Fortschritte und Risiken bei der Xenotransplantation

Stellungnahme der GfV in Bezug auf Chancen und Risiken der Xenotransplantation (Verfasser: Dr. Joachim Denner
Robert-Koch-Institut Berlin, email: DennerJ@rki.de)


In den ersten Tagen des Jahres 2002 haben ein US-amerikanisches und eine britisches Labor bekanntgegeben, daß es ihnen gelungen ist, neue transgene Schweine für die Xenotransplantation zu züchten [1]. Die neuen transgenen Tiere stellen sicherlich einen weiteren Schritt der Xenotransplantation auf dem Weg in die Klinik dar, allerdings wie unten gezeigt wird, nur einen sehr kleinen. Da zu dieser Zeit die Diskussion um die Gewinnung und Einsetzung von menschlichen Stammzellen intensiv geführt wurde, haben daraufhin einige Politiker die Xenotransplantation als ethisch unbedenkliche Alternative zur Verwendung menschlicher embryonaler Stammzellen bezeichnet. Die Gesellschaft für Virologie betrachtet es als ihre Aufgabe, darauf hinzuweisen, daß vor dem klinischen Einsatz der Xenotransplantation die Frage der Virussicherheit erst hinreichend beantwortet werden muß.
Xenotransplantation ist die Übertragung von Zellen, Geweben oder Organen von einer Spezies auf eine andere. Die Forschung auf diesem Gebiet wird durch die ständig weiter auseinanderklaffende Schere zwischen verfügbaren menschlichen Organen für die Transplantation und der immer größer werdenden Zahl der Patienten, die ein Transplantat benötigen, forciert. Als Spenderspezies wird aus vielen Gründen (mikrobiologische Sicherheit, Verfügbarkeit, Kosten u.a.) das Schwein favorisiert.

Drei Hürden hat die Xenotransplantation zu überwinden, bevor diese Technologie in die klinische Praxis eingehen kann. Die (i) Abstoßungsreaktion ist aufgrund des geringen Verwandtschaftsgrades viel stärker als bei der Allotransplantation mit HLA-selektierten Spendern. Es ist unklar, ob man diese Abstoßungsreaktion noch mit herkömmlichen, wenn auch verbesserten, Immunsuppressiva in den Griff bekommen kann. Es ist ebenso unklar, wie schnell sich andererseits die Toleranzforschung als Alternative zur pharmakologischen Immunsuppression entwickelt. Die (ii) physiologische Kompatibilität, sowohl was anatomische Aspekte als auch Fragen der Interaktion von Regulatorproteinen (z.B. Hormonen) betrifft, muß gewährleistet sein. Die Höhe dieser beiden Hürden, die letztlich die Funktionalität des Transplantats bestimmen, wird bei Zellen (zum Beispiel Inselzellen bei Diabetes, neuronale Zellen) vergleichsweise geringer sein als bei Geweben und komplexen Organen. Schließlich muß (iii) die mikrobiologische Sicherheit gewährleistet sein. Nachdem viele neue Infektionserkrankungen als Zoonosen identifiziert wurden, allen voran die HIV-Infektion, ist Vorsicht geboten, damit es nicht zu Übertragungen von Mikroorganismen bei der Xenotransplantation kommt (Xenozoonosen). Während die meisten Mikroorganismen durch SPF-Haltung und züchterische Selektion der Tiere eliminiert werden können, stellen die porcinen endogenen Retroviren (PERVs) ein besonderes Risiko dar. PERVs sind im Genom aller Schweine enthalten, sie infizieren menschliche Zellen in vitro [2-4] und könnten potentiell wie die meisten Retroviren Tumore oder Immunschwächen hervorrufen [5]. In vitro-Studien haben gezeigt, daß nicht nur Zellen des Menschen, sondern auch Zellen vieler anderer Spezies infiziert werden [6]. Bei der Passagierung auf humanen Zellen wurde sogar eine Adaptation der Viren mit genetischen Veränderungen in der LTR beobachtet, die zur Erhöhung der Virustiter führte. Ähnliche Veränderungen der LTR sind bei anderen Gammaretroviren mit erhöhter Tumorigenität assoziiert [7]. In vivo wurde jedoch bisher noch keine Übertragung von PERVs beobachtet, weder in partiell immunsupprimierten Menschen, die entweder Schweinezellen erhielten oder mit einer Ex vivo-Perfusion des Blutes durch Schweineorgane behandelt wurden [8,9], noch bei Fleischern, die Blut-Blut-Kontakte zu Schweinen hatten [10]. In ersten Versuchen mit Kleintieren und nicht-humanen Primaten, die PERVs sowie Zellen oder Organe des Schweins unter starker Immunsuppression erhielten, wurde auch keine gesicherte Virusübertragung beobachtet [6,11]. Diese Daten zeigen, daß PERVs nicht so leicht zu übertragen sind, lassen aber noch viele Fragen offen. Kommt es zur Infektion wenn das Transplantat lange Zeit überlebt, wenn Zell-Zell-Kontakt und eine starke Immunsuppression gegeben sind? Findet dabei auch in vivo eine Adaptation des Virus statt, tritt Pathogenität auf, können Kontaktpersonen gefährdet werden?

Zur Elimination exogener Viren aus Spenderschweinen ist anzumerken, daß die Kenntnis über Mikroorganismen, die das Schwein infizieren, noch nicht umfassend ist. Zum Beispiel hat die Suche nach neuen Viren beim Schwein erst kürzlich zur Detektion dreier neuartiger Gammaherpesviren geführt [12]. Das Risiko einer Übertragung unbekannter Erreger wird auch in der Zukunft nie ausgeschlossen werden können.

An dieser Stelle soll aber auch darauf hingewiesen werden, daß es in den letzten Jahren gelungen ist, sensitive Methoden zum Nachweis von PERV und anderen Schweineviren (Herpesviren, Circoviren) zu entwickeln, die bei der experimentellen und klinischen Xenotransplantation genutzt werden [10, 12, 13].

Wie können die aufgelisteten Hürden genommen werden? Zur Verhinderung der Abstoßung werden Schweine gezielt gentechnisch verändert. Die Tiere der ersten Generation exprimierten humane Komplementfaktoren, die die hyperakute Abstoßung (HAR) verhindern sollten. Die HAR beruht auf der Zerstörung des Gewebes durch das Komplementsystem und präformierte Antikörper gegen a-1,3-Gal-Zuckerreste auf der Zelloberfläche. Bei Tieren der jetzt entwickelten zweiten Generation ist ein Allel der Erbinformation für ein Enzym (a-1,3-Galactosyltransferase) ausgeschaltet, das für die Expression von a-1,3-Gal notwendig ist [1]. Zur Erhöhung der Virussicherheit können Tiere gezüchtet werden, die kein human-tropes PERV mehr produzieren, zum Beispiel mit der jetzt entwickelten Knockout-Technologie. Auch ein Impfstoff gegen PERV könnte gewonnen werden, da Impfstoffe gegen verwandte Gammaretroviren, zum Beispiel das Katzenleukämievirus, bereits erfolgreich angewendet werden.

Welche alternativen Lösungswege zur Xenotransplantation bieten sich, wenn man von der Verbesserung der Forschung zur Prävention von Organschäden absieht? Die Gewinnung komplexer, vaskularisierter Organen aus Stammzellen wäre aus mehreren Gründen eine erstrebenswerte Alternative, sie wird aber kaum in naher Zukunft klinische Realität werden. Während bei der Xenotransplantation die Sicherheitsforschung derzeit fast weiter vorangeschritten ist als die Untersuchungen zur Machbarkeit (Immunologie und Chirurgie), werden Sicherheitsrisiken bei den Stammzellen noch nicht gesehen. Stammzellen werden unter Umständen auf murinen oder porcinen Feeder-Zellen gehalten, dabei könnten auch Retroviren und andere kontaminierende Viren übertragen werden. Stammzellen könnten sich zudem in Tumorzellen umwandeln [14]. Deshalb wird die Forschung zur Machbarkeit und Sicherheit beider Technologien verstärkt werden müssen, um Menschen mit geschädigten Organen in naher und ferner Zukunft zu helfen und die Gefahr einer Zoonose oder Xenozoonose grundsätzlich auszuschließen. Zell- und Organtransplantation sind nur ein mögliches Anwendungsgebiet der Stammzellen. Die potentielle Anwendung der Stammzellen wird viel breiter gesehen, auch auf Gebieten, die die Xenotransplantation wahrscheinlich nicht abdecken kann. Die praxisbezogene Forschung zur Machbarkeit und Sicherheit beider Technologien ist gleichzeitig Grundlagenforschung und wird zu neuen Erkenntnissen auf dem Gebiet der Immunologie, Embryologie, Virologie und Zellbiologie führen, deren medizinische Relevanz noch unbekannt ist. So könnten Untersuchungen an potentiell immunsuppressiven PERVs auch der AIDS-Forschung zugute kommen.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die Xenotransplantation derzeit keineswegs eine ethisch unbedenkliche Alternative zur therapeutischen Anwendung menschlicher embryonaler Stammzellen darstellt und es intensiver Forschung bedarf, um die Funktionalität der Xenotransplantate und die mikrobiologischen Sicherheit dieser Technologie zu erreichen.

Literatur
1 Lai, L., Kolber-Simonds, D., Park, K. et al. Production of alpha-1,3-galactosyltransferase knockout pigs by nuclear transfer cloning. Science 2002, 295(5557), 1089-1092
2 Specke, V., Rubant, S. & Denner, J. Productive infection of human primary cells and cell lines with porcine endogenous retroviruses. Virology 2001, 285(2), 177-180.
3 Patience, C., Takeuchi, Y. & Weiss, R. Infection of human cells by an endogenous retrovirus of pigs. Nat Med 1997, 3(3), 282-286.
4 Patience, C., Switzer, W., Takeuchi, Y. et al. Multiple groups of novel retroviral genomes in pigs and related species. J Virol 2001, 75(6), 2771-2775.
5 Denner, J. Immunosuppression by retroviruses: implications for xenotransplantation. Ann N Y Acad Sci. 1998, 862, 75-86.
6 Specke, V., Tacke, S., Boller, K., Schwendemann, J. & Denner, J. Porcine endogenous retroviruses: in vitro host range and attempts to establish small animal models. J Gen Virol. 2001, 82(Pt4), 837-844.
7 Denner, J., Specke, V., Schwendemann, J. & Tacke, S. Porcine endogenous retroviruses (PERVs): Adaptation to human cells and attempts to infect small animals and non-human primates. Ann Transplantation 2001, 6(3), 25-33.
8 Paradis, K., Langford, G., Long, Z. et al. Search for cross-species transmission of porcine endogenous retrovirus in patients treated with living pig tissue. The XEN 111 Study Group. Science 1999, 285(5431), 1236-1241
9 Tacke, S., Specke, V., Stephan, O., Seibold, E., Bodusch, K. & Denner, J. Porcine endogenous retroviruses: diagnostic assays and evidence for immunosuppressive properties. Transplant Proc. 2000, 32(5), 1166.
10 Tacke, S., Bodusch, K., Berg, A. & Denner, J. Sensitive and specific immunological detection methods for porcine endogenous retroviruses applicable to experimental and clinical xenotransplantation. Xenotransplantation 2001, 8(2), 125-135.
11 Denner, J., Specke, V., Tacke, S. et al. PERVs: diagnostics, adaptation to human cells, but no transmission to small animals, non-human primates and man. Xenotransplantation 2001, 8, Suppl. 1, 126-127
12 Ehlers, B., Ulrich, S. & Goltz, M. Detection of two novel porcine herpesviruses with high similarity to gammaherpesviruses. J of General Virology 1999, 80, 971-978
13 Fenaux, M., Halbur, P., Gill, M., Toth, T. & Meng, X. Genetic characterization of type 2 porcine circovirus (PCV-2) from pigs with postweaning multisystemic wasting syndrome in different geographic regions of North America and development of a differential PCR-restriction fragment length polymorphism assay to detect and differentiate between infections with PCV-1 and PCV-2. J Clin Microbiol 2000, 38(7), 2494-2503.
14 Donovan, P.J., Gearhart, J. The end of the beginning for pluripotent stem cells. Nature 2001, 414, 92-97.


This is a text from the website of the German Society Of Virology (www.g-f-v.org) from 09/06/10.