HLA-System, klinische Bedeutung. HLA-System - Klinische Bedeutung. Biologische Funktion der HLA-Moleküle. Title

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1 JUSTUS-LIEBIG UNIVERSITY GIESSEN Title MEDICAL FACULTY HLA-System, klinische Bedeutung Gregor Bein Zentrum für Transfusionsmedizin und Hämotherapie Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH Institut für Klinische Immunologie und Transfusionsmedizin Justus-Liebig-Universität Gießen HLA-System - Klinische Bedeutung Biologische Funktion der HLA-Moleküle Nachweis von HLA-Antikörpern und Antigenen Klinische Bedeutung in der Organtransplantation Klinische Bedeutung in der allogenen Stammzelltransplantation (Krankheitsassoziationen) Biologische Funktion der HLA-Moleküle 1

2 Adaptive Immunantworten Aktivierung, Proliferation Antigen + APC + T Anergie, Suppression Ignoranz HLA-Klasse I Molekül HLA-Klasse II Molekül 2

3 Peptid-Präsentation MHC-Klasse II Präsentationsweg Neefjes J, Nat Rev Immunol, 2011 MHC-Klasse I Präsentationsweg Neefjes J, Nat Rev Immunol,

4 MHC-Klasse II Präsentationsweg Exogene Peptide MHC-Klasse I Präsentationsweg Endogene Peptide Erkennung von Peptidantigenen durch den T-Zell-Rezeptor 4

5 Peptide binden über Anker-Aminosäuren an HLA-Moleküle HLA Moleküle: polymorphe AS-Positionen Zusammenfassung: Antigenpräsentation HLA-Klasse II Moleküle Exogene Peptide: Aufnahme von Antigenen zur Initiierung einer adaptiven Immunantwort Expression auf Antigen-präsentierenden Zellen Präsentation an CD4+ T-Zellen (T-Helfer-Zellen) HLA-Klasse I Moleküle Endogene Peptide: Anzeige intrazellulärer Infektionen Expression auf fast allen kernhaltigen Zellen und Thrombozyten (nicht auf Erythrozyten) Präsentation an CD8+ T-Zellen (zytotoxische T-Zellen) 5

6 Genetik HLA-Klasse I Gene: HLA-A, HLA-B, HLA-C HLA-Klasse II Gene: HLA-DRB1, HLA-DQB1, HLA-DPB1 (u.a.) Alle HLA-Gene liegen in einem Genkomplex auf dem kurzen Arm von Chromosom 6 (Major Histocompatibility Complex, MHC) HLA-Gene sind polymorph (an einem Genort existieren verschiedene Allele) Alle HLA-Allele auf einem Chromosom werden in der Regel gekoppelt als Haplotyp vererbt Polymorphismus und Polygenie tragen zur Diversität der HLA-Moleküle eines Individuums bei Haplotyp Vererbung der HLA-Haplotypen 6

7 Nomenklatur (hla.alleles.org) Genort Breite Spezifität Antigen Allel-Gruppe Exonvariante (stumm) Suffix* HLA- A * 02: 101: 01: 02 N Molekularbiologische Typisierung Allel (Proteinvariante) Intronvariante (stumm) - Doppelpunkt als Trennzeichen - Führende Nullen - Bis zu drei Stellen (e.g. A*02:101) - w wird vom HLA-C-Genort entfernt: z.b. C*01:03 *Suffix: N Null allele L Low expression S Secreted, not on cell surface Q Questionable expression Bekannte Allele an den Genorten HLA-A, B, C, DRB1 Antigenic variants e.g. HLA-A2 (2 digit resolution) Allelic variants e.g. HLA-A*02:01 (Proteins) HLA-A HLA-B HLA-C HLA-DRB die Zahl der häufigen Allele (f > 1%) in einer gegebenen Population ist deutlich niedriger - Allele sind nicht zufällig miteinander kombiniert: konservierte Haplotypen z.b. HLA-A1, B8, DR3 Release , 11 Feb Release , 11 Feb

8 Nachweis von HLA-Antikörpern The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1980 Baruj Benacerraf, Jean Dausset, George D. Snell Jean Dausset Geboren 19. Oktober 1916 Gestorben 6. Juni 2009 Transfusionsmediziner 1958: Entdeckung eines agglutinierenden Antikörpers gegen Leukozyten (MAC, später HLA-A2) Bedeutung des MHC-Systems für die Transplantatabstoßung Nachweis von HLA-Antikörpern Mikro-Zytotoxizitätstest nach Terasaki (Lymphozytotoxizitäts-Test, LCT-Test) Isolierung von Lymphozyten (Dichtegradientenzentrifugation, Beads) Inkubation mit Serum Inkubation mit Kaninchen-Komplement Anfärbung der lysierten Zellen und Fixierung ELISA Luminex 8

9 HLA-Typisierung: Mikrozytotoxizitätstest (Terasaki) HLA-Typisierung: Mikrozytotoxizitätstest (Terasaki) Negatives Testergebnis intakte Zellen Positives Testergebnis lysierte Zellen No association of kidney graft loss with human leukocyte antigen antibodies detected exclusively by sensitive luminex single-antigen testing: a collaborative transplant study report. Süsal C, Transplantation,

10 HLA-Typisierung Molekulargenetische Typisierung von HLA-Allelen PCR-SSO (Sequence Specific Oligonucleotides) PCR-SSP (Sequence Specific Primers) Sequenzierung (Sequencing Based Typing, SBT) HLA-Polymorphismus HLA-X*01... ACGTGGTCATAATGCTTCCAGACA... HLA-X* C HLA-X* A HLA-X* TT HLA-X* C--A HLA-X* C TT HLA-X* A TT HLA-X* C--A TT HLA-X* T Hypervariable Regionen (HVR) - Public epitopes (fast keine allelspezifischen SNPs) - Genduplikation und konversion (Gen?) - Polymorphismus in cis oder trans (Chromosom?) Molekulargenetische HLA-Typisierung: Polymorphismus in cis oder trans? HLA-X* A T HLA-X* C T HLA-X* A G HLA-X* C G SSO, SBT Patient C.T. HLA-X* A T HLA-X* C G Patient T.C. HLA-X* C T HLA-X* A G

11 Molekulargenetische HLA-Typisierung: Polymorphismus in cis oder trans? Familienuntersuchung (Segregation der Haplotypen) Sequence Specific Priming (PCR-SSP)* (Einzelstrang-Sequenzierung: Next Generation Sequencing) *Bein, 1992, Olerup 1992 HLA-Typisierung: PCR SSP, Prinzip I Extension <--ATCACGTTGGACCGTAAGT-5 ===CAGTGCAACCTGGCATTCA===========TAGTGCAACCTGGCATTCA=== ===GTCACGTTGGACCGTAAGT===========ATCACGTTGGACCGTAAGT=== 5 -CAGTGCAACCTGGCATTCA--> Extension HLA-Typisierung: PCR SSP, Prinzip II Extension <--ATCACGTTGGACCGTAAGT-5 ===CAGTGCAACCTGGCATTCC===========TAGTGCAACCTGGCATTCA=== ===GTCACGTTGGACCGTAAGG===========ATCACGTTGGACCGTAAGT=== X 5 -CAGTGCAACCTGGCATTCA--> STOP 11

12 Molekulargenetische HLA-Typisierung: Polymorphismus in cis oder trans? Sequence-Specific Priming Patient C.T. HLA-X* A T HLA-X* C G PCR 1 + PCR 2 - PCR 3 - PCR 4 + Patient T.C. HLA-X* C T HLA-X* A G PCR 1 - PCR 2 + PCR 3 + PCR 4 + HLA-Typisierung: PCR SSP Agarose-Gelelektrophorese von PCR Produkten HLA-Typisierung: PCR SSP Ethidiumbromid gefärbtes Gel, UV Licht (254 nm) 12

13 HLA-Typisierung: Sequenzierung T+ T+ C+ C+ Kontrolle HLA-Gen X C T G A T A C T G A T A C C C G A T A Homozygot T Heterozygot Homozygot C Organtransplantation Erkennung von Peptidantigenen durch den T-Zell-Rezeptor 13

14 Direkte Aktivierung von T-Zellen durch allogene Antigen-präsentierende Zellen Hyperakute Abstoßung Cave: ABO-Antikörper, zytotoxische HLA-Antikörper Akute Abstoßung 14

15 Chronische Abstoßung 15

16 Association of HLA mismatch with death with a functioning graft after kidney transplantation Opelz G & Döhler B, Am J Transplant (2012) Impact of positive crossmatch on survival of deceaseddonor kidney transplants ( ) Süsal C & Opelz G, Meth Mol Biol (2012) 16

17 Aufgaben der klinischen Immunologie in der Organtransplantation (Auswahl) Empfänger: ABO-Blutgruppe* Erythrozytäre Antikörper HLA-Typisierung: HLA-A, B, C, DRB1, DQB1 (low resolution)* HLA-Antikörpersuche- und ggf. Identifizierung (alle 3 Monate); Lympozytäre Auto-Antikörper ausschließen Achtung! Allo-Antikörper lebenslang berücksichtigen Cross match vor Transplantation Spender: ABO-Blutgruppe* Erythrozytäre Antikörper (passenger lymphocyte syndrome) HLA-Typisierung: HLA-A, B, C, DRB1, DQB1 (low resolution)** * Verifikation empfohlen ** Bei Lebendspende Verifikation empfohlen Allogene Blutstammzelltransplantation Allogene Stammzelltransplantation Transplantatabstoßung Graft-versus-host-disease (GVHD) Graft-versus-leukemia effect (GVL) 17

18 Rezidivrate nach syngener und allogener Transplantation hämatopoetischer Stammzellen Appelbaum FR, Nature (2001) Klinische Bedeutung der HLA-Kompatibilität in der allogenen Stammzelltransplantation Probleme klinischer Studien Fallzahlen gering Verschiedene Krankheitsbilder mit unterschiedlichen immunologischen Komplikationen Infolge des hohen Kopplungsungleichgewichts in der HLA-Region ist die isolierte Untersuchung eines Genortes kaum möglich. Bsp.: DRB1, DQB1 Ein Allel-mismatch kann in verschiedenen Populationen unterschiedliche Bedeutung haben: Diskrepanz zwischen japanischen und nordamerikanischen Daten? Anmerkung: Eine jüngere Studie aus Japan bestätigt jetzt die NMDP- Daten aus USA: Kanda Y et al., Br J Haematol (2013) High-resolution donor-recipient HLA matching contributes to the success of unrelated donor marrow transplantation Lee SJ et al., Blood 110:4576 (2007) 18

19 Single allele or antigen mismatches at HLA-A, -B, -C, and -DRB1 Lee SJ et al., Blood 110:4576 (2007) Survival of patients with early disease depending on degree of HLA matching (8/8, 7/8, and 6/8) for HLA-A, -B, -C, and -DRB1 Lee SJ et al., Blood 110:4576 (2007) HLA matching in unrelated hematopoietic stem cell transplantation for nonmalignant diseases (NMD) HLA mismatching in NMD is associated with graft failure rather than GvHD Horan J et al., Blood (2012) 19

20 Association of HLA-DPB1 T-cell-epitope match status with clinical endpoints in HLA 10/10-matched unrelated donor haemopoietic-cell transplantation Fleischhauer K et al., Lancet Oncol (2012) Immungenetische Spenderauswahl für die allogene Stammzelltransplantation (DGI Konsensus) Genort Suchstrategie Matching Auflösung A ja empfohlen hoch B ja empfohlen hoch C ja empfohlen hoch DRA nein nein DBR1 ja empfohlen hoch DRB3, DRB4, DRB5 nein nein DQA1 nein nein DQB1 ja empfohlen (unklar) hoch DPA1 nein nein DPB1 nein nein Detection of donor-directed, HLA-specific alloantibodies in recipients of unrelated hematopoietic cell transplantation is predictive of graft failure Spellman S et al., et al., Blood (2010); siehe auch Ciurea SO et al, Blood (2011): Bedeutung von anti-dpb1 20

21 Aufgaben der klinischen Immunologie in der Stammzelltransplantation (Auswahl) Empfänger: ABO-Blutgruppe (2x) Erythrozytäre Antikörper HLA-Typisierung: HLA-A, B, C, DRB1, DQB1 (high resolution)* HLA-Antikörpersuche- und ggf. Identifizierung (ggf. Cross match vor Transplantation) Spender: ABO-Blutgruppe (2x) Erythrozytäre Antikörper (passenger lymphocyte syndrome) HLA-Typisierung: HLA-A, B, C, DRB1, DQB1 (high resolution)* * Verifikation vorgeschrieben Weiterführende Informationen hla.alleles.org HLA-Nomenklatur HLA-Allel-Datenbank ctstransplant.org Collaborative Transplant Study Zentrales Knochenmarkspender-Register Deutschland 21