Mesenchymal stem cells (MSCs) are found in a variety of tissues, including human bone marrow; secrete hematopoietic cytokines; support hematopoietic progenitors in vitro; and possess potent immunosuppressive properties. We hypothesized that cotransplantation of culture-expanded MSCs and hematopoietic stem cells (HSCs) from HLA-identical sibling donors after myeloablative therapy could facilitate engraftment and lessen graft-versus-host disease (GVHD); however, the safety and feasibility of this approach needed to be established. In an open-label, multicenter trial, we coadministered culture-expanded MSCs with HLA-identical sibling-matched HSCs in hematologic malignancy patients. Patients received either bone marrow or peripheral blood stem cells as the HSC source. Patients received 1 of 4 study-specified transplant conditioning regimens and methotrexate (days 1, 3, and 6) and cyclosporine as GVHD prophylaxis. On day 0, patients were given culture-expanded MSCs intravenously (1.0–5.0 × 106/kg) 4 hours before infusion of either bone marrow or peripheral blood stem cells. Forty-six patients (median age, 44.5 years; range, 19–61 years) received MSCs and HLA-matched sibling allografts. MSC infusions were well tolerated, without any infusion-related adverse events. The median times to neutrophil (absolute neutrophil count ≥0.500 × 109/L) and platelet (platelet count ≥20 × 109/L) engraftment were 14.0 days (range, 11.0–26.0 days) and 20 days (range, 15.0–36.0 days), respectively. Grade II to IV acute GVHD was observed in 13 (28%) of 46 patients. Chronic GVHD was observed in 22 (61%) of 36 patients who survived at least 90 days; it was extensive in 8 patients. Eleven patients (24%) experienced relapse at a median time to progression of 213.5 days (range, 14–688 days). The probability of patients attaining disease- or progression-free survival at 2 years after MSC infusion was 53%. Cotransplantation of HLA-identical sibling culture-expanded MSCs with an HLA-identical sibling HSC transplant is feasible and seems to be safe, without immediate infusional or late MSC-associated toxicities. The optimal MSC dose and frequency of administration to prevent or treat GVHD during allogeneic HSC transplantation should be evaluated further in phase II clinical trials.

Summary

Background

 Although umbilical cord blood is an accepted alternative to bone marrow for transplantation, allele-matched bone marrow is generally regarded as the preferred graft source. Our aim was to assess leukaemia-free survival after transplantations of these alternatives compared with present HLA-matching practices, and to assess the relative effect of cell dose and HLA match, and their potential interaction on leukaemia-free survival after cord-blood transplantation. 

Methods

 Outcomes of 503 children (<16 years) with acute leukaemia and transplanted with umbilical cord blood were compared with outcomes of 282 bone-marrow recipients. All transplantation took place in the USA. Recipients of umbilical cord blood were transplanted with grafts that were HLA-matched (n=35) or HLA-mismatched for one (n=201) or two antigens (n=267) (typing at antigen level for HLA-A and HLA-B, and allele level for HLA-DRB1). Bone-marrow recipients were transplanted with grafts that were matched at the allele level for HLA-A, HLA-B, HLA-C, and HLA-DRB (n=116), or mismatched (n=166). The primary endpoint was 5-year leukaemia-free survival. 

Findings

 In comparison with allele-matched bone-marrow transplants, 5-year leukaemia-free survival was similar to that after transplants of umbilical cord blood mismatched for either one or two antigens and possibly higher after transplants of HLA-matched umbilical cord blood. Transplant-related mortality rates were higher after transplants of two-antigen HLA-mismatched umbilical cord blood (relative risk 2·31, p=0·0003) and possibly after one-antigen HLA-mismatched low-cell-dose umbilical-cord-blood transplants (1·88, p=0·0455). Relapse rates were lower after two-antigen HLA-mismatched umbilical-cord-blood transplants (0·54, p=0·0045). 

Interpretation

 These data support the use of HLA-matched and one- or two-antigen HLA-mismatched umbilical cord blood in children with acute leukaemia who need transplantation. Because better HLA matching and higher cell doses significantly decrease the risk of transplant-related mortality after umbilical-cord-blood transplantation, greater investment in large-scale banking is needed to increase HLA diversity.

Peripheral blood cells are increasingly used in place of bone marrow as a source of hematopoietic stem cells for allogeneic transplantation. The relative efficacy of these 2 approaches is unknown. This retrospective multivariate analysis compared results of 288 HLA-identical sibling blood stem cell transplantations with results of 536 HLA-identical sibling bone marrow transplantations. No transplants were T-cell depleted. Median follow-up was 12 months, and analyses focused on 1-year outcomes. Recipients of blood stem cell transplants had more rapid recovery of neutrophils to at least 0.5 x 10(9)/L (median time to recovery, 14 days, compared with 19 days for marrow transplants; P <.001) and of platelets to at least 20 x 10(9)/L (median time, 18 days, compared with 25 days for marrow transplants; P <.001). There was no significant difference in the incidence of grades II to IV acute graft versus host disease (GVHD). The incidence of chronic GVHD was significantly higher after blood stem cell transplantation (1-year probability [95% confidence interval], 65% [56%-72%] compared with 53% [47%-59%]; P =.02) Relapse incidence in the 2 transplant groups did not differ significantly. Treatment-related mortality rates were lower and leukemia-free survival rates were higher with blood stem cell transplants in patients with advanced leukemia (acute leukemia in second remission or chronic myelogenous leukemia in accelerated phase) but not in early leukemia (acute leukemia in first remission or chronic myelogenous leukemia in chronic phase). The median time from transplantation to hospital discharge was 23 days after blood stem cell transplantation and 28 days after bone marrow transplantation (P =.003). Further study with longer follow-up is necessary to definitively establish the role of blood stem cells for allogeneic transplantation, especially in patients with good-risk disease. (Blood. 2000;95:3702-3709)