DE60106748T2 - Toleranzinduzierendes gewebekonstrukt und organ zusammengesetzt aus thymus und knochenmark - Google Patents

Toleranzinduzierendes gewebekonstrukt und organ zusammengesetzt aus thymus und knochenmark Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines nicht humanen Säugetierorgans, das ein Kompositgewebeimplantat umfasst, zur Verwendung bei einer Organtransplantation und auf Verfahren zur Erzielung eines hämatopoetischen Chimärismus und einer stabilen spenderspezifischen Immuntoleranz bei einem Säuger als Transplantatempfänger.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Induktion einer spenderspezifischen Immuntoleranz bleibt immer noch ein exklusives Ziel der die Allotransplantation und Xenotransplantation betreffenden Forschung. Unter einer Immuntoleranz wird der Zustand der immunologischen Nichtreaktivität – Fehlen einer Immunantwort – eines Patienten gegen ein Antigen verstanden, wofür eine Toleranz induziert worden ist. Bei der Einsetzung eines Transplantats bezieht sich dieser Ausdruck auf die Hemmung der Fähigkeit des Empfängers des Transplantats, eine Immunantwort aufzubauen, zu der es sonst als Antwort auf die Einführung eines nicht eigenen MHC Antigens (MHC = Haupthistokompatibilitätskomplex) durch das Transplantat in den Empfänger kommen würde.
  • Neuere Studien haben sich auf Thymustransplantate als Mittel zur Entwicklung einer Immuntoleranz beim Transplantatempfänger, nämlich beim Wirt, konzentriert. So haben beispielsweise Nikolic und Mitarbeiter gezeigt, dass Schweinethymustransplantate in immundefizienten Mäusen eine normale Entwicklung polyklonaler funktionaler humaner T Zellen unterstützen und dass die T Zellen dann eine spezifische Toleranz gegen spenderspezifische MHC Antigene aufweisen; Journal of Immunology, Band 162, Seiten 3402 bis 3407 (1999). Zhao und Mitarbeiter haben berichtet, dass eine Transplantation von fötalem Schweinethymus und von Leber auf eine transient immunsupprimierte Maus zu einer Toleranz der Empfängermaus gegen eine anschließende Transplantation von Schweinehaut führt; Nature Medicine, Band 2, Seiten 1211 bis 1216 (1996).
  • Von Lambrigts und Mitarbeitern wurde das Konzept eines Thymoorgans eingeführt, das autologe Thymustransplantationen unter die Nierenkapsel oder in das Herz eines Schweinemodells umfasst [Lambrigts et al., Xenotransplantation 3, 296 (1996)], wobei auch über den Erhalt eines stabilen Intrakardialtransplantats des Thymusgewebes in ein später transplantiertes Herz berichtet wurde [Lambrigts et al., Xenotransplantation 66, 810 (1998)]. Yamada und Mitarbeiter berichteten, dass in einem Miniaturschweinemodell thymektomierte disparate Empfänger der Klasse I eines allogenen Thymonierekomposits (Niere mit vaskularisiertem autologen Thymusgewebe unter ihrer Kapsel), die während einer Zeitdauer von 12 Tagen Cyclosporin erhielten, eine stabile Nierenfunktion ohne Anzeichen einer Abstoßung und ein spenderspezifisches Fehlen einer Immunantwort zeigten. Am postoperativen Tag (POD) 14 enthielt das Thymusgewebe in der Thymoniere dendritische Zeilen vom Typ des Empfängers, und am POD 60 erschienen in der Thymusmedulla bezüglich der Klasse I positive Thymozyten vom Typ des Empfängers, was auf eine Thymopoese hinweist. Die T Zellen haben sich sowohl als Empfänger als auch als Spender MHC restriktiert erwiesen. Daraus wurde von Yamada und Mitarbeitern geschlossen, dass die Anwesenheit von vaskularisiertem Spenderthymusgewebe zur Induktion einer Toleranz gegen Klasse I disparate Nierenallotransplantate bei thymektomierten Empfängern fähig ist [Yamada et al., Journal of Immunology 164, 3079 bis 3086 (2000); Yamada et al., Transplantation 68, 1684 bis 1692 (1999), siehe auch Sachs, Clinical Immunology 95, S63 bis S68 (2000)].
  • Es wird jedoch angenommen, dass das früher beschriebene Thymoorgan ungeeignet ist zur Aufrechterhaltung einer langzeitig stabilen Immuntoleranz nach Einbau eines allogenen oder eines xenogenen Transplantats. Eine der wesentlichen Funktionen des implantierten Thymusgewebes ist vor allem die Schaffung einer Stelle für eine negative Selektion sich entwickelnder Thymozyten zur Selbsttoleranz durch dendritische Zellen. Beim bisher beschriebenen Thymoorganmodell wird diese Funktion schließlich durch die irreversible Depletion an vom Spender abgeleiteten dendritischen Zellen des Implantatgewebes kompromittiert. Dendritische Zellen haben im allgemeinen eine Halbwertszeit von etwa einem Monat oder weniger. Im Laufe der Zeit geht daher die Fähigkeit zur negativen Selektion sich entwickelnder Thymozyten zur Aufrechterhaltung einer Toleranz gegen den Spender verloren.
  • Derzeit gibt es keine Berichte über Mittel zur Aufrechterhaltung einer Produktion und Verfügbarkeit dendritischer Zellen oder ihrer Vorläufer bei einem Thymoorgan. Die scheinbare Toleranz, welche von den Forschern auf diesem Gebiet erreicht worden ist, muss daher im besten Fall nur transient gewesen sein.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es wurde nun ein neuer Aufbau und ein neues Mittel geschaffen zur Erzielung eines hämatopoetischen Chimärismus in einem Transplantatempfänger und zur Induktion einer stabilen Langzeittoleranz in einem Säugetierempfänger eines allogenen oder xenogenen nicht humanen transplantierten Organs. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf eine Implantation in das Empfängerorgan einer neuen und sich selbst ergänzenden Quelle für hämatopoetische Spenderzellen (oder histokompatible Spendenzellen), zu denen dendritische Zellen oder ihre Vorläufer gehören. Diese neue Quelle umfasst die im wesentlichen intakte hämatopoetische Stromamikroumgebung (HSM) des Knochenmarks. Ein Beispiel für eine im wesentlichen intakte HSM umfasst einen intakten Knochenmarkpfropf oder Knochenmarkzylinder, vorzugsweise in einer Größenordnung von 1 bis 5 mm3, der chirurgisch aus dem Knochenmark eines nicht humanen Säugetierspenders entfernt worden ist. Im Unterschied zu typischen injizierbaren Knochenmarkpräparationen, die im wesentlichen bestehen aus einem Stammzellinokulum in einem ansonsten nicht funktionalen Detritus an zerstörten Geweben und Zellen, sorgt die neue und im wesentlichen intakte HSM Komponente der Erfindung für eine Mikroumgebung, die eine fortgesetzte Hämatopoese im Thymoorganpfropf begünstigt.
  • Insbesondere ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass ein Kompositgewebekonstrukt, das als erste Komponente ein Spenderthymusgewebe (oder ein mit dem Spender histokompatibles Gewebe) und als zweite Komponente ein im wesentlichen intaktes Gewebe der hämatopoetischen Stromamikroumgebung (HSM) eines Spenderknochenmarks (oder eines mit dem Spender histokompatiblen Knochenmarks) umfasst, für eine de novo und kontinuierliche Produktion an nicht humanen dendritischen Zellen vom Typ des Spenders im Transplantatempfänger sorgt. Ferner sorgt ein solches vaskularisiertes Kompositgewebekonstrukt für eine anhaltende sich selbst ergänzende Quelle für spendertypische dendritische und andere von Knochenmark abgeleitete Zellen, welche befähigt sind zur Migration zum Spenderthymusgewebe und zur Unterstützung einer Differenzierung und Entwicklung von Thymozyten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Thymoknochenmarkkompositorgan, das alternativ hierin auch als ein Thymarkkompositorgan bezeichnet wird, ex vivo hergestellt und das soeben beschriebene Kompositgewebekonstrukt als eine einheitliche Vorrichtung in das Spenderorgan implantiert.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann ein Thymarkkompositorgan auch ex vivo hergestellt werden durch eine separate Implantation der oben beschriebenen Thymusgewebekomponente und HSM Komponente von Knochenmark in das Organ.
  • Die an T Zellen depletierten oder sonst wie konditionierten Empfänger eines solchen Thymarkkompositorgans werden vom Organ toleriert, da die sich regenerierende T Zellpopulation des Wirts heranreift (durch positive und negative Selektion) in der Gegenwart einer anhaltenden Produktion dendritischer Zellen des Spenders, die von Knochenmark deriviert sind.
  • Die entstehenden gemischten Chimären sind immunkompetent und auch immuntolerant gegen sich selbst und auch gegen den Spender. Eine Langzeittoleranz ist möglich, da die Erfindung für eine kontinuierliche Ergänzung an dendritischen Zellen sorgt, was die kontinuierliche Funktionalität der thymischen oder peripheren negativen Selektion oder des anergischen Prozesses innerhalb des Empfängers sichert und somit auch den sich selbst fortsetzenden Zustand einer spenderspezifischen Toleranz gegen das Transplantat. Die Erfindung sorgt daher für ein Mittel zur Sicherung einer langzeitig stabilen Toleranz gegen transplantierte Gewebe oder Organe unter Fehlen von Abstoßungen oder aberranten Autoimmunantworten durch im Wesentlichen Bereitstellung einer transplantierbaren und tragbaren Maschine für eine Toleranz im Kompositgewebekonstrukt der Erfindung.
  • Das Thymarkkompositorgan der Erfindung kann verwendet werden zur Induktion einer Toleranz bei einem Säugetiertransplantatempfänger eines allogenen Organs, nämlich eines Organs der gleichen Spezies, oder eines xenogenen Organs, nämlich eines Organs einer unterschiedlichen Spezies. Das erfindungsgemäße Kompositorgan eignet sich besonders zur Erzeugung eines hämatopoetischen Chimärismus und zur Induktion einer Toleranz bei einem Xenotransplantatempfänger, insbesondere einem humanen Empfänger eines nicht humanen Säugerorgans, vor allem Sus scrofa, nämlich dem Schwein.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen, worin zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer tragbaren Maschine zur Toleranzinduktion nach der Erfindung. Das gezeigte Kompositgewebekonstrukt umfasst ein Mischmasch aus Sektionen von Thymusgewebe und Knochenmarkgewebe innerhalb eines Stützmittels, das von einem Abschnitt eines Intestinalsacks (linkes Bild) stammt. Ebenfalls schematisch dargestellt (rechtes Bild) ist das Netzwerk an Blutgefäßen, welche das vaskularisierte Komposit mit dem umgebenden Gewebe seines Säugerwirts verbinden.
  • 2 eine schematische Darstellung eines Komposits einer Knochenmarkniere, einer Thymoniere und einer Thymoknochenmarkniere (auch als Thymarkniere bezeichnet) ex vivo nach der Erfindung.
  • 3 eine makroskopische Abbildung einer Nierenkapsel einer Maus, die eine ektotopische Implantation von syngenem Knochenmarkstroma (linkes Bild) oder nur Knochenmark enthält, das unter die Nierenkapsel implantiert ist (rechtes Bild) ex vivo (der Pfeil zeigt das Stroma des Knochenmarks und die Niere). Fünf Wochen post Transplantation (Tx) hat sich um die Implantationsstelle des BM (Knochenmarks) herum eine extensive Angiogenese gebildet, die das Knochenmark als weißes Gewebe erscheinen lässt.
  • 4 im linken Bild eine weitere makroskopische Abbildung einer Nierenkapsel der Maus, wie sie im Zusammenhang mit der 3 beschrieben worden ist, und im rechten Bild eine Fotomikrografie eines Querschnitts des Stromaimplantats von Knochenmark 5 Wochen post Transplantation von regeneriertem, nämlich von Blut durchströmtem Knochenmark (20-fache Vergrößerung, Anfärbung mit H und E).
  • 5 im linken Bild eine 10-fach vergrößerte Fotomikrografie und im rechten Bild eine 40-fach vergrößerte Fotomikrografie einer Sektion von xenogenem Knochenmark (Nacktratte → RAG 1 Maus), das ektopisch unter die Nirenkapsel einer Maus implantiert worden ist, zum Zeitpunkt 4 Wochen post Transplantation (Tx) (Anfärbung mit H und E).
  • 6 20-fach vergrößerte Fotomikrografien von Sektionen eines xenogenen Knochenmarks (Nacktratte → RAG1 Maus), das ektopisch unter die Nierenkapsel einer Maus implantiert worden ist, zu den Zeitpunkten 8 Wochen (linke Abbildung) und 16 Wochen Tx (rechte Abbildung) (Anfärbung mit H und E).
  • 7 im linken Bild eine 10-fach vergrößerte Fotomikrografie und im rechten Bild eine 20-fach vergrößerte Fotomikrografie von syngenem Knochenmarkgewebe und Thymusgewebe, welches ektopisch unter die Nierenkapsel am Mausmodell implantiert worden ist (Anfärbung mit H und E), zum Zeitpunkt 4 Wochen Tx (Anfärbung mit H und E).
  • 8 Fotomikrografien einer mit H und E angefärbten Sektion (linkes Bild) und einer immunohistochemisch angefärbten Sektion (auf CD 45 positive Leukozyten) (rechtes Bild) eines xenogenen Knochenmarks (Ratte → Maus), das ektopisch unter eine Nierenkapsel implantiert worden ist, wobei die Pfeile einmal zum Knochenmarkimplantat (linkes Bild) und zum anderen Mal auf CD 45 positive Leukozyten im Knochenmarkimplantat (rechtes Bild) gerichtet sind.
  • 9 Fotomikrografien von Anti-Maus → Ratte CD 45 angefärbten Sektionen (linkes Bild) und von Anti-Ratte → Maus CD 45 angefärbten Sektionen (rechtes Bild) der Milz einer Maus, welche das Fehlen einer Kreuzreaktivität bestätigen.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Das eine Toleranz induzierende Kompositgewebekonstrukt umfasst ein funktionales Thymusgewebe und eine im wesentlichen intakte hämatopoetische Stromamikroumgebung (HSM) des Knochenmarks.
  • Wesentlich ist dabei, dass die Thymusgewebekomponente des Kompositgewebekonstrukts der Erfindung eine sequestierte und architektonisch organisierte Mikroumgebung liefert, die zur Entwicklung reifer T Zellen aus einfachen Thymozyten beiträgt.
  • Maturation von T Zellen im Thymus
  • Das Verfahren zur Maturation von T Lymphozyten über die Thymozytenstufe unter Bildung reifer T Zellen ist ausreichend charakterisiert worden [s. beispielsweise Charles A. Janeway und Paul Travers, Immunobiology, The Immune System in Health and Disease, 2. Auflage, 6. Kapitel, Current Biology Ltd./Garland Publishing Inc. (1996). Kurz gesagt, werden dabei T Lymphozyten gebildet durch Differenzierung von Lymphoidvorläufern im hämatopoetischen Stroma durch Wanderung von Knochenmark zur Peripherie und schließlich zum Thymus, wo die Zellen verschiedenen Stufen einer Differenzierung und Selektion unterzogen werden, und zwar vorwiegend im Cortex (die Medulla enthält im allgemeinen nur reife T Zellen). Dabei treten die Lymphozyten zuerst als doppelt negative Zellen in den Thymus ein, welche weder den T Zellrezeptor noch eines der beiden Corezeptormoleküle CD4 und CD8 exprimieren, und werden in ein epitheliales Netzwerk eingebettet, das als Thymusstroma bekannt ist, welches für eine induktive Mikroumgebung zur Differenzierung und Entwicklung sorgt. Nach einer Initialphase der Proliferation in der subkapsularen Zone des Cortex differenzieren die Lymphozyten (die auch als subkortikale Lymphoblasten bezeichnet werden) zu doppelt positiven Zellen unter Expression des T Zellrezeptors und der beiden Corezeptoren CD4 und CD8. Die dabei entstehenden unreifen Thymozyten (kortikale Thymozyten) unterliegen dann zwei Arten einer Selektion, nämlich einer positiven Selektion zur Erkennung von eigenem MHC: eigenen Peptidkomplexen und einer negativen Selektion zur Erkennung von eigenen Peptidkomplexen: eigenem MHC, was sonst die T Zellen in der Peripherie triggern würde.
  • Positive Selektion von Thymozyten
  • Eine positive Selektion von Thymozyten wird normalerweise im Kortex mediiert durch MHC tragende kortikale Epithelzellen. Eine solche positive Selektion stellt sicher, dass alle reifen T Zellen die Fähigkeit besitzen, auf fremde Peptide zu antworten, welche durch eigene MHC präsentiert werden, nämlich, dass die reifen T Zellen eigene MHC restriktierte Zellen sind. Zellen, die nicht mit ihren restciktierenden MHC Molekülen auf dem Thymusepithel zusammentreffen, bleiben doppelt positiv und sterben im Thymus innerhalb von 3 oder 4 Tagen nach ihrer letzten Teilung, so dass sie von Makrophagen eingefangen werden.
  • Thymozyten, die das positive Selektionsverfahren überleben, exprimieren nur einen der beiden Corezeptoren, nämlich CD4 oder CD8. Zusätzlich haben reife CD4 tragende T Zellen Rezeptoren, welche Peptide erkennen können, die an eigene MHC Moleküle der Klasse II gebunden sind, während die CD8 tragenden T Zellen Rezeptoren aufweisen, welche Peptide erkennen können, die an eigene MHC Moleküle der Klasse I gebunden sind. Somit bestimmt eine positive Selektion auch den Phänotyp der Zelloberfläche der reifen T Zelle durch deren Ausrüstung mit einem Corezeptor, der für eine effiziente Erkennung von Antigenen erforderlich ist.
  • Negative Selektion von Thymozyten
  • Die doppelt positiven Zellen müssen auch einem Spülverfahren unterzogen werden, durch welches potentiell selbst reaktive T Zellen eliminiert werden. Die Spülfunktion des Thymus wird als negative Selektion bezeichnet. Eine negative Selektion dürfte an der kortikomedullaren Verbindung am stringentesten sein, wo nahezu reife medullare Thymozyten Antigen präsentierenden Zellen (APC) begegnen, die auch zu einer Aktivierung reifer T Zellen in den peripheren Lymphoidgeweben führen. Die APC sind umfasst von von Knochenmark abgeleiteten dendritischen (interdigitierenden) Zellen und auch von Makrophagen. Die durch diese Zellen präsentierten eigenen Antigene sind daher die wichtigste Quelle für potentielle Autoimmunantworten, so dass T Zellen, die auf solche eigene Peptide antworten, im Thymus eliminiert werden müssen. Eine klonale Deletion durch den Komplex von eigenem Peptid: eigenem MHC erzeugt ein Repertoire an reifen T Zellen, das nicht auf die eigenen Antigene reagiert, die durch ihre eigenen APC exprimiert werden, so dass sich eine Eigentoleranz ergibt. Die überlebenden reifen T Zellen entweichen aus der Medulla in den peripheren Kreislauf [s. Janeway und Travers, id. oben, 6:15 bis 6:31 J.
  • Somit sind sowohl eine positive als auch eine negative Selektion erforderliche konkomittierende Umstände zur Erzeugung eines brauchbaren und nicht schädigenden Repertoires an T Zellrezeptoren.
  • Unter einem funktionalen Thymusgewebe wird daher ein Gewebe des Thymus verstanden, das eine Mikroumgebung hat, die zur Prozessierung naiver einfacher Thymozyten zum Stadium reifer T Zellen in einem Säuger befähigt ist.
  • Die Thymuskomponente des erfindungsgemäßen Kompositorgans sollte daher zwecks Begründung eines funktionalen Thymusgewebes insbesondere eine solche Menge an Thymusstroma unter Einschluss kortikaler Epithelzellen und medullarer Epithelzellen enthalten, dass hierdurch eine positive und negative Selektion von Thymozyten unter Bildung reifer T Zellen unterstützt wird, die über eine Spendereigenerkennung und eine Spendereigentoleranz verfügen.
  • Der Thymus neigt zu einer Schrumpfung und Einrollung nach der Pubertät, so dass es in der Praxis schwierig oder sogar unmöglich sein kann, von einem erwachsenen Organspender ausreichendendes oder funktionierendes autologes Thymusgewebe zu bekommen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung stammt das Thymusgewebe daher von einem Tier, das mit dem Organspender histokompatibel ist. Ein Beispiel für ein histokompatibles Tier ist ein Säuger des gleichen Inzuchtstamms wie der Organspender. Thymusgewebe kann daher von einem jungen (oder wahlweise auch neonatalen oder fötalen) Spenderschwein geerntet und in ein Organ eines erwachsenen Schweineorganspenders mit identischem Inzuchtstamm implantiert werden.
  • Unter einer Implantation oder Transplantation oder einer Pfropfung wird hierin eine Insertion eines Gewebes oder eines Organs in einen lebenden Säugerempfänger unter Bedingungen verstanden, die eine Vaskularisierung des Gewebes oder Organs ermöglichen, wobei sich die dazu analogen Begriffe Implantat, Transplantat oder Pfropf auch auf das so insertierfe Gewebe oder Organ beziehen sollen, nämlich ein implantiertes oder transplantiertes oder gepfropftes Gewebe oder Organ. Zu Bedingungen, die ein Vaskularisation eines Pfropfs in einem Säuger begünstigen, gehören ein lokalisiertes Gewebebett an der Stelle des Pfropfs, die über eine extensives Netzwerk zur Blutversorgung verfügt. Ein Beispiel für eine geeignete Stelle in der Niere zur Insertion eines Gewebes oder Organs zwecks Förderung einer Vaskularisation ist unter die Nierenkapsel an das Parenchym angrenzend. Geeignete Stellen am Herzen zur Insertion eines Gewebes oder Organs zwecks Förderung einer Vaskularisation sind die subepikardialen Fettpolster, welche die rechten und linken Atrioventrikularfurchen überlagern, die rechten und linken Atrialanhänge, das Aortopulmonarfenster oder die freie Wand des rechten Ventrikels.
  • Eine chirurgische Entfernung des Thymus oder eines Teils hiervon vom Thymusspender sollte so sorgfältig erfolgen, dass die Integrität der Stromamikroumgebung des Thymus erhalten bleibt. Das Thymusgewebe kann von seiner nativen Umgebung durch sorgfältige Dissektion entfernt werden.
  • Die zweite Komponente des Kompositgewebekonstrukts der Erfindung umfasst eine funktionale hämatopoetische Stromamikroumgebung (HSM) des Knochenmarks. Die HSM sollte histokompatibel sein mit der Thymusgewebekomponente und auch mit dem Organspender.
  • Unter einer funktionalen hämatopoetischen Stromamikroumgebung wird ein Gewebe verstanden, das von Knochenmark erhalten worden ist und eine Mikroumgebung aufweist, die eine hämatopoetische Entwicklung und Differenzierung in einem Säuger bewirken kann.
  • Hämatopoetische Stromamikroumgebung
  • Der Prozess, durch welchen T Lymphozyten im Knochenmark als Ergebnis der Differenzierung lymphoider Vorläuferzellen gebildet werden, welche von totipotenten hämatopoetischen Stammzellen abgeleitet sind, ist intensiv untersucht worden. Die Stromazellen beinhalten Endothelzellen, welche die Sinusse des Knochenmarks bilden, und retikuläre Adventialzellen, die über Charakteristiken verfügen, welche mit Adipozyten, Fibroblasten und Muskelzellen konsistent sind [Chabord et al., Blood 66:1138 (1985), Chabord et al., Exp. Hemtaol., 18:276 (1990)]. Es bereits seit langer Zeit anerkannt, dass Stromazellen im Knochenmark das Strukturgerüst für eine Hämatopoese bilden [Mayani et al. Eur. J. Hatmat. 49:225 bis 233 (1992)]. Bestimmte Studien haben gezeigt, dass ein direkter Kontakt zwischen Stromazellen und Blutzellen, eine Stromazellenproduktion durch die extrazellulare Knochenmarkmatrix und eine Zytokinsynthese durch Stromazellen insgesamt relevant sind für die Bildung verschiedener Blutzellen [s. US 5 733 541 A , welche hiermit eingeführt wird]. Ein direkter Kontakt mit den Stromazellen ist auch als notwendig erkannt worden, um Stammzellen langzeitig in einer Knochenmarkkultur aufrecht erhalten zu können [Dexter et al., Ann. Rev. Cell. Biol. 3:432 bis 441 (1987)). Es sind auch bereits Stromazelllinien von menschlichem Knochenmark etabliert worden, die einer Hämatopoese widerstehen [s. beispielsweise US 5 879 940 A , welche hierdurch ebenfalls eingeführt ist]. Ferner ist berichtet worden, dass Stromazellen befähigt sind zur Übertragung der hämatopoetischen Mikroumgebung des Spenders nach einer allogenen Knochenmarktransplantation. Gurevitch und Mitarbeiter haben über Daten berichtet, die nahe legen, dass eine Transplantation von Spenderknochenmark in der hämatopoetischen Stromamikroumgebung zu einer Erhöhung des Chimärismus der Donorzellen und zur Schaffung von Bedingungen für ein langzeitiges Überleben sowohl allogener als auch xenogener Pfropfe beitragen kann [Transplantation 68:1362 bis 1368 (1999)].
  • Die hämatopoetische Stromakomponente des Thymarkkompositorgans der Erfindung muss für eine ausreichend intakte Mikroumgebung sorgen, so dass eine hämatopoetische Entwicklung aufrechterhalten bleibt, sobald das Gewebe im Empfänger revaskularisiert ist.
  • Eine chirurgische Entfernung von Knochenmark kann daher unter Anwendung wohlbekannter chirurgischer Techniken durchgeführt werden, durch welche die Integrität der hämatopoetischen Stromamikroumgebung des Knochenmarks beibehalten wird. Zu hierfür geeigneten Quellen für Knochenmark gehören die Oberschenkelknochen (Femora) und die Unterschenkelknochen (Tibia). So lässt sich beispielsweise Knochenmark mechanisch aus dem Femoralkanal durch einen Mandrin oder Trokar unter Bildung von Pfropfen herauspressen, in denen die HSM praktisch intakt bleibt.
  • Alternativ können auch gezüchtete hämatopoetische Stromazellkulturen, wie sie in der Literatur beschrieben werden (s. beispielsweise US 5 879 940 A , welche hiermit eingeführt wird), verwendet werden, um für die erforderliche hämatopoetische Stromamikroumgebung zu sorgen.
  • Vorzugsweise sind die Thymusgewebekomponente und die Knochenmarkkomponente jeweils bestrahlt, um die Anzahl an hämatopoetischen Vorläufern (Progenitoren) zu erniedrigen. Eine solche Bestrahlung kann durchgeführt werden in vivo, nämlich vor einer Entfernung (im Fall eines nicht humanen Säugerspenders) und/oder ex vivo, nämlich nach einer Entfernung und vor einer Implantation in einen Empfänger und/oder nach einer Reimplantation in einen nicht humanen Empfänger.
  • Das Knochenmark kann entweder vom Spendersäuger, der für ein Organ zur Transplantation sorgt, oder von einem histokompatiblen Individuum (beispielsweise vom gleichen Inzuchtstamm) geerntet werden.
  • Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kompositorgans ist es wesentlich, dass das Thymusgewebe und das Knochenmarkgewebe innerhalb des Gewebekonstrukts oder Organs in inniger Assoziation ex vivo angeordnet wird.
  • Unter einer solchen innigen Assoziation wird verstanden, dass die zwei Gewebearten so ausreichend benachbart angeordnet sind, dass vom Knochenmarkgewebe freigegebene hämatopoetische Zellen (beispielsweise dendritische Zellen oder ihre Vorläufer) zu einer Migration zum Thymusgewebe fähig sind.
  • Die innige Assoziation, nämlich die enge physikalische Positionierung, der beiden Gewebearten ist ein essentieller Faktor zur Erzielung einer Toleranzinduktion, da eine solche innige Assoziation für einen Übergang dendritischer Zellvorläufer vom HSM Knochenmark zum Thymusgewebe erforderlich ist, wo die dendritischen Zellen bei der deletionalen Selektion von Thymozyten zur Aufrechterhaltung einer eigenen Toleranz des Pfropfs eine Rolle spielen. Eine solche Migration kann erfolgen durch Gewebeparenchym entlang chemotaktischer Gradienten oder durch einen Eintritt in die Blutzirkulation und/oder das Lymphgefäßsystem.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass wenigstens ein Teil der Thymusgewebekomponente und der Knochenmarkgewebekomponente in direktem Kontakt miteinander stehen. Die Oberfläche des Direktkontakts kann optimiert werden durch Aufteilung des verfügbaren Thymusgewebes und Knochenmarkgewebes in Anteile und durch gemeinsame Vermischung einer Vielzahl der kombinierten Gewebeanteile im Gewebekompositkonstrukt oder Organ der Erfindung ex vivo. Alternativ dazu können Knochenmarkpfropfe auch ex vivo auf dem Thymuspfropfgewebe deponiert werden, wie dies schematisch in der 2 gezeigt ist.
  • Zur Aufrechterhaltung einer strukturellen Integrität des Komposits und auch zur Erleichterung einer innigen Assoziation der Gewebe ist es vorteilhaft, die Gewebe mit einem biokompatiblen permeablen oder semipermeablen membranartigen Material zu umgeben, das eine Vaskularisation der eingeschlossenen Gewebe erlaubt. Ein solches Material kann bequemerweise beispielsweise vom Intestinalsack des Gewebespenders genommen werden.
  • Das Kompositgewebekonstrukt umfasst daher miteinander vermischte Sektionen oder Pfropfe aus Thymusgewebe und HSM Gewebe des Knochenmarks, was alles umgeben ist von einem vom Intestinalsack stammenden Stützmittel. Ein solches Kompositgewebekonstrukt ist in der 1 gezeigt.
  • Nach erfolgter Herstellung kann dieses Kompositgewebekonstrukt, worin die Gewebe in vermischter Form coexistieren, chirurgisch in ein vaskularisiertes transplantierbares Organ implantiert werden, wie eine Niere oder ein Herz oder sonst wo in einen vorselektierten Organspender.
  • Selbstverständlich erleidet das Kompositgewebekonstrukt nach Implantation in einen Säuger anfänglich wenigstens ein gewisses Ausmaß an Atrophie und Zellverlust. In einer an Blut reichen Wirtsum gebung wird das implantierte Gewebe aber rasch durch den Wirt revaskularisiert (wie dies im rechten Bild der 1 gezeigt ist), so dass die Gewebe wieder ihre normale Funktion aufnehmen.
  • Es kann aber notwendig sein, den Transplantatpatienten während einer definierten Zeitdauer nach erfolgter Transplantation einer Behandlung mit einem herkömmlichen Immunsuppressivum zu unterziehen, nämlich beispielsweise bis zu +120 Tagen, oder vorzugsweise bis zu etwa +90 Tagen, wie +30 Tagen. Zu Beispielen für hierzu geeignete Verbindungen gehören Cyclosporine, Rapamycine oder Ascomycine oder deren immunsuppressive Analoga, wie Cyclosporin A, Cyclosporin G, FK-506, Rapamycin oder 40-O-(2-Hydroxy)ethylrapamycin, oder auch Corticosteroide, Cyclophosphamid, Azathiopren, Methotrexat, Brequinar, Leflunomid, Mizoribin, Mycophenolsäure, Mycophenolatmofetil (MMF), Deoxyspergualine, wie 15-Deoxyspergualin, und Analoga hiervon, 2-Amino-2-[2-(4-octylphenyl)ethyl]propan-1,3-diolhydrochlorid, Corticosteroide, wie Methotrexat, Prednisolon, Methylprednisolon oder Dexamethason, oder sonstige immunmodulatorische Verbindungen, wie CTLA4-Ig, oder Anti-LFA-1 oder Anti-ICAM Antikörper oder Antikörper für Leukozytenrezeptoren oder deren Liganden, wie Antikörper für MHC, CD2, CD3, CD4, CD7, CD25, CD28, B7, CD40, CD45, CD58, CD152 (CTLA-4) oder CD154 (CD40 Ligand).
  • Das Kompositgewebekonstrukt, welches Thymogewebe und HSM Gewebe vom Knochenmark umfasst, kann chirurgisch direkt in ein vorselektiertes Organ eines Spendertiers, beispielsweise eines Schweins, implantiert werden, um es schließlich in einen Säugerempfänger, wie einen Menschen, zu transplantieren. Alternativ aber weniger bevorzugt als eine erste Herstellung eines Kompositgewebekonstrukts ist es auch möglich, jede Thymusgewebekomponente und jede HSM Knochenmarkgewebekomponente als diskrete Komponente in das Organ zu implantieren und so ein erfindungsgemäßes Kompositorgan zu bilden.
  • Das entstandene Organ, welches die gepfropften Gewebe in inniger Assoziation und vorzugsweise in einer Kontaktbeziehung enthält, wird als Kompositorgan von Thymoknochenmark (oder Thymark) bezeichnet. Das vorselektierte Organ kann beispielsweise eine Niere, ein Herz, eine Lunge oder eine Kombination aus Herz und Lunge, Leber oder Pankreas sein. Eine Ausführungsform für eine Thymoknochenmarkniere (Thymarkniere) ist schematisch in der 2 gezeigt.
  • Die Implantation der Thymogewebe und Knochenmarkgewebe kann ex vivo durchgeführt werden, nämlich nach der Entfernung des Organs vom Spender und vor deren Implantation in den Empfänger.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann man die diskreten Thymogewebe und HSM Knochenmarkgewebe oder das Kompositgewebekonstrukt auch in den vorgesehenen Organspender an einer anderen geeigneten und von Blut durchströmten Stelle implantieren und nicht gleich zu Anfang in das zu transplantierende Organ. Dieses Kompositgewebekonstrukt kann dann zu einer späteren Zeit bis zur Zeit einer Transplantation in das selektierte Organ übertragen werden.
  • Optional kann einer Transplantation des Gewebekompositkonstrukts oder des Thymoknochenmarkkompositorgans der Erfindung auch eine Vorkonditionierung des Empfängers zur Depletion reifer T Zellen vorausgehen. Eine solche Vorkonditionierung kann beispielsweise durchgeführt werden durch Bestrahlung des Patienten oder Verabreichung eines ausreichenden Immunotoxins an den Patienten, wie dies beispielsweise beschrieben ist in WO 98 39 363 A1, um hierdurch die Population an T Zellen des Patienten um beispielsweise wenigstens log 2 und vorzugsweise wenigstens log 3 zu depletieren.
  • Die Empfänger von Thymarkkompositorganen der Erfindung sind gemischt hämatopoetische Chimären, welche Knochenmarkvorläuferzellen sowohl des Empfängers als auch des Spenders besitzen. Beide Arten an reifen T Zellpopulationen sind im Empfänger vorhanden, wobei die T Zellen des Spenders durch eine positive Selektion im Thymus restriktiert sind und so das Spender MHC + Antigen erkennen können. Wirtantigen präsentierende Zellen (APC) in der Peripherie stellen sicher, dass immunkompetente Wechselwirkungen auftreten können. Zusätzlich erhalten solche Empfänger eine sich selbst erneuernde Quelle an Spender APC von der implantierten hämatopoetischen Stromamikroumgebung des Knochenmarks des Spenders (oder des mit dem Spender histokompatiblen Knochenmarks) unter Einschluss dendritischer Zellen, die sich in der kortikomedullaren Verbindung zum implantierten Thymusgewebe lokalisieren. Spenderthymozyten differenzieren und reifen im implantierten Thymusgewebe, so dass sie diese Stelle passieren und hierdurch einer negativen Selektion zum Wirt in der gleichen Weise unterzogen werden, wie Wirtsthymozyten negativ im Wirtsthymus selbst selektiert werden, so dass das transplantierte Individuum sowohl immunkompetent und tolerant für sich selbst als auch für den Spender gemacht wird. Auf diese Weise sorgt das Thymarkgewebekomposit der Erfindung für eine tragbare Maschine zur Induktion einer Toleranz beim transplantierten Individuum.
  • Die erfindungsgemäße tragbare Maschine eignet sich besonders zur Errichtung eines hämatopoetischen Chimärismus und Einleitung einer Toleranz bei Xenotransplantatempfängern und insbesondere bei humanen Empfängern von Schweineorganen.
  • Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert, welche nur zu Illustrationszwecken dienen und den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise beschränken sollen.
  • Beispiele
  • Knochenmark-Thymus-Implantation unter die Nierenkapsel
  • Spender- und Empfängermäuse vom Stamm C57BL/6, die von Jackson Labs erhalten worden sind, werden mit einem Cocktail aus Ketamin (100 mg/kg) und Xylazin (4 mg/kg) anästhesiert.
  • Alle langen Knochen (Femurknochen) des Spendertiers werden entfernt und das hämatopoetische Stromagewebe wird gesammelt durch Entfernung des Knochenhalses und Spülung der Knochenmarkkavität mit kalter isotonischer Kochsalzlösung. Das gesammelte Knochenmark wird zusammengefasst und in ein Rohr pelletisiert.
  • Der Spenderthymus wird gesammelt und in ein steriles Gewebekulturschälchen übertragen, das mit steriler kalter Kochsalzlösung gefüllt ist. Der Thymus wird mit Scheren in kleine Stückchen unterteilt (2 mm × 4 mm).
  • A Knochenmarkimplantation
  • Das Empfängertier wird auf seine rechte Seite gelegt. Die linke Niere wird durch einen 10 bis 12 mm langen Schnitt freigelegt. Durch die Nierenkapsel wird zur Gewebeimplantation unter Bildung eines Tunnels mit einer Pinzette mit feiner Spitze ein 1 mm Schnitt gemacht. Sodann wird unter die Nierenkap sel syngenes Knochenmarkgewebe eingebracht (2, oberes Bild, und 3, linkes Bild). Nach beendeter Implantation wird der Abdominalschnitt durch Vernähen geschlossen.
  • Das implantierte Knochenmark wird zur histologischen Beurteilung zu verschiedenen Zeitintervallen geerntet. Um die Stelle des implantierten Knochenmarks herum bildet sich eine extensive Angiogenese (3, rechtes Bild). Fünf Wochen nach der Transplantation zeigt eine histologische Untersuchung ein regeneriertes Knochenmark unter der Nierenkapsel (4, rechtes Bild).
  • Dieses regenerierte Knochenmarkgewebe lässt sich auch in einer xenogenen Anordnung, nämlich einer Anordnung Ratte-zu-Maus, entweder zu einem frühen Zeitpunkt (5) oder zu einem späteren Zeitpunkt (6) beobachten. Eine immunhistochemische Untersuchung ergibt, dass die unter der Nierenkapsel vorhandenen Zellen vom Spender, nämlich einer Ratte, stammen und CD45+ Leukozyten sind (8 und 9).
  • B Knochenmarkthymusimplantation
  • Die Präparierung des Empfängertiers erfolgt wie oben beschrieben. Unter die Renalkapsel wird zuerst Knochenmarkgewebe und dann Thymusgewebe eingebracht (2, unteres Bild). Dieses Verfahren wird mehrmals wiederholt. Die Endgröße des Implantats beträgt etwa 6 mm × 4 mm. Eine histologische Untersuchung zum Zeitpunkt von 4 Wochen post Transplantation zeigt, dass sich unter der Renalkapsel regenerierte Komponenten von Knochenmark und Thymus gebildet haben (7).

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kompositorgans durch (a) Selektion eines transplantierbaren Organs aus einem nicht humanen Säuger, (b) ex vivo Implantation in dieses transplantierbare Organ einer ersten Gewebekomponente, die ein funktionales Thymusgewebe umfasst, und (c) ex vivo Implantation in dieses transplantierbare Organ einer zweiten Gewebekomponente, die eine funktionale hämatopoetische Stromamikroumgebung (HSM) der Knochenmarkkomponente in inniger Assoziation mit der ersten Gewebekomponente umfasst, wobei die erste und die zweite Gewebekomponente gegenüber dem Organ histokompatibel ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste und die zweite Gewebekomponente gleichzeitig implantiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Gewebekomponente und die zweite Gewebekomponente innerhalb eines Gewebekompositkonstrukts durch ein biokompatibles Stützmittel gehalten werden, das eine Vaskularisation dieser Gewebekomponenten zulässt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die ersten und zweiten Gewebekomponenten miteinander in einer Kontaktbeziehung stehen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das transplantierbare Organ eine Niere ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das transplantierbare Organ ein Herz ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das transplantierbare Organ von einem Schwein stammt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die erste und zweite Gewebekomponente von einem autologen oder nicht autologen Schwein stammen.
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