Transplantationsimmunologie

Transplantationsimmunologie Teil 1: Prof. Dr. Ottmar Janßen Immunologie

Eurotransplant: http://www.transplant.org/ (links zu anderen Sites) Checkliste Organtransplantation: Largidèr, Sturm, Wicki (Thieme) Immunologie-Lehrbücher: Janeway (Spektrum) Roitt (Thieme)

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

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

Transplantationsstatistik Deutschland 2006 Patienten Niere Leber Pankreas Herz Lunge Herz - Niere - Lunge transplantiert* 2076 854 129 377 189+36 22 Warteliste** 8644 1572 148 702 434 53 *nur post mortem Spenden ** per 31.12.2005 genaue Statistik für Eurotransplant unter www.transplant.org

Organ 1980 1990 2000 Niere 60% 98% 98% Herz 60% 82% 85% Leber 30% 79% 84% Herz-Lunge ---- 62% 78% Pankreas 20% 93% 94% Lunge ---- 70% 77% Transplantatüberleben *UNOS United Network of Organ Sharing 1997 (exakte Werte hängen von Kriterien ab: Pankreas 40-90%

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

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

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

Immunogenität verschiedener Gewebe Knochenmark Haut Langerhans-Zellen Herz Niere Leber

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

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

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

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

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

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

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

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...

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

Schlüsselzellen der Abstoßung: CD4 + T-Zellen

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

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

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)

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)

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

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

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

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

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

Gewebetypisierung und Transplantations-Diagnostik

HLA-Matching und Transplantatüberleben Ein-Jahr-Transplantatüberleben [%] 100 90 80 70 60 50 40 Mensch (Niere): Klasse I oder II? Eurotransplant Oxford 0 1 2 3 4 0 1 2 HLA-A und B HLA-DR Zahl der Unterschiede (= mismatches)

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

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

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 2001 2004 Zulassung der Rapamun-Weiterentwicklung Everolimus

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

Corticosteroide: Prednison/Prednisolon Cortisol Prednison synthetische Nebennierenhormone, entzündungshemmend und (bei höherer Dosierung) schwach immunsuppressiv wirken im wesentlichen auf aktivierte Makrophagen, hemmen die Interleukin-1-Produktion blockieren die MHC-Expression auf APZ und dem Transplantat

Antimetabolite: Azathioprine (Imurek, Imuran ) erstmal 1957 synthetisierte antineoplastische Substanz (Purin-Analogon) mit massiver Knochenmarkstoxizität vollständige Immunsuppression, drosselt Purinsynthese in allen Körperzellen 1960 Calne/Kuss, 6-Mercaptopurin (GlaxoSmithKline/Wellcome)

Antimetabolite: Azathioprine (Imurek, Imuran ) erstmal 1957 synthetisierte antineoplastische Substanz (Purin-Analogon) mit massiver Knochenmarkstoxizität vollständige Immunsuppression, drosselt Purinsynthese in allen Körperzellen Mycophenolate mofetil (CellCept ) Blockierung der Inosin-Monophosphat-Dehydrogenase (bei der Purin-Synthese) hemmt insbesondere sich schnell teilende Zellen wie Lymphozyten bei deutlich geringerer Toxizität als Aza 1993 Mycophenolate mofetil eingeführt (Roche)

Makrozyklische Pilzverbindungen: Cyclosporin A (Sandimun ) Calcineurin-Inhibitor - hemmt selektiv die Aktivierung von T-Zellen und die Expression von Lymphokinen wie IL-2 1978 CyA eingeführt (Sandoz/Novartis)

Makrozyklische Pilzverbindungen: Cyclosporin A (Sandimun ) Calcineurin-Inhibitor - hemmt selektiv die Aktivierung von T-Zellen und die Expression von Lymphokinen wie IL-2 Tacrolimus (FK506, Prograf ) ähnlicher Wirkmechanismus, aber 10-100 wirksamer als CsA! 1989 FK506 eingeführt (Fujisawa Healthcare)

Makrozyklische Pilzverbindungen: Cyclosporin A (Sandimun ) Calcineurin-Inhibitor - hemmt selektiv die Aktivierung von T-Zellen und die Expression von Lymphokinen wie IL-2 Tacrolimus (FK506, Prograf ) ähnlicher Wirkmechanismus, aber 10-100 wirksamer als CsA! Sirolimus (Rapamycin, Rapamune ) Hemmt die Proliferation von T- und B-Zellen durch Inhibition der p70 S6 Kinase nach Bindung an mtor 2001 Rapamune BfArM Zulassung (Wyeth-Ayerst)

Makrozyklische Pilzverbindungen: Cyclosporin A (Sandimun ) Calcineurin-Inhibitor - hemmt selektiv die Aktivierung von T-Zellen und die Expression von Lymphokinen wie IL-2 Tacrolimus (FK506, Prograf ) ähnlicher Wirkmechanismus, aber 10-100 wirksamer als CsA! Sirolimus (Rapamycin, Rapamune ) Hemmt die Proliferation von T- und B-Zellen durch Inhibition der p70 S6 Kinase nach Bindung an mtor Everolimus (Certican ) Modifiziertes Rapamycin mit verbesserter Dosis/Wirkung 2004 Everolimus BfArM Zulassung (Novartis)

Neuentwicklung: 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)

OKT3

Immunsuppression durch Antikörper Anti-(T-)Lymphozyten Globuline (ALG, ATG) polyklonale Antiseren aus Kaninchen oder Pferden gegen humane Thymozyten oder T-Zelllinien

Immunsuppression durch Antikörper Anti-(T-)Lymphozyten Globuline (ALG, ATG) polyklonale Antiseren aus Kaninchen oder Pferden gegen humane Thymozyten oder T-Zelllinien Monoklonale Antikörper (OKT3) aufgereinigter anti-human CD3ε Antikörper aus der Maus moduliert den TZR/CD3-Komplex, induziert Zelltod in aktivierten T-Zellen (AICD) 1981 Cosimi, et al; OKT3 zur Behandlung der akuten Abstoßung eingeführt

Immunsuppression durch Antikörper Anti-(T-)Lymphozyten Globuline (ALG, ATG) polyklonale Antiseren aus Kaninchen oder Pferden gegen humane Thymozyten oder T-Zelllinien Monoklonale Antikörper (OKT3) aufgereinigter anti-human CD3ε Antikörper aus der Maus moduliert den TZR/CD3-Komplex, induziert Zelltod in aktivierten T-Zellen (AICD) Daclizumab (Zenapax ), Basiliximab (Simulect ) chimäre humanisierte (70/90% human and 30/10% murin) Antikörper verhindern T-Zellaktivierung durch Blockierung des IL-2-Rezeptors (CD25) 1995 Daclizumab Roche 1998 Basiliximab Novartis

Immunsuppression mit Medikamenten Nebenwirkungen/Gefahren: können die Anzeichen einer Infektion überdecken und die natürliche Immunreaktion des Körpers herabsetzen nicht selektiv z.t. beträchtliche Toxizität insgesamt deutlich erhöhtes Infektionsrisiko Serumspiegel relativ schwer einzustellen

Zukunftsperspektive? Xenotransplantation genetisch veränderte Organe von Schweinen

Xenotransplantation - Virentransfer - Abstoßungen -Ethik

Zukunftsperspektiven: Toleranzinduktion auch: regulatorische T-Zellen, etc (Seminar Q4) Organersatz durch (adulte) Stammzellen

und: Bereitschaft zur Organspende