xenotransplantatie – de transplantatie van levende cellen of organen tussen dieren van een verschillende soort – geniet steeds meer belangstelling van onderzoekers omdat zij een oplossing zou kunnen bieden voor het steeds nijpender tekort aan menselijke donororganen. de toepassing van de techniek stelt echter niet alleen immunologische, fysiologische en microbiologische problemen, maar roept ook heel wat ethische en juridische vragen op.
Xenotransplantatie: de soortgrens voorbij
Voor een aantal patiënten die de functie van één of meerdere organen hebben verloren, biedt allotransplantatie – de transplantatie van levende cellen of organen binnen één bepaalde soort – vandaag een definitieve oplossing. Die techniek kan als een van de belangrijkste geneeskundige ontwikkelingen van de twintigste eeuw worden beschouwd. Fundamenteel onderzoek, met de ontdekking van de transplantatie-antigenen die de immunologische basis vormen van orgaanafstoting, farmaceutisch onderzoek, met onder meer de introductie van immuunsuppressiva, en de evolutie van de chirurgie hebben hierin elk een grote rol gespeeld. Tegenwoordig worden op grote schaal allotransplantaties van nieren, harten, levers, longen en pancreassen succesvol uitgevoerd. Vijftig jaar na de eerste niertransplantaties staat de toepassing echter onder druk van het eigen succes. De kloof tussen de vraag naar donororganen en het aanbod is onoverbrugbaar geworden.
Ondanks de inspanningen blijft het aanbod van organen te klein om de toenemende vraag te beantwoorden. Het onevenwicht neemt bovendien toe door andere factoren: het dalende aantal dodelijke verkeersongevallen, verbeteringen in de medische zorg zodat levens van kandidaat-donoren gered worden en meer kandidaat-receptoren in aanmerking komen voor de transplantatieprocedure, de toename van de algemene levensverwachting, de toename van bepaalde aandoeningen zoals hepatitis C en suikerziekte of de weigering door familieleden als gevolg van een gebrekkige sensibilisatie. Bijgevolg wordt er uitgekeken naar alternatieven. Xenotransplantatie – de transplantatie van levende cellen of organen tussen dieren van een verschillende soort (bijvoorbeeld van varken naar aap) – is daar één van.
Voorbeelden waarin schapenbloed werd toegediend aan de mens gaan terug tot de zeventiende eeuw. Later volgden pogingen zoals het gebruik van hondenbot om een schedeldefect te herstellen, het gebruik van kikkerhuid of een schapenpancreas en transplantaties van nieren van verscheidene diersoorten. Vanaf 1960 werden enkele hart-, nier- of levergreffes van primaten (chimpansee, aap, baviaan) uitgevoerd bij patiënten met terminaal orgaanfalen, waarvoor geen therapeutische uitweg meer bestond. Geen enkele van die stoutmoedige pogingen was succesvol. Op dat ogenblik begon allotransplantatie, met de ontdekking van het immuunsuppressivum cyclosporine, aan een snelle ontwikkeling. Terwijl de kennis van allotransplantatie-immunologie snel toenam, richtten onderzoekers zich ook op de moeilijkheden van xenotransplantatie, die groter bleken dan die van allotransplantatie.
Het Xenotransplantation Subcomittee van de Amerikaanse Food and Drug Administration definieert xenotransplantatie in brede zin als ‘elke procedure waarbij levende cellen, weefsels of organen van niet-menselijke oorsprong hetzij worden getransplanteerd in de mens, hetzij worden gebruikt voor ex-vivocontact met menselijke vochten, cellen of organen, die vervolgens aan een mens worden teruggegeven’. Xenotransplantatie, zoals hier besproken als mogelijke oplossing voor het groeiende tekort aan donororganen, verwijst uitsluitend naar het transplanteren van levende dierlijke cellen of weefsels. De toepassing van de techniek stelt problemen van diverse aard: immunologische, fysiologische, microbiologische, ethische en juridische. De hartkleppen van runderen of varkens, die reeds geruime tijd worden gebruikt in de hartchirurgie, zijn vooraf scheikundig en fysisch behandeld. Omdat ze geen levende cellen of micro-organismen bevatten, stellen zich hier geen immunologische problemen of infectierisico’s.
De organen van varkens zijn qua grootte en fysiologische karakteristieken geschikt om bij de mens te worden ingeplant
Men zou kunnen denken dat grotere apen zoals bavianen en chimpansees, omdat ze fylogenetisch dicht bij de mens staan, geschikte donors zijn voor xenogreffes. Dit is echter niet het geval wegens praktische en ethische bezwaren tegen het kweken van deze dieren, wegens discongruentie in orgaangrootte en wegens het risico op besmetting met voor de mens gevaarlijke micro-organismen. Het varken daarentegen wordt nu beschouwd als de meest geschikte xenogreffedonor. Het kweken van varkens stelt geen bijzondere problemen. Recent is ook gebleken dat varkens met succes genetisch kunnen worden gemodificeerd om hun organen geschikter te maken voor transplantatie. De organen van varkens zijn qua grootte en fysiologische karakteristieken geschikt om bij de mens te worden ingeplant en de vitale functies van het menselijke orgaan over te nemen. Ook de pancreaseilandjes van het varken lijken geschikt, omdat het bloedglucosegehalte van het varken ongeveer gelijk is aan dat van de mens, en omdat varkensinsuline de correcte signalen kan doorgeven aan menselijke cellen. Ten slotte zijn varkens geen dragers van gevreesde ziekteagentia zoals de verwekkers van Creutzfeld-Jacob of AIDS. De voorkeur voor het varken als xenogreffedonor voor de mens mag dan algemeen aanvaard zijn, daadwerkelijke klinische proeven liggen nog ver in het verschiet. Experimenteel onderzoek bij dieren daarentegen is reeds goed gevorderd. Dit concentreert zich op de mechanismen van xenogreffeafstoting, gezien dit de grootste hinderpaal vormt, en op de ontwikkeling van manieren om die afstoting te voorkomen. De meest bruikbare diermodellen bestaan uit transplantaties van hart, nieren of pancreaseilandjes van het varken bij niet-humane primaten, of tussen hamster, rat of muis onderling.
Bij de mislukte nier- en hartxenotransplantaties bij de mens in de jaren zestig was al duidelijk dat afstoting van xenogreffes sneller en agressiever verloopt dan afstoting van allogreffes. Ook varkensxenogreffes in niet-humane primaten falen na enkele uren. Die ‘hyperacute rejectie’ is het gevolg van de aanwezigheid bij primaten van ‘natuurlijke antistoffen’, die gericht zijn tegen cellen van niet-primaten zoals het varken. De mens en de oudewereldapen hebben, in tegenstelling tot alle andere zoogdiersoorten, geen functioneel gen voor het enzym α1,3galactosyltransferase dat de koolhydraatstructuur Galα1,3Galβ1,4GlcNAc (verkort: αGal) op glycoproteïnen en glycolipiden aan het celoppervlak van de weefsels plaatst. Omdat oudewereldapen zelf geen αGal bevattende molecules bezitten, herkent hun immuunsysteem die molecules als lichaamsvreemde antigenen en vormt er antistoffen tegen. Hiermee beginnen ze al heel vroeg na de geboorte omdat veel darmbacteriën ook Gal bevattende molecules op hun celwand dragen. Die ‘natuurlijke antistoffen’ blijven levenslang aanwezig in de circulatie en wanneer zij binden aan de vaatwand van een varkensxenogreffe leidt dit onmiddellijk tot vernietiging van het orgaan. In 2002 werd voor het eerst met succes een varken gekloneerd waarin het α1,3galactosyltransferasegen werd uitgeschakeld. Sindsdien werd meermaals aangetoond dat transplantatie van die α1,3galactosyltransferase-knock-out-varkensorganen niet meer onderhevig is aan hyperacute rejectie.
Met de overwinning van de hyperacute rejectie kwamen bijkomende afstotingsmechanismen aan het licht
Met de overwinning van de hyperacute rejectie, die tot dan als de grootste hinderpaal werd beschouwd, kwamen bijkomende afstotingsmechanismen aan het licht. Xenogreffes die ongevoelig zijn voor hyperacute rejectie worden afgestoten na vijf tot zeven dagen in een proces van ‘acute vasculaire rejectie’, als gevolg van de zogenaamde ‘snel geïnduceerde xenoantistoffen’, met name nieuw aangemaakte antistoffen die gericht zijn zowel tegen αGal als tegen niet-αGal bevattende antigenen. Antistoffen worden geproduceerd door de B-lymfocyten van het immuunsysteem. Onze kennis over de B-celsubklasse die snel geïnduceerde xenoantistoffen aanmaakt, is nog erg onvolledig. Verder onderzoek zou moeten toelaten om die subklasse selectief tolerant te maken zodat ook acute vasculaire rejectie kan worden voorkomen. Meestal krijgen B-cellen hulp van T-cellen. Hoewel uit xenotransplanties bij muizen, die geen T-cellen bezitten, blijkt dat B-cellen in staat zijn om zonder hulp van T-cellen hyperacute en acute vasculaire rejectie uit te lokken, kunnen T-cellen toch bijdragen tot beide vormen van antistof gemedieerde xenorejectie. Een succesvolle ‘tolerant makende behandeling’ zou zich daarom zowel op B- als op T-cellen moeten richten.
Na hyperacute en acute vasculaire rejecties staan xenogreffes bloot aan een derde fase van afstoting: ‘cellulaire rejectie’, die vooral afhankelijk is van T-cellen. Die kunnen hetzij door een direct contact met de cellen van de xenogreffe, hetzij via vrijzetting van cytokines of activering van andere celdodende cellen, bijdragen tot xenogrefferejectie. Door de moeilijkheden bij het overwinnen van hyperacute en acute vasculaire rejectie in varken-naar-niet-humane-primaatmodellen is het proces van cellulaire rejectie niet goed gekend. Zodra methoden worden gevonden om acute vasculaire rejectie te bedwingen, zal het nodig zijn ook die vorm van rejectie te ontrafelen.
In 2005 werd in Nature Medicine bekendgemaakt dat twee leidinggevende onderzoeksgroepen voor het eerst langetermijnoverleving van hart- of niergreffes in niet-humane primaten hadden bekomen. Daarvoor gebruikten zij αGal-loze donororganen en ook zeer intensieve T- en B-cel onderdrukkende behandelingen, die vooralsnog niet bij de mens kunnen worden toegepast. In een gelijkaardig opzet bleek een preklinisch behandelingsregime niet tot dergelijke goede overlevingsresultaten in staat. Die sleutelstudies maken vooral duidelijk dat langetermijnoverleving de inductie van echte T- en B-celtolerantie vereist. Op dit punt gaapt er nog een kloof tussen de resultaten verkregen in grotediermodellen en de klinische toepassing.
Met het geleidelijk overwinnen van de immunologische barrières blijkt dat er ook andere dan immunologische incompatibiliteiten bestaan die xenogreffeoverleving in het gedrang kunnen brengen. Het is bekend dat tijdens xenoantistof gemedieerde hyperacute en acute vasculaire rejectie de bloedstollingscascade wordt geactiveerd en bloedklonters worden gevormd. Bovendien blijken er incompatibiliteiten te bestaan tussen sommige stollingsregulerende factoren uit de vaatwand van het varken enerzijds en circulerende stollingsfactoren van primaten anderzijds. Die discongruenties kunnen resulteren in disfunctionele interacties tussen beide compartimenten en overmatige stolling en klontervorming. Studies in knaagdieren hebben aangetoond dat genetisch gemanipuleerde donororganen, die daardoor zelf stollingsremmende factoren produceren, de overleving van xenogreffes gunstig kunnen beïnvloeden. Men hoopt dat αGal-loze varkens, die bijkomend transgeen zijn voor stollingsremmers, een belangrijke stap zullen betekenen in de toepassing van varken-naar-primaat-xenotransplantatie.
Het risico op overdracht van gevaarlijke ziekteverwekkers bij het gebruik van varkensorganen lijkt kleiner dan bij gebruik van organen van apen. Toch is dit niet onbestaand. Het varken is occasioneel drager van agentia die de mens kunnen besmetten en ziek maken. Overdracht van varkensvirussen (zoals het griepvirus) naar de mens met fatale gevolgen werd reeds gerapporteerd. Voor xenotransplantatie bestaat er echter vooral ongerustheid over de ‘porcine endogeneous retroviruses (PERV’s)’. Retrovirussen zijn gekend als verwekkers van leukemie en AIDS. Endogene retrovirussen (ERV’s) komen voor bij alle vertebraten, inclusief de mens. Hun DNA is als provirus ingebouwd in het DNA van het dier en wordt door de opeenvolgende generaties samen met alle andere genen overgeërfd. ERV’s komen echter slechts uitzonderlijk tot expressie als afgescheiden virusdeeltjes, hoewel ze dan besmettelijk kunnen zijn voor andere diersoorten. Zo kunnen varkensniercellen onder speciale laboratoriumcondities PERV-deeltjes vrijzetten die vervolgens menselijke cellen kunnen besmetten. Er is echter tot dusver geen aanduiding dat die PERV’s ook in vivo kunnen worden overgedragen naar menselijke cellen. Dit neemt de bezorgdheid niet weg over de mogelijkheid dat xenotransplantatie een PERV zou toelaten te muteren of te recombineren met humane virussen en dan een uitbraak van een xenozoönose bij de mens te bewerkstelligen. Ondertussen is men erin geslaagd varkens te kweken die vrij zijn van infectieuze humaan-tropische PERV, hoewel het kweken van volledig PERV-vrije varkens nog niet is gelukt.
De publicaties van de eerste studies rond PERV in de late jaren negentig hadden een grote impact op het debat rond xenotransplantatie. Aan de hand van gevoelige detectiemethodes kon worden aangetoond dat in de enkele honderden patiënten die reeds waren blootgesteld aan levende varkensweefsels, geen evidentie werd gevonden van PERV-infectie. De bezorgdheid om het mogelijke infectierisico voor de gastheer, en indirect voor de volksgezondheid in het algemeen, heeft ertoe geleid dat verscheidene internationale organisaties, zoals de Wereldgezondheidsorganisatie en de Council of Europe, richtlijnen met betrekking tot xenotransplantatie uitvaardigden. Hierin wordt gevraagd dat elk land of elke staat een regelgeving voorziet voor basisonderzoek in xenotransplantatie en de eventuele klinische toepassing ervan, waarin zowel wetenschappelijke als ethische en legale aspecten aan bod komen. Bovendien dringen die organisaties aan op een orkestratie van dergelijke nationale en internationale inspanningen. Die richtlijnen worden echter niet universeel gerespecteerd. Er werden recent enkele klinische trials ondernomen van levende xenogenetische celtherapie, zoals neuronen van fetale varkens voor de ziekte van Parkinson en ziekte van Huntington en varkenspancreascellen voor suikerziekte. In België verrichten meerdere laboratoria proefdieronderzoek naar xenotransplantatie, wat onder de algemene proefdierwetgeving valt. Er bestaat nog geen wetgeving over xenotransplantatie bij mensen, maar onderzoekers worden verzocht om hun intentie om klinische studies uit te voeren te rapporteren op Europees niveau.
Leven met een varkensnier zou een psychologische last kunnen zijn
De richtlijnen van de Wereldgezondheidsorganisatie en de Council of Europe benadrukken het belang van ‘informed consent’ van de xenogreffepatiënt en zijn omgeving, van vertrouwelijkheid en recht op privacy, en van het recht van de patiënt om zich als onderzoeksobject te onttrekken aan een studie die levenslange nauwkeurige follow-up vereist. Daarnaast worden ook ethische vragen gesteld rond de selectie van patiënten als xenotransplantontvanger. Waarom komt patiënt A en niet patiënt B in aanmerking? Xenotransplantatie zou psychologische voordelen kunnen bieden: de ontvanger zou niet meer worden belast met het angstige wachten op een geschikt donororgaan, of met het schuldgevoel gered te zijn door de dood van een medemens. Anderzijds zou leven met een varkensnier een psychologische last kunnen zijn, of zelfs kunnen leiden tot sociale problemen.
Ten slotte rijzen er ook ethische vraagstukken rond het gebruik van dieren voor xenotransplantdoeleinden. Proefdieronderzoek vereist aandacht voor het dierwelzijn. Waar het selecteren van een geschikte diersoort als bron voor xenogenetische organen tot hiertoe grotendeels op wetenschappelijke en praktische overwegingen berust, dient er ook aandacht te worden besteed aan aspecten zoals de mate waarin de geselecteerde diersoort pijn kan ervaren, en de mate waarin het dier zelfbewustzijn en intelligentie bezit. Tijdens de snelvorderende wetenschappelijke ontwikkeling van xenotransplantatie moeten al die ethische bezorgdheden in overweging worden genomen met als tegengewicht het mogelijke, maar nog niet bewezen, potentieel van xenotransplantatie om op een veilige manier de gezondheid van de mens te verbeteren.
Alternatieven voor xenotransplantatie als oplossing voor het tekort aan donororganen zijn enerzijds het gebruik van kunstmatige organen, in de vorm van een mechanisch instrument zoals de ‘cardiac assist device’. Waar transplantatie echter een mogelijk definitieve oplossing biedt, kunnen kunstmatige organen slechts bepaalde vormen van orgaanfalen opvangen en kunnen ze doorgaans slechts voor een korte duur worden toegepast. Anderzijds worden ook stamcellen beschouwd als een beloftevolle bron voor toekomstige orgaanvervangende therapie. Hoewel het stamcelonderzoek de laatste jaren een hoge vlucht neemt, zullen er nog verscheidene jaren aan intensief onderzoek nodig zijn voordat stamceltherapie het tekort aan donororganen kan verlichten. Dit geldt echter ongetwijfeld ook voor xenotransplantatie. Hoewel met de recente belangrijke immunologische ontwikkelingen in preklinische xenotransplantmodellen de klinische toepassing van die technologie voortdurend dichterbij lijkt te komen, brengen zij bijkomende niet-immunologische problemen aan het licht en groeit het debat rond de ethisch-sociale vragen.
Sheila A.M. McLean, Laura Williamson, Xenotransplantation – Law and Ethics (Aldershot: Ashgate Publishing Limited 2006).
Yong-Guang Yang,Megan Sykes, ‘Xenotransplantation: current status and a perspective on the future’, in: Nature Reviews Immunology, 2007, published online: 15 June 2007 | doi:10.1038/nri2099.
An D. Billiau is als onderzoeker transplantimmunologie verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License