Prof. Dr. Ottmar Janßen Immunologie. Transplantationsimmunologie

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1 Prof. Dr. Ottmar Janßen Immunologie Transplantationsimmunologie

2 Eurotransplant: (links zu anderen Sites) Checkliste Organtransplantation: Largidèr, Sturm, Wicki (Thieme) Immunologie-Lehrbücher: Janeway (Spektrum) Roitt (Thieme)

3 Hauptgebiete der klinischen Transplantationsmedizin Organ Niere Herz Lunge/Herz-Lunge Leber Knochenmark Haut Pankreas/Inseln Cornea Bemerkung Nierenversagen im Endstadium, Dialyse terminales Herzversagen zystische Fibrose, Lungenversagen biliäre Zirrhose, biliäre Atresie Immundefizienzen, Leukämien Verbrennungen Diabetes mit nicht behandelbaren Komplikationen Dystrophie, Keratitis

4 1954 Murray - Boston 1967 Barnard - Cape Town 1967 Starzl - Denver 1981 Reitz - Stanford (H/L) 1983 Cooper Toronto (L) 1966 Lillehei - Minneapolis

5 Transplantationsstatistik Deutschland 2006 Patienten Niere Leber Pankreas Herz Lunge Herz - Niere - Lunge transplantiert* Warteliste** *nur post mortem Spenden ** per genaue Statistik für Eurotransplant unter

6 Organ Niere 60% 98% 98% Herz 60% 82% 85% Leber 30% 79% 84% Herz-Lunge % 78% Pankreas 20% 93% 94% Lunge % 77% Transplantatüberleben *UNOS United Network of Organ Sharing 1997 (exakte Werte hängen von Kriterien ab: Pankreas 40-90%

7 Problem: Abstoßung Abstoßung häufigster Grund für Transplantatversagen Abstoßung (685) Tod (394) Thrombosen (57) rekurrente Erkrankung (37) primäre Fehlfunktion (34) sonstige (40)

8 Warum findet eine Abstoßung statt? Wie kann man das Abstoßungsrisiko minimieren?

9 Barrieren autolog Autotransplantat Transplantat, Organ oder Gewebe vom gleichen Individuum isogen/syngen Isotransplantat Organ- oder Gewebetransplantat zwischen zwei genetisch und antigenetisch identischen Individuen allogen/homolog Allotransplantat Transplantation eines Organs zwischen genetisch verschiedenen Individuen der gleichen Art xenogen/heterolog Xenotransplantat Transplantation von Gewebe und Organen zwischen Spezies

10 Immunogenität verschiedener Gewebe Knochenmark Haut Langerhans-Zellen Herz Niere Leber

11 Immunologie bei Transplantationen Host versus Graft Reaction = klassische Immunantwort Graft versus Host Disease = GVHD Spender Empfänger Empfänger

12 Immunologie bei Transplantationen Host versus Graft Reaction = klassische Immunantwort Spender (graft) Empfänger (host) Outcome Empfänger vs Spender

13 Immunologie bei Transplantationen Graft versus Host Disease Spender (A) Bestrahlung Empfänger (C) Empfänger (A X B) Vermehrung der Spenderzellen Spender vs Empfänger Tod der Empfänger

14 Graft versus Host Disease Frühe GVHD Fortgeschrittene GVHD Infiltrat von Spender- Lymphozyten Anschwellen der Epidermis Zelltod Abheben der Epidermis

15 Graft versus Host Disease Auftreten: vorwiegend nach Knochenmarktransplantationen (auch Dünndarm-) Spender-vermittelte T-Zell-Immunreaktion gegen polymorphe MHC des Empfängers unter Beteiligung von Makrophagen u. NK-Zellen Entzündung nach Zytokinfreisetzung Effekte: Haut, Leber, Darm, Lungenentzündung, Fieber... Verhinderung: genaue Gewebstypisierung, T-Zell-Depletion im Transplantat, Immunsuppression

16 Gewebsverträglichkeit (Histokompatibilität) MHC*-Komplex TZR-MHC Reaktivität Antigenpräsentation MHC Klasse 1 (kernh. Zellen) CD8 MHC Klasse 2 (APZ, akt. Lymphozyten) CD4 Haupt- (Maus H2, Mensch HLA**) Neben- (Maus H1, H3, H10...) Vielfalt durch Polygenie und Polymorphismus *MHC Major Histocompatibility Complex **HLA = Human Leukocyte Antigen

17 Gewebsverträglichkeit = Histocompatibility MHC - Major Histocompatibility Complex Mutter Vater Klasse 1 Nachkommen Vererbung der Haplotypen Klasse 2 Ko-dominante Expression

18 Molekulare Grundlage der Abstoßung: MHC (Major Histocompatibility Complex) als Antigen MHC Moleküle (im Menschen HLA = Human Leukocyte Antigen) auf Zellen des Spenderorganes werden von Immunzellen des Empfängers als Fremdantigen erkannt. 1. Signal T-Zelle TZR/CD3 CD28 CD40-L MHC CD80, CD86 CD40 Antigenpräsentierende Zelle 2. Signal 1. Signal: Antigenerkennung über den T-Zellrezeptor Allogener MHC wird als Fremdantigen gesehen 2. Signal: Kostimulation über CD28 CD80, CD86 und/oder CD40-L CD40 etc...

19 Molekulare Grundlage der Abstoßung: MHC (Major Histocompatibility Complex) als Antigen direkte Erkennung indirekte Erkennung

20 Schlüsselzellen der Abstoßung: CD4 + T-Zellen

21 Mechanismen der Abstoßung normale Immunreaktion unter Kontrolle von T Helferzellen, Lymphokinen und B-Zellen zellvermittelte Zytotoxizität AK-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität lytische Zerstörung Gefäßverschluß Entzündungsmediatoren

22 Abstoßung von Nierentransplantaten Abstoßungs-Typ Zeitpunkt der Schädigung Effektormechanismus Ursache hyperakut Minuten Ak präformierte zytotoxische Ak gegen Spenderantigene beschleunigt 2-5 Tage ZI ± Ak frühere Sensibilisierung gegen Spenderantigene akut 7-21 Tage ZI (± Ak) Entstehung einer allogenen Reaktion gegen Spenderantigene chronisch frühestens nach 3 Monaten ZI (± Ak) Störung der Spender- Empfänger-Toleranz immunpathologisch frühestens nach 3 Monaten Schädigung des neuen Organs durch immunpathologische Vorgänge, die Ursache der Transplantation waren

23 Hyperakute Abstoßung durch präformierte Antikörper anti-hla AK, anti-ab0 AK nach Bluttransfusionen, Schwangerschaften, vorheriger Abstoßung Kennzeichen: schnelle Infiltration polymorphkerniger Granulozyten extensive Nekrose der glomerulären Kapillaren Zerstörung des interstitiellen Gewebes Beispiel: Niere (24-48h)

24 Akute Abstoßung durch primär aktivierte T-Zellen normal Tag 5 Tag 12 Kennzeichen: Infiltration mononukleärer Zellen (siehe Tag 5) Zerstörung des Gewebes Abheben der Dermis (an Tag 12) Beispiel: Haut (Maus)

25 Abstoßung Immunologisches Gedächtnis akut/beschleunigt durch primär bzw. sekundär aktivierte (sensibilisierte) T-Zellen Tag 5 Tag 12 Tag 5-7 akut: volle Vaskularisierung an Tag 5 Zerstörung an Tag 12 Beispiel: Haut (Maus) beschleunigt: (gleiche Spender/Empfänger) schnelle Zerstörung ohne Vaskularisierung

26 Verhinderung der Abstoßung Gewebetypisierung (Tissue Matching) serologisch (Stunden) MLR (4-5 Tage) früher bei Knochenmarkstransplantation (zum Ausschluß der GvH Reaktion) PCR, sequenzspezifisch (3-4 Stunden) Sequenzierung typisierungsrelevanter Genabschnitte Immunsuppression

27 Gewebetypisierung: serologisch Komplement-vermittelte Zytotoxizität Serologisch detektierbare Spezifitäten (Auswahl) klassische HLA-Typisierung heute empfohlen: prospektiv serologisch und molekularbiologisch

28 Gewebetypisierung: MLR MLR mixed lymphocyte reaction = gemischte Lymphozyten-Reaktion zeitlich aufwendig Proliferation der Zellen zeigt mismatch an

29 Gewebetypisierung: sequenzspezifisch, PCR Gesamtstatus Klasse I sequenzspezifische Sonden (site specific oligos - SSO) Klasse II sequenzspezifische Primer (site specific primer - SSP) hochauflösend Klasse II DRB1,2,3,4,... Sequenzierung (sequence based typing SBT) PCR polymerase chain reaction = Polymerase Kettenreaktion

30 Gewebetypisierung und Transplantations-Diagnostik

31 HLA-Matching und Transplantatüberleben Ein-Jahr-Transplantatüberleben [%] Mensch (Niere): Klasse I oder II? Eurotransplant Oxford HLA-A und B HLA-DR Zahl der Unterschiede (= mismatches)

32 HLA-Matching und Transplantatüberleben 5 Jahre längere Transplantatfunktion! Halbwertzeit 15,3 vs. 10,3 Jahre (Takemoto et al. NEJM (2000) 343:1078)

33 Verhinderung der Abstoßung Abstoßung häufigster Grund für Transplantatversagen

34 Verhinderung der Abstoßung Gewebetypisierung (Tissue Matching) serologisch (Stunden) MLR (4-5 Tage) früher bei Knochenmarkstransplantation (zum Ausschluß der GvH Reaktion) PCR, sequenzspezifisch (3-4 Stunden) Sequenzierung typisierungsrelevanter Genabschnitte Immunsuppression

35 Immunsuppression bei Nierentransplantationen 1902 Albert, Autotransplantation einer Hundeniere 1905 Carrel, Auto- und Allotransplantate (Hunde, Katzen) versagen nach kurzer Zeit 1909 Unger, Xenotransplantation (Affe zu Mensch) keine Urinproduktion 1953 Simonson/Dempster, Mechanismus der Nieren-Allotransplantat-Abstoßung (Hund) 1954 Murray, Tranplantation zwischen eineiigen Zwillingen 1955 Hume, Bericht über 9 homologe (allogene) Nierentransplantationen (Mensch) 1960 Calne/Kuss, 6-Mercaptopurin 1962 Hamberger/Terasaki, Gewebetypisierung 1966 Kussmeyer/Nielson, Kreuzprobe mit Spenderzellen und Empfängerserum 1970 s HLA Typisierung eingeführt 1973 Opelz, Beschreibung des Transfusions-Effekts 1978 CyA eingeführt. HLA-DR Typisierung einfgeführt 1981 Cosimi, et al; OKT3 zur Behandlung der akuten Abstoßung eingeführt 1989 FK506 eingeführt 1993 Mycophenolate mofetil eingeführt 2000 Rapamune in klinischen Tests, Zulassung Zulassung der Rapamun-Weiterentwicklung Everolimus

36 Immunsuppressive Behandlung bei Transplantationen antigenspezifisch Enhancement durch (antiallogeneische) Antikörper Bluttransfusionen bei Nierentransplantationen 1973 Opelz, Beschreibung des Transfusions-Effekts

37 Immunologisches Enhancement passives Enhancement Klinik: Enhancement durch Bluttransfusion Transplantat-Überleben [%] Monate aktives Enhancement 1973 Opelz, Beschreibung des Transfusions-Effekts

38 Immunsuppression mit Medikamenten nicht antigenspezifisch Steroide (Prednison, Prednisolon) zytotoxische Medikamente (Azathioprin, Mycophenolat) Makrozyklische Pilzverbindungen (CSA, Tacrolimus, Sirolimus) Anti-Lymphozyten-Antikörper

39 Immunsuppression mit Medikamenten

40 Corticosteroide: Prednison and Prednisolon Wirkungen: synthetische Nebennierenhormone, entzündungshemmend und (bei höherer Dosierung) schwach immunsuppressiv wirken im Wesentlichen auf aktivierte Makrophagen hemmen z.b. die Interleukin-1-Produktion reduzieren die MHC-Expression auf APZ und Transplantat Basisimmunsuppression mit Azathioprine und oder CsA

41 Corticosteroide: Prednison and Prednisolon

42 Corticosteroide: Prednison and Prednisolon Nebenwirkungen: Cushingoider Habitus, Vollmondgesicht, Muskelatrophie Lipidabnormitäten, Fettverlagerung von Extremitäten zum Stamm, Gewichtszunahme Diabetes, Bluthochdruck, kardiovaskuläre Erkrankungen, Leukozytose Beeinträchtigung der Nebennieren-Funktion (Corticosteroid-Produktion) Knochen: Osteoporose, Nekrosen

43 Corticosteroide: Prednison and Prednisolon Gefahren: können die Anzeichen einer Infektion überdecken und die natürliche Immunreaktion des Körpers herabsetzen nicht-selektive Immunosuppressiva insgesamt deutlich erhöhtes Infektionsrisiko Absetzen: Corticosteroid-Mangel-Symptome (Übelkeit, Erbrechen, bis Schock)

44 Immunsuppression mit Medikamenten

45 Antimetabolite: Azathioprine (Imurek, Imuran ) Wirkungen erstmal 1957 synthetisierte antineoplastische Substanz (Purin-Analogon) Knochenmarkszytotoxizität und vollständige Immunsuppression, drosselt Purinsynthese in allen Körperzellen kombiniert mit Prednison und/oder CsA je nach Verträglichkeit (CsA- oder Corticoid-Intoleranz) oder Risiko (Abstoßung oder anti-hla Ak) Azathioprin wird zur Verhinderung, nicht aber zur Behandlung der Abstoßung eingesetzt 1960 Calne/Kuss, 6-Mercaptopurin (GlaxoSmithKline/Wellcome)

46 Antimetabolite: Azathioprine (Imurek, Imuran ) Toxische Wirkungen: Massive Beeinträchtigungen des Knochenmarks (selten) Hepatitis, Leukopenie, Makrozytose 1960 Calne/Kuss, 6-Mercaptopurin (GlaxoSmithKline/Wellcome)

47 Antimetabolite: Mycophenolate mofetil (CellCept ) Wirkungen Blockierung der Inosin-Monophosphat-Dehydrogenase (bei der Purin-Synthese) hemmt insbesondere sich schnell teilende Zellen wie Lymphozyten als Ersatz für Azathioprine in Kombination mit Cyclosporin und Steroiden, auch Dualtherapie mit Sandimmun-Neoral deutlich geringere Toxizität als Azathioprin 1993 Mycophenolate mofetil eingeführt (Roche)

48 Antimetabolite: Mycophenolate mofetil (CellCept ) Nebenwirkungen: weniger massive Beeinträchtigungen des Knochenmarks geringere Nephrotoxizität Virusinfektionen, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Magenschmerzen Leukopenie, Anämie, Thrombopenie, (selten) Hepatitis 1993 Mycophenolate mofetil eingeführt (Roche)

49 Immunsuppression mit Medikamenten

50 Cyclosporin A (Sandimun ) 1972 entdeckt Immunsuppressivum aus einem Bodenpilz Jean-Francois Borel? Hartmann Stähelin? wichtigstes Immunsuppressivum der letzten Jahrzehnte Gewinn für Sandoz/Novartis: > 2 Milliarden Franken 1978 CyA eingeführt (Sandoz/Novartis)

51 Organ Niere 60% 98% 98% Herz 60% 82% 85% Leber 30% 79% 84% Herz-Lunge % 78% Pankreas 20% 93% 94% Lunge % 77% Transplantatüberleben

52 Cyclosporin A (Sandimun ) Wirkungen Calcineurin-Inhibitor - hemmt selektiv die Aktivierung von T-Zellen und die Expression von Lymphokinen wie IL-2 ersetzt Antimetabolite bei deutlich geringerer Knochenmarktoxizität Basisimmunsuppression: sehr effektiv in Kombination mit Prednison und/oder Azathioprin bzw. Mycophenolat 1978 CyA eingeführt (Sandoz/Novartis)

53 Cyclosporin A (Sandimmun ) Erhebliche Toxizität von CsA: Niere: Senkung der glomerulären Filtration tubuläre Effekte: Hyperkaliämie, Hypomagnesiämie akute bis chronische Nephrotoxizizät ZNS: Tremor, Kopfschmerzen, epileptische Anfälle, Konfusion, Koma Hypertrichose, exzessives Haar- und Zahnfleischwachstum Hypertonie begünstigt Infektionen und EBV-assoziierte Lymphome Blutspiegel korrelieren nicht verläßlich mit der Toxizität

54 Makrozyklische Pilzverbindungen: Calcineurin-Inhibitoren CSA Tacrolimus Blockierung des T-Zell-Rezeptorsignales

55 Tacrolimus (FK506, Prograf ) erstmals 1984 isoliert aus dem Bodenpilz Streptomyces tsukubaensis makrozyklisches Antibiotikum strukturell nicht verwandt mit CsA, aber vergleichbarer Wirkmechanismus (Calcineurin-Inhibitor) wirksamer als CsA! 1989 FK506 eingeführt (Fujisawa Healthcare)

56 Tacrolimus (FK506, Prograf ) Vorteile (im Vergleich zu CsA) : Inhibition der IL-2-abhängigen T-Zell-Aktivierung bei deutlich reduzierter Dosis Basisimmunsuppression: anstelle CsA mit Prednison und Aza oder MMF oder nur mit Prednison; akute Abstoßung: Rescue Therapie unter CsA kann i.v. oder oral verabreicht werden, Einstellung nach Blutspiegel Patienten benötigen geringere Dosen an Corticosteroiden besonders wichtig bei Kindern zur Vermeidung von Corticosteriod-assoziierten Wachstumsstörungen, Fettleibigkeit und Hautproblemen 1989 FK506 eingeführt (Fujisawa Healthcare)

57 Tacrolimus (FK506, Prograf ) Nebenwirkungen : Nierenschäden epileptische Anfälle, Zittern, Bluthochdruck, hoher Kaliumanteil im Blut Kopfschmerzen, Schlaflosigkeit Verwirrtheit, Neuropathie Gicht Diabetes erhöhtes Infektionsrisiko, Lymphom-Risiko 1989 FK506 eingeführt (Fujisawa Healthcare)

58 Kombinations-Immunsuppression: Steroide, Antimetabolite und Makrozyklische Pilzverbindungen

59 Sirolimus (Rapamycin, Rapamune ) Eigenschaften Makrozyklisches Antibiotikum aus Streptomyces hygroscopius (ähnlich Tacrolimus), bereits 1977 erstmals beschrieben Inhibiert Proliferation von T- und B-Zellen durch Inhibition der p70 S6 Kinase nach Bindung an mtor Basisimmunsuppression: anstelle oder mit CsA mit Prednison und Azathioprin oder Mycophenolat oder nur mit Prednison akute/chronische Abstoßung: in klinischer Erprobung, zur Prophylaxe und Therapie vorgesehen 2000 Rapamune FDA Zulassung (Wyeth-Ayerst)

60 Sirolimus (Rapamycin, Rapamune ) Nebenwirkungen: deutlich geringere Nephrotoxizität als CsA oder Tacrolimus! erhöhtes Infektionsrisiko, Lymphom-Risiko Bluthochdruck Hyperlipidämie Thrombozytopenie 2000 Rapamune FDA Zulassung (Wyeth-Ayerst)

61 Neuentwicklungen: Everolimus (Certican ) 2003 Everolimus BfArM Zulassung

62 Neuentwicklungen: Everolimus (Certican ) Eigenschaften: Proliferationshemmer, eingesetzt als Inhibitor der T-Zellaktivierung (analog zu Rapamycin) Nebenwirkungen: Hypercholesterolämie, Hypertriglyceridämie, Thrombocytopenie und Leukopenie 2003 Everolimus BfArM Zulassung

63 Neuentwicklungen: FTY720 Migrationshemmer - verhindert Einwandern von T-Zellen in das Transplantat Klinischer Test in Kombination mit Cyclosporin zur Unterdrückung der Abstoßungsreaktion nach Nieren- Transplantation Unterdrückung der Abstoßungsreaktion mit FTY720 nicht besser war als mit CellCept (MMF) kritische Nebenwirkungen während Phase-III Studie (Macula Ödeme, reduzierte Nierenfunktion) Entwicklung von FTY720 für die Transplantationsmedizin eingestellt 2006 FTY720 Phase III Studie eingestellt, neue Studie MS (Novartis)

64 Verhinderung der Abstoßungsreaktion distaler Weg : Verhinderung der unspezifischen Immunantwort Corticosteroide Azathioprin, Mycophenolat CyA, FK506 Rapamycin IL2R Ab Entzündungshemmung Hemmung der (T-Zell) Proliferation Hemmung der IL-2-Produktion Hemmung der IL-2 Wirkung Hemmung der IL-2 Wirkung proximaler Weg : Verhinderung der spezifischen Immunantwort Typisierung ATG, OKT3 CTLA4 Ab Minimierung der Alloantigene Beseitigung aller T-Zellen Verhinderung der Ko-Stimulation

65 OKT3

66 Ziel: T-Zell-spezifische Immunsuppression Antigen Corticosteroide T-Lymphozyt CyA, FK506,Rapamun ZTL B-Zelle Basiliximab, ALG, ATG, OKT3 Azathioprin, Mycophenolat Vermehrung Vermehrung

67 Anti-(T-)Lymphozyten Globuline (ALG, ATG) Antiseren aus Kaninchen oder Pferden gegen humane Thymozyten oder T-Zelllinien Zerstörung der zelluläre Immunantwort (T-Zellen) bei Aufrechterhaltung der humoralen Antwort, besserer Schutz vor vielen bakteriellen Infektionen initiale Induktionstherapie (Prophylaxe) in den ersten zwei Wochen bei Risiko nach vorheriger Abstoßung oder Nachweis von anti-hla-ak bei steroidresistenter Abstoßung nach Ausschluß neutralisierender Ak

68 Anti-Lymphozyten Globuline (ALG, ATG) Nebenwirkungen: Kreuzreaktivität mit Granulozyten und Thrombozyten anaphylaktischen Reaktionen Thrombopenie, periphere Leukopenie grippeähnliche Symptome, Kopfschmerzen, Fieber, Schüttelfrost, Übelkeit, Atmungsprobleme Durchfall Immunisierung (neutralisierende Ak) erhöhtes Lymphomrisiko

69 Monoklonale Antikörper (OKT3) aufgereinigter anti-human CD3ε Antikörper aus der Maus, nicht gentechnisch verändert (!) selektive Inaktivierung oder Zerstörung der T-Zellen, blockiert die Bildung des TZR-/Antigenkomplexes moduliert den TZR/CD3- Komplex, induziert Zelltod in aktivierten T-Zellen (AICD) zur Basistherapie: nicht unbedingt empfehlenswert bei steroidresistenter akuter Abstoßung: 5mg täglich (analog zu ALGs) 1981 Cosimi, et al; OKT3 zur Behandlung der akuten Abstoßung eingeführt

70 Monoklonale Antikörper (OKT3) Nebenwirkungen: Fieber, Schüttelfrost, Kopfweh, Übelkeit, Bauchweh (first dose reaction) Lungenödem, leichte Thrombopenie, Erhöhung des Infektrisikos Immunisierung Inaktivierung durch Immunelimination erhöhtes Lymphomrisiko 1981 Cosimi, et al; OKT3 zur Behandlung der akuten Abstoßung eingeführt

71 Fortschritt: humanisierte Antikörper

72 Basiliximab (Simulect ), Daclizumab (Zenapax ) Wirkungen: chimäre humanisierte (70/90% human and 30/10% murin) Antikörper verhindern T-Zellaktivierung durch Blockierung des IL-2- Rezeptors (CD25) in Kombination mit CyA und Steroiden: Reduktion der akuten Abstoßungsinzidenz bei Nierentransplantation um 32% Nebenwirkungen: gut toleriert (induziert kaum Immunantwort im Empfänger) erhöhtes Infektrisiko 1998 Basiliximab Novartis 1995 Daclizumab Roche

73 Zukunftsperspektive? Xenotransplantation Organe von Schweinen

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77 Xenotransplantation - Virentransfer - Abstoßungen -Ethik

78 Weitere Zukunftsperspektiven: Toleranzinduktion Organersatz durch (adulte) Stammzellen

79 und: Bereitschaft zur Organspende