Monatsschrift Kinderheilkunde

, Volume 158, Issue 3, pp 216–222

Transplantation CD3/CD19-depletierter Stammzellen

Plattform für weiterführende Zelltherapie

Authors

    • Schwerpunkt StammzelltransplantationZentrum für Kinder- und Jugendmedizin Frankfurt
  • A. Willasch
    • Schwerpunkt StammzelltransplantationZentrum für Kinder- und Jugendmedizin Frankfurt
  • A.  Jarisch
    • Schwerpunkt StammzelltransplantationZentrum für Kinder- und Jugendmedizin Frankfurt
  • J. Soerensen
    • Schwerpunkt StammzelltransplantationZentrum für Kinder- und Jugendmedizin Frankfurt
  • R. Esser
    • Schwerpunkt StammzelltransplantationZentrum für Kinder- und Jugendmedizin Frankfurt
  • H. Bönig
    • Institut für TransfusionsmedizinDRK Blutspendedienst Hessen
  • T. Klingebiel
    • Schwerpunkt StammzelltransplantationZentrum für Kinder- und Jugendmedizin Frankfurt
Leitthema

DOI: 10.1007/s00112-009-2137-0

Cite this article as:
Bader, P., Willasch, A., Jarisch, A. et al. Monatsschr Kinderheilkd (2010) 158: 216. doi:10.1007/s00112-009-2137-0

Zusammenfassung

Die allogene Stammzelltransplantation ist ein wichtiges und wertvolles Therapieelement in der Behandlung von vielen Patienten mit malignen und nichtmalignen Systemerkrankungen. Limitierend ist oft das Nichtvorhandensein eines HLA-identischen Spenders (HLA: humanes Leukozytenantigen), insbesondere für Kinder und Jugendliche mit Migrationshintergrund, für die deutlich weniger häufig ein passender Spender gefunden werden kann. Es war das zentrale Ziel über viele Jahre, Stammzelltransplantationen über HLA-Barrieren hinweg zu ermöglichen und v. a. halbidentische (haploidentische) Eltern als Spender einsetzen zu können. Dies würde jedem Patienten die Möglichkeit eröffnen, mit einem Transplantationsverfahren behandelt zu werden. In den vergangenen Jahren ist es gelungen, durch die Veränderung des Manipulationsprozesses peripherer Stammzellen dieses Therapieverfahren sicherer und effektiver zu machen. Die haploidentische Stammzelltransplantation kann nunmehr die Basis für weiterführende zelluläre Immuntherapieverfahren in der Behandlung von Patienten mit malignen und nichtmalignen Erkrankungen werden.

Schlüsselwörter

Haploidentische StammzelltransplantationImmuntherapieLeukämieMaligne ErkrankungenNichtmaligne Erkrankungen

Transplantation with CD3/CD 19-depleted stem cells

A basis for further cell therapy

Abstract

Allogeneic stem cell transplantation has become an important option in the curative treatment of many patients with malignant and non-malignant systemic diseases. Non-availability of human leukocyte antigen (HLA) identical donors can limit access to this life-saving treatment, especially in ethnic minority patients, for whom identical donors are often not available. For many years, a central aim has been the development of stem cell transplantation across the HLA barrier and the use of haploidentical parents as stem cell donors. Such an approach will allow allogeneic transplantation of all patients in need. During the past years, it has become possible to optimize in vitro graft manipulation procedures making this transplant procedure safer and more efficient. Therefore, haploidentical transplantation can now serve as a basis for further cellular immunotherapy in the treatment of malignant and non-malignant diseases.

Keywords

Haploidentical stem cell transplantationImmunotherapyLeukemiaMalignant diseasesNon-malignant diseases

Die allogene Stammzelltransplantation (SZT) ist als zelluläres Therapieelement ein wertvolles Behandlungsverfahren für viele Patienten mit malignen Erkrankungen wie akuten und chronischen Leukämien, Lymphomen und soliden Tumoren wie Rhabdomyosarkomen oder Ewing-Sarkomen [18]. Das Spektrum der nichtmalignen, durch Stammzelltransplantation heilbaren Erkrankungen reicht von erworbenen Störungen der Hämatopoese (z. B. schwere aplastische Anämie) und des Immunsystems (z. B. ALPS: autoimmunes lymphoproliferatives Syndrom) über kongenitale, genetische Defekte der Hämatopoese (z. B. Thalassämie, Sichelzellanämie, Diamond-Blackfan-Anämie) und des Immunsystems [z. B. Griscelli-Syndrom, Wiskott-Aldrich-Syndrom, schwere kombinierte Immundefekte (SCID: „severe combined immunodeficiency“), hämophagozytierende Lymphohistiozytosen u. a.] bis zu genetisch determinierten Stoffwechselstörungen (Mukopolysaccharidosen, Morbus Farber, X-chromosomale Adrenoleukodystrophien u. a.) [25].

Da nur etwa 25% aller Patienten über einen HLA-identischen (HLA: humanes Leukozytenantigen) Spender in der Familie und weitere 50% über einen passenden unverwandten Spender verfügen, ist es ein zentrales Ziel, den Spenderpool zu erweitern und über HLA-Barrieren hinweg Stammzellen in Form von Knochenmark, peripherem Blut und Nabelschnurblut zu transplantieren [1].

Haploidentische Stammzelltransplantation

Entwicklung

Vor allem im pädiatrischen Bereich stellt die Möglichkeit, sich „halbidentischer“ (haploidentischer) Spender (im Wesentlichen Eltern) zum Stammzellersatz nach intensiver Radio-/Chemotherapie zu bedienen, einen wesentlichen Fortschritt dar [16, 17, 19]. Dies konnte mit der Übertragung einer sehr hohen Menge peripherer CD34+-Stammzellen und der damit möglichen Überwindung der HLA-Barriere realisiert werden. Bei diesem Verfahren ist die Zahl der transplantieren Stammzellen etwa 10-mal höher als bei einer Knochenmarktransplantation; man spricht deswegen auch von einer „Megadosis“ Stammzellen.

Um eine SZT mit haploidentischen Stammzellen durchzuführen, müssen diese angereichert und von T-Zellen „gereinigt“ werden.

Dies wurde durch den Einsatz der MACS-Technologie der Fa. Miltenyi Biotech (Bergisch Gladbach, Deutschland) möglich.

Lange Zeit wurde zur erfolgreichen Behandlung von Patienten mit bösartigen Erkrankungen eine hochintensive, möglichst „supraletale“ Chemo-/Radiotherapie für erforderlich gehalten, und der Stammzellersatz spielte im Kurationskonzept eine nachgeordnete Rolle [2]. Durch Kombination
  • einer aggressiven und sehr immunsuppressiven Konditionierungsbehandlung gefolgt von

  • der Transplantation einer „Megadosis“ hoch aufgereinigter CD34+-Stammzellen

wurde es möglich, Patienten im Rahmen klinischer Studien zu behandeln. Diese ergaben, dass Kinder und Jugendliche, die nicht über einen HLA-identischen Spender verfügen, erfolgreich behandelt werden können. Aufgrund der profunden Depletion von T-Zellen aus dem Transplantat war die Immunrekonstitution jedoch verzögert. In Kombination mit den aggressiven Konditionierungsprotokollen, die notwendig waren, um ein Transplantat erfolgreich übertragen zu können, war die transplantationsassoziierte Mortalität (TRM) mit etwa 30–40% hoch [5, 8]. Dabei wurden in Zentren, die auf diese Transplantationsart spezialisiert waren, bessere Ergebnisse erzielt als in kleineren Zentren [7].

Das Stammzelltransplantat an sich hat immunologische Effekte

Es wurden große Anstrengungen unternommen, diese hohe TRM-Rate zu senken [3]. Die intensive Beschäftigung mit den immunologischen Auswirkungen der Übertragung großer Mengen von Stammzellen und insbesondere der Subfraktionen des Transplantats zeigte die Bedeutung der immunologischen Wirkungsweise des Transplantats selbst, was zu einem Paradigmenwechsel führte [9, 15, 21, 22, 23]. Ruggeri u. Velardi [20] konnten eindrucksvoll zeigen, dass alloreaktiven NK-Zellen (NK: „natural killer“) eine große Bedeutung für das Anwachsen des Transplantats (Engraftment) zukommt. Darüber hinaus haben NK-Zellen einen großen Einfluss auf die Eradikation der zugrunde liegenden malignen Erkrankung, die möglicherweise über die Bedeutung der Chemo-/Radiotherapie hinausgeht [20]. Wie weiter gezeigt werden konnte, reduzieren alloreaktive NK-Zellen durch eine Eliminierung residueller Wirtszellen auch das GvHD-Risiko (GvDH: „graft versus host disease“).

Neue Strategien

Ansätze, die haploidentische Transplantationsform zu verbessern und sicherer zu machen, zielen in 3 Richtungen:
  • Steigerung der Engraftmentrate durch Kotransplantation von NK-Zellen

  • Reduzierung der TRM-Rate durch Intensitätsreduzierung der Konditionierungsbehandlung; dadurch Verbesserung der Immunrekonstitution und Verringerung der Organtoxizität

  • Steigerung der Antitumoraktivität

Steigerung der Engraftmentrate

Durch biotechnologische Fortschritte wurde es möglich, aus peripheren Stammzellpräparaten T- und B-Zellen effektiv zu depletieren. Dadurch veränderte sich die Zusammensetzung der Stammzelltransplantate entscheidend, wie aus dem in Abb. 1 dargestellten Vergleich von 2 allogenen Stammzelltransplantaten nach In-vitro-CD34+-Anreicherung bzw. -CD3/CD19-Depletion hervorgeht. Nach CD34+-Selektion fanden sich weder CD3+- noch CD19+-Zellen im Transplantat; lediglich hämatopoetische CD34+-Stammzellen waren nachweisbar. Nach Depletion von CD3+/CD19+-Zellen dagegen enthielt ein Stammzellpräparat noch eine beträchtliche Menge anderer Zellen, beispielsweise CD14+-Monozyten, CD56+-CD3-NK-Zellen sowie dendritische Zellen. Durch die Transplantation von CD3/CD19-depletierten Stammzellpräparaten werden demzufolge anstelle von hochreinen CD34+-Stammzellen eine Vielzahl anderer Effektorzellen kotransplantiert, ohne den Patienten einer großen GvHD-Gefahr auszusetzen.

https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs00112-009-2137-0/MediaObjects/112_2009_2137_Fig1_HTML.gif
Abb. 1

Transplantatzusammensetzung: Vergleich zwischen CD34+-Anreicherung und CD3/CD19-Depletion von peripheren Stammzellpräparaten, nach CD34+-Selektion: lediglich hämatopoetische CD34+-Stammzellen nachweisbar; nach Depletion von CD3+/CD19+-Zellen: beträchtlicher Gehalt an weiteren Zellen im Stammzellpräparat, Tabelle Gehalt an mit CD3+/CD19+-depletiertem Stammzellpräparat kotransplantierten Zellen bei Patient mit 19 bzw. 39 kgKG, ECD „energy coupled dye“, SSLin „side scatter linear“, PE Phycoerythrin

Reduktion der TRM-Rate durch Reduktion der Intensität der Konditionierungsbehandlung

Durch reduzierte Intensität der Konditionierungsbehandlungen werden bei den Patienten weniger toxische Nebenwirkungen ausgelöst. Dies schützt nicht nur Organe wie Leber, Lunge, Nieren und Darm, sondern auch den Thymus. Aus diesem Grund sollte nicht nur die akute Toxizität herabgesetzt sein, sondern auch eine verbesserte thymusabhängige Immunregeneration erreicht werden können.

Steigerung der immunologischen Transplantat-gegen-Tumor/Leukämie-Wirkung

Ein „graft versus tumor/leukemia effect“ (GvT/GvL-Effekt) wird im Rahmen der allogenen Knochenmarktransplantation insbesondere durch T-Zellen vermittelt. Neben diesen kommt aber, wie eingangs erwähnt, auch den NK-Zellen eine große Bedeutung zu. Deren Wirkmechanismen und deren gezielten Einsatz zur Verbesserung der Antitumorwirkung einer Transplantation ist in diesem Heft ein gesonderter Beitrag gewidmet [13]. Deshalb sei hier nur erwähnt, dass es im Rahmen der haploidentischen Transplantation mit CD3/CD19-depletierten Stammzellen regelmäßig zu einer frühen und massiven Regeneration mit Spender-NK-Zellen kommt. Dieser folgt eine frühe Expansion von T-Zellen häufig bereits um den Tag +30 nach der Transplantation (Abb. 2).

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Abb. 2

Typische Immunregeneration nach haploidentischer Stammzelltransplantation, grüne Linie Regeneration der NK-Zellen: Entwicklung einer hohen Zahl an Spender-NK-Zellen zu Beginn der myeloischen Regeneration, beginnende langsame Normalisierung deren Zahl mit Einsetzen der peripheren T-Zell-Expansion (schwarze Linie) um den Tag 35

Ergebnisse

Seit Januar 2005 wurden in unserem Frankfurter Zentrum bei 59 Patienten [akute lymphoblastische Leukämie (ALL) n=15; akute myeloische Leukämie (AML) n=14; myelodysblastisches Syndrom (MDS) n=2; Rhabdomyosarkome (RMA) n=13; andere solide Tumoren n=5 und nichtmaligne Erkrankungen n=10] Transplantationen mit CD3/CD19-depletierten Stammzellen nach einer reduzierten Konditionierung von nicht-HLA-identischen Spendern durchgeführt. Als Konditionierungsregime wurde eine Medikamentenkombination aus Fludarabine, Melphalan und Thiotepa gewählt.

Alle transplantierten Patienten entwickelten ein rasches Engraftment mit mehr als 1000 Leukozyten/µl im Median an Tag +12 (Spannweite: 9–24 Tage) und mehr als 20.000 Thrombozyten/µl im Median an Tag +16 (Spannweite: 0–75 Tage).

Eine verbesserte Immunregeneration geht mit einer niedrigen TRM einher

Die Immunregeneration stellte nach Transplantation von T-Zell-depletierten Stammzellpräparaten lange Zeit den kritischen Faktor für einen erfolgreichen Verlauf einer Transplantation dar. Eine verzögerte Immunregenration war für die hohe Anzahl an komplizierten Transplantationsverläufen und für TRM-Raten zwischen 30 und 40% verantwortlich. Bei unseren Patienten jedoch erfolgte sie zügig und anhaltend. Wie in Abb. 2 dargestellt, begann die Rekonstitution der T-Zellen bereits ab Tag +30. Durch die PCR-basierte (PCR: Polymerasekettenreaktion) Analyse der so genannten „T cell receptor excision circles“ (TREC) ließ sich nachweisen, dass die frühe T-Zell-Regeneration nach Transplantation auf der Expansion von T-Vorläuferzellen beruhte, die im Stammzelltransplantat enthalten waren. Erst ab dem Tag +100 setzte eine thymusabhängige T-Zell-Regeneration ein. Weiterführende immunologische Untersuchungen der Regeneration des T-Zell-Rezeptor-Repertoires nach Transplantation zeigten zudem ein rasches Auffüllen der T-Zell-Rezeptor-Familien, vergleichbar mit der Situation bei knochenmarktransplantierten Patienten (Daten nicht gezeigt). Die so verbesserte Immunregeneration hat entscheidenden Anteil an der niedrigen kumulativen TRM-Rate, die lediglich 10,7% betrug (Abb. 3). Diese Ergebnisse liegen in einer Größenordnung, die bislang HLA-identen Geschwistertransplantationen vorbehalten war.

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Abb. 3

Kumulative Inzidenz (0,11) der transplantationsbezogenen Komplikationen von 59 Patienten nach Transplantationen mit CD3/CD19-depletierten Stammzellen, 5 Patienten an den Folgen von Behandlungskomplikationen verstorben

Bei haploidenter Transplantation spielt der NK-Zell-vermittelte GvL-Effekt eine wichtige Rolle

Dieses rasche und nachhaltige Engraftment der Myelopoese sowie die frühzeitige quantitative und qualitative Immunregeneration tragen jedoch nicht nur dazu bei, die Komplikationsrate dieser Transplantationsform zu verringern, sondern auch dazu, einen nachhaltigen immunologischen GvT/GvL-Effekt zu induzieren. Durch die massive NK-Zell-Expansion in der frühen Phase der Immunregeneration wird zunächst die Phase der NK-Zell-vermittelten Zytotoxizität initiiert, ehe diese durch die Expansion von peripheren T-Vorläuferzellen verstärkt und konsolidiert wird. Im Gegensatz zu Transplantationen mit Knochenmark HLA-identischer Spender, wo der NK-Zell-vermittelte GvL-Effekt von alloreaktiven T-Zellen überlagert wird, kann also im Rahmen der haploidenten Transplantation die immunologische Reaktion der NK-Zellen zusätzlich ausgenutzt und die immunologische Wirkung des Transplantates verstärkt werden [13, 14].

Patienten mit malignen Erkrankungen

Patienten mit akuten Leukämien (ALL und AML; n=22), die zum Zeitpunkt der Transplantation in hämatologischer Remission waren, zeigten nach haploidentischer Transplantation CD3/CD19-depletierter Stammzellen eine sehr niedrige Rezidivrate. Die Überlebenswahrscheinlichkeit nach 3 Jahren betrug 68%. Patienten mit akuten Leukämien, die sich zum Zeitpunkt der Transplantation nicht in Remission befanden (n=7), konnten auch mit haploidentischer Transplantation CD3/CD19-depletierter Stammzelle nicht gerettet werden. Diesbezüglich müssen weitere Therapieoptionen eröffnet werden. Ähnlich gute Ergebnisse in der Behandlung von sich in Remission befindenden Patienten mit malignen Erkrankungen konnten auch in anderen spezialisierten Zentren erzielt werden [10].

Aufgrund der geschilderten Möglichkeiten könnte die haploidentische Transplantation auf der Basis eines CD3/CD19-depletierten peripheren Stammzelltransplantats auch für andere Erkrankungen eine Therapieoption werden. Neben Patienten mit rezidivierten Neuroblastomen könnten möglicherweise auch Personen mit primär generalisierten Weichteilsarkomen im Stadium IV von dieser Therapieform profitieren. In einer Pilotstudie wurden an unserem Zentrum 13 Patienten mit rezidivierten oder primär generalisierten Rhabdomyosarkomen behandelt, 8 von ihnen befanden sich zum Zeitpunkt der Transplantation in Vollremission. 5 dieser 8 Patienten (62%) sind gegenwärtig krankheitsfrei am Leben. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für Patienten mit Neuroblastom berichtet [12, 24].

Patienten mit nichtmalignen Erkrankungen

Wie eingangs erwähnt können auch viele Patienten mit nichtmalignen Erkrankungen durch eine SZT geheilt werden. Bei diesen Indikationen ist es das Ziel, mit Hilfe der Transplantation gesunder allogener Stammzellen den zugrunde liegenden genetischen Defekt zu reparieren. Dabei droht, anders als in der Therapie maligner Erkrankungen mit Hilfe der allogenen Stammzelltransplantation, kein Rückfall, sodass für die erfolgreiche Behandlung dieser Defekte das Empfängerimmunsystem und die Empfängerhämatopoese nicht zwangsläufig vollständig ersetzt werden müssen. Gelingt es, durch die Induktion von Immuntoleranz auf Dauer ein Nebeneinander von Empfänger- und Spenderimmunsystem (gemischter Chimärismus) zu etablieren, kann die zugrunde liegende Erkrankung geheilt werden.

Im Gegensatz zu Patienten mit akuten Leukämien profitieren Patienten mit nichtmalignen Erkrankungen weder von einer hoch dosierten Konditionierungstherapie noch von einem GvL-Effekt, wie er mit Hilfe der allogenen Knochenmarktransplantation prinzipiell induzierbar ist [11].

Eine T-Zell-Depletion peripherer Stammzellen reduziert das Risiko einer immunologischen GvHD nachdrücklich.

Aus diesen Gründen ist eine Transplantation mit CD3/CD19-depletierten Stammzellen sowohl von haploidentischen verwandten als auch unverwandten Spendern eine wichtige Therapieoption. Von den 10 Patienten mit verschiedenen nichtmalignen Erkrankungen, die mit diesem Therapiekonzept in den vergangenen 3 Jahren in unserem Zentrum transplantiert wurden, ist keiner an Komplikationen gestorben. Diese Form der Transplantation stellt für Patienten mit nichtmalignen Erkrankungen deswegen eine sehr viel versprechende Option dar.

Perspektiven

Die haploidentische Transplantation ist zu einem gut etablierten, sicheren und effektiven Behandlungsverfahren geworden. Eltern als Stammzellspender sind sehr motiviert, und sie stehen in aller Regel auch unmittelbar zur Verfügung. Auf der Basis dieser Transplantationsform ist es deswegen möglich, weitere zelluläre Therapie zu entwickeln und in die Klinik einzuführen. Solche Zelltherapien reichen vom Einsatz spezifischer T-Zellen gegen bestimmte Leukämiearten oder Tumoren bis zu NK-Zell-Therapien oder Therapieoptionen mit so genannten zytokininduzierten Killerzellen (CIK). Diese Verfahren werden gegenwärtig im Labor erprobt oder stehen bereits an der Schwelle zum klinischen Einsatz. Die haploidentische Stammzelltransplantation stellt deswegen eine Plattform dar, auf deren Basis zusätzliche immuntherapeutische Elemente zum Einsatz kommen können, um die Antitumorwirkung weiter zu optimieren.

Bei nichtmalignen Erkrankungen wird die Etablierung eines gemischten Chimärismus angestrebt

Oben Angeführtes gilt ebenso für die Behandlung von nichtmalignen Erkrankungen, bei welchen im Gegensatz zur Therapie maligner Erkrankungen durch allogene Stammzelltransplantationsverfahren das Immunsystem des Patienten nicht vollständig ersetzt werden muss. Es genügt die Induktion von Immuntoleranz, um ein Nebeneinander von Empfänger- und Spenderimmunsystem (gemischter Chimärismus) auf Dauer zu etablieren. Gelingt dies, kann die zugrunde liegende Erkrankung geheilt werden. Durch gezielten Einsatz von alloreaktiven NK-Zellen und/oder von mesenchymalen Stammzellen (MSC) könnte es gelingen, Immuntoleranz noch zuverlässiger zu induzieren, um so das notwendige Konditionierungsregime weiter abzuschwächen und dieses Behandlungsverfahren noch sicherer zu machen.

Fazit für die Praxis

Die haploidentische Stammzelltransplantation auf der Basis von CD3/CD19-depletierten peripheren Stammzellen hat sich mittlerweile zu einem hervorragend etablierten Behandlungsverfahren entwickelt. An Zentren, die sich auf diese Behandlungsform spezialisiert haben, konnten die Komplikationsraten auf das Niveau einer Transplantation mit Geschwisterspendern gesenkt werden. Deswegen sollte diese Therapieform schon heute berücksichtigt werden, wenn kein HLA-identischer Geschwisterspender zur Verfügung steht.

Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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