Immunopatologia   1. Trapianti e rigetto

Trapianto: definizione (1) Il trapianto è un intervento di chirurgia che prevede la sostituzione di una componente di un organismo vivente (tessuto, organo od insiemi complessi), in quanto malfunzionante, con l'omologa, funzionante, espiantata da altro individuo.

Trapianto: definizione (2) Si identificano quindi due fasi ed individui coinvolti: 1. il prelievo del tessuto/organo/sistema da un soggetto detto donatore 2. il successivo trapianto della stessa parte su di un soggetto detto ricevente

Tipi di trapianto Isotrapianto (detto anche autotrapianto): Trapianto di tessuto da uno stesso individuo (es. cute da un distretto all’altro dello stesso soggetto) Omotrapianto: trapianto di tessuto od organo fra 2 individui identici (gemelli monovulari) Allotrapianto: trapianto di tessuto od organo fra 2 individui della stessa specie ma non identici (90% dei trapianti eseguiti in clinica) Xenotrapianto: trapianto di tessuto od organo tra 2 individui di specie diversa (es. maiale vs uomo).

Trapianti nella pratica clinica Cornea Rene Cuore Polmone o cuore/polmone Fegato Midollo osseo Cute Osso, cartilagini, vasi sanguigni, insiemi complessi (arti).

Sistemi molecolari di riconoscimento individuale e rigetto dei trapianti I meccanismi di identificazione, distinzione e reazione da parte di un singolo organismo/individuo delle proprie cellule e tessuti rispetto a quelli di altri, sia della stessa specie che di specie diverse, sono largamente presenti sin dai phylum più bassi della scala evolutiva e vanno comunemente sotto il nome di istocompatibilità. Alla loro base ci sono per lo più molecole espresse sulla superficie delle cellule che permettono il riconoscimento reciproco alle cellule dello stesso individuo senza reazioni avverse. Sono determinate geneticamente (geni di istocompatibilità, i sistemi di istocompatibilità) Il mancato riconoscimento da parte di questi sistemi molecolari porta all’attivazione di una serie di meccanismi che determinano la distruzione della sostanza/cellula/tessuto Rappresentano quindi il limite da superare per l’attecchimento di qualsiasi trapiato e la base molecolare del rigetto del trapianto stesso

Basi genetiche ed immunologiche del rigetto dei trapianti Studi nei modelli animali

Basi genetiche del rigetto dei trapianti (1) Studi su topi inbred – Ogni individuo inbred ha lo stesso set di geni Donatore: ceppo A Ricevente: ceppo A Trapianto Accettato La pelle di un topo inbred trapiantata in un altro topo dello stesso ceppo non comporta rigetto Donatore: ceppo B Ricevente: ceppo A Trapianto Rigettato La pelle di un topo inbred trapiantata in un altro topo di ceppo diverso determina rigetto del trapianto

Basi genetiche del rigetto dei trapianti (2) Studi su topi ibridi F1 – Ogni individuo F1 porta le variati geniche di entrambi gli inbred Ceppi parentali A B X Ibridi F1 (un set di alleli da ciascun genitore) A x B A x B Trapianto accettato A B Trapianto rigettato I topi del ceppo F1 (A x B) sono immunologicamente tolleranti sia al trapianto da parte di A che di B La pelle dei ceppi F1 (A x B) porta antigeni che sono riconosciuti come estranei dai ceppi parentali

Basi Immunologiche del rigetto dei trapianti Rigetto primario della cute es. 10 giorni Ly Trasferimento dei linfociti dal topo primed 6 mesi Topo naive Rigetto secondario della cute es. 3 giorni Rigetto primario della cute es. 10 giorni Il rigetto dei trapianti e’ dovuto ad una risposta immune antigene-specifica con memoria immunologica

Osservazioni dai modelli animali Sommario “ad interim” Osservazioni dai modelli animali Il trapianto di pelle tra diversi ceppi di topi mostra che il rigetto o l’accettazione e’ dipendente dalla genetica di ciascun ceppo: L’autotrapianto o l’isotrapianto non viene mai rigettato L’allotrapianto viene sempre rigettato Il rigetto e’ una forma di immunita’ specifica con memoria

Il rigetto dei trapianti nell’uomo

Genetica del rigetto del trapianto nell’uomo (sistemi clinicamente rilevanti) A. Sistema ABO Genotipo Fenotipo Presenza anticorpi naturali OO O Anti-A, -B AA o AO A Anti-B BB o BO B Anti-A AB Assenti B. Sistema Maggiore di Istocompatibilità (Human Leukocyte Antigen – HLA) Geni del HLA di classe I e II Ereditarietà dei geni del HLA in una famiglia

Body_ID: P021067 The extensive polymorphism means that there can be more than 600 possible versions (alleles) of each antigen (there are at least 626 different alleles for HLA-B, other antigens are less polymorphic, with 470 DRB and 349 HLA-A alleles, see Appendix 1). Genetica del rigetto del trapianto nell’uomo B. Sistema Maggiore di Istocompatibilità (Human Leukocyte Antigen – HLA) Tre loci HLA classe I (HLA-A, HLA-B, e HLA-C), un individuo può esprimere fino a sei differenti molecole HLA class I (per ogni antigene ci saranno quelli derivati dalla madre e dal padre). Tre loci HLA classe II HLA-DR, HLA-DP e HLA-DQ, un individuo può esprimere fino a sei differenti molecole HLA class II In altre parole 12 possibili differenti loci. Polimorfismo: più di 600 peossibili alleli per ogni antigene (626 per HLA-B, 470 per DRB e 349 per HLA-A).

Rilevanza dei sistemi ABO ed HLA nei diversi trapianti Altro Cornea Non necessario Rene ABO compatibili HLA matching; mismatch di HLA classe II più rilevante che di HLA classe I Assenza di anticorpi contro HLA classe I Cuore HLA matching non richiesto ma studi retrospettivi indicano importanza di HLA classe II Preferenziale assenza di anticorpi contro HLA classe I Polmone o cuore/polmone Fegato HLA matching classe I Midollo osseo HLA matching (solo HLA identici preferenzialmente od almeno un HLA aploidentico) Assenza di anticorpi contro HLA classe I e II (solo per donatori non familiari)

Indagini pre-trapianto per stabilire l’istocompatibilita’ donatore-ricevente Determinazione del gruppo sanguigno ABO Tipizzazione HLA-A, -B, -C, -DR (-DQ e –DP) ad alta risoluzione (Identificazione in banca dati soggetti riceventi del/i soggetti compatibili in caso di allotrapianto tra non familiari). Più alto è il numero delle non compatibilità (mismatched) più elevata la probabilità di rigetto. Presenza nel ricevente di anticorpi contro il donatore

Influenza della tipizzazione MHC sulla sopravvivenza del trapianto Da RI Lechler “HLA and diseases”, 1998

Rigetto del trapianto Si parla di rigetto quando il sistema immunitario di un paziente che è stato sottoposto a trapianto attacca il nuovo organo, riconoscendolo come non-self.

Timing del rigetto di trapianto Il rigetto puo’ avvenire in momenti diversi dopo il trapianto. In base al tempo in cui avviene il rigetto, che puo’ orientare sul meccanismo di rigetto, possiamo distingure: Rigetto iperacuto (da qualche minuto a poche ore) Rigetto acuto (da qualche giorno a poche settimane) Rigetto cronico (dopo alcuni mesi fino a diversi anni dopo)

Rigetto iperacuto Rapido Risulta dalla presenza di anticorpi circolanti preformati contro gli antigeni dei gruppi sanguigni ABO od allo antigeni sulle cellule endoteliali Determina attivazione del complemento  trombosi/danno vascolare  ischemia  rigetto Irreversibile Molto raro se il test di cross-matching e’ negativo

Meccanismi immunologici del rigetto iperacuto Nel trapianto iperacuto, anticorpi preformati reattivi contro l’endotelio vascolare attivano il complemento e deterninano una rapida trombosi intravascolare e necrosi della parete dei vasi A. Rigetto iperacuto di un allo trapianto di rene con danno endoteliale, sono visibili piastrine e trombi di trombina, e una iniziale infiltrazione di neutrofili nel glomerulo

Rigetto acuto Da 3 giorni a sei mesi dopo il trapianto ~90% sono cellulo mediati e di piu’ semplice trattamento 5-10% sono anticorpo mediati Rigetto Vascolare acuto: IgG per Allo-Ags sulle cellule endotelialilisi direttanecrosi del vaso Ricetto Cellulare acuto: citotossicita’ mediata da linfociti T/macrofagi necrosi del parenchima Sintomi spesso presenti e dovuti al rilascio di citochine (TNF, IL-1 & 2, etc.)

Meccanismi immunologici del rigetto acuto Nel rigetto acuto, linfociti CD8+ reattivi per alloantigeni sulle cellule endoteliali e parenchimali mediano il danno verso questo tipo di cellule. Inoltre anticorpi alloreattivi formati dopo il trapianto possono contribuire al danno vascolare. B Rigetto Acuto di un rene con cellule infiammatorie nel tessuto connettivo intorno ai tubuli e tra le cellule epiteliali dei tubuli. C Rigetto Acuto di un rene con una reazione infiammatoria distruttiva dell’endotelio di un arteria.

Rigetto Cronico Avviene gradualmente nell’arco di mesi od anni E’ caratterizzato da una fibrosi progressiva e perdita della struttura e funzione dell’organo trapiantato L’eziologia e’ probabilmente multifattoriale: meccanismi immuni (Ab e cellulo-mediata) & non-immuni, tossicita’ ai farmaci, ischemia cronica, ripetuti attacchi di rigetto acuto

Meccanismi immunologici del rigetto cronico Nel rigetto cronico con l’aterosclerosi del trapianto, il danno alle pareti dei comporta la proliferazione dell’intima dei muscoli lisci e la proliferazione cellulare della lamina. Queste lesioni sono causate dalla reazione cronica di tipo DTH verso alloantigeni delle pareti dei vasi. D. Rigetto Cronico in un trapianto di rene con ateriosclerosi del trapianto. Il lume del vaso e’ sostituto da un accumulo di cellule di muscolo liscio e da tessuto connettivo dell’intima del vaso.

Meccanismi immunologici del rigetto di trapianto

Riconoscimento diretto degli alloantigeni

Riconoscimento indiretto degli alloantigeni

Basi molecolari del riconoscimento diretto delle molecole MHC allogeniche (NORMALE)

Basi molecolari del riconoscimento diretto delle molecole MHC allogeniche. Le cellule T riconoscono con bassa affinità le MHC allogeniche che sono numerose sulle cellule del trapianto.

Basi molecolari del riconoscimento: le MHC allogeniche possono presentare peptidi self derivati dalla proteine dell’ospite ed il complesso MHC-Allo Pept-Self attiva i linfociti T

Prevenzione e trattamento del rigetto di trapianto Riduzione dell’immunogenicità del trapianto Soppressione della risposta immunitaria del ricevente Induzione di tolleranza nel ricevente

Terapia immunosoppressoria nel trapianto e complicazioni L’introduzione della terapia con immunosoppressori ha largamente aumentato la sopravvivenza post trapianto riducendo il rischio di rigetto. Rimango numerosi complicazioni all’uso degli immunosopressori, soprattutto per la conseguente aumentata suscettibilita’ alle infezioni

Alloantigen OKT3, Thymoglobulin T Cell Receptor cyclosporine, tacrolimus Activated Calcineurin Dephosphorylation of NFAT Glucocorticoids IL-2 Gene Promotion IL-2 Zenapax, Simulect IL-2 Receptor Rapamune Progression into Cell Cycle Cellcept, azathioprine Cellular Proliferation

Influenza della ciclosporina sulla sopravvivenza del trapainto

CD4+CD25+ Foxp3+ Regulatory T cells Attività regolatoria: In vivo: Prevenzione di disordini autoimmuni Induzione della tolleranza ad allo-antigeni Inibizione del rigetto dei tumori In vitro: Inibizione dell’attivazione delle cellule T Self-response Not-self response IFNγ IL-4 DC IL-2 Treg Th IL-10 TGF-β IL-4 Th DC IFN Treg IL-2 IL-6

Treg in trasplantation Lo sviluppo di terapie basate sull’induzione della tolleranza che possano sostituire l’uso di immunosoppressori (responsabili a lungo andare di tumori e infezioni) costituisce uno dei principali obiettivi della ricerca sui trapianti. Numerose evidenze dimostrano l’associazione tra la presenza di una cospicua popolazione di cellule Treg e l’induzione della tolleranza al trapianto Infectious tolerance : trasferimento della tolleranza da parte delle Treg di un ospite tollerante alle cellule T di un altro ricevente ( le Treg conferiscono capacità soppresorie alle CD25+Foxp3- convertendole in CD25+Foxp3+) Deplezione CD25 post-trapianto conversione tolleranza in rigetto cronico e rigetto cronico in acuto. Due tipi di presentazione nel trapianto Pathway diretto: presentazione da parte delle cellule del trapianto. Pathway indiretto: presentazione da parte delle cellule dell’ospite. Studi in vivo dimostrano l’importanza della presentazione indiretta nell’induzione della tolleranza.

Sakaguchi 2005 Traslantation Proceedings Studio condotto su pazienti pediatrici LTX non trattati con immunosoppressori da almeno 6 mesi (CTRL= age matched healty children e LTX trattati con immunosopp.) CD4+CD25high in PBMC dei LTX senza immunosoppressori CD4 ricevente poco responsive a Allo-Ags donatore comparate a 3rd Treg ???? Deplezione Treg: CD4 proliferano di più ma sono sempre ipo-resp. a Allo-Ags donatore Le Treg non sono responsabili dell’ipo-resp Le Treg sopprimono la risposta in modo donor-specifico e quindi nel sito del trapianto prevengono il rigetto in assenza di immunosoppressori CD25+ e CD25- del ricevente incubate per 7gg con PBMCs irradiati del donatore

Il trapianto di midollo e la graft versus host disease

A. Immunoricostituzione del paziente trapiantato di midollo Trapianto di midollo A. Immunoricostituzione del paziente trapiantato di midollo

Graft Versus Host Disease (GVHD) (1) La malattia del trapianto contro l’ospite (graft versus host disease - GVHD) è la forma di rigetto nel trapianto di midollo. Per il tipo di trapianto, le cellule immunitarie derivate dal midollo del donatore, forniscono una risposta esagerata aggredendo il sistema immuntario della persona, riconoscendolo come corpo estraneo. Si manifesta più di frequente in trapianti di midollo tra non familiari, ma è frequente anche in soggetti che hanno ricevuto il midollo da consanguinei diversi solo per antigeni minori di istocompatibilita’.

Graft Versus Host Disease (GVHD) (2) Poiche’ nel trapianto di midollo vi è una fase di immunoricostituzione che precede comunque sempre la GVHD si osservano due forme: La forma acuta della GVHD che si osserva nei primi 100 giorni del trapianto, si manifesta con morte delle cellule epiteliali di cute, fegato e tratto gastrointestinale con sintomi correlati come diarrea, emorragia, ittero ed eruzioni cutanee. Se la morte cellulare è molto estesa, questa GVHD può essere mortale per il paziente trapiantato La forma cronica invece se decorre dopo tale periodo. Essa è caratterizzata da fibrosi e atrofia degli stessi organi colpiti anche dalla GHVD acuta, senza evidente morte cellulare acuta. Può inoltre coinvolgere i polmoni causando obliterazione delle vie aree e può essere fatale.

Meccanismi alla base della GVHD (1) Si possono distinguere 5 fasi tra di loro sovrapposte nello sviluppo della GVHD 1. Il trattamento radioterapico di condizionamento pretrapianto di midollo puo’ determinare danno tissutale. 2. A questo segue una fase di attivazione della risposta contro le proteine dei tessuti danneggiati da parte dei linfociti del donatore. ¾. Ne consegue una proliferazione dei linfociti T e di richiamo di altre cellule infiammatorie 5. I linfociti T citotossici attaccano le cellule dell’ospite causando danno tissutale.

Meccanismi alla base della GVHD (2)