Transplant Immunology

1. Transplant Immunology

2. Trapianto di pelle in topo Regole base del trapianto di tessuti • Auto-trapianto • Trapianto singenico • Allo-trapianto First-set rejection • T CD8 citotossiche • T CD4 Th1/Th2 • Cellule B Second-set rejection

3. HLA matching 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 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

4. 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

5. 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.

6. Pre-sensitizzazione umorale (alloimmunizzazione) 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 • Trapianti precedenti • Trasfusioni di sangue • Gravidanza Tali anticorpi possono causare un rigetto rapidissimo (minuti) degli organi vascolarizzati Cross-matching

7. 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

8. 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

9. 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

10. FALSO, donne che hanno dato alla luce diversi bambini producono anticorpi diretti contro le proteine MHC del padre “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 • 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)

11. Manipolazione della risposta immunitaria I farmaci attualmente impiegati per sopprimere l’attività del sistema immunitario possono essere suddivisi in tre grandi categorie: • 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. • Farmaci citotossici quali l’azathioprinee lacyclophosphamide, molecole che vengono metabolizzate generando prodotti che interferiscono con la sintesi del DNA e che hanno quindi maggiore effetto su cellule proliferanti. • Derivati da batteri o funghi quali la cyclosporin A, l’FK506 (tacrolimus) e la rapamycin (sirolimus)

12. 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)

13. Attivazione via il complesso TCR-CD3

14. Anjana Rao TCR Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Calcineurin Ca2+ Ca2+ Anergy Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ AP-1 AP-1 Ca2+ Ca2+ Ca2+ NUCLEUS NF-AT NF-AT NF-AT NF-AT NF-AT NF-AT NF-AT

15. New compounds: • mycophenylate mofetil • deoxyspergualin, DSG • RAD, everolimus (derivato della rapamicina) • tresperimus (analogo strutturale della DSG) • FK778 • FTY720

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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 allo-reattive 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

20. 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 pre-esistenti 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)

21. 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

22. 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

23. Immunotherapy

24. 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

25. Xenotransplantation a human complement regulatory protein, decay-accelerating factor which has been shownto help overcome hyperacute rejection of a pig organ by nonhumanprimates Gennaio 2002, creati 4 cuccioli di maiale knock-out per una delle due copie del gene a1-3 galactosyl transferase

26. Ethical Considerations!!

27. 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