiency of identifiable neutrophil progenitors in bone marrow. In an attempt to stimulate neutrophil production and thereby reduce the morbidity and mortality associated with this disease, we administered recombinant human granulocyte colony-stimulating factor (rhG-CSF) in doses of 3 to 60 micrograms per kilogram of body weight per day to five patients with congenital agranulocytosis. In all five patients, an increase in the number of neutrophils was noted eight to nine days after the initiation of the effective dosage (the dose at which the neutrophil count reached 1000 cells per microliter or more and the bone marrow showed granulocyte maturation beyond the myelocyte stage). The absolute neutrophil counts rose from less than 100 to between 1300 and 9500 cells per microliter. Marrow aspirates obtained after 14 days at the effective dosage showed maturation to the mature neutrophil stage. The side effects that were observed were medullary pain, splenomegaly, and an elevation of levels of leukocyte alkaline phosphatase. All five patients have had sustained neutrophil counts of 1000 cells per microliter or more for 9 to 13 months while receiving subcutaneous maintenance therapy. Preexisting chronic infections have resolved clinically, and the number of new infectious episodes and the requirement for intravenous antibiotics have decreased. We conclude that treatment with rhG-CSF can lead to a large increase in the numbers of functional neutrophils in patients with congenital agranulocytosis.

We examined the in vivo effects of recombinant human granulocyte colony-stimulating factor (rhG-CSF) in primates (cynomolgus monkeys) treated with subcutaneous doses of rhG-CSF for 14-28 d. A dose-dependent increase in the peripheral white blood cells (WBC) was seen, reaching a plateau after 1 wk of rhG-CSF treatment. The elevation of WBC was due to an increase in the absolute neutrophil count. These results demonstrate that rhG-CSF is a potent granulopoietic growth and differentiation factor in vivo. In cyclophosphamide (CY)-induced myelosuppression, rhG-CSF was able to shorten the time period of WBC recovery in two treated monkeys to 1 wk, as compared to more than 4 wk for the control monkey. Its ability to significantly shorten the period of chemotherapy-induced bone marrow hypoplasia may allow clinicians to increase the frequency or dosage of chemotherapeutic agents. In addition, the increase in absolute numbers of functionally active neutrophils may have a profound effect in the rate and severity of neutropenia-related sepsis. Furthermore, the activities reported here indicate a potential role for rhG-CSF in the treatment of patients with myelodysplastic syndrome, congenital agranulocytosis, radiation-induced myelosuppression, and bone marrow transplantation.

Total cellular RNAs from a variety of fresh and culture-derived human hematopoietic neoplastic cell types at various stages of differentiation and human sarcoma, carcinoma, melanoma, and glioblastoma cell lines were enriched for poly(A)- containing sequences, fractionated by gel electrophoresis, and blot hybridized to a cloned DNA probe containing the transforming sequences (v-amv) of avian myeloblastosis virus (AMV), a virus known to cause myeloid leukemias in chickens. Expression of RNA sequences homologous to AMV was detected in all immature myeloid and lymphoid T cells in addition to the single erythroid cell line examined, but not in mature T cells or in B cells, including lymphoblast cell lines derived from patients with Burkitt lymphoma. In addition, induction of the cell line HL60, a promyelocytic leukemia line, to differentiate with dimethyl sulfoxide or retinoic acid resulted in a reduction of the level of expression of the human cellular gene c-amv homologous to v-amv. There was no detectable c-amv mRNA in any of the solid tumor cell lines examined. Thus, expression of the human c-amv gene could be correlated with the stage of differentiation of different hematopoietic cell types determined by morphologic and marker studies. Expression of c-amv could not be correlated with the extent of methylation in HL60 and in HL60 induced to differentiate with dimethyl sulfoxide.