Original article In vitro assays for candidates to extracorporeal photochemotherapy (ECP) Cristina Tassi1, Pier Luigi Tazzari1, Francesca Ricci1, Francesca Bonifazi2, Angela Costa3, Alberto M Martelli4, Roberto Conte1 1 2 3 4 Servizio di Medicina Trasfusionale, Ospedale S Orsola-Malpighi, Bologna, Italy Istituto di Ematologia e Oncologia "Seragnoli", Ospedale S Orsola-Malpighi, Bologna, Italy Istituto di Dermatologia, Ospedale S Orsola-Malpighi, Bologna, Italy Dipartimento di Scienze Anatomiche Umane dell'Università di Bologna e ITOI CNR, Sezione di Bologna, presso IOR, Bologna, Italy Extracorporeal photochemotherapy with 8methoxypsoralen (8-MOP) and UV-A exposure (PUVA) is a possible strategy for treating skin lesions in systemic sclerosis and chronic grafv-versus-host disease (GvHD). Extracorporeal PUVA treatment of leucocyte collections is one of the ways to perform this therapy. Here we describe the in vitro results obtained with the PUVA Combi Light UV-A irradiator. Mononuclear cells from patients with systemic sclerosis, patients with chronic GvHD, and from normal subjects were collected and irradiated with UV-A (2 J/ cm2) in the presence of 8-MOP, using the PUVA Combi Light UV-A irradiator. Tests to evaluate the cells' fate included; (i) annexin-V/7-AAD; (ii) FITC-Z-VAD-FMK; (iii) double staining with annexin-V and antibodies to CD4, CD8, CD14; (iv) proliferation assays, and (v) dendritic cell cultures. All the experiments showed that lymphocytes and monocytes underwent apoptosis within 72 h. FITC-Z-VADFMK staining demonstrated caspase activation. CD4 and CD8 double staining with annexin V showed that both subsets were positive for annexin V. Ki67 staining revealed that proliferative activity was abrogated as a final effect of PUVA treatment. The CD14-positive cells in both treated and untreated samples were able to generate dendritic cells in vitro. Our results suggest that lymphocytes exposed to PUVA undergo programmed cell death via the caspase cascade. This interpretation fits well with the hypothesis that Received: 16 October 2003 - Revision received: 28 November 2003 Correspondence: Dott. Roberto Conte Servizio di Medicina Trasfusionale, Ospedale S Orsola-Malpighi Via Massarenti 9 40138 Bologna - Italy E-mail: [email protected] Blood Transfus 2004; 2: 55-68 Introduzione La fototerapia extracorporea (ECP) è un trattamento nel quale leucociti ottenuti per aferesi vengono esposti a 8metossipsoralene (8-MOP) e ad irradiazione con raggi ultravioletti (UV-A), con successiva reinfusione al paziente delle cellule così trattate. La combinazione di 8-MOP e UVA, comunemente riportata come PUVA, costituisce un approccio terapeutico utile al trattamento di patologie dermatologiche, quali il linfoma cutaneo a cellule T ed altre alterazioni mediate dalle cellule T, ivi compresi la GvHD cronica (cGvHD) e la sclerosi sistemica (SS)1-8. Inoltre, recenti studi hanno riferito miglioramenti significativi dal punto di vista clinico e laboratoristico nel rigetto acuto nel trapianto di organi solidi9,10. Infine, è stato descritto che il trattamento PUVA può ridurre il rischio di rigetto acuto e degli effetti sfavorevoli tardivi nel trapianto di cuore11. Il reagente 8-MOP è una sostanza chimica naturale inerte che può essere fotoattivata dagli UV-A e divenire un potente agente fotosensibilizzante. Si tratta di un composto aromatico triciclico con una struttura planare tramite la quale si intercala nella doppia elica del DNA. L'UV-A attiva il complesso intercalato, determinando la formazione di fotoadduttori con le pirimidine nel DNA cellulare. I monocomplessi di psoralen formatisi nel DNA possono poi reagire fotochimicamente con le basi pirimidiniche sul filamento complementare di DNA, il che porta a legami crociati che vengono ritenuti la principale causa della morte cellulare indotta da PUVA. Il meccanismo esatto dell'attività terapeutica del PUVA non è completamente chiarito. Ciò nonostante vi sono numerose evidenze, cliniche e sperimentali, che indicano una possibile immunomodulazione indotta da cellule T e citochine12,13. In effetti, i linfociti e i monociti trattati con PUVA mostrano modifiche funzionali14: in particolare, studi 55 C Tassi et al. autologous "modified" lymphoid antigens might be exposed to the immune system, inducing a suppressor response on autoreactive cells. Moreover, since PUVA-treated monocytes are able to generate dendritic cells, it is possible that these cells could present modified antigens to the immune system of the patients, inducing a "tolerogenic" response. The complete inhibition of cell proliferative activity and strong induction of apoptotic phenomena detected in PUVA-treated cells demonstrated that the PUVA Combi Light equipment leads to main cell modifications, in full agreement with results obtained from ECP using other UV-A irradiation equipment. In addition, UV-A irradiation by the PUVA Combi Light equipment is easy to perform, reliable and fast, and is suitable for ECP purposes in patients undergoing three-phase procedures. Key words: 8 methoxypsoralen (8-MOP), apoptosis, chronic GvHD, extracorporeal phototherapy (ECP), systemic sclerosis, UV-A exposure Parole chiave: 8-metossipsoralen (8-MOP), apoptosi, cGvHD, ECP (fototerapia extracorporea), sclerosi sistemica, esposizione a UV-A in vitro hanno dimostrato apoptosi progressiva, alterazioni fenotipiche e danni al DNA nelle cellule T così trattate15,16 insieme a una progressione verso una maturazione dendritica dei monociti17. Tutte queste modifiche inducono l'attivazione del sistema delle APCs (Antigen Presenting Cells) e le cellule T così trattate sono catturate ed esposte, via sistema MHC Classe I (MHC Class I system), ai linfociti T citotossici circolanti, CD8-positivi18. Inoltre, è stato evidenziato un aumento significativo di citochine immunosoppressive sia nel citoplasma che nell'ambiente extracellulare19. Quest'ultima modifica sembra portare a un nuovo equilibrio fra le sottopopolazioni T helper (Th) e ottenere favorevoli effetti nelle sindromi correlate sia a Th2 che a Th120. Lo scopo del presente studio è quello di identificare in vitro le cellule modificate dal trattamento PUVA, utilizzando il nuovo irradiatore PUVA Combi Light su campioni provenienti da pazienti selezionati. Materiale e metodi Pazienti Introduction Extracorporeal phototherapy (ECP) is a treatment in which leucocytes obtained by apheresis are exposed to 8methoxypsoralen (8-MOP) and ultraviolet (UV)-A radiation and then re-infused back into the patient. The combination of 8-MOP and UV-A irradiation, commonly referred to as PUVA, is a useful therapeutic approach in the treatment of skin diseases such as cutaneous T-cell lymphomas and other T-cell-mediated immune disorders, including chronic graft-versus host disease (GvHD) and systemic sclerosis18 . Moreover, recent studies have reported significant clinical and laboratory improvements in acute rejection of transplanted solid organs9,10. Finally, pre-transplant PUVA treatment has been described to reduce the risk of acute rejection and late adverse effects in cardiac transplantation11. 8-MOP is a naturally occurring inert chemical that can be photoactivated by UV-A to become a powerful photosensitising agent. It is a tricyclic aromatic compound with a planar structure that helps it to intercalate between nucleic acid base pairs. UV-A activates the intercalated complex, resulting in the formation of photoadducts with pyrimidines in cellular DNA. The psoralen monoadducts formed in DNA can further react photochemically with a pyrimidine base on the complementary strand of DNA, thus 56 Sono stati selezionati tre pazienti affetti da cGvHD dopo trapianto allogenico di cellule staminali. Le loro caratteristiche cliniche sono mostrate in tabella I. Sono stati, inoltre, associati allo studio cinque pazienti affetti da SS, senza coinvolgimento viscerale ma con alterazioni cutanee da moderate a gravi. Infine, sono stati inclusi 10 donatori sani, come controlli. Lo studio era stato approvato dal Comitato Etico del Policlinico S.Orsola-Malpighi. Preparazione dei campioni Sono stati raccolti, in provette eparinate, 50 mL di sangue periferico, dopo consenso informato. La frazione di cellule mononucleate, ottenuta per centrifugazione su gradiente Fycoll-Hypaque, è stata lavata e diluita in fisiologica alla concentrazione cellulare finale di 10x106/mL. Due mL di questa sospensione sono stati seminati in piastre di Petri (Costar, Norwick, UK) e incubati con 8-MOP (Gerotz Pharmazeutica, Vienna, A). Irradiazione UV-A L'irradiazione UV-A è stata effettuata con l'irradiatore PUVA Combi Light (Dermat BVBA, Heverlee, B), adattato al trattamento in vitro e ex-vivo di campioni biologici. L'apparecchio è dotato di due dosimetri UV-A e ha un Blood Transfus 2004; 2: 55-68 In vitro assays for ECP leading to crosslinks that are believed to be the primary cause of PUVA-induced cell killing. The exact mechanism of the PUVA therapy action has not been completely elucidated; nevertheless there is much clinical and experimental evidence suggesting a role for immunomodulation induced by T cells and cytokines12,13. In fact, PUVA-treated lymphocytes and monocytes show functional modifications14; in particular, in vitro studies demonstrated progressive apoptosis, phenotype alterations and DNA damage in treated T cells15,16 as well as progression towards dendritic maturation in monocytes17. All these changes might induce activation of antigenpresenting cells (APC) so that PUVA-treated T-cells are captured and exposed, by the MHC Class I system, to circulating CD8-positive cytotoxic T lymphocytes (CTL)18. Moreover, significantly increased levels of immunosuppressive cytokines have been detected both in cytoplasm and in the extracellular environment19. The latter modifications seem to lead to a new balance between the Th subsets, and favourable effects could, therefore, be obtained in both Th2- and Th1-related syndromes20. The aim of the present study was to identify in vitro which cells are changed by PUVA treatment administered with a new UV-A irradiator, namely the PUVA Combi Light, to samples from selected patients who were to undergo ECP. Materials and Methods Patients Three patients affected by chronic GvHD after allogeneic stem cell transplantation were selected. In addition, five patients affected by systemic sclerosis (without any visceral involvement but with moderate to severe skin pathology) were enrolled. The clinical features of these 8 patients are shown in Table I. Finally, ten healthy donors were included as normal controls. The study was approved by the Ethical Committee of S.Orsola-Malpighi Polyclinic. Samples Fifty millilitres of peripheral blood were collected into heparin tubes after informed consent had been given. The mononuclear cell (MNC) fraction was obtained by gradient centrifugation onto Fycoll-Hypaque, washed and diluted in saline to a final concentration of 10x106 /mL cells. Two Blood Transfus 2004; 2: 55-68 sistema di aerazione che assicurano sia l'esatta emissione della dose richiesta di UV-A, sia il mentenimento di una costante temperatura (al di sotto di 25 °C) nella camera di irradiazione. È stata preliminarmente preparata una curva di valutazione dose-risposta per evidenziare la dose capace di inibire oltre il 90% dell'attività proliferativa dei campioni irradiati, quando paragonati ai controlli non trattati. I campioni sono stati irradiati con 2 J/cm2, per un tempo di irradiazione medio di 4'±33''. Dopo il trattamento PUVA, le cellule contenute in una piastra Petri da coltura cellulare (Corning Inc, Corning, BY, USA) venivano recuperate e lavate due volte in soluzione fisiologica tamponata ai fosfati pH 7,4. Colture cellulari liquide Le cellule non trattate e quelle trattate con PUVA sono state utilizzate alla concentrazione di 5x106/mL in RPMI 1640 contenente 10% di siero fetale bovino (FCS) e fitoemoagglutinina (PHA) alla concentrazione di 5 µg/mL: tutti i reagenti sono stati forniti dalla ditta Sigma (Milano, I) e incubate per tre giorni a 37 °C in atmosfera al 5% di CO2. Studi sull'apoptosi Il ritmo di apoptosi indotta è stato studiato sulle cellule non trattate e trattate con PUVA all'inizio delle colture liquide, dopo 6 e 12 ore di incubazione e, poi, ogni 24 ore sino alla fine del giorno +3. L'esposizione della fosfatidilserina alla superficie cellulare è stata evidenziata con annessina V, coniugata con isotiocianato di fluoresceina (FITC), e la morte cellulare mediante colorazione con 7-aminoattinomicina D (7-AAD): il kit annessinaV/7-AAD è stato fornito dalla ditta Beckman Coulter (Miami, FL, USA). In sintesi, ai campioni risospesi in un tampone appropriato contenente Ca e fornito con il kit, sono stati aggiunti FITC-annessina V e 7-AAD seguendo le istruzioni del produttore. La citometria a flusso è stata eseguita con il citometro Epics XL (Beckman Coulter), acquisendo almeno 10.000 eventi. Per analizzare ulteriormente l'apoptosi dipendente dalle caspasi, abbiamo utilizzato un reagente FITC permeabile alle cellule, il FITC-Z-VAD-FMK (Promega, Madison, WI, USA), che è l'analogo fluorescente dell'inibitore delle caspasi Z-VAD-FMK, in grado di legarsi, selettivamente e irreversibilmente, alla caspasi attivate. Campioni di 2x105 cellule sono stati incubati con FITC-Z-VAD-FMK (alla concentrazione finale pari a 10 µM, secondo le indicazioni del produttore) per 30' a 37 °C. L'intensità di fluorescenza è 57 C Tassi et al. Table I - Clinical characteristics of the patients with chronic GvHD and systemic sclerosis Patients MF TM CR BR BR LH SB CR Disease Immunosuppressive therapy Age Source Organs involved Interval between diagnosis and PUVA (months) MM CML ALL SS SS SS SS SS CyA, Ster CyA, Ster CyA, Ster, Mycoph No treatment No treatment No treatment No treatment No treatment 46 24 17 52 55 36 68 45 PBSC PBSC PBSC E/S E/S G/S S (fingers, face) S (fingers, face) S (arms, neck, face) S (hand, arm) S (face, hand) 24 36 4 120 96 12 60 24 Legend: MM=multiple myeloma; CML=chronic myeloid leukaemia; ALL=acute lymphocytic leukaemia; SS=systemic sclerosis; CyA=cyclosporine A; Ster=steroids; Mycoph=mycophenolate; PBSC=peripheral blood stem cells; E=eye; G=gut; S=skin millilitres of the cell suspension were seeded in Petri dishes (Costar, Norwich, UK) and incubated with 8-MOP 200 ng/ mL (Gerotz Pharmazeutica, Vienna, Austria). UV-A irradiation UV-A irradiation was performed using the PUVA Combi Light irradiator (Dermat BVBA, Heverlee, Belgium), which is suitable for in vitro and ex vivo treatment of biological samples. The equipment was provided with two UV-A dosimeters and an air ventilation system to ensure both accurate emission of the required UV-A dose and a constant irradiation chamber temperature below 25 °C. A preliminary dose-response curve was constructed to find the UV-A dose able to inhibit >90% of the proliferative activity in irradiated samples. Samples were then always irradiated with 2 J/cm2 for a mean irradiation time of 4'±33". After PUVA treatment, cells contained in a Petri cell culture dish (Corning Inc, Coring, NY, USA) were recovered and washed twice with phosphate-buffered saline (PBS). Three-day liquid cultures Untreated and PUVA-treated cells were used at a concentration of 5x106/mL cells in RPMI 1640 medium containing 10% foetal calf serum (FCS) and phytohaemagglutinin (PHA) (5 m g/mL) (all reagents obtained from Sigma, Milan, Italy) and incubated for three days at 37 °C in a 5% CO2 atmosphere. Apoptosis studies The time-course of induced apoptosis was studied on untreated and PUVA-treated samples at the start of the liquid cultures, after 6 and 12 hours of incubation, then every 24 hours until day +3 of culture. Phosphatidylserine 58 stata analizzata con il citometro a flusso Epics XL. Anche in questo caso, sono stati acquisiti almeno 10.000 eventi. Per valutare la percentuale di sottopopolazioni linfocitarie CD4+ e CD8+ e di monociti apoptotici, abbiamo eseguita una doppia colorazione, combinando 5 µL di anticorpi monoclonali coniugati con ficoeritrina (PE-mAbs) e FITCannessina V. L'analisi è stata condotta in citometria acquisendo, come in precedenza, almeno 10.000 eventi. Analisi dell'attività proliferativa delle cellule I campioni cellulari lavati venivano, dopo coltura di tre giorni con PHA e FCS al 10%, fissati con etanolo al 70%. Le cellule venivano poi colorate con ioduro di propidio e con FITC-Ki-67, che è un marcatore del nucleo positivo dalla fase G1 attivata a S-G2-M. La positività per Ki-67 è stata analizzata contestualmente al profilo del ciclo cellulare ottenuto dalla colorazione con ioduro di propidio. Per l'analisi è stato utilizzato un software dedicato per evitare il conteggio di cellule raggruppate due a due (doublets) nella regione G2-M; sono stati acquisiti almeno 10.000 eventi. Studi su colture e fenotipi delle cellule dendritiche (DC) Un'alta percentuale di cellule CD14+ purificate è stata ottenuta dai campioni di cellule non trattate e trattate con PUVA, incubate con biglie immunomagnetiche coniugate con anticorpo monoclonale CD14, e successivamente separate con il sistema VarioMacs, secondo le istruzioni del produttore (Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, D). 1x106/mL cellule CD14+, provenienti da campioni non trattati e trattati con PUVA, diluite in un millilitro del mezzo di coltura CellGroDC (Genix Cell Techmology Transfer, Freiburg, D), arricchito con 10 ng/mL di interleuchina 4 (IL-4, Valter Occhiena, Torino, I) e 1.000 U/mL di GM-CSF (Valter Blood Transfus 2004; 2: 55-68 In vitro assays for ECP surface exposure was detected by means of fluorescein isothiocyanate (FITC)-conjugated annexin V and dead cells by staining with 7-amino-actinomycin (7-AAD) (annexin V/7-AAD kit, Beckman Coulter, Miami, FL, USA). Briefly, FITC-annexin V and 7-AAD were added according to the manufacturer's instructions to the samples resuspended in an appropriate calcium-containing buffer included in the kit. Flow cytometry analysis was performed using an Epics XL cytometer (Beckman-Coulter). At least 10,000 events were acquired. In order to analyse caspase-dependent apoptosis further, we also employed a FITC-cell permeable reagent, FITC-Z-VAD-FMK (Promega, Madison, WI, USA), which is a fluorescent analogue of the Z-VAD-FMK caspase inhibitor that selectively and irreversibly binds activated caspases. Briefly, 2 x 105 cells were incubated with FITC-ZVAD-FMK (final concentration = 10 µM, as suggested by the manufacturer) for 30 min at 37 °C. Fluorescence intensity was then analysed with the Epics XL flow cytometer. In this case, too, at least 10,000 events were acquired. To assess the percentages of apoptotic CD4+ and CD8+ lymphoid subsets and monocytes we performed double staining combining 5 mL of phycoerythrin (PE)-conjugated monoclonal antibodies and FITC-annexin V. Analysis was performed by flow cytometry, and at least 10,000 events were acquired. Cell proliferative activity Samples were washed after three days of liquid culture with PHA and 10% FCS, and fixed with 70% ethanol. Cells were then stained with propidium iodide and FITC-Ki-67, which is a nuclear marker found from activated G1 to S-G2M phases; Ki-67 positivity was analysed contemporarily with the cell-cycle profile obtained from propidium iodide staining. A specific analysis programme was generated with Epics XL-software to avoid doublet analysis in the G2-M region; at least 10,000 events were acquired. Dendritic cells (DC) cultures and phenotype studies A highly purified CD14+ cell fraction was obtained from untreated and PUVA-treated samples after immunomagnetic separation using VarioMacs equipment with CD14-labelled immunomagnetic beads, according to the manufacturer's instructions (Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, D). A suspension of 1x106 CD14+ cells/mL was made by diluting untreated and PUVA-treated samples were diluted in 1 mL of CellGroDC culture medium (Genix Cell Technologie Blood Transfus 2004; 2: 55-68 Occhiena), sono state messe in coltura per 3 giorni a 37 °C in atmosfera di CO2 al 5%. Al giorno +3 sono stati aggiunti IL-4 e GM-CS, per ulteriori 2 giorni. Quindi dal giorno +6, 1µg/mL di lipopolisaccaride (Sigma) e 25 ng/mL di TNF-a(Valter Occhiena). Al giorno +9, le cellule sono state raccolte, lavate due volte, contate e sottoposte ad analisi del ciclo cellulare e a quella fenotipica. Per gli studi pre-colturali e colturali, sono stati impiegati anticorpi monoclonali diretti contro gli antigeni CD1a, CD11c, CD80, CD83, CD40, recettore del mannosio, CD86, CD14, DR, CD56, CD16, CD3, CD4 e CD8 (tutti forniti dalla ditta Beckman Coulter, coniugati con FITC o PE, secondo necessità). Analisi statistica Per il confronto tra 2 o più gruppi, sono stati impiegati i test di Mann-Whitney o di Kruskall-Wallis, considerando significativi valori di p<0,05. Queste analisi sono state condotte usando il software StatView (SAS Institute Inc, Cary, NC, USA). Risultati Analisi con FITC-annessina V e doppia colorazione con 7-AAD Per prima cosa, abbiamo indagato, in citofluorimetria a flusso, se il trattamento con l'apparecchio PUVA Combi Light fosse in grado di indurre apoptosi sui leucociti in esame. I risultati ottenuti dall'analisi con FITC-annessina V sui campioni non trattati o trattati con PUVA provenienti da donatori sani e da pazienti con cGvHD e SS sono mostrati in tabella II e in figura 1. In particolare, la popolazione cellulare annessina V+/7-AAD+ è stata analizzata dopo 12 e dopo 72 ore di coltura. A +72 ore, le cellule non trattate dimostravano un aumento medio di 4 volte dell'apoptosi spontanea senza differenze significative nei tre gruppi studiati. Paragonate ai campioni non trattati, le cellule trattate con PUVA hanno mostrato, 12 ore dopo l'irradiazione, una maggiore percentuale di cellule positive per annessina V (controlli: 4,9% contro PUVA: 11%). Per tutto il corso dell'esperimento, la percentuale di cellule annessina V+ è progressivamente aumentata con un incremento finale di15 volte con una positività media dell'85%. I test di Mann-Whitney or Kruskall-Wallis hanno dimostrato una percentuale di cellule annessina V+/7-AAD+ significativamente (p=0,001) più alta nei campioni trattati con PUVA dopo 72 ore di irradiazione, senza differenze 59 C Tassi et al. Transfer, Freiburg, D) supplemented with 10ng/mL interleukin 4 (IL-4) (Valter Occhiena, Turin, Italy) and 1,000 U/mL granulocyte-monocyte colony-stimulating factor (GM-CSF) (Valter Occhiena). The cell suspension was cultured for three days at 37°C in a 5% CO2 atmosphere. On day +3, IL-4 and GM-CSF were added at the above concentrations and incubation continued for another two days. For maturation assays, 1mg/mL lipopolysaccharide (Sigma) and 25 ng/mL tumour necrosis factor-a(Valter Occhiena) were added from day +6. On day +9 of culture, cells were collected, washed twice, counted and submitted to cell cycle and phenotype analysis. Monoclonal antibodies directed against CD1a, CD1c, CD80, CD83, CD40, mannose receptor, CD86, CD14, DR, CD56, CD16, CD3, CD4 and CD8 antigens (all purchased from Beckman Coulter as FITC or PE conjugates, as required), were employed for the pre-culture and cultured cell phenotype studies. Statistical analysis Mann-Whitney or Kruskall-Wallis tests for not parametric data were employed to compare continuous variables as appropriate; p values <0.05 were considered statistically significant. Analyses were performed using StatView computer software (SAS Institute Inc. Cary, NC, USA). Results FITC-annexin V analysis and double staining with 7-AAD Using flow cytometry we first investigated whether PUVA treatment with the PUVA Combi Light equipment was able to induce apoptosis of leucocytes. The results of the FITC-annexin V analyses in untreated and PUVA-treated samples from normal healthy donors, patients with chronic GvHD and patients with systemic sclerosis are shown in Table II and Figure 1. The dying cell populations (annexin V+/7-AAD+) were analysed after 12 and 72 hours of culture. At 72 hours, untreated cells showed a mean 4-fold increase in spontaneous apoptosis. No significant differences were found between samples from the three groups studied. Compared to untreated samples, a higher percentage of PUVA-treated cells were annexin V-positive (controls: 4.9% vs PUVA-treated: 11%), twelve hours after irradiation. The percentage of annexin V-positive cells was found to increase significantly throughout the time-course of the experiment 60 fra soggetti sani e pazienti. Per meglio valutare l'apoptosi, è stato utilizzato il FITC-Z-VAD-FMK. L'analisi in citometria a flusso (i risultati sono mostrati in tabella III) conferma ed estende i risultati ottenuti con la colorazione con annessina V, in quanto, nei campioni PUVA trattati da 72 ore, mediamente il 62,5% delle cellule è FITC-Z-VAD-FMK positivo. I risultati ottenuti con FITC-Z-VAD-FMK correlano correttamente con quelli ottenuti con la colorazione con annessina V, confermando una stretta connessione fra l'attivazione delle caspasi, l'induzione di apoptosi e la positività di annessina V nelle cellule trattate con PUVA. Analisi dell'attività proliferativa nelle cellule trattate con PUVA Un altro indice importante per valutare l'impatto del trattamento PUVA sulle cellule è l'analisi del ciclo cellulare, mediante l'espressione dell'antigene Ki67. Tale positività è stata valutata dopo 72 ore di coltura con PHA. È stata preparata, in via preliminare, una curva dose-risposta per identificare la dose ottimale di UV-A in grado di inibire la proliferazione cellulare. È stato pertanto effettuato il trattamento UV-A a dosi 0,5; 1; 1,5 e 2 J/cm2 su cellule incubate con 8-MOP, 200 ng/mL. Come atteso, la percentuale di cellule positive per l'antigene del nucleo Ki67 era inferiore al 10% in tutti i campioni irradiati con 2 J/cm2, mentre dosi minori di UV-A non erano in grado di inibire significativamente la sintesi di DNA e la proliferazione cellulare (Figura 2). La figura 3 mostra una decisa inibizione dell'attività proliferativa in tutti i campioni trattati con 200 ng/mL di 8-MOP, più irraggiati con 2 J/cm2. Analisi delle sottopopolazioni linfocitarie e dei monociti apoptotici nel campioni trattati con PUVA Sono stati studiati gli effetti del PUVA trattamento sulle sottopopolazioni linfocitarie T, CD4+ e CD8+ e sui monociti CD14+. Allo scopo, i campioni sono stati opportunamente marcati con FITC-annessina V e con PE-anticorpi monoclonali diretti contro gli antigeni linfocitari o monocitari. Nelle sottopopolazioni linfocitarie studiate a 12 e 72 ore dal PUVA trattamento, è stato osservato un incremento medio della frazione apoptotica di 2 e 4 volte rispettivamente (Figure 4 e 5). Infine, per quanto riguarda i monociti e le cellule selezionate CD14+, l'analisi citofluorimetrica ha permesso di evidenziare su campioni a 72 ore dal PUVA trattamento apoptosi indotta nell' 80% delle cellule. Blood Transfus 2004; 2: 55-68 In vitro assays for ECP Table II - Annexin V variations in control samples and PUVA-treated samples UNTREATED SAMPLES (CTR) +12hours Normal subjects +72hours 4.9%±1.1* 26%±2.3** p=0.01 PUVA-TREATED +12hours +72hours 11%±3* 70%±15** p=0.001 Systemic sclerosis patients 8.5%±2§ 19%±5** p=0.10 20%±3§ 70%±12** p=0.006 cGvHD patients 3.5%±2^ 16%±2** p=0.01 11%±4^ 79%±15** p=0.001 *untreated vs PUVA-treated: p = 0.08 ** untreated 72 hours vs PUVA-treated 72 hours: p = 0.002 §untreated vs PUVA-treated: p = 0.3; ^untreated vs PUVA-treated: p = 0.009 ANALYSIS OF ANNEXIN V-POSITIVE CELLS AFTER PUVA TREATMENT PERCENTAGE OF ANNEXIN V-POSITIVE CELL 80 70 CTR SYSTEMIC SCLEROSIS 60 cGvHD 50 40 30 20 10 0 ANN V t0 ANN V t0 PUVA ANN V t+72H ANN V t+72H PUVA Figure 1 - Analysis of annexin V positive cells after PUVA treatment. Samples were cultured in RPMI 1640 medium with PHA and 10% FCS. CTR: samples from normal subjects; Systemic sclerosis: samples from patients with systemic sclerosis; cGvHD: samples from patients with chronic GvHD with a final 15-fold increment of annexin V % and a mean of 85% annexin V+/7AAD+ cells detected. Mann-Whitney or Kruskall-Wallis tests demonstrated significantly (p=0.001) higher percentages of annexin V+7/AAD+ cells among the PUVA-treated cells after 72 hours of irradiation, without any difference between samples from normal subjects, patients with chronic GvHD and those with systemic sclerosis. To evaluate the apoptotic phenomena better, we also used FITC-Z-VAD-FMK. Flow cytometric analysis of the binding of this reagent (Table III) confirmed and extended Blood Transfus 2004; 2: 55-68 Analisi della maturazione di DC nei campioni trattati con PUVA Le cellule CD14+ trattate con PUVA erano indotte a maturare verso cellule dendritiche come dimostrato dagli studi fenotipici riportati in tabella IV. Ai fini dello studio funzionale su tali cellule, ne è stata indagata la capacità di presentazione antigenica (APC) mediante colture miste linfocitarie (MLR) autologhe ed allogeniche. Non si è osservata alcuna attività proliferativa dei linfociti nelle colture autologhe. Nelle colture miste 61 C Tassi et al. Table III - FITC-Z-VAD-FMK positivity in control samples and PUVA-treated samples UNTREATED SAMPLES (CTR) +12hours Normal subjects Systemic sclerosis patients cGvHD patients 10%±6* +72hours PUVA-TREATED +12hours +72hours 14%±3** p=0.70 25%±9* 70%±15** p=0.02 11.7%±7§ 16%±12** p=0.30 27%±1§ 50%±3** p=0.05 8%±2^ p=0.1 12%±8** 24%±12^ 65%±29** p=0.03 *CTRvsPUVA:p=0.018; **CTR3days*vsPUVA3days: p=0.002 §CTRvsPUVA:p=0.03; ^CTRvsPUVA:p=0.009 the results obtained with annexin V staining, since a mean of 62.5% FITC-Z-VAD-FMK positive cells was detected in PUVA-treated samples at 72 hours. Thus, the results obtained with FITC-Z-VAD-FMK correlated well with those obtained by annexin V staining, further suggesting strong correlations among caspase activation, apoptosis induction and annexin V positivity in PUVA-treated cells. allogeniche l'attività clonogenica dei T linfociti era stimolata dalle DC sia trattate che non trattate con PUVA. Tuttavia, in presenza di DC ottenute da cellule CD14+ PUVA trattate, i linfociti T hanno presentato inferiori indici di proliferazione (dati non mostrati). Questi dati sembrano in accordo con la descritta inibizione della funzione APC da parte del PUVA trattamento20. Cell proliferative activity in PUVA-treated cells Discussione Another important index to assess the impact of PUVA treatment on cell populations is to analyse the proliferation rate of the cells, evaluated by Ki67 expression. Ki67 nuclear antigen expression was evaluated after 72 hours of PHAstimulated culture. A preliminary dose-response curve was constructed to identify the optimal dose of UV-A irradiation able to abrogate cell proliferation. UV-A treatment was then performed with 0.5, 1, 1.5 and 2 J/cm2 on 200 ng/mL 8-MOPincubated cells. As expected, less than 10% of cells from all samples irradiated with 2 J/cm2 were Ki67 nuclear antigenpositive, while lower doses of UV-A were unable to completely inhibit DNA synthesis and cell proliferation (Figure 2). Figure 3 shows severe inhibition of cell proliferative activity in all samples treated with 200 ng/mL 8-MOP+2 J/cm2 UV-A irradiation. Analysis of apoptotic lymphocyte subsets and monocytes in PUVA-treated samples We further investigated whether the CD4 and CD8 subsets of T lymphocytes and CD14+ monocytes might be differently affected. Cells were double stained with FITCannexin V and PE-conjugated monoclonal antibodies directed against CD4, CD8 or CD14-related antigens. Within 62 L'ECP può essere effettuata con due differenti modalità. a- Fotoaferesi o sistema diretto: irraggiamento continuo del buffy coat raccolto durante la procedura aferetica. b- Sistema in tre fasi o indiretto: 1- leucoaferesi; 2- incubazione del prodotto aferetico con 8-MOP, poi UV-A irraggiamento; 3- reinfusione al paziente. Scopo del presente studio è stato valutare, mediante test in vitro, l'efficienza dell'irraggiatore PUVA Combi Light, in vista di un possibile impiego di tale apparecchio nell'ECP in tre fasi. Come è noto, il trattamento PUVA induce alterazioni morfologiche e fenomeni di attivazione irreversibili, sia sui linfociti che sui monociti, tali alterazioni possono essere individuate mediante studi citofluorimetrici e/o funzionali22. Il nostro interesse è stato in particolare rivolto allo studio dei fenomeni apoptotici ed all'inibizione della proliferazione cellulare PUVA indotti e strettamente correlati all'efficacia clinica del trattamento. Per quanto riguarda l'apoptosi nell'ECP, due sono i possibili meccanismi proposti: uno caspasi-indipendente, l'altro, al contrario, caspasi dipendente23. Quest'ultimo consiste nell'attivazione a cascata delle caspasi, con conseguente, progressiva apoptosi cellulare24. Ai fini dello studio, si è sfruttato il Blood Transfus 2004; 2: 55-68 In vitro assays for ECP SENSITIVITY CURVE. Ki67 ANALYSIS. RESULTS ARENORMALISED TO CONTROL VALUES (=1) 1,4 1,2 t0 t24h t48h t72h Ki67 VALUES 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 CTR 0,5 J 1,0 J 1,5 J 2,0 J Figure 2 - Ki67 analysis on samples obtained from normal subjects. Samples were cultured in RPMI 1640 medium with PHA and 10% FCS. Time-course experiment with different doses of UV-A. Results are normalised to control (no UV-A) values (=1) Ki67 ANALYSIS ON PERIPHERAL BLOOD CELLS Figure 3 - Ki67 analysis on peripheral blood samples exposed to PUVA treatment. Samples were cultured in RPMI 1640 medium with PHA and 10% FCS. CTR: samples from normal subjects; Systemic sclerosis: samples from patients with systemic sclerosis; cGvHD: samples from patients with chronic GvHD Blood Transfus 2004; 2: 55-68 63 C Tassi et al. CD4/ANNEXIN V DOUBLE STAINING ON PERIPHERAL BLOOD LYMPHOCYTES Figure 4 - Analysis of CD4/annexinV double stained cells on peripheral blood samples exposed to PUVA treatment. Samples were cultured in RPMI 1640 medium with PHA and 10% FCS. CTR: samples from normal subjects; Systemic sclerosis: samples from patients with systemic sclerosis; cGvHD: samples from patients with chronic GvHD CD8/ ANNEXIN V DOUBLE STAINING ON PERIPHERAL BLOOD LYMPHOCYTES Figure 5 - Analysis of CD8/annexinV double stained cells on peripheral blood samples exposed to PUVA treatment. Samples were cultured in RPMI 1640 medium with PHA and 10% FCS. CTR: samples from normal subjects; Systemic sclerosis: samples from patients with systemic sclerosis; cGvHD: samples from patients with chronic GvHD 64 Blood Transfus 2004; 2: 55-68 In vitro assays for ECP Table IV - Phenotype studies on selected CD14+ cells and mature cultured dendritic cells (DC) Antigens detected CD1a CD11c CD40 CD80 CD83 DR Mannose Rec CD14 CD3/CD8/CD4 NORMAL PUVA T0 PUVA+9 neg 35±12 neg neg neg 65±34 neg 83±10 neg cGvHD PUVA T0 PUVA+9 31±3 80±10 18±12 96±12 50±39 97±1 28±20 0.5±0.1 neg the CD4+ and CD8+ subsets, the apoptotic cells increased 2-4 fold from the beginning to the end of the liquid culture, as shown in Figures 4 and 5. CD14+ selected cells were found to be markedly affected by PUVA treatment, showing an average of 80% annexin V+ cells at 72 hours after treatment. DC differentiation analysis in PUVA-treated samples PUVA-treated CD14+ enriched cells were able to maturate towards DC as demonstrated by phenotype analysis shown in Table IV, while proliferative activity was found to be completely inhibited. The efficiency of antigenpresenting cells was investigated by means of co-cultures with autologous or allogeneic T-lymphocytes. No lymphocyte proliferation was observed in autologous cocultures. In allogeneic mixed lymphocyte reactions (MLR), the clonogenic activity of T-lymphocytes was stimulated by both PUVA-treated and untreated DC. However, in the presence of PUVA-exposed CD14+ cell-derived DC, a lower T-lymphocyte proliferation index was detected (data not shown). These results seem to be in agreement with the described inhibited antigen-presenting cell function of PUVA-treated DC20. Discussion ECP can be carried out using two different techniques21: direct, continuous UV-A irradiation of the lymphocytemonocyte apheretic collection (photoapheresis), and a three-phase system, consisting of three different steps: (i) collection of the lymphocyte-monocyte peripheral fraction; (ii) ex vivo incubation of leucoapheresis products with 8MOP and UV-A irradiation; (iii) reinfusion of the PUVAtreated leucocytes into the patient. Blood Transfus 2004; 2: 55-68 neg 39±5 neg neg 25±10 28±20 neg 87±5 neg 27.5±5 97±9 53±28 85±15 81.5±20 66±31 56±23 0.3±0.1 neg Systemic sclerosis PUVA T0 PUVA+9 neg 33±6 neg neg neg 49±30 neg 84±8 neg 27±2 54±25 50±35 35±20 37±20 56±35 34±20 0.2±0.05 neg legame tra annessina V e i gruppi di fosfatidilserina, precocemente esposti dalla cellula avviata all'apoptosi. Nella nostra casistica in vitro la percentuale di cellule PUVA trattate, annessina V-FITC positive, è risultata significativamente più elevata rispetto ai controlli, a partire da 12 ore post-trattamento con drammatica progressione entro 72 ore. A completamento dello studio, si è esplorata la possibile attivazione delle caspasi mediante l'inibitore ZVAD-FMK, in grado di legarsi alle caspasi attivate. In parallelo con la positività per annessina V, si è evidenziata una proporzione rilevante di cellule Z-VAD-FMK positive, a conferma della supposta apoptosi caspasi dipendente22. Un altro importante punto di discussione riguarda il bersaglio dell'ECP. I linfociti T, sono stati indicati come il bersaglio preferenziale del trattamento PUVA, mentre i linfociti B, mancando del sistema Fas/Fas-L, sono resistenti. Recenti pubblicazioni descrivono come egualmente sensibili le sottopopolazioni CD4+ e CD8+25. Nel nostro studio, si sono evidenziati marcatori apoptotici in entrambe queste sottopopolazioni, più precocemente in quella CD4+. Tali risultati sembrano confermare che il trattamento PUVA è in grado di danneggiare irreversibilmente differenti popolazioni cellulari, senza un target specifico. Sono stati inoltre studiati le modificazioni funzionali e gli effetti apoptotici indotti dal PUVA trattamento sulla popolazione monocitaria, usualmente descritta apoptosi-resistente25, anche se evidenze recenti paiono confutare tali ipotesi14. Nel nostro studio, condotto sulle cellule CD14+ presenti nei campioni interi o ottenute dopo selezione immunomagnetica, è stata documentata un'elevata percentuale di cellule CD14+/annessina V+ (dati non presentati). D'altra parte, linduzione alla maturazione in senso DC da parte del PUVA trattamento, è ormai dimostrata. Tali aspetti sono stati confermati nel nostro studio di colture DC effettuate con cellule CD14+ poste, dopo PUVA trattamento, in opportuni terreni. Come atteso, tali cellule 65 C Tassi et al. The aim of the present study was to investigate the efficiency of the PUVA Combi Light UV-A irradiator (not usually employed for ECP purposes) by in vitro tests on peripheral blood samples obtained from patients with chronic GvHD or systemic sclerosis and from normal subjects. ECP induces many alterations in lymphocyte and monocyte activation that can be detected by flow cytometry and functional studies22. Our investigation focused particularly on the apoptosis and inhibition of proliferative activity induced by PUVA treatment, since the effectiveness of ECP has been explained, in part, by the induction of apoptosis in the treated leucocytes. Two pathways have been suggested to explain ECPinduced apoptosis: a caspase-independent pathway and a caspase-dependent one23. The latter consists of activation of the cascade of caspases responsible for the final apoptotic phenomena24. In order to analyse the apoptosis, we exploited FITC-annexin V binding to phosphatidylserine groups, which are exposed early on apoptotic cells. The percentage of annexin V-positive cells in PUVA-treated samples became significantly higher than that in untreated samples at 12 hours after exposure to 8-MOP and UV-A and cell death dramatically increased until 48-72 hours postPUVA treatment. To evaluate any possible caspase activation we also used the FITC-conjugated caspase inhibitor Z-VAD-FMK, which, once delivered to cells, can bind to activated caspases. The evaluation of FITC-Z-VADFMK positive cells was relevant to our study, showing results that closely matched those of FITC-annexin V at 48 and 72 hours post-PUVA treatment and confirming the previously described activation of caspases22. Another important issue might be the targets of the ECP treatment. T lymphocytes have been described as the major target of PUVA treatment, as B lymphocytes, lacking a Fas/Fas-L system, have been found to be resistant. Recently published data describe that the CD4+ and CD8+ lymphocyte subsets are equally photosensitive 25. In our study, markers of apoptosis were found in both lymphocyte subsets, appearing earlier in the CD4+ subset. These results seem to confirm that PUVA treatment induces cell damage in different cell populations, apparently without any clear-cut specificity. We also studied the effects of PUVA treatment on monocytes, usually described as being resistant to PUVAinduced apoptosis25. Although it is now generally accepted that monocytes differentiate into DC26, a recent study pointed out that apoptosis can be induced in monocytes14. In the present study, high percentages of annexin V+/ 66 hanno mostrato attitudine ad assumere caratteristiche fenotipiche proprie delle popolazioni DC2. Inoltre, abbiamo eseguito MLR autologhe e allogeniche per meglio caratterizzare l'abilità a presentare l'antigene da parte delle DC fotoattivate. In tutte le MLR, le DC attivate da PUVA hanno mostrato una ridotta capacità di indurre una proliferazione clonogenica da parte dei linfociti T (dati non mostrati), in confronto con MLR condotte con DC non trattate. Come proposto da uno studio recente27, individuare la percentuale di inibizione della proliferazione cellulare può rappresentare un utile parametro per condurre controlli di qualità sui campioni trattati con PUVA: tutti i nostri campioni fotosensibilizzati hanno mostrato una inibizione decisa e significativa dell'espressione dell'antigene nucleare Ki67 nelle colture liquide contenenti PHA. In conclusione, la completa inibizione della proliferazione cellulare e l'importante induzione di fenomeni apoptotici individuati nelle cellule trattate con PUVA hanno dimostrato che l'apparecchiatura PUVA Combi Light provoca danni e alterazioni funzionali irreversibili nelle cellule bersaglio, del tutto sovrapponibili a quelli indotti dal PUVA trattamento condotto con gli altri UV-A irraggiatori attualmente in uso. L'apparecchiatura in questione è inoltre di semplice e rapido impiego, i risultati ottenuti sono assolutamente ripetibili cosicché essa può venire impiegata nelle procedure ECP da condurre in tre fasi. Riassunto La fotochemioterapia con 8-metossipsoralen (8-MOP) ed esposizione a raggi UV-A (PUVA) è una delle possibili modalità di trattamento per le lesioni cutanee indotte dalla Sclerosi Sistemica (SS) e dalla GvHD cronica (cGvHD). Il trattamento extracorporeo con PUVA dei leucociti raccolti mediante aferesi è una applicazione di questa terapia. Qui descriviamo i risultati ottenuti in vitro con l'irradiatore PUVA Combi Light a raggi UV-A. Abbiamo ottenuto cellule mononucleate da pazienti affetti da SS, da cGvHD e da soggetti normali e le abbiamo trattate con UV-A (2J/cm2) in presenza di 8-MOP mediante irradiatore PUVA Combi Light. I test utilizzati per valutare il destino delle cellule comprendevano: (i) annessina-V/7-AAD;(ii) FITC-Z-VAD-FMK; (iii) doppia colorazione annessina-V/CD4, CD8, CD14; (iv) studi sulla proliferazione e (v) colture delle cellule dendritiche Tutti gli esperimenti hanno dimostrato che i linfociti e Blood Transfus 2004; 2: 55-68 In vitro assays for ECP CD14+ cells were detected in all PUVA-treated samples, and the results were confirmed in PUVA-treated immunomagnetically-selected CD14+ cells (data not shown). We were able to induce a mature DC phenotype in in vitro liquid-cultured CD14+ enriched cells. As expected, DC cells that developed from PUVA-treated monocytes showed a circulating DC2 antigenic pattern. To investigate the antigen-presenting cell ability of photoactivated DC further, we performed autologous and allogeneic MLR. In all co-cultures DC derived from PUVA-treated cells showed less ability to induce T-lymphocytes clonogenic proliferation (data not shown) than did MLR with seeded untreated DC. As suggested by a recent study27, the inhibition rate of cell proliferation can be a useful parameter in quality control studies of PUVA-treated samples: all our photosensitised samples showed significant, profound inhibition of Ki67 nuclear antigen expression in PHA-containing liquid cultures. In conclusion, the complete inhibition of cell proliferative activity and marked induction of apoptotic phenomena detected in PUVA-treated cells demonstrated that the PUVA Combi Light irradiator causes major cell modifications, in full agreement with results obtained in ECP using other UV-A irradiation equipment. In addition, UV-A irradiation using this equipment is easy to perform, reliable and fast, thus being suitable for ECP purposes in patients who are to undergo three-phase procedures. Blood Transfus 2004; 2: 55-68 i monociti andavano incontro ad apoptosi entro 72 ore. La colorazione con FITC-Z-VAD-FMK dimostrava un'attivazione delle caspasi. La doppia colorazione di CD4 e CD8 con annessina-V mostrava che entrambe le sottopopolazioni erano positive per annessina-V. La colorazione con Ki67 rivelava che l'attività proliferativa era abrogata, come effetto finale del trattamento con PUVA. Le cellule CD14+, selezionate, sono state in grado generare cellule dendritiche sia nei campioni trattati, che nei campioni non trattati di controllo. I risultati qui riportati indicano che i linfociti trattati con PUVA, muoiono per apoptosi, come dimostra anche la attivazione della cascata delle caspasi. Questa interpretazione si accorda perfettamente con l'ipotesi che gli antigeni linfoidi autologhi "modificati" potrebbero essere esposti al sistema immunitario, inducendo una risposta soppressoria sulle cellule autoreattive. Inoltre, dato che i monociti trattati con PUVA sono in grado di generare cellule dendritiche, è possibile che queste cellule presentino gli antigeni modificati al sistema immunocompetente del paziente, inducendo tolleranza. La completa inibizione dell'attività proliferativa cellulare e l'importante induzione di fenomeni apoptotici che si riscontrano nelle cellule trattate con PUVA hanno dimostrato che il PUVA Combi Light è facile da usare, affidabile, rapido e utile per gli scopi dell'EPC in pazienti sottoposti alle procedure a tre fasi. 67 C Tassi et al. References 1) Russell-Jones R. Shedding light on photopheresis. Lancet 2001; 357: 820-1 2) Foss FM, Gorgun G, Miller KB. Extracorporeal photopheresis in chronic graft-versus-host disease. Bone Marrow Transplant 2002; 29: 719-25. 3) DallAmico R, Messina C. Extracorporeal photopheresis for the treatment of graft-versus-host disease. Therapeutic Apheresis 2002; 6: 296-304. 4) Salvaneschi L, Perotti C, Zecca M, et al. Extracorporeal photochemotherapy for treatment of acute and chronic graftversus-host disease in childhood. Transfusion 2001; 41: 1299-305. 5) Rook AH, Freundich B, Jegasothy BV. 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