Xenotransplantation von Organen

Die Komplexität der Pathobiologie bei der Xenotransplantation übertrifft bei Weitem die der Allotransplantation, da insbesondere die angeborene Immunantwort eine herausragende Rolle spielt [12‐14]. Sowohl Menschen als auch nichtmenschliche Primaten (NMP) produzieren kurz nach der Geburt Antikörper, die auf das Kohlenhydratantigen „α(1,3)Gal“ reagieren, das auf der Oberfläche unveränderter Schweinezellen vorhanden ist. Folglich heften sich diese Antikörper schnell an die vaskulären Endothelzellen des Transplantats, wenn ein nicht modifiziertes Schweineorgan in einen Menschen oder Pavian transplantiert wird. Dies löst die Aktivierung der Komplementkaskade aus – bis hin zur Bildung von Membranangriffskomplexen C5b‑9 – und führt zur Infiltration von Leukozyten. Letztendlich kommt es zur Thrombosierung des Transplantats innerhalb von Minuten bis Stunden. Diese schnelle, von präformierten Antikörpern abhängige Abstoßung, wird als „hyperakut“ bezeichnet und ist durch histopathologische Merkmale wie venöse Thrombosen, Verlust der vaskulären Integrität, interstitielle Blutungen, Ödeme und die Infiltration von mononukleären Zellen gekennzeichnet [12].

Menschen haben im Gegensatz zu NMP neben Anti-α(1,3)Gal weitere präformierte Antikörper, nämlich gegen N‑Glycolylneuraminsäure (Neu5Gc) und ein Glykan, das dem humanen Sd(a)-Blutgruppenantigen ähnelt [15, 16].

Um die α(1,3)Gal‑, Neu5Gc- und Sd(a)-Epitope als Zielantigene für Abstoßungsreaktionen beim Menschen zu eliminieren, wurden Schweine mit inaktiven α‑1,3‑Galactosyltransferase(GGTA1)- [17], Cytidinmonophosphat-N-Acetylneuraminsäure-Hydroxylase(CMAH)- [18, 19] und β‑1,4‑N-Acetyl-Galactosaminyltransferase 2(B4GALNT2)-Genen [20] erzeugt, was zu den sog. „Triple-Knock-out(TKO)-Schweinen“ führte.

Die Komplementaktivierung kann jedoch auch über alternative Wege erfolgen, die nicht mit der Antikörperbindung zusammenhängen, wie beispielsweise durch einen Ischämie-Reperfusions-Schaden. Dies kann durch humane Komplementregulatoren (RCAs) verhindert werden – nämlich CD46 [21], CD55 [22] und CD59 [23]. Xenotransplantate von TKO-Tieren mit starker zusätzlicher Überexpression von einem oder mehreren humanen RCAs zeigten einen weitgehenden Schutz vor komplementvermittelten Abstoßungsreaktionen [14, 24, 25].

Die Dysregulation der Gerinnung stellt einen weiteren Aspekt der Pathobiologie nach Xenotransplantation von Schweineorganen dar [26]. Sie wird von mehreren Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die eben beschriebene Immunantwort, die eine Aktivierung des Gefäßendothels fördert und letztendlich zu einem prokoagulatorischen Zustand führt. Wesentlich ist aber auch die molekulare Inkompatibilität zwischen den Gerinnungsregulatoren von Schwein und NMP/Mensch.

Physiologisch bindet NMP/menschliches Thrombomodulin (TBM) auf Endothelzellen Thrombin aus dem Blutkreislauf. Dieser TBM-Thrombin-Komplex unterstützt die Bildung von aktiviertem Protein C, das eine starke antikoagulative Wirkung hat; Fibrinablagerungen in den Kapillaren werden somit verhindert. Demgegenüber kann porzines TBM zwar NMP/humanes Thrombin binden, aber nicht ausreichend Protein C aktivieren. Infolgedessen bilden sich massiv schädliche Fibringerinnsel im Kapillarsystem des Spenderorgans, was schließlich zur thrombotischen Mikroangiopathie führt.

Dies kann effektiv verhindert werden, indem Spenderschweine verwendet werden, die menschliches TBM auf ihren Endothelzellen exprimieren [27, 28].

Über 2 Jahrzehnte hinweg waren die präklinischen Ergebnisse nach orthotopen xenogenen Herztransplantationen inkonsistent mit einer perioperativen Sterblichkeitsrate von 40–60 % [15, 29, 30]. Diese „perioperative kardiale Xenograftdysfunktion“ (PCXD) beruht auf einem Ischämie-Reperfusions-Schaden, denn Schweineorgane sind deutlich weniger resistent gegenüber einer Ischämie als menschliche Herzen. Seit 2015 wird die PCXD durch eine kontinuierliche, nichtischämische Perfusion der Transplantate mit einer kalten hyperonkotischen, oxygenierten kardioplegischen Lösung verhindert [31, 32]. Diese Konservierungstechnik wurde auch in den ersten klinischen Versuchen in Baltimore angewendet ([6, 7], persönliche Mitteilungen).

Anfängliche Studien zur Schweineherztransplantation in Paviane verwendeten konventionelle immunsuppressive Regime ohne langfristigen Erfolg. Seit 2000 wurde die Kostimulationsblockade angewendet, zunächst mit einem monoklonalen Antikörper (mAb) gegen CD40L(CD154; [33, 34]). Aufgrund thrombotischer Komplikationen beim Menschen wurde er durch einen chimären Anti-CD40-mAb ersetzt, was erstmals zu längeren Überlebenszeiten führte [1, 3‐5, 36]. In den klinischen Versuchen in Baltimore verwendete man humanisierte Versionen eines Anti-CD40- bzw. CD40L-Antikörpers zusammen mit Kortison und Mycophenolat-Mofetil ([6, 7], persönliche Mitteilungen).

Die für Xenotransplantationsversuche verwendeten Schweinerassen wie „Deutsche Landrasse“ oder „Large White“, wiegen ausgewachsen 200–300 kg und haben dann entsprechend große Herzen mit einem Gewicht von ca. 1 kg. Sie sind daher viel zu groß für einen menschlichen Empfänger, geschweige denn für einen Pavian. Neuere Erkenntnisse [1, 37] zeigten, dass das Wachstum des Spenderorgans genetisch reguliert ist: Das porzine Spenderherz verhält sich, als ob es sich noch im Körper eines schnell wachsenden Schweins befände. Zusätzlich führt der höhere Blutdruck bei den Pavianempfängern zu einer konzentrischen Hypertrophie des juvenilen Schweinemyokards. In Kombination bedingen diese Faktoren eine extreme Hypertrophie mit Entwicklung einer dynamischen linksventrikulären Ausflusstraktobstruktion [37].

Dieses überschießende Wachstumsphänomen wurde auch nach xenogener Nierentransplantation beobachtet [38, 39] und hat ebenso die Langzeitergebnisse limitiert.

Strategien zur Verhinderung der kardialen Größenzunahme umfassen in einem experimentellen Setting die medikamentöse Senkung des Blutdrucks, das frühzeitige Absetzen von Kortison und v. a. die Behandlung mit Sirolimus, einem ubiquitären Wachstumshemmer. Diese Maßnahmen reichen für Langzeiterfolge in präklinischen Experimenten aus.

Für zukünftige klinische Anwendungen werden kleinere Spenderrassen benötigt, wie die Auckland Island(AI)-Schweine aus Neuseeland mit einem idealen Gewichtsbereich von 70–90 kg. Hierzu wurde eine kleine Herde von PERV-C- (s. unten) freien AI-Schweinen in der Nähe von München in einem Tierversuchsgut der LMU München etabliert (Abb. 1).

Bild vergrößern

Eine Xenotransplantation kann mit der Übertragung von porzinen Mikroorganismen wie Viren, Bakterien, Pilzen und Parasiten verbunden sein [40‐42]. Während Bakterien, Pilze und Parasiten einfach durch Zucht eliminiert werden können (oder antibiotisch behandelt werden), ist die Situation bei Viren komplizierter, aber lösbar.

In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass auch bei Allotransplantationen menschliche Viren wie HSV (Herpes-simplex-Viren), CMV (Zytomegalievirus), EBV (Epstein-Barr-Virus), HIV (humanes Immundefizienzvirus), Tollwut oder Hepatitis B/C übertragen werden können – auch wegen der Kürze der Zeit, in der Explantationen stattfinden und die kein umfassendes Screening erlaubt. Im Gegensatz dazu können Schweine als Spender vor der Operation sorgfältig umfassend auf pathogene Viren untersucht werden. Xenogene Zoonosen sollten deshalb mit hoher Wahrscheinlichkeit zu vermeiden sein.

Wichtig ist das Hepatitis-E-Virus Genotyp 3 (HEV3), ein gut untersuchtes zoonotisches Virus, das durch den Verzehr von unzureichend gegartem Schweinefleisch oder durch Kontakt mit Schweinen auf den Menschen übertragen wird. Bei Immunsupprimierten können chronische Infektionen verursacht werden, bestehende Lebererkrankungen verschlimmern sich [43, 44].

Ein Herpesvirus, das porzine Zytomegalievirus – eigentlich ein porzines Roseolovirus (PCMV/PRV) –, ist ein weiterer, gefährlicher Mikroorganismus. PCMV/PRV ist eng mit den menschlichen Herpesviren 6 und 7 verwandt [45], also nicht mit dem humanen CMV, das nach Allotransplantationen schwerwiegende Lungenkomplikationen verursacht [46]. Bis vor Kurzem wurde gezeigt, dass PCMV/PRV nur für NMP schädlich ist: Die Übertragung des Virus auf Paviane und Rhesusaffen verringerte signifikant die Überlebenszeit der Xenotransplantate [47, 48]. Aber auch bei der ersten Transplantation eines 10-GM-Schweineherzens auf einen Menschen in den USA wurde PCMV/PRV übertragen und trug offensichtlich zum Tod des Empfängers bei [6, 7]. Das Virus interagierte dabei wohl direkt mit seinem Immunsystem und den Endothelzellen. Die virale Sicherheit entscheidet demnach wesentlich über den Erfolg von Xenotransplantationen, und es müssen daher entsprechend sensitive Untersuchungsmethoden zum Ausschluss verwendet werden [49].

Da es gegen PCMV/PRV keine Vakzine oder Medikamente gibt, kommt in München eine präventive Strategie zum Einsatz: PCMV (und HEV [Hepatitis-E-Virus]) werden durch frühzeitiges Entwöhnen der Ferkel eliminiert, d. h. die Ferkel werden nicht mehr gesäugt, da sonst die Viren über die Schnauze der Mutter übertragen werden können. Die Tiere werden nach der Geburt per Sectio in eine DPF(„designated pathogen free“)-Unit verbracht und unter gezielt keimfreien Bedingungen aufgezogen [50].

Diese Strategie kann jedoch nicht porzine endogene Retroviren (PERVs) eliminieren, da diese in das Genom aller Schweine integriert sind [51]: PERV‑A und -B sind in allen Schweinen nachweisbar, und können menschliche Zellen in vitro (unter speziellen experimentellen Bedingungen) infizieren. PERV‑C ist nicht in allen Schweinen vorhanden und infiziert nur Schweinezellen. Allerdings kann PERV‑C mit PERV‑A rekombinieren, und die resultierenden Rekombinanten können menschliche Zellen infizieren [52‐54]. Deshalb wurden für München Auckland Island-Schweine ausgewählt, die PERV-C-frei sind [55].

Festzuhalten bleibt, dass die Übertragung von PERVs in keiner der vielen klinischen und präklinischen Xenotransplantationsstudien, die bisher durchgeführt wurden, und in keinem der experimentellen PERV-Infektionsversuche beobachtet wurde [56].