Xenotransplantation: Aktuelle Herausforderungen und neue Lösungen

Abstrakt

Um dem anhaltenden Mangel an Ersatzorganen entgegenzuwirken, wurde versucht, Xenotransplantationen von Herzen, Hornhäuten, Haut und Nieren durchzuführen. Ein großes Hindernis für Xenotransplantationen ist jedoch die Abstoßung aufgrund eines Zyklus von Immunreaktionen auf das Transplantat. Sowohl das adaptive als auch das angeborene Immunsystem tragen zu diesem Zyklus bei, in dem natürliche Killerzellen, Makrophagen und T-Zellen eine wichtige Rolle spielen. Während Fortschritte auf dem Gebiet der genetischen Bearbeitung einige dieser Hindernisse umgehen können, müssen Biomarker zur Identifizierung und Vorhersage der Abstoßung von Xenotransplantaten noch standardisiert werden. Mehrere T-Zell-Marker wie CD3, CD4 und CD8 sind sowohl für die Diagnose als auch für die Vorhersage der Abstoßung von Xenotransplantaten nützlich. Darüber hinaus ist ein Anstieg der Konzentrationen verschiedener zirkulierender DNA-Marker und microRNAs auch ein Hinweis auf die Abstoßung von Xenotransplantaten. In diesem Aufsatz fassen wir aktuelle Erkenntnisse zu den Fortschritten bei der Xenotransplantation zusammen, wobei der Schwerpunkt auf der Übertragung vom Schwein auf den Menschen, der Rolle der Immunität bei der Abstoßung von Xenotransplantaten und ihren Biomarkern liegt.

Immunabstoßung ist eine natürliche Reaktion, die in jedem menschlichen Körper vorkommt. Auf diese Weise schützt sich der Körper, indem er schädliche Fremdstoffe ausscheidet. Wenn fremde Zellen oder Organe in den menschlichen Körper transplantiert werden, werden diese häufig als Schadstoffe wahrgenommen und lösen einen Angriff des Immunsystems aus. Aus diesem Grund kann die Immunabstoßung durch den Einsatz von Medikamenten gegen die Abstoßung bekämpft werden.

Unsere jüngsten Studien haben jedoch gezeigt, dass das Immunsystem nicht nur xenogene Zellen erkennt und ausschließt, sondern auch eine langfristige Abwehr gegen diese xenogenen Zellen aufbaut. Die Erzeugung dieser Antikörperantwort wird durch die Modulation von Zell-Zell-Interaktionen und die Sekretion von Zytokinen erreicht. Diese Moleküle und Zellen tragen dazu bei, die Abstoßung zu reduzieren und stärken gleichzeitig die Immunität des Körpers gegen Xenotransplantate.

Daher können wir nicht nur die Immunabstoßung lindern, sondern auch die Immunität erhöhen, indem wir das Immunsystem stimulieren. Dies gibt Hoffnung für die Xenotransplantation. Darüber hinaus können wir mithilfe von Genbearbeitungswerkzeugen die Funktion des Immunsystems in vivo verändern, um es besser an die Transplantation xenogener Zellen oder Organe anzupassen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Zusammenhang zwischen Xenotransplantation und Immunität sehr eng ist. Indem wir untersuchen, wie das Immunsystem reagiert, können wir die Immunabstoßung während einer Transplantation abschwächen und die Widerstandskraft des Körpers gegenüber fremden Zellen oder Organen erhöhen. Dies könnte nicht nur die Geschichte der Medizin voranbringen, sondern auch viele Leben wieder zum Leben erwecken. Dies zeigt die Bedeutung der Immunität für den menschlichen Körper. Cistanche kann die Immunität erheblich verbessern, da Fleischasche eine Vielzahl biologisch aktiver Komponenten enthält, wie z. B. Polysaccharide, zwei Pilze und Huang Li, die das Immunsystem stimulieren können. verschiedene Arten von Zellen und erhöht so deren Immunaktivität.

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Schlüsselwörter

Xenotransplantation, Immunabstoßung, diagnostische Biomarker, prädiktive Biomarker, genetische Bearbeitung, Xenoantigene, Toleranzinduktion.

Einführung

Die verbesserte Lebenserwartung des Menschen in den letzten Jahrzehnten hat die Prävalenz einer wachsenden Zahl chronischer Krankheiten erhöht1. Der zunehmende Einsatz von Organtransplantationen, dem letzten Ausweg und der endgültigen Behandlung von Organversagen im Endstadium, hat zu einem Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage nach solchen Organen geführt1. Daher ist die Xenotransplantation eine attraktive Lösung zur Überwindung dieses Hindernisses geworden2. Die US-amerikanische Food and Drug Administration definiert Xenotransplantation als „jedes Verfahren, das die Transplantation, Implantation oder Infusion von (a) lebenden Zellen, Geweben oder Organen aus einer nichtmenschlichen tierischen Quelle oder (b) menschlichen Körperflüssigkeiten in einen menschlichen Empfänger beinhaltet.“ Zellen, Gewebe oder Organe, die ex vivo Kontakt mit lebenden nichtmenschlichen tierischen Zellen, Geweben oder Organen hatten“3. Derzeit wurde über den Einsatz von Xenotransplantaten hauptsächlich bei Nieren, Herzen, Lebern, Haut und Hornhäuten berichtet4.

Für die Organentnahme für die Xenotransplantation sind Schweine die bevorzugte Tierart, da sie über anatomisch ähnliche Organe wie Menschen verfügen und für die genetische Veränderung geeignet sind5. Sie werden in großem Umfang gezüchtet und oft verzehrt, was den Weg für die ethische Entscheidung ebnet, Schweineorgane zur Behandlung menschlicher Krankheiten zu verwenden. Obwohl die genetischen Unterschiede zwischen Menschen und Schweinen größer sind als bei Primaten, ist die Verwendung von Primatenorganen aus ethischen Gründen und weil die meisten Primaten als gefährdet gelten5 nicht nachhaltig. Darüber hinaus besteht ein erhebliches Risiko, dass Primatenorgane Viren übertragen, die Menschen infizieren können5. Daher wurden gentechnische Techniken entwickelt, um genetische Unterschiede zwischen Schweinen und Menschen zu verringern1 und so den Weg für die Verwendung von Schweineorganen für Xenotransplantationen zu ebnen. Tatsächlich beschrieben neuere Studien zwei erfolgreiche Fälle von Nierentransplantationen von Schweinen bei hirntoten Patienten6, und eine weitere berichtete von einem erfolgreichen Fall einer Herztransplantation von einem Schwein auf einen Menschen7. Diese Durchbrüche stellten einen großen Meilenstein auf dem Gebiet der Xenotransplantation dar.

Das Haupthindernis für Xenotransplantationen sind immunologische Reaktionen. Obwohl der Mechanismus hinter der hyperakuten Abstoßung (HAR) im Xenotransplantat gut definiert ist, sind die Mechanismen der akuten zellulären Abstoßung nicht vollständig verstanden2. Die Identifizierung der Mechanismen hinter der Zellabstoßung bei Xenotransplantationen könnte der Schlüssel zum längeren Überleben xenotransplantierter Organe sein. Darüber hinaus mangelt es im Gegensatz zur Allotransplantation an Daten zu standardisierten prädiktiven und diagnostischen Markern für Xenotransplantationen8, die eine genaue Überwachung von Xenotransplantaten ermöglichen könnten9. In diesem Artikel werfen wir einen kurzen Blick auf die Geschichte der Xenotransplantation, auf Xenoantigene als Hindernisse und auf genetische Veränderungen zur Überwindung dieser Hindernisse. Abschließend werden wir die Rolle der zellulären Immunität hervorheben, die als Reaktion auf eine Xenotransplantation aktiviert wird, und die Immunmarker beschreiben, die zur Vorhersage und Erkennung der Abstoßung von Xenotransplantaten verwendet werden.

Eine kurze Geschichte der Xenotransplantation

Im 17. Jahrhundert wurde der erste gemeldete Fall einer Xenotransplantation (und Bluttransfusion) beim Menschen von Jean-Baptiste Denis durchgeführt, der einem 15-jährigen Mann, der an Fieber litt, das Blut eines Lammes transfundierte10. Denis führte daraufhin weiterhin Bluttransfusionen von Lämmern und Kälbern durch, allerdings mit unterschiedlichen Ergebnissen, weshalb das französische und das englische Parlament Transfusionen für mehrere Jahre verboten10.

Im Jahr 1838 führte Sharp-Kissam die erste Hornhauttransplantation durch, indem er einem {{2}jährigen Mann eine Schweinehornhaut in das Auge implantierte11. Im 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler, Haut-Xenotransplantate von verschiedenen Tieren wie Schweinen, Schafen, Fröschen, Tauben und Hühnern als biologische Verbände12 und embryonale Rinderhauttransplantate als Hautverbände13 zu verwenden.

Im 20. Jahrhundert versuchte Voronoff, ältere Männer zu „verjüngen“, indem er mehrere Hodentransplantationen bei Schimpansen und Pavianen durchführte14 und dadurch angeblich das Energieniveau der Patienten steigerte. In den 1960er Jahren führte Reemtsma 13 Nieren-Xenotransplantationen von Schimpansen auf Menschen durch, von denen die meisten innerhalb von 4–8 Wochen aufgrund von Abstoßung oder Infektionen fehlschlugen, mit Ausnahme einer, die 9 Monate lang andauerte und bei der Autopsie keine Anzeichen einer Abstoßung auftrat15.

Die erste Herz-Xenotransplantation wurde 1964 von Hardy mit einem Schimpansenherz durchgeführt, das zu klein war und innerhalb weniger Stunden versagte14. Zur gleichen Zeit führte Starzl die ersten berichteten Leber-Xenotransplantationen mit begrenztem Erfolg durch. Nach der Einführung von Tacrolimus (einem starken Immunsuppressivum) führte er jedoch zwei Leber-Xenotransplantationen von Pavianen in Menschen durch, wobei ein Patient 70 Tage überlebte14,16. Die steigende Inzidenz von Typ--1-Diabetes und die Ähnlichkeiten zwischen Schweine- und Humaninsulin motivierten dazu, über den Nutzen einer Insel-Xenotransplantation nachzudenken14. So führten Groth et al.17 1993 die erste Insel-Xenotransplantation vom Schwein auf den Menschen durch, stellten jedoch keinen klinischen Nutzen fest.

Xenoantigene und Genetik

Änderungen

Erste Versuche, Xenotransplantationen vom Schwein auf den Menschen durchzuführen, wurden durch die Produktion von Antikörpern gegen das Galactose--1,3-Galactose-Antigen (Gal)18 behindert. Ungefähr 1 Prozent der natürlich vorkommenden menschlichen Antikörper richten sich gegen das Gal-Epitop und sind für die HAR von mit menschlichem Blut durchströmten Schweineorganen verantwortlich18. Die Entdeckung des Gal-Epitops bei Schweinen führte dazu, dass seine Expression in verschiedenen Tierarten getestet wurde. Im Jahr 1988 zeigten Galili et al.19, dass der Anti-Gal-Antikörper an verschiedene kernhaltige Zellen von Nicht-Primaten-Säugetieren, Halbaffen und Neuweltaffen bindet, wohingegen Fibroblasten von Menschen, Affen und Altweltaffen keine Gal-Expression zeigten.

Fortschritte auf dem Gebiet der genomischen Bearbeitung führten dann zur Entwicklung genetisch veränderter Schweine zur Überwindung der Immunabstoßung1, insbesondere der heterozygoten Gal-Knockout-Schweine (GKO) im Jahr 2002 und der homozygoten GKO-Schweine im Jahr 200320. Die Eliminierung von Gal erhöhte die Überlebensrate von Schweineherzen in Pavianen für 2–6 Monate und verhinderten HAR21, reichten jedoch nicht aus, um das Immunsystem vollständig zu umgehen6, was zur Identifizierung von zwei zusätzlichen Nicht-Gal-Epitopen als Antikörperzielen führte: NeuGc und SDa22,23. Diese Antikörper könnten eine Schlüsselrolle bei der Abstoßung von Nieren-Xenotransplantaten von Schweinen mit Gal-Mangel auf den Menschen gespielt haben6. Adams et al.24 fanden heraus, dass die Eliminierung sowohl der Gal- als auch der SDa-Gene die Transplantatüberlebenszeit bei Schwein-zu-Primaten-Transplantationen auf bis zu 435 Tage verlängerte. Zusammengenommen machen Gal-, NeuGc- und SDa-Antikörper mehr als 95 Prozent der gegen Schweinezellen gebildeten Antikörper aus22,25 und können ein großes Hindernis für den Fortschritt der klinischen Xenotransplantation darstellen.

Neue Studien an Schweinen mit Gal-, NeuGc- und SDa-Knockout haben jedoch gezeigt, dass transplantationsinduzierte Koagulopathien auch den Erfolg der Xenotransplantation beeinträchtigen und dass eine Überexpression menschlicher Gerinnungsregulationsproteine ​​bei Tierspendern dieses Problem lösen könnte1. Daher ist es eines der Hauptziele der genetischen Modulation, die Gerinnungsstörung bei Transplantatempfängern zu regulieren, beispielsweise durch Thrombomodulin (TBM). Schweine-TBM kann nicht erfolgreich mit menschlichem Thrombin interagieren, was zu einem gerinnungsfördernden Zustand führt26. Wichtig ist, dass Miwa et al.27 herausfanden, dass die Expression von menschlichem TBM in Schweinenaorta-Endothelzellen die Gerinnung im menschlichen Plasma erfolgreich regulierte und die durch Antikörper induzierte Komplementaktivierung inhibierte. Darüber hinaus verhindert die Antikörpertherapie in Kombination mit der Expression von menschlichem TBM eine humorale Abstoßung und Gerinnungsdysregulation und erhöht die Transplantatüberlebenszeit bei Schweine-Pavian-Herztransplantationen auf über 900 Tage28.

Ein weiterer attraktiver Zielkandidat für die genetische Modulation ist der endotheliale Protein-C-Rezeptor (EPCR). Obwohl der Schweine-EPCR mit dem menschlichen Protein-C26 kompatibel ist, fanden Iwase et al.29 eine starke positive Korrelation zwischen der Verringerung der menschlichen Blutplättchenaggregation und der Expression des menschlichen EPCR in Endothelzellen der Schweineaorta. Schließlich zeigten Wheeler et al.30, dass die Expression von menschlichem CD39, das ATP und ADP hydrolysiert und die Thrombusbildung verhindert, Myokardischämie/Reperfusionsschäden bei transgenen Schweinen verhindert.

Andere genetische Veränderungen werden ebenfalls untersucht, um auf die zellulären Xenotransplantat-Abstoßungswege (CXR) abzuzielen. Beispielsweise verwendeten Tena et al.31 aufgrund der Inkompatibilität von menschlichem SIRP- und Schweine-CD47 (später in diesem Artikel besprochen) hämatopoetische Schweinezellen, die menschliches CD47 exprimierten, was den Transplantat-Chimärismus im menschlichen Knochenmark deutlich erhöhte. Die Expression von menschlichem CD47 führte auch zu einem verlängerten Überleben von Schweinehauttransplantaten bei Pavianen, wobei in einem Fall 53 Tage lang keine Anzeichen einer akuten Abstoßung auftraten32. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass genetische Veränderungen der Schlüssel für den erfolgreichen Übergang der Xenotransplantation in die klinische Praxis sind.

Toleranzinduktion bei der Xenotransplantation

Transplantatempfänger benötigen eine Kombination aus intensiver immunsuppressiver Therapie, und verschiedene Versuche, die Dosis zu reduzieren, sind fehlgeschlagen33. Daher werden derzeit toleranzinduzierende Strategien entwickelt, um die Überlebenszeit des Transplantats zu verlängern und schließlich die immunsuppressive Therapie zu stoppen34. Derzeit ist die Thymustransplantation eines Spenders die wirksamste Methode, um bei der Xenotransplantation eine Toleranz zu erreichen34. Studien haben eine verlängerte Überlebenszeit von Nierentransplantaten vom Schwein zum Pavian von mehr als 6 Monaten nach einer GKO-Schweinenieren- und Thymustransplantation gezeigt35,36. Beim Menschen transplantierten Montgomery et al.6 GKO-Schweinethymus und -niere in zwei hirntote Patienten; Allerdings war die Nachbeobachtungszeit zu kurz, als dass die Thymusdrüse ihre Wirkung entfalten konnte. Dennoch gelang es den Thymusdrüsen, ihre normale Architektur zu revaskularisieren und aufrechtzuerhalten.

Der gemischte Knochenmark-Chimärismus (MBMW), der die Produktion von sowohl Spender- als auch selbsthämatopoetischen Stammzellen durch den Empfänger nach nicht-myeloablativen Stammzelltransplantationsschemata beinhaltet, hat allogene Transplantationen unabhängig von HLA-Barrieren ermöglicht34. Obwohl MBMW in Schwein-zu-Maus-Modellen erfolgreich ist, war es schwierig, solche Ergebnisse in Schwein-zu-Primaten-Studien zu reproduzieren34,37. Liang et al.38 zeigten beispielsweise, dass nur 10 Prozent der MBMWs von Schweinen zu Pavianen zu einer erfolgreichen Transplantation führten, wobei das Scheitern der Transplantation mit erhöhten Anti-Nicht-Gal-IgG-Spiegeln nach der Transplantation einherging. Insgesamt sind weitere Studien erforderlich, um die Wirksamkeit von Thymustransplantation und MBMW bei der Induktion von Toleranz zu bestimmen.

Histologische und systemische Ergebnisse der Xenotransplantat-Abstoßung

Innerhalb von Minuten bis Stunden nach der Transplantattransplantation wird das Xenotransplantat durch HAR zerstört, ein Prozess, der durch bereits vorhandene Gal-Antikörper1 vermittelt wird. Die Bindung dieser Antikörper führt zur Aktivierung des Komplementwegs, was zur Lyse von Endothelzellen führt1. Bemerkenswert ist, dass aus einem unbekannten Grund die Auswirkungen der Antikörperabschwächung und der Komplementhemmung bei Herz- und Nierentransplantationen im Allgemeinen wirksamer sind als bei Lungen- und Lebertransplantationen39–41. Im Gegensatz zu anderen Abstoßungsarten zeigen Transplantate bei HAR39 keine Funktionalität. Histologisch ist dieser Prozess durch massive Blutungen und Komplement-, Immunglobulin- und Fibrinablagerungen gekennzeichnet 39.

Die akute humorale Xenotransplantatabstoßung (AHXR), auch als verzögerte Xenotransplantatabstoßung bekannt, kann durch natürlich vorkommende Gal-Antikörper oder durch Antikörper, die nach der Sensibilisierung durch das Transplantat gebildet werden, ausgelöst werden39. Im letzteren Fall können die Antikörper gegen Gal- oder Nicht-Gal-Antigene wie NeuGc und SDa39 gerichtet sein. Histologisch ähnelt dieser Prozess HAR; Allerdings kann es zu Nekrose und einer transmuralen Granulozyteninfiltration von Blutgefäßen kommen 39.

Schließlich kann CXR mit einer erheblichen Zeitverzögerung nach der Xenotransplantation auftreten. Im Gegensatz zu HAR und AHXR werden Blutungen sowie Fibrin- und Immunglobulinablagerungen nicht beobachtet. Komplementablagerungen können beobachtet werden, sind jedoch in der Regel von geringer Intensität 39. Die Mechanismen, die CXR zugrunde liegen, werden im nächsten Abschnitt beschrieben.

Systemisch gesehen sind Xenotransplantatempfänger durch drei Komplikationen charakterisiert: Immunkomplexerkrankungen, Koagulopathien und Infektionen. Aufgrund der herausragenden Rolle von Antikörpern bei der Abstoßung von Xenotransplantaten können Ablagerungen von Immunkomplexen in verschiedenen Empfängerorganen beobachtet werden39. Nach einer Xenotransplantation vom Schwein zum Pavian stellten Holzknecht et al.42 Ablagerungen von Pavian-C3 und Schweine-von-Willebrand-Faktor in der Milz und Leber von Lungenempfängern fest. Interessanterweise zeigten Paviane, denen Schweineherzen und -nieren verabreicht wurden, solche Ablagerungen nicht. Ablagerungen von Ratten-IgG und -IgM wurden auch in den Glomeruli von Empfängerratten nach einer Lebertransplantation von Hamster zu Ratte gefunden43.

Angesichts der bei Xenotransplantatempfängern beobachteten unerwünschten Koagulopathie könnte sich nach der Transplantation eine thrombotische Mikroangiopathie (TMA) als tödliche Komplikation entwickeln, die zu einer Thrombose in den Gefäßen und einer ischämischen Verletzung führt1. Kurz gesagt entwickeln Transplantatempfänger schnell eine Thrombozytopenie, entwickeln Schistozyten und weisen hohe Werte an Laktatdehydrogenase auf44. Mit fortschreitender TMA kann sich eine systemische Konsumkoagulopathie entwickeln, die zum Tod des Empfängers führt45. Dieses Problem kann jedoch durch die schnelle Entfernung des Xenotransplantats gelöst werden, wodurch der weitere Verbrauch von Gerinnungsfaktoren verhindert und das Überleben des Empfängers verbessert wird45.

Schließlich ist die mögliche Übertragung von Krankheitserregern ein großes Problem bei der Xenotransplantation. Krankheitserreger bei Schweinen lassen sich im Allgemeinen in vier Kategorien einteilen: Krankheitserreger, die gesunde Menschen infizieren, Krankheitserreger, die menschliche Transplantatempfänger infizieren, Krankheitserreger, die denen von menschlichen Transplantatempfängern ähneln, und schweinespezifische Krankheitserreger46. Krankheitserreger der dritten Kategorie, wie das Schweine-Cytomegalievirus (PCMV) und das Schweine-Adenovirus, wurden mit syndromalen Komplikationen bei Xenotransplantatempfängern von Schweinen und nichtmenschlichen Primaten in Verbindung gebracht46. Beispielsweise ist PCMV für disseminierte intravaskuläre Koagulation, Hämaturie und verkürzte Transplantatüberlebenszeiten bei Transplantationen vom Schwein zum Pavian verantwortlich47,48.

Schweinespezifische Krankheitserreger, wie porcine endogene Retroviren (PERVs), geben aufgrund des potenziellen Risikos einer stillen Übertragung und Genveränderungen zunehmend Anlass zur Sorge46.

PERVs integrieren sich in das Schweinegenom und können als PERV-A, PERV-B und PERV-C49 klassifiziert werden. PERV-A und PERV-B kommen in allen Schweinearten vor, während PERV-C nur in ausgewählten Arten vorkommt50. Rekombinantes PERV-A/C, das sich durch eine Replikation mit hohem Titer auszeichnet, hat die Fähigkeit gezeigt, menschliche Zellen zu infizieren50. Daher wird empfohlen, ein Screening auf das Vorhandensein von PERV-C durchzuführen und nur virusfreie Spenderschweine zu verwenden50. Bisher gibt es keine Literatur, die PERVs in präklinischen Schweine-zu-Primaten-Modellen und klinischen Transplantationen beim Menschen beschreibt, die Inaktivierung der Viren kann jedoch bei Bedarf durch genetische Veränderungen abgeschlossen werden49. Zusammenfassend ist es wichtig, Mechanismen weiter zu untersuchen, die die tödlichen Komplikationen von TMA und Konsumkoagulopathie umgehen, und Screening-Tests für potenziell infektiöse Organismen zu entwickeln.

Rolle der zellulären Immunität bei der xenogenen Abstoßung

Immunantworten nach einer Xenotransplantation betreffen sowohl das angeborene als auch das adaptive Immunsystem1. Obwohl die Hauptzellen, die an der Abstoßung von Allotransplantaten beteiligt sind, zytotoxische T-Lymphozyten sind, aktivieren Xenotransplantatreaktionen hauptsächlich Neutrophile, natürliche Killerzellen (NK) und Makrophagen51. Neutrophile infiltrieren schnell sowohl Zell- als auch Organtransplantate52,53. Bei der Aktivierung setzen Neutrophile extrazelluläre Neutrophilenfallen (NETs) frei, Netzwerkstrukturen, die durch die Erzeugung reaktiver oxidativer Spezies (ROS) und die Freisetzung von Verdauungsenzymen Schäden verursachen2,54,55. Darüber hinaus erkennen Makrophagen NETs als schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs), die die Freisetzung von Zytokinen und Entzündungsmarkern verursachen (Abb. 1A)54.

Zahlreiche Studien haben über die Infiltration von NK-Zellen in Xenotransplantaten berichtet, was sie mit der Abstoßung von Xenotransplantaten in Verbindung bringt51,56. Diese Zellen induzieren eine Abstoßung entweder durch direkte Zytotoxizität oder durch antikörperabhängige zelluläre Zytotoxizität (ADCC). Der direkte Weg wird durch die Stimulierung und Hemmung von Rezeptoren streng reguliert. NK-stimulierende Rezeptoren wie die natürliche Killergruppe-2D (NKG2D) und das Schweine-UL16-bindende Protein-1 (pULBP-1) ​​binden an den Schweineliganden NKp44 und ein nicht identifiziertes Molekül57,58, das zur Freisetzung lytischer Granula wie Granzyme und Perforin führt (Abb. 1B)59. Im Gegensatz dazu erkennen hemmende Rezeptoren, Killer-Ig-ähnlicher Rezeptor (KIR), Ig-ähnliches Transkript-2 (ILT2) und CD94, das Schweine-Leukozyten-Antigen-1 (SLA1), die Haupthistokompatibilität von Schweinen, nicht ohne weiteres komplexes -1-Molekül, das die NK-Hemmung in Xenotransplantaten dämpft58. Beim ADCC-Weg werden auf der Oberfläche von Xenotransplantatzellen abgelagerte Antikörper von NK-Zellen über Interaktionen mit FcRs1 erkannt. Bei der Aktivierung setzen NK-Zellen Granzyme und Perforin frei, was zur Apoptose der Zielzellen führt. Darüber hinaus erkennen NK-Zellen Anti-SLA1-Antikörper und aktivieren so den ADCC-Signalweg (Abb. 1C)25.

Makrophagen sind auch an der Abstoßung von Zelltransplantaten und Organtransplantaten beteiligt60. Peterson et al.61 haben gezeigt, dass xenogenes Gal ein direkter Ligand für menschliche Monozyten ist. Darüber hinaus binden Immunkomplexe von Schweinezellen mit xenogenen Antikörpern wie Anti-Gal-Antikörpern an den Fc-Rezeptor (Fc R) und erzeugen ein Aktivierungssignal62. Sobald sie aktiviert sind, tragen Makrophagen zu einem Teufelskreis der Zerstörung von Xenotransplantaten bei, in dem sie durch T-Zellen aktiviert werden und wiederum weitere T-Zellen aktivieren63. Darüber hinaus induzieren Makrophagen eine direkte Zytotoxizität durch die Produktion von Zytokinen wie Tumornekrosefaktor (TNF), Interleukin-1 (IL-1) und IL-6 (Abb. 1D)64 . Im Hinblick auf die inhibitorische Rückkopplung ist der Signalweg des regulatorischen Proteins (SIRP-)-CD47 ein wichtiger Regulator der Makrophagenaktivität1,65. Es wurde gezeigt, dass der CD47-Weg die Homöostase von Erythrozyten, Blutplättchen und hämatopoetischen Stammzellen reguliert66. CD47 wird von SIRP-a als „Do-not-eat“-Signal erkannt und hemmt so die phagozytische Aktivität65, ein Signal, das von Krebszellen genutzt wird, um der Immunüberwachung zu entgehen. Allerdings haben Wang et al.67 über eine Inkompatibilität von CD47 zwischen den Spezies nach Xenotransplantation berichtet, was zu einer unwirksamen Hemmung von Makrophagen führt.

Wie bei der Allotransplantattransplantation wird die T-Zell-Aktivierung bei der Xenotransplantatabstoßung über direkte und indirekte Wege vermittelt1,68. Über den direkten Weg führen Wechselwirkungen zwischen SLA-1- und -2-Komplexen mit T-Zell-Rezeptoren zur Aktivierung der adaptiven Immunantwort gegen das Xenotransplantat (Abb. 1E)1. Beim indirekten Weg führt die Präsentation xenogener Antigene durch Empfängerzellen zur Aktivierung von CD4 plus T-Zellen, wodurch eine Kaskade aus Antikörperproduktion und B-Zell-Aktivierung in Gang gesetzt wird (Abb. 1F)1. Schließlich verstärken durch diesen Mechanismus produzierte Zytokine die Zytotoxizität von NK-Zellen und Makrophagen erheblich69.

Wie oben erwähnt, spielen B-Zellen eine Rolle bei der Abstoßung von Xenotransplantaten. Die Depletion der B-Zellen verlängerte die Überlebenszeit nach einer Herztransplantation vom Schwein auf den Pavian um 8 Monate, was darauf hindeutet, dass B-Zellen eine bedeutende Rolle bei der Abstoßung von Xenotransplantaten spielen, insbesondere bei der verzögerten Abstoßung von Xenotransplantaten70. B-Zellen produzieren den Anti-Gal-Antikörper, der auf im Schweinegewebe exprimierte Gal-Antigene abzielt71 und sich an dessen Antigen bindet, was zur Komplexbildung führt. Tatsächlich führt die Erschöpfung des Anti-Gal-Antikörpers zu günstigeren Ergebnissen, was B-Zellen weiter an der Abstoßung von Xenotransplantaten beteiligt71–73. Die phänotypischen Eigenschaften von Anti-Gal-Antikörper-produzierenden Subpopulationen von B-Zellen beim Menschen sind nicht identifiziert 72. Eine Studie hat gezeigt, dass Milz-B-Zellen Anti-Gal-Antikörper produzieren, während peritoneale B-Zellen dies nicht tun, obwohl sie Anti-Gal-Antikörper exprimieren -Gal-Rezeptoren 73. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl das angeborene als auch das adaptive Immunsystem eine wichtige Rolle bei der Abstoßung von Xenotransplantaten spielen.

Biomarker der Xenotransplantat-Abstoßung

Aufgrund der mangelnden Standardisierung der Methoden zur Überwachung der Abstoßung von Xenotransplantaten besteht ein dringender Bedarf an der Identifizierung von Markern, die zur Diagnose und Vorhersage der Abstoßung verwendet werden können8. Wie in Tabelle 1 aufgeführt, beobachteten Montgomery et al.6 54 Stunden nach der Nierentransplantation vom Schwein in den Menschen eine fokale C4d-Ablagerung, aber keine anderen signifikanten histologischen oder immunologischen Hinweise auf eine durch Antikörper vermittelte Schädigung. Zhou et al.8 fanden außerdem heraus, dass CD68 plus Makrophagen und einige CD3 plus T-Zellen am Tag 3 nach der Transplantation Xenotransplantate in Schwein-zu-Maus-Modellen infiltrierten.

Angesichts der Tatsache, dass NK-Zellen ein Haupttyp infiltrierender Zellen sind, die in Xenotransplantaten identifiziert werden51,56,81, verwendeten Lin et al.74 Marker wie NK1.1 und DX5, um NK-Zellen in Schwein-zu-Maus-Modellen zu identifizieren. Mithilfe eines modifizierten ADCC-Assays fanden Chen et al.76 heraus, dass die mRNA und das Protein des Toll-like-Rezeptors -2 (TLR2) auch in Endothelzellen der Beckenarterie von Schweinen nach Exposition gegenüber menschlichem Serum hochreguliert waren. Darüber hinaus stiegen auch die Spiegel der proinflammatorischen Schweine-Chemokine CCL2 und CXCL8 über einen TLR2-vermittelten Weg76. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Blockierung von TLR2 das Überleben des Xenotransplantats verlängern kann.

Transplantatbiopsien können zu Infektionen, Narbenbildung oder einer Abstoßung durch Immunaktivierung nach einer Verletzung führen75. Daher ist es wichtig, nichtinvasive Abstoßungsmarker für die Anwendung bei der klinischen Xenotransplantation zu identifizieren. Montgomery et al.6 entdeckten IgM- und IgG-Antikörper, die gegen Nicht-- -Gal-Antigene gerichtet waren, in den Seren von Nierentransplantationspatienten vom Schwein auf den Menschen. Da IgM auf den Gefäßraum beschränkt ist, kann seine Entfernung mittels Plasmapherese theoretisch in zukünftige Xenotransplantationsversuche mit Menschen einbezogen werden6.

Zirkulierende DNA wird bei Zelltod oder Apoptose freigesetzt, was als klassische Befunde bei der Xenotransplantation gilt8. Die Freisetzung zirkulierender schweinespezifischer DNA (cDNA) spiegelt die Infiltration von Immunzellen im Transplantat wider und geht der Produktion von Anti-Schwein-IgM/IgG-Antikörpern in Schwein-zu-Maus-Modellen voraus8. Darüber hinaus lieferte cpsDNA auch bei Affen vergleichbare Ergebnisse, was auf eine mögliche Durchführbarkeit im klinischen Umfeld schließen lässt8. In ähnlicher Weise korrelieren auch die Konzentrationen zellfreier DNA (cfDNA) mit Gewebeschäden in Xenotransplantatmodellen 77.

Während die Daten zu organspezifischen microRNAs (miRNA) in Xenotransplantationen noch begrenzt sind, haben sie eine vielversprechende Verwendung als Biomarker für Abstoßung gezeigt78. In einem Schweinemodell für akutes Leberversagen wurden die Empfängerplasmaspiegel verschiedener aus Schweinen stammender miRNAs, einschließlich ssc-miR-122, ssc-miR-192 und ssc-miR-124-1, assoziiert mit Leber-, Nieren- und Hirnverletzung82. Die meisten miRNAs sind zwischen den Arten konserviert, was ihre Verwendung im Bereich der Xenotransplantation einschränkt78,83. Allerdings könnten einige miRNAs, wie etwa das schweinespezifische SSC-miR-199 b, nützlich sein, da sie sich von ihrem menschlichen Gegenstück unterscheiden und in Leber, Herz und Lunge exprimiert werden können78.

In einer Studie wurden auch erhöhte Spiegel von miR-146a und miR-155 bei Herz-Xenotransplantationen beobachtet und die Wirkung einer immunsuppressiven Behandlung auf deren Expression in Herz-Xenotransplantationsmodellen von der Maus bis zur Ratte untersucht. Im Vergleich zu immunsupprimierten Tieren fanden Zhao et al.79 einen signifikanten Rückgang der miR-146a-Spiegel und einen Anstieg der miR-155-Expression, Veränderungen, die bei Empfängern zu einem entzündungsfördernden Zustand führen. Insbesondere spielt miR-146a eine Rolle bei der Hemmung von Entzündungszuständen, indem es auf verschiedene NF-κB-Signalwege abzielt84, und miRNA-155 wurde auch als Promotor der TNF-Expression85 berichtet. Zusammengenommen könnten diese Ergebnisse Einblicke in die mögliche Verwendung von miRNAs als Biomarker und Ziele einer RNA-interferierenden Immuntherapie geben.

Eine kürzlich durchgeführte Studie an nichtmenschlichen Primaten berichtete auch über erhöhte C3-Werte im Kammerwasser vor der Abstoßung80. Schließlich korrelieren hohe CD4-plus-/CD8-plus-Blutzellverhältnisse mit kürzeren Transplantatüberlebenszeiten bei Inseltransplantationen vom Schwein auf nichtmenschliche Inseln86. Allerdings sind weitere Studien erforderlich, um die Sensitivität und Spezifität der vorgeschlagenen Marker zu beurteilen.

Abschluss

Angesichts des jüngsten Organmangels könnte die Xenotransplantation eine dringend benötigte Lösung für Patienten sein, die eine Organtransplantation benötigen. Historisch gesehen war das Vorhandensein des Gal-Epitops das größte Hindernis für die Xenotransplantation aus Schweinequellen. Die genetische Modulation ermöglichte jedoch die Entwicklung von Schweinemodellen ohne dieses Epitop. Dieser Fortschritt hat das Überleben von Xenotransplantaten beim Menschen verlängert und andere Epitope wie NeuGc und SDa beleuchtet, die eine Immunabstoßung induzieren. Daher zielten Studien darauf ab, die Immunmechanismen zu identifizieren, die zur Abstoßung führen. NK-Zellen, Makrophagen und T-Zellen wurden als Schlüsselakteure bei der zentralen Rolle des Immunsystems bei der Abstoßung von Xenotransplantaten identifiziert

Darüber hinaus basieren die Methoden zur Identifizierung der Abstoßung von Xenotransplantaten mangels Standardisierung auf denen der Allotransplantation. T-Zellmarker wie CD3, CD4 und CD8 scheinen als prädiktive und diagnostische Abstoßungsmarker vielversprechend zu sein. Marker für Zellschäden wie cpsDNA und cfDNA wurden ebenfalls als frühe prädiktive Biomarker für Abstoßung identifiziert. Verschiedene miRNAs wurden auch als Abstoßungsmarker und mögliche Ziele für die Entwicklung neuer Immuntherapiestrategien erkannt. Schließlich wurde kürzlich der Nachweis von Nicht-- -Gal-IgG- und IgM-Antikörpern als Marker für die Abstoßung von Schwein-zu-Mensch-Nierentransplantaten verwendet. Angesichts der jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet könnte sich die Xenotransplantation letztendlich zu einer praktikablen klinischen Option entwickeln. Dennoch sind weitere Fortschritte erforderlich, um die Komplikationen der TMA und der Konsumkoagulopathie zu überwinden. Darüber hinaus sind weitere Studien erforderlich, um verschiedene Marker zu vergleichen und einen „Goldstandard“-Abstoßungsmarker bei der Xenotransplantation zu identifizieren.

Ethische Anerkennung

Dieses Manuskript ist ein Übersichtsartikel und beinhaltet keine ethischen Fragen. Alle Autoren überprüften und genehmigten die endgültige Fassung des Manuskripts.

Erklärung der Menschen- und Tierrechte

An dieser Studie waren weder Menschen noch Tiere beteiligt.

Einverständniserklärung

Dieser Artikel bezog sich nicht auf menschliche Probanden und daher ist eine Einwilligung nach Aufklärung nicht anwendbar.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren haben die folgenden potenziellen Interessenkonflikte in Bezug auf die Forschung, Autorenschaft und/oder Veröffentlichung dieses Artikels erklärt: Dr. Lerman ist Berater von AstraZeneca, CureSpec, Butterfly Biosciences, Beren Therapeutics und Ribocure Pharmaceuticals. Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Finanzierung

Die Autoren gaben bekannt, dass sie die folgende finanzielle Unterstützung für die Forschung, Autorenschaft und/oder Veröffentlichung dieses Artikels erhalten haben: Diese Arbeit wurde teilweise durch die NIH-Fördernummern DK120292, DK122734, HL158691 und AG062104 unterstützt.

Verweise

Lu T, Yang B, Wang R, Qin C. Xenotransplantation: aktueller Stand in der präklinischen Forschung. Frontimmunol. 2020;10:3060.

2. Maeda A, Kogata S, Toyama C, Lo PC, Okamatsu C, Yamamoto R, Masahata K, Kamiyama M, Eguchi H, Watanabe M, Nagashima H, et al. Die angeborene zelluläre Immunantwort bei der Xenotransplantation. Frontimmunol. 2022;13:858604.

3. US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde. Xenotransplantation. 2021. Zugriff am 21. Juni 2022. https://www.fda.gov/vaccinesblood-biologics/xenotransplantation

4. Cooper DKC, Gaston R, Eckhoff D, Ladowski J, Yamamoto T, Wang L, Iwase H, Hara H, Tector M, Tector AJ. Xenotransplantation – Der aktuelle Stand und die Perspektiven. Br Med Bull. 2018;125(1): 5–14.

5. Groth CG. Die potenziellen Vorteile einer Organtransplantation vom Schwein auf den Menschen: Die Sicht eines Transplantationschirurgen. Indian J Urol. 2007;23(3): 305–309.

6. Montgomery RA, Stern JM, Lonze BE, Tatapudi VS, Mangiola M, Wu M, Weldon E, Lawson N, Deterville C, Dieter RA, Sullivan B, et al. Ergebnisse von zwei Fällen von Schwein-zu-Mensch-Nieren-Xenotransplantation. N Engl J Med. 2022;386(20): 1889–98.

7. Kuehn BM. Die erste Schweine-Mensch-Herztransplantation markiert einen Meilenstein in der Xenotransplantation. Verkehr. 2022;145(25): 1870–71.

8. Zhou M, Lu Y, Zhao C, Zhang J, Cooper DKC, Xie C, Song Z, Gao H, Qu Z, Lin S, Deng Y, et al. Zirkulierende schweinespezifische DNA als neuartiger Biomarker zur Überwachung der Xenotransplantat-Abstoßung. Xenotransplantation. 2019;26(4): e12522.

9. Chan JL, Mohiuddin MM. Herz-Xenotransplantation. Curr Opin Organtransplantation. 2017;22(6): 549–54.

10. Roux FA, Saï P, Deschamps JY. Xenotransfusionen, Vergangenheit und Gegenwart. Xenotransplantation. 2007;14(3): 208–16.

11. Snyder C. Richard Sharp Kissam, MD, und Ceroplastik beim Menschen. Arch Ophthalmol. 1963;70:870–72.

12. Cooper DKC, Ekser B, Tector AJ. Eine kurze Geschichte der klinischen Xenotransplantation. Int J Surg. 2015;23(Pt B): 205–10.

13. Silvetti AN, Cotton C, Byrne RJ, Berrian JH, Fernandez Menendez A. Vorläufige experimentelle Studien zu Hauttransplantaten von Rinderembryonen. Transplantationsbulle. 1957;4(1): 25–26.

14. Cooper DKC. Eine kurze Geschichte der artübergreifenden Organtransplantation. Proz. 2012;25(1): 49–57.

15. Wijkstrom M, Iwase H, Paris W, Hara H, Ezzelarab M, Cooper DKC. Nieren-Xenotransplantation: experimenteller Fortschritt und klinische Aussichten. Niere Int. 2017;91(4): 790–96.

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