Allogene Blutstammzelltransplantation Chancen und Grenzen

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1 Allogene Blutstammzelltransplantation Chancen und Grenzen PD Dr. Tayfun Güngör Abteilungsleiter Stammzelltransplantation Universitätskinderkliniken Zürich

2 Allogene Stammzelltransplantation Li and Sykes, Nature Reviews Immunol 2012

3 Was sind Stammzellen?

4 Toti-Potenz Pluri- Multipotenz

5 Es gibt nicht nur eine menschliche Stammzelle! Befruchtete Eizelle Embryonale Stammzellen totipotent pluripotent Mensch alle Gewebe Fähigkeit zur lebenslangen Selbsterneuerung und Weiterdifferenzierung Adulte Stammzellen multipotent Nur Bestimmte Gewebe (z.b. Blut)

6 Im Knochenmark Punktion KM-Entnahme in Bauchlage (allogen)

7 Im Blut nach Behandlung mit Wachstumsfaktoren Mutter eines kranken Säuglings bei Blutstammzell-Apherese

8 Im Nabelschnurblut eine natürliche Quelle Entnahme nach Geburt Untersuchung von HLA- Gewebemerkmalen Einfrieren

9 Stammzellquellen

10 Entwicklung des Blut- und Immunorgans aus hämatopoietischen Stammzellen Hämatopoietische Stammzellen Mangel oder Funktionsdefekte der T-/NK-Lymphozyten (SCID, HLH)) Defekte Mikrobenabtötung durch Phagozyten (CGD, CN, LFA) Refraktäre Anämien/Tc- Penien (Thal. major, Sichelzellenerkrankung., Amegakaryozyt. Tc-Penie) Stoffwechseldefekte mit ZNS Beteiligung (Hurler`s disease, X-ALD)

11 Indikationen für HCT Li and Sykes, Nature Reviews Immunol 2012

12 Indikationen

13 Immunsuppressive/myeloablative properties of MIC, RIC and MAC conditioning or anti CD45 or radioimmune therapy CHIESA and VEYS, Exp Rev Clin Immunol, 2012

14 Hämatopoietische Stammzelltransplantation Probleme: Abstossung in beide Richtungen Spender (S) (gesund) Empfänger (E) (krank) reife T- Lymphozyten (S): aggressiv (Graft-versus-Host- Erkrankung) Stammzellen THYMUS Konditio - naive T-Lymphozyten (S) (tolerant nach 3-6 E Monaten + S) nachweisbar reife T-Lymphozyten (E): aggressiv (Abstossung des gesamten Transplantes)

15 T-Zell-Immunrekonstitution nach HSZT erfolgt in 2 Wellen T-Zellen Mittransplantiert (alloreaktiv) Im Thymus neu ausgereift (tolerant) T-Sp1 T-Sp2 Transplantation 6 Mo Alterung T-Sp1 Gedächtnis T-Zellen (CD45R0+) Pot. alloreaktiv (GVH; GVT; GVL.) Begrenztes T-Zellantigenrezeptor- Repertoire (oligoklonal) Eingeschränkte zelluläre Immunkompetenz gegen Neoantigene T-Sp2 Naive T-Zellen (CD31+45RA+) nach Reifung im Thymus Lebenslange Toleranz gegen Empf. Breites T-Zellantigenrezeptor- Repertoire (polyklonal) Lebenslange zelluläre Immunkompetenz gegen Neoantigene

16 Prinzip der der T-Zell-Selektion im Thymus für die Toleranzentwicklung zwischen Spender und Empfänger Die guten toleranten (T-Zellen) ins Töpfchen die schlechten aggressiven (T-Zellen) ins Kröpfchen

17 Bedeutung des Thymus Zentrale Toleranzentwicklung Polyklonale naive T-Zellen (für Infekt- und Tumorabwehr) Thymus Regulatorischen Treg- Zellen Zentrale Toleranz

18 CD31-expression (FACS) auf CD4+CD45RA+ T-Zellen als Marker für Thymusreaktivierung

19 Vergleich Organ TPL Stammzelltransplantation Transplantation Solides Organ SCT Organ Immunsuppression Probleme Niere Herz Lunge Darm Lebenslang AUSNAHMEN: Zwillings TPL Operationale Toleranz (Periphere Toleranz) Abstossung/akut/ chronisch ABO Inkompatibilität Knochenmark Nabelschnurblut Periphere Blutstammzellen Für 6 Monate (danach zentrale TOLERANZ) Abstossung/akut GVHD akut/chronisch Folgen Organdysfunktion Infektionen Sek. Tumoren Metabol. Syndrom Infertilität Gonadendysfunktion Sek. Tumoren Metabol. Syndrom

20 Blutstammzelltransplantation Was muss beachtet werden? Indikation gegeben? Hochrisiko-/Rezidivleukämie oder genetische Erkrankung Welche Prognose nach Stammzelltransplantation vs. konv. Therapie? Lässt Alter und Zustand des Pat. eine Stammzelltransplantation zu? Geschwisterspender HLA ident Spender Vorhanden? Fremdspender HLA ident Nabelschnurblut (verwandt/unverwandt) Eltern (haploidentisch) Welche Konditionierung? MIC, RIC oder MAC? Maligne Erkrankungen: eher MAC (stärkere Therapie) Nicht-maligen Erkrankungen: eher RIC (milde Therapie) Abstossung/GVHD/ Infektionen Verhindern dieser Komplikationen! HLA-identischer Spender Ausreichende Immun- und Myeloablation Immunsuppressiva zur Verhinderung von GHVD

21 Human leukocyte antigen (HLA) Moleküle auf Chromosom 6 (Vererbung autos. rezessiv)

22 Human leukocyte antigen (HLA) MHC (Minor/Major histocomp. Antigen) T-Zellen erkennen: Nichtselbsantigen (Tumor/Infekterreger) auf eigenem HLA Nichtselbst-Antigen auf identischer HLA nach HLA-id HSCT (minor HAg) Selbst-Antigen auf nicht-identischer HLA nach nicht-hla identischer HSCT

23 HLA Moleküle sind wichtig für die Verständigung der Zellen von Spender und Empfänger HLA-Identität = Frieden HLA- Unterschied = Zoff Patient Spender

24 T-Zell/HLA Interaktion

25 Abstossungsreaktion (Graft-versus-Host Disease) durch reife alloreaktive T-Zellen des Spenders Akut Chronisch

26 Verfügbarkeit eines allogenen passenden Spenders Geschwister: < 20 % Unverwandt: 50 % Haploidentisch 100% (aber begrenzte Indikationen) Nabelschnur:? Kein Spender: 15-40%

27 Bedeutung der HLA-Identität für Transplantationserfolg Spender HSZT-Erfolg gross MSD % MUD % Haploidentisch % mässig

28 Vorbehandlung Implantation eines tunnelierten ZVK Beginn strikte Isolation Mikrob. Dekontam. (Haut/Schleimhaut) Zytostatika (+Anti T-Z.-Ak; ATG, Campath) Transplantation KM (+Ery-Depletion; T-Zell-Depletion) PBSC (nach 5-6 Tagen 10 mikrogr/kg GCSF) CB (Nabelschnurblut) Aplasie (2-3 Wo) Blutersatz (EC/Tc) Parenterale Ernährung Infektprophylaxe/-therapie (IVIG, AB) GHVD-Prophyl. (MTX, CSA, MMF, Steroide) Zellul. Immunrekonstitution (3-6 Mo) Kein Schul- oder Kindergartenbesuch Intravöse Immunglobuline Ausschleichen von Immunsuppressiva Hum. Immunrekonstitution (9-12 Mo) Impfungen (Infanrix-Hexa, Prevenar) Ausschleichen der Immunglobuline Schul- und Kindergartenbesuch

29 Immunologische Rekonstitution Spender (SP) Empfänger (E) Thymus Toleranz Gegen E + SP B-LC T-LC Blutorgan Makroph/APC 1. Frühphase: Neutrophile, Mono, NK Sofortabwehr 4 Wo 2. Mittelphase: Makrophagen, T-Lc Zell. Immunität 3-6 M 3. Spätphase: B-Lc Hum. Immunität 6-12 Mo

30 Schwerer kombinierter Immundefekt (SCID) Aetiologie: Bildungsstörung von T-Zellen (NK und B-Zellen) Häufigkeit: 1: Geburten (X-chrom. + autosomal rezessiv) Symptome: Schwere Virus-, Bakterien- und Pilzinfektionen Schwere Gedeihstörung Das erste Lebensjahr wird nicht überlebt Therapie: Transplantation gesunder Blutstammzellen!

31 Figure 2 A B C patients' age (months) normal range

32 Massiv erniedrigte T-Zellen bei SCID Baby mit ADA Defekt CD3+ 4.5% CD8 1.9 % CD4 4.5%

33 SCID Formen Myeloid (-) Reticular dysgenesis B (-) NK (-) ADA deficiency NK (+) Rag 1,2 deficiency T (-) ARTEMIS/DNA-ligase IV/ Cerunnos defect NK (-) c deficiency B(+) JAK 3 deficiency NK (+) Compl. DiGeorge syndrome CD3, IL-7 receptor defect

34 Schwerer kombinierter Immundefekt (SCID) Opportunistische Infektionen Schwerer Soor Pneumocystis- Pneumonie Impfinfekte (BCG) Graft vs host D.

35 Pediatric BMT Center Zürich Clinical Programme - Inpatient Unit - Outpatient Clinic Cell Collection Programme - Apheresis Unit - Operation Rooms Cell Processing Programme - Stem Cell Laboratory Qualitity Management System Positive selection of CD34+ stem cells with monoclonal anti-cd34-ab loaded with magnetic beads (CliniMACS )

36 T lymphocyte counts after HSCT in SCID HLA id. versus T depleted haplo id. HSCT T cells/µl 3,000 Homeostatic (+/- ag.driven) expansion of donor mature T cells HLA id. HSCT 2,000 1,000 New T cell ontogeny Haplo id. HSCT months

37 Ueberleben von SCID Patienten je nach HLA-Kompatibilität ( ) 10 Jahresüberleben Geschw. HLA=: 86% Verw. HLA=: 79% Fremd-HLA= : 72% Eltern: 59% EBMT WP Inborn Errors

38 Rekonstitution desthymus nach HSCT

39 SCID Patienten im Kinderspital Zürich (n=22) CHH Omenn/RAG gamma-c CD3 Defect PNP DNA4-Ligase LFA1 JAK III Krankheitsfreies Ueberleben im Kispi Zürich 18/22 (81 %)

40 X-SCID Patient Ramon vor und nach erfolgreicher Transplantation (10/10 HLA-kompatibler Fremdspender) vor 9 Mo nach Fremdspender Knochenmarktransplantation

41 SCID Patientin Antonia 9 Jahre danach nach Elterntransplantation von peripheren Blutstammzellen

42 Chronische Granulomatose (CGD) Aetiologie: Abtötungsdefekt von Bakterien und Pilzen aufgrund fehlender Funktion der NADPH- Oxidase in neutrophilen Granulozyten (Fresszellen) Häufigkeit: 1: (X-chrom. + autosomal rezessiv) Symptome: Schwere granulomatöse Infektionen (Pilze, Bakterien) Schwere Organentzündungen Therapie: Lebenslange Gabe von Antibiotika/Antimykotika Transplantation gesunder Blutstammzellen!

43 NADPH oxidase dependent Intracellular Microbial killing

44 Chronic granulomatous disease Defect of Bacterial Killing Lymphnode abscess Staph. killing by neutrophils C o n t r o l 0 min 60 min 120 min P a t i e n t

45 Chronic granulomatous disease Defect of Fungal Killing fungus spore hyphae monocyte Aspergillosis

46 Chronic Granulomatous Disease (CGD) Fistulising Lymphadenitis Liver-Abscess Aspergillus Pneumonia Granulomatous Colitis

47 NBT test (nitrobluetetrazolium test) after KM-Entnahme PMA stimulation (allogen) Normal reduction of NBT to formazan by normal NADPH oxidase function in a normal individual PMA-stimulated NBT reduction of neutrophils from a heterozygous carrier of CGD. This shows the two cell populations of a) unaffected polymorphs showing transformation with black formazan deposition and b) affected polymorphs showing no NBT reduction PMA stimulated NBT reduction of neutrophils from a CGD patient. Neutrophils show no NBT reduction. These cells were not transformed and failed to reduce NBT

48 CGD Patient aus Zürich mit negativem NBT Test Negativer NBT Test nach OPZ Stimulation Negativer NBT Test nach PMA Stimulation

49 DIHYDRORHODAMIN (DHR) test in normal, CGD patients KM-Entnahme and CGD (allogen) carriers

50 DHR Test bei X-Carrier für CGD

51 Conventional Treatment Survival of CGD Patients van den Berg (2009) PLoS One 4: e5234

52 Serious inflammatory complications after myeloablative HSCT with BU/CY in high-risk CGD-patients Severe GvHD (IV) Inflammatory flare up ( white lungs ) Mortality 36%! R. Seger and T. Güngör, Blood 2002

53 Prospective Study with RIC conditioning in n = 56 mainly high-risk CGD patients Güngör, Lancet 2014

54 Outcome in 56 CGD patients Güngör, Lancet 2014

55 Normalization of production after RIC HSCT prior HSCT DHR test: 0% Güngör, Schanz, Transplantation, 2005 after HSCT DHR test: 95% d +29

56 Jovan with life-threatening Scopulariopsis fungal infection of lung/spine Jovan prior HSCT Jovan 38 days after HSCT

57 Visable healing of fungal infection Bu/Flu RIC and MUD HSCT prior HSCT 38 days after HSCT 6 months after HSCT

58 Hämatopoetische Stammzell-Transplantation bei Stoffwechseldefekten des Gehirns - Wie funktioniert das? Blut Gewebe Monozyt Hämatopoietische Stammzelle Makrophage ZNS Mikroglia Einwanderungsprozess dauert 6-12 Monate

59 Abgabe des fehlenden Enyzms vom Spender- Makrophagen an kranke Empfänger- Nervenzelle Makrophage via Rezeptoren Nervenzelle Direkter Transfer

60 Hämatopoetische Stammzell-Transplantation bei Speicherkrankheiten (MPS; Hurler`s disease) Mikroglia/Astrozyten Einwanderung von Spender-Makrophagen in das ZNS des Empfänger (6-9 Monate) Bildung von Alpha-Iduronidase Abgabe an kranke Neuronen Reduzierte Ablagerung von Mucopolysacchariden (GAG) im Bereich ZNS, Leber/Milz, Haut, Augen, Cochlea, Konservierung der Intelligenz, Verhinderung eines Hydrozephalus, ossäre Dysplasie bleibt weitgehend unbeeinflusst

61 Stable developmental Quotient (DQ) in Patients Transplanted for Hurler s Disease (MPS I)

62 Überleben nach allogener SZT (n=188) Maligne vs. nicht-maligne Erkrankungen ( ) Percent survival 100 MD NMD 69% 89% Time since transplantation (months) Daten aus Kispi ZH, Zeilhofer, Güngör Paediatrica 2013

63 Überleben nach allogener SZT Getrennt nach Erkrankungen Percent survival 100 Hämat 80 Onko+MDS Immuno Metabol ,5% 69% 86,2% 100% Time since transplantation (months) Daten aus Kispi ZH, Zeilhofer, Güngör Paediatrica 2013

64 Transplant-related mortality nach allo SZT bei malignen Erkrankungen ( ) 30.6 % 8.1 % 24.4 % Daten aus Kispi ZH, Zeilhofer, Güngör Paediatrica 2013

65 Transplant-related mortality nach allo SZT ( ) 9.8 % Daten aus Kispi ZH, Zeilhofer, Güngör Paediatrica 2013

66 Akut Probleme nach SZT bei Kindern Opport. Infektionen Abstossung/autol. Rekonst. abhängig von T-Zellrekonstitution Stammzellboost, Re-Transplantation Akute GVHD <20 %

67 Blutstammzelltransplantation Chancen und Grenzen CHANCEN HLA Identität Für Erfolg erforderlich? Haplo Transplantation (50% Identität) nach in-vitro T-Zelldepletion In vivo T-Zelldepletion (alemtuzumab, cyclophosphamid am Tag +5) Virusspezifische T-Zellen (CMV, EBV, ADV, etc) GVHD Verhinderbar oder Therapierbar? Extrakorporale Photopherese Infusion von 3rd party Mesenchymalen Stammzellen Infusion von regulatorischen T-Zellen (Treg) Neurometabolische Krankheiten? Kann man alle behandeln? Gentherapie mit Überexpression des Enzyms Koinfusion von mesenchymalen Stammzellen Genetische Krankheiten Folgeschäden der Chemo (Infertilität)? Reduzierte Toxizitätskonditionierungen (RIC oder MI) Gentherapie

68 Blutstammzelltransplantation Chance und Grenzen Alter Gibt es eine Altersbegrenzung? GRENZEN Sollen 75 Jährige transplantiert werden? Finanzen Kann diese Therapie finanziert werden? Kosten für Therapie CHF für den stationären Aufenthalt und Transplantatbereitstellung Spender für alle Wie können mehr Freiwilligenspender Rekrutiert werden? Ca Mio Freiwilligenspender weltweit (passend für Kaukasier, aber nicht für Farbige oder Asiaten) Nabelschnurbanken haben wenig finanzielle Unterstützung Maligne Erkrankungen Wie können Rezidive verhindert werden? Andere spezifisch anti-leukämische oder anti-tumoröse Therapien müssen entwickelt werden für die 20-30% Patienten, die nach SZT Rückfälle bekommen

69 10-jähriges Jubiläum 2001 der pädiatrischen KMT Station Zürich (mit Gruppenfoto geheilter Patienten)

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