Regole base del trapianto di tessuti
Trapianto di pelle in topo
• Auto-trapianto
• Trapianto singenico
• Allo-trapianto
First-set rejection
Second-set rejection
• T CD8 citotossiche
• T CD4 Th1/Th2
• Cellule B
La frequenza delle cellule T specifiche per molecole MHC non-self è molto
alta (circa 10%), rendendo la differenza a livello dei loci MHC l’elemento
chiave del rigetto iniziale degli organi
HLA typing
HLA matching
I criteri attuali considerano tre loci: HLA-A, HLA-B e HLA-DR; ciascun allele è
definito come antigene singolo assegnato mediante typing serologico
Limitazioni:
• elevato polimorfismo HLA
• imprecisione HLA typing
• disponibilità donatori
• stato di urgenza del paziente
Minor
Histocompatibility
antigens
Questi antigeni sono peptidi derivanti da proteine cellulari polimorfe che vengono
presentati da parte delle molecole MHC sull’organo trapiantato.
La natura della maggior parte dei minor H antigens è poco conosciuta
Anche nella situazione in cui si abbia un match esatto per il genotipo MHC, il
polimorfismo di ogni proteina può causare una potente risposta cellula T-mediata
capace di causare il rigetto dell’intero trapianto
Il successo di un trapianto dipende dall’uso di
potenti farmaci immuno-soppressori
Il rigetto di un organo può essere mediato da anticorpi, linfociti od
entrambi e può manifestarsi con modalità differenti:
• rigetto iperacuto (hyperacute rejection), si verifica nel
periodo immediatamente seguente al trapianto;
• rigetto acuto (acute rejection), si può manifestare in
qualsiasi momento;
• rigetto cronico (chronic rejection), un lento processo che
causa un progressivo declino della funzione dell’organo.
Hyperacute graft rejection
La maggior parte degli organi trapiantati di routine sono organi
vascolarizzati che vengono collegati direttamente al sistema circolatorio
del ricevente.
Questi organi sono a rischio di rigetto iperacuto in quanto, in diverse
circostanze, il ricevente potrebbe possedere anticorpi circolanti specifici
per gli antigeni dell’organo del donatore
Pre-sensitizzazione umorale
(alloimmunizzazione)
• Trapianti precedenti
• Trasfusioni di sangue
• Gravidanza
Tali anticorpi possono causare un rigetto
rapidissimo (minuti) degli organi vascolarizzati
Cross-matching
Acute (cellular) rejection
Il rigetto cellulare acuto è mediato da linfociti che sono allo-attivati nei confronti degli
antigeni dell’organo. Chi attiva i linfociti?
Gli organi trapiantati portano con loro APC del donatore (spesso riferite come
passenger leukocytes) e queste sono uno stimolo fondamentale per l’alloreattività
Un secondo meccanismo di riconoscimento che porta al rigetto è dato dall’uptake delle
proteine allogeniche da parte delle APC del ricevente, quindi dalla presentazione delle
stesse alle cellule T mediante molecole MHC self
Graft-Versus-Host Disease, GVHD
E’ una delle complicazioni maggiori del trapianto di midollo osseo (può interessare anche
riceventi di trapianto di fegato). Il trapianto di midollo è una terapia di successo per tumori
derivati da precursori del midollo come alcune leucemie e linfomi. Può essere una terapia di
successo anche nel caso di immunodeficienze e malattie ereditarie del midollo come le
talassemie
Linfociti immuno competenti del donatore reagiscono nei confronti delle cellule
del ricevente (HLA non compatipili) ed inducono una risposta infiammatoria nei
tessuti del ricevente (quali la pelle e il tratto gastro-intestinale)
• eruzioni cutanee
• diarrea
• polmonite
Soluzione:
rimozione delle cellule T mature presenti nel midollo prima del trapianto
Graft-Versus-Leukemia effect
Midollo osseo allogenico riconosce minor
H antigens o antigeni tumore-specifici
espressi dalle cellule leucemiche e uccide
tali cellule
Chronic Rejection
Risulta la causa principale della perdita tardiva della
funzionalità dell’organo trapiantato
• Meccanismi alloreattivi:
• danneggiamento precoce (acute
rejection);
• allo-reattività tardiva (Delayed Type
Hypersensitivity, DTH)
• Danneggiamento dovuto a ischemia-riperfusione
• Fattori avversi tardivi:
• tossicità farmaci immunosoppressori
• infezioni virali dell’organo
“Natural” Allograft
Un tessuto che viene ripetutamente trapiantato e
ripetutamente tollerato è il feto
Il feto presenta molecole MHC e i minor H antigens
del padre, che differiscono da quelli della madre
La tolleranza dell’allo-trapianto fetale è talmente naturale che risulta difficile sfruttarlo per
studiare i meccanismi che prevengono il rigetto
Ipotesi: il feto non è riconosciuto come estraneo
FALSO, donne che hanno dato alla luce diversi bambini producono
anticorpi diretti contro le proteine MHC del padre
• Trophoblast (strato esterno della placenta): non esprime proteine MHC
classiche di classe I e classe II, esprime solo molecole HLA-G.
• La placenta sequestra il feto dalle cellule T della madre mediante un attivo
meccanismo di deplezione di nutrienti: espressione all’interfaccia dell’enzima
indoleamine 2,3-diossigenasi (IDO)
• Secrezione di citochine all’interfaccia madre-feto (TGF-b, IL-4, IL-10)
Manipolazione della risposta immunitaria
I farmaci attualmente impiegati per sopprimere l’attività del sistema immunitario
possono essere suddivisi in tre grandi categorie:
1. Anti-infiammatori della famiglia dei corticosteroidi quali il prednisone,
molecole che agiscono su recettori intracellulari (espressi in quasi tutte le
cellule del corpo) regolando la trascrizione di specifici geni.
2. Farmaci citotossici quali l’azathioprine e la cyclophosphamide, molecole che
vengono metabolizzate generando prodotti che interferiscono con la
sintesi del DNA e che hanno quindi maggiore effetto su cellule
proliferanti.
3. Derivati da batteri o funghi quali la cyclosporin A, l’FK506 (tacrolimus) e
la rapamycin (sirolimus)
Fungal and bacterial derivatives
Cyclosporin A, decapeptide ciclico
FK506 (tacrolimus), macrolide
Rapamycin (sirolimus), macrolide
Tutti e tre i composti espletano i loro effetti farmacologici legandosi a membri di
una famiglia di proteine intracellulari note col nome di immunofilline, formando
complessi che interferiscono con i pathways di segnalazione importanti per
l’espansione clonale dei linfociti
Problemi:
• sopprimono indiscriminatamente tutte le risposte immunitarie
(importante la dose per il bilancio degli effetti)
• risultano tossici per l’attività dei reni e del fegato
• causano iper-tensione e sporadicamente disordini neurologici
• sono costosi (e devono essere assunti per periodi molto lunghi)
Attivazione via il complesso TCR-CD3
Anjana Rao
TCR
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Calcineurin
Ca2+
Ca2+
Anergy
Ca2+ Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
AP-1
AP-1
NUCLEUS
NF-AT
NF-AT
NF-AT
NF-AT
NF-AT
NF-AT
NF-AT
New compounds:
• mycophenylate mofetil
• deoxyspergualin, DSG
• RAD, everolimus (derivato della rapamicina)
• tresperimus (analogo strutturale della DSG)
• FK778
• FTY720
FTY720
Questa molecola causa una linfopenia derivante da una ridistribuzione reversibile
dei linfociti dalla circolazione verso i tessuti linfoidi secondari evocando in tal
modo un’immunosoppressione generalizzata
FTY720 sembrerebbe permettere il verificarsi di una reazione GvL senza ostacolo alcuno,
prevenendo contemporaneamente una reazione GvHD andando a sopprimere il ricircolo
delle cellule alloreattive del donatore verso gli organi periferici del ricevente
Qualsiasi farmaco immunosoppressore presenta effetti collaterali
che influiscono pesantemente sulla qualità della vita di un
ricevente di trapianto
Cyclosporin A, tacrolimus e rapamycin sono i farmaci
attualmente più selettivi nella loro attività, ma presentano
anch’essi una grossa problematica: inibiscono in maniera
indiscriminata tutte le risposte immunitarie
• Elevata sucettibilità alle infezioni
• Elevato rischio d’insorgenza di tumori
Anticorpi monoclonali immunosoppressori
Gli anticorpi possono interferire con la risposta immunitaria con modalità molto più
specifiche e molto meno tossiche
I pazienti trapiantati sono spesso trattati con anticorpi specifici contro strutture presenti sulla
superficie delle cellule T
anti-lymphocyte globulin: preparazione di immunoglobuline da cavalli
immunizzati con linfociti umani
Gli anticorpi monoclonali possono essere classificati in due grandi gruppi:
• Depleting, mAb che inducono eliminazione dei linfociti: anti-CD3
(OKT3), anti-CD3-immunotoxin, anti-CD52
• Blocking, mAb che agiscono bloccando la funzione della proteina
bersaglio senza uccidere la cellula che esprime tale proteina: anti-CD4,
CTLA4-Ig, anti-CD154, anti-CD25, anti-B7
Immunotherapy
Nella realtà clinica attuale il maggior problema che si riscontra nella cura di un paziente
ricevente di trapianto è il rigetto cronico. A questo si affiancano gli effetti collaterali
derivanti dalla continua somministrazione di farmaci immunosoppressori
“....la capacità di indurre tolleranza ai trapianti dovrebbe eliminare il problema
del rigetto cronico e fondamentalmente escludere la necessità di trattamenti
con farmaci immunosoppressori.”
L’immunosoppressione generalizzata fallirà
sempre nel prevenire la reazione delle T alloreattive nei confronti del trapianto, in quanto la
tolleranza è un processo immunologico attivo nel
quale prendono parte cellule immunoregolatorie
• Central Tolerance: rimuovere o inattivare i cloni
allo-reattivi durante lo sviluppo nel timo
• Peripheral Tolerance: rimuovere, inattivare o
regolare le cellule potenzialmente allo-reattive
dopo che queste hanno raggiunto la circolazione
Central Tolerance
Dogma: la rimozione/inattivazione delle cellule T autoreattive a livello timico consente la
sopravvivenza dell’allotrapianto
Creazione di una chimera emopoietica
Regime di condizionamento mielo-ablativo seguito
dal trapianto di midollo osseo usando una
combinazione di midollo di donatore e ricevente
depletati delle cellule T
E’ necessario rimuovere le cellule T alloreattive preesistenti per avere successo, altrimenti queste
causerebbero il rigetto del midollo osseo del donatore e
dell’organo. Lo stesso regime mielo-ablativo è
necessario per creare spazio per il midollo osseo del
donatore
Soppiantare i regimi mielo-ablativi o linfo-ablativi con approcci meno tossici (maggiore
applicabilità clinica!)
Impiegare una dose elevata di midollo osseo in congiunzione con agenti in grado di
bloccare la costimolazione delle cellule T (anti-CD154 e CTLA4-Ig)
Peripheral Tolerance
Anergizzare, indurre soppressione o rimuovere le cellule T periferiche alloreattive
Depleting protocols
• Deplezione delle cellule T periferiche impiegando anti-CD3-immunotossina
(tipicamente tossina difterica), in congiunzione con antigeni del donatore,
seguiti dal trapianto
• Deplezione con CAMPATH-1H, un anticorpo umanizzato diretto contro
CD52 una molecola, la cui funzione è tuttora sconosciuta, presente sulla
superficie di cellule T e B
Peripheral Tolerance
Costimulatory blockade
La somministrazione di agenti che bloccano i pathway di costimolazione delle cellule T
induce una sopravvivenza di lungo termine del trapianto in un’ampia varietà di modelli
animali
• CTLA4-Ig o mAb bloccanti
l’interazione con CD28
• mAb anti-CD154 (CD40L)
Altri pathway di costimolazione recentemente scoperti stanno diventando oggetto
di studio per l’immunoterapia dei trapianti:
• ICOS
• LIGHT
• TRANCE
• Others (CD27-CD70, CD132-CD132L (OX40-OX40L), 4-1BB-4-1BBL)
Bloccare selettivamente pathway di attivazione lasciando funzionanti i pathway
inibitori
Immunotherapy
Xenotransplantation
Vantaggi:
• Permetterebbe di risolvere i problemi di carenza di
organi
• Il trapianto può essere programmato (permettendo il
pre-trattamento di donatore e ricevente)
• L’organo può derivare da animali transgenici:
− ridurre il rischio di rigetto
− esprimere geni di valore terapeutico
Problematiche:
• Risposta immunitaria del ricevente contro il trapianto
• Funzionalità fisiologica e potenziali limitazioni
dell’organo trapiantato in un ricevente estraneo
• Trasmissione di nuovi organismi infettanti
Xenotransplantation
a human complement regulatory protein, decay-accelerating factor
which has been shown to help overcome hyperacute rejection
of a pig organ by nonhuman primates
Gennaio 2002, creati 4 cuccioli di maiale knock-out per
una delle due copie del gene a1-3 galactosyl transferase
Ethical Considerations!!
Bibliografia
• Janeway, Travers, Walport, Capra “ImmunoBiology”
• Adler, Turka “Immunotherapy as a means to induce transplantation
tolerance”, Current Opinion in Immunology 2002, 14: 660-665
• Karim, Bushell, Wood “Regulatory T cells in transplantation”, Current
Opinion in Immunology 2002, 14: 584-591
• Wekerle, Kurtz, Bigenzahn, Takeuchi, Sykes “Mechanisms of transplant
tolerance induction using costimulatory blockade”, Current Opinion in
Immunology 2002, 14: 592-600
• Brinkmann, Lynch “FTY720: targeting G-protein-coupled receptor for
sphingosine 1-phosphate in transplantation and autoimmunity”, Current
Opinion in Immunology 2002, 14: 569-575
• Cascalho, Platt “Xenotransplantation and other means of organ replacement”,
Nature Review Immunology November 2001, 1: 154-160
• Griffith, Naughton “Tissue engineering – Current challenges and expanding
opportunities”, Science 2002, 295: 1009-1014