Mechanizmy immunologiczne w odrzucaniu przeszczepów

Magdalena Masłoń

Ze względu na różnorodność genotypu dawcy i biorcy wyróżnia się przeszczepy autologiczne, syngeniczne, allogeniczne i ksenogeniczne. Te dwa ostatnie prowadzą do rozwoju reakcji, która koczy się odrzuceniem przeszczepu. Proces odrzucenia przeszczepu obejmuje fazę indukcji odpowiedzi i fazę efektorową. W trakcie fazy indukcji dochodzi do pośredniej i bezpośredniej prezentacji antygenów. W fazie efektorowej rozpoczyna się proces odrzucania przeszczepu wywołany odczynem zapalnym. W efekcie prowadzi najczęściej do całkoitej niewydolności narządu.U człowieka przyjęty jest podział na cztery typy odrzucenia przeszczepów allogenicznych: odrzucenie nadostre, ostre przyspieszone, ostre, przewlekłe. Natomiast, jeśli chodzi o odrzut transplantantu ksenogenicznego znane są 3 typy reakcji:nadostre odrzucenie, opóźnione odrzucenie oraz ostre odrzucenie.

Spis treści

1. Wprowadzenie

2. Typy przeszczepów

3. Etapy odrzucania przeszczepów

4. Podział reakcji odrzucenia przeszczepu allogenicznego

5. Odrzucanie przeszczepów ksenogenicznych

6. Typy reakcji odrzutu transplantantu ksenogenicznego

7. Zakonczenie

8. Piśmiennictwo

Wprowadzenie

Podstawową przyczyną utrudniającą przeszczepianie tkanek i narządów nie są na ogół problemy natury technicznej związane z samym zabiegiem, lecz odpowiedź immunologiczna biorcy na antygen dawcy przeszczepu. Odrzucanie przeszczepu ma charakter immunologiczny i uwarunkowane jest różnicami genetycznymi między biorcą i dawcą przeszczepu. Różnice te powodują, że układ odpornościowy biorcy rozpoznaje antygeny przeszczepu jako obce i uruchamia rekację dążącą do jego zniszczenia.

Typy przeszczepów

Ze względu na różnorodność genotypu dawcy i biorcy wyróżnia się:

• przeszczepy autologiczne , kiedy dawcą i biorcą jest ten sam osobnik

• przeszczpy syngeniczne , gdy biorca i dawca posiadają identyczny materiał genetyczny (bliźnięta monozygotyczne lub osobniki tego samego szczepu wsobnego)

• przeszczepy allogeniczne , gdy biorca i dawca należą do tego samego gatunku

• przeszczepy ksenogeniczne , gdy biorca i dawca są przedstawicielami innych gatunków

Tylko przeszczepy autologiczne i syngeniczne są przyjmowane na stałe. W przypadku przeszczepów allogenicznych i ksenogenicznych u biorcy rozwija się reakcja immunologiczna, której efektem jest odrzucenie przeszczepu.

Etapy odrzucania przeszczepów

Odpowiedź na antygeny przeszczepu obejmuje 2 fazy:

• fazę indukcji odpowiedzi (aferentną) - dochodzi do prezentacji i rozpoznania obcych antygenów

• fazę efektorową (eferentną) - dochodzi do uruchomienia swoistych i nieswoistych mechanizmów odpowiedzi

Faza indukcji odpowiedzi

Faza indukcji obejmuje 2 oddzialne procesy: prezentacje bezpośrednią i pośrednią (rys. 1)

• prezentacja bezpośrednia - receptor limfocytu T rozpoznaje peptyd antygenowy łącznie z fragmentem cząsteczki MHC komórek prezentujących antygen (APC) pochodzący od dawcy Do prezentacji bezpośredniej dochodzi w regionalnych węzłach limfatycznych lub w śledzionie biorcy, do których docierają APC z przeszczepionego narządu. Prezentacja ta odgrywa znaczącą rolę w indukowaniu odpowiedzi na przeszczep we wczesnym okresie, kiedy w narządzie znajdują się jeszcze APC dawcy. Najważniejszymi komórkami prezentującymi antygen są komórki dendrytyczne, które do prezentacji używają zarówno cząsteczek MHC klasy I, jak i cząsteczek MHC II, aktywując w ten sposób swoiste limfocyty T pomocnicze CD4 ⁺ . Ta subpopulacja limfocytów jest niezbędna do powstania reakcji odrzucania przeszczepu. APC dawcy wywodzą się z komórek macierzystych szpiku i po przeszczepieniu ulegają wymianie na APC biorcy, co zmniejsza bodziec indukujący odrzucanie.

• prezentacja pośrednia - receptory limfocytów T rozpoznają alloantygeny prezentowane przez komórki biorcy

APC biorcy po przetworzeniu antygenów dawcy zasiedlają przeszczepiony narząd, a następnie migrują do regionalnych narządów limfatycznych biorcy, gdzie prezentują antygeny limfocytom T. U człowiek pośrednia stymulacja procesu leży u podłoża procesu przewleklego odrzucania przeszczepu.

• 

Rysunek 1. Prezentacja antygenów w układzie allogenicznym. W prawej części rysunku: prezentacja pośrednia (ang. Indirect Antigen Presentation)- odziaływanie własnych APC (Host-derived APC) prezentujących allopeptyd w kontekście własnych MHC (Host MHC) komórce CD4 ⁺ . W lewej części rysunku: prezentacja bezpośrednia- oddziaływanie APC dawcy (Donor-derived APC) prezentujących peptyd w kontekście allo- MHC komórce CD4 ⁺ . Efekt prezentacji: aktywacja limfocytów T biorcy prowadząca do nadwrażliwości typu późnego, produkcji alloprzeciwciał i śmierci komórki zależnej od cytotoksycznych limfocytów T.

Faza efektorowa

Proces odrzucania przeszczepu jest odczynem zapalnym wywołanym przez swistą reakcję immunlogiczna. W efekcie prowadzi najczęściej do całkoitej niewydolności narządu.

Podział reakcji odrzucenia przeszczepu allogenicznego

W przypadku człowieka przyjęty jest następujący podział na podstawie czasu, w jakim doszło do niewydolności przeszczepu i mechanizmu odrzucania:

• odrzucenie nadostre - rozwija się w ciągu kilku minut po przeszczepieniu i zawsze prowadzi do niewydolności narządu

• odrzucenie ostre przyspieszone - pojawia się po 24 godzinach od zabiegu i prowadzi do niewydolności przeszczepu w ciągu 1-6 miesięcy,

• odrzucenie ostre - następuje w ciągu kilku dni do kilku miesięcy od transplantacji

• odrzucenie przewlekłe - nie wcześniej niż po roku od przeszczepu

Nadostre odrzucanie przeszczepu allogenicznego

Wywołany jest obecnością przeciwciał przeciwko cząsteczkom MHC, antygenom grupowym ABO czy antygenom swoistym dla śródbłonka. Powstanie kompleksów antygen- przeciwciało na powierzchni śródbłonka aktywuje układ dopełniacza, krzepnięcia i wyzwala czynniki chemotaktyczne. Dochodzi do wykrzepiania krwi wewnatrz naczynia i obfitych nacieków składających się głównie z granulocytów obojętnochłonnych. W końcu powstaje rozległa martwica krwotoczna tkanek. Podstawową rolę w patogenezie nadostrego odrzucania przeszczepu odgrywa uszkodzenie śródbłonka i utrata jego właściwości biologicznych. Z chwilą wprowadzenia w testach klinicznych przeprowadzanych przed przeszczepem testu cytotoksycznego między surowicą biorcy a limfocytami dawcy, nadostre odrzucanie przeszczepu występuje bardzo rzadko.

Ostre przyspieszone odrzucanie przeszczepu allogenicznego

Wywołane jest obecnością w osoczu przeciwciał przeciwko dawcy w stężeniu, które nie pozwala na wykrycie ich w teście cytotoksycznym. Zmiany morfologiczne są podobne do zmian w odrzutach nadostrych, nie obejmują jednak naczyń włosowatych ani małych tętniczek lecz tętnice. Dochodzi do martwicy włóknikowej błony środkowej tętnic oraz do wytworzenai się złogów włóknika i płytek w świetle naczyń. Dodatkowo dochodzi do powstania obrzęku tkanki śródmiąższowej, wylewów, oraz nacieków z komórek jednojądrzastych.

Ostre odrzucanie przeszczepu allogenicznego

Cechą morfologiczną tej postaci są nacieki, w których przeważają komórki jednojądrzaste zlokalizowane w tkankach. W każdym narządzie mogą się pojawić zmiany zajmujące tętnice i tętniczki.Nacieki limfocytów i makrofagów mogą powodować odwarstwienie śródbłonka naczyń.

• Rysunek 2. Tkanka objęta zmianą, widoczne są charakterystyczne nacieki, w których przeważają komórki jednojądrzaste

Decydującą rolę w tej reakcji organizmu pełnią limfocyty T CD4 ⁺ , które:

• aktywują limfocyty T cytotoksyczne,

• indukują odpowiedź o typie nadwrażliwości później,

• indukują bezpośrednia odpowiedź cytotoksyczną wobec komórek przeszczepianego narządu poprzez cząsteczkę Fas(CD 95),

W nacieku, a także w narządach limfatycznych biorcy wykrywa się limfocyty B i komórki plazmatyczne uwalniające przeciwciała wiążące antygeny przeszczepu. Komórki gromadzące się w przeszczepie wytwarzają wiele cytokin, między innymi IL-2 i IFN gamma. Te i inne uwalniane czynniki powodują:

• aktywację limfocytów cytotoksycznych,

• bezpośrednie uszkodzenie komórek przeszczepu,

• zmianę profilu produkowanych przeciwciał na uczestniczące w cytotoksyczności zależnej od przeciwciał (ADCC),

• hamowanie angiogenezy,

• powstawanie odczynu zapalnego

W odrzucanym przeszczepie stwierdza się obecność powodujących apoptozę perforyn i granzymów.

Przewlekłe odrzucanie przeszczepu allogenicznego

Jest najczęstszą postacią odrzucania i główną przyczyną niepowodzeń transplantacji. Zmiany morfologiczne polegają na przebudowie naczyń tęniczych średniego kalibru. W wyniku tego światła naczynia ulegają znacznemu zwężeniu powodując niedokrwienie czynnego miąższu narządu i zastępowanie go tkanką łączną włóknistą.

• Rysunek 3. Zdjęcie przedstawia nerkę objętą reakcją chronicznego odrzucenia. Widoczne są naczynia, które uległy znacznemu zwężeniu powodując niedokrwienie narządu. W miejscu prawidłowej tkanki utworzyła się tkanka włóknista.

Przewlekłe odrzucanie przeszczepu jest wynikiem uszkodzenia narządu przez czynniki immunologiczne i nieimmunologiczne. Głównym czynnikiem inicjującym proces jest uszkodzenie śródbłonka naczyń. Za uszkodzenia te odpowiedzialne są limfocyty i swoiste immunoglobuliny. Natężenie tych reakcji jest znacznie słabsze niż w ostrym odrzuceniu, ale wystarczające by wywołać aktywację i zaburzenia funkcji śródbłonka. Wykazują one wówczas zwiększoną ekspresję cząsteczek adhezyjnych, cząsteczek MHC klasy II oraz czynnika tkankowego aktywującego układ krzepnięcia. Rozpoczynają również intensywną produkcję czynników takich jak: PDGF, PAF, TNF i tromboksany (mediatory reakcji zapalnych). Substancje te indukują w aktywowanych przez komórki śródbłonka (poprzez prezentacje antygenu w kontekście cząsteczek MHC II) limfocytach T pomocniczych wydzielanie cytokin. Zwiększa się migracja komórek (makrofagi, limfocyty T i granulocyty)z krążenia do ściany naczyń. Pod wpływem uwalnianych przez nie cytokin zachodzi zmiana fenotypu miocytów z kurczliwego na endokrynny. Spada liczba włókien kurczliwych w komórce. Rozpoczyna się produkcja czynników wzrostowych o działaniu mitogennym na miocyty i fibroblasty. Wśród nich najważniejsze to: PDGF, TGF-beta, bFGF i IGF. Na komórkach śródbłonka podnosi się aktywność enzymu konwerującego (ACE) wytwarzającego angiotensynę II. Pod wpływem wszystkich wspomnianych czynników miocyty i fibroblasty wędrują do błony wewnętrznej. Przechodzą tam również makrofagi zwane tu komórkami piankotwórczymi. Za uszkodzenie śródbłonka odpowiedzialna jest również częsta po przeszczepach infekcja wirusowa, najczęściej CMV. Uszkodzenia te mogą być bezpośrednim następstwem działania wirusa lub skutkiem odpowiedzi limfocytów cytotoksycznych na jego antygeny.

Ze względu na to, że proces rozwija się powoli, to przeważają w nim zmiany wytwórcze, a nie degeneracyjne. To prowadzi do rozplemu błony wewnętrznej, a w efekcie do niedrożności naczynia i niewydolności przeszczepionego narządu. W przypadku przewlekłego odrzucenia proce prowadzący do śmierci narządu trwa latami. Ryzyko zmniejsz stosowanie immunosupresji wcześnie po transplantacji. Ze względu na hamujące działanie na proliferację mięśni gładkich duże nadzieje w prewencji przypisuje się takim lekom jak sirolimus, czy mykofenolan.

Odrzucanie przeszczepów ksenogenicznych

Przyczyną odrzucania przeszczepów ksenogenicznych są przeciwciała klasy IgG rozpoznające epitopy zawierające jako końcową cząsteczkę galaktozo-a-1,3-galaktozę (rys. )Epitop ten jest charakterystyczny dla komórek śródbłonka wielu zwierząt. U człowieka produkcja przeciwciał anty- Gal jest indukowana w następstwie immunizacji antygenami bakterii przewodu pokarmowego. Pomimo jednak faktu, że przeciwciała anty-Gal o izotypie IgG są najliczniejsze, to jednak najsilniejszy efekt w odrzucaniu przeszczepu ksenogenicznego wywołują immunoglobuliny IgM.

• Rysunek 4. Antygeny obecne na komórkach przeszczepu ksenogenicznego, które są rozpoznawane przez przeciwciała biorcy i indukują reakcję odrzucenia przeszczepu.

Typy reakcji odrzutu transplantantu ksenogenicznego:

• nadostre odrzucenie przeszczepu ksenogenicznego,

• opóźnione odrzucenie przeszczepu ksenogenicznego,

• ostre odrzucenie przeszczepu ksenogenicznego.

Nadostre odrzucenie przeszczepu ksenogenicznego

Głównym zjawiskiem tego procesu jest aktywacja drogi klasycznej dopełniacza przez tworzące się na powierzchni śródbłonka kompleksy zawierające IgM. Następstwem jest powstanie kompleksu atakującego (C5b-9), jak również pojawienie się produktów pośrednich aktywacji dopełniacza (C3a, C5a). Czynniki te prowadzą do aktywacji śródbłonka. Komórki kurczą się odsłaniając błonę podstawną, a z ich powierzchni znikają cząsteczi siarczanu heparanu. Pojawia się natomiast selektyna P, wzrasta wydzielania prostacykliny, PAF. Ekspresja selektyny P ułatwia adhezję neutrofilów do śródbłonka. Następstwem tych procesów jest utrata przez śródbłonek jego zdolności do hamowania układu krzepnięcia. Z powierzchni komórek znikają antykoagulanty. W efekcie dochodzi do powstania zakrzepów, niedokrwienia i martwicy narządów.

Opóźnione odrzucenie przeszczepu ksenogenicznego

Jeżeli przeciwciała nie doprowadzą do aktywacji dopełniacza, to komórki śródbłonka przechodzą inny typ aktywacji, który daje odrzucenie dopiero po kilku godzinach od transplantacji. W naciekach w ścianie naczynia dominują makrofagi oraz komórki NK, które uszkadzają śródbłonek w procesie ADCC. Później w naciekach pojawiają się aktywowane limfocyty T. Przeszczepiony narząd przestaje funkcjonować po kilku dniach od transplantacji.

Ostre odrzucenie przeszczepu ksenogenicznego

Odpowiedź ta jest uwarunkowana limfocytami T CD4 ⁺ , które stymulowane są przez ksenogeniczne cząsteczki MHC II. Ponieważ cząsteczki MHC klasy I hamują aktywność komórek NK, brak tego oddziaływania wpływa na znaczne pobudzenie NK. Prawdopodobnie w tym typie odrzutu główną rolę odgrywa prezentacja pośrednia.

Zakończenie

Obecnie w transplantologii stosuje się różnego rodzaju środki immunoterapeutyczne, które zmniejszają lub eliminują niebezpieczeństwo odrzucania przeszczepu. Jadnym ze sposobów jest poddanie biorcy działaniu środków immunosupresyjnych. Drugim ze sposobów przedłużenia przeszczepu jest wywołanie u biorcy stanu tolerancji na antygeny dawcy. Cechą charakterystyczną tolerancji jest brak odpowiedzi immunologicznej na określony antygen lub kilka antygenów przy zachowaniu całkowitej reaktywności na pozostałe. Przypuszcza się, że podanie swoistych przeciwciał może hamować odpowiedź immunologiczną w fazie indukcji (rozpoznanie komórek nowotworowych lub obcych antygenów MHC dawcy przeszczepu), bądź w fazie efektorowej (niszczenie obcych lub zmienionych komórek). Wiele doświadczeń klinicznych wskazuje na pozytywny wpływ przetoczeń krwi na przedłużenie przeżycia przeszczepu. Opracowanie optymalnych metod pozwalających na wywołanie stanu tolerancji u biorcy w stosunku do antygenów dawcy przeszczepu będzie miało podstawowe znaczenie dla rozwoju transplantologii

Piśmiennictwo

1. Gołąb J., Jakóbisiak M., Lasek W. Immunologia, PWN, 2004

2. Jakóbisiak M., Piasek A. Immunologia transplantacyjna,

3. Mackiewicz S. Immunologia, PZWL, Warszawa, 1997

4. Ptak W. Podstawy immunologii, PZWL, Warszawa, 1992

5. Jakóbisiak M. , Włodarski K. , Lasek W. , Górecki D., Płodziszewska M. Transfusion of synengeic blood do not seem to induce supressive effect on antitumor or transplantation immunity in mice, Arch. Immunol. Therap. Exp. 1985,33

6. http://www.medscape.com/transplantationhome

7. [http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2004_Groups/Group04/Molecular_mechanism.htm ]