Affen überlebten bis zu zwei Jahre mit transplantierten Schweine-Nieren

10.10.2023

genetische Veränderungen der Spendertiere verhinderten Organabstoßung und Infektionen

zusätzliche Gen-„Knockouts“ und andere Schweinerasse als in vorherigen Arbeiten

Forschende sehen weiteren wichtigen Schritt im Feld der Xenotransplantation

US-Forschende haben in einem Tierversuch Nieren aus genetisch modifizierten Schweinen in Affen transplantiert, mit denen die Affen bis zu mehr als zwei Jahre überlebten. Die dazugehörige Studie ist nun im Fachblatt „Nature“ erschienen (siehe Primärquelle). Diese präklinische Arbeit könnte ein weiterer entscheidender Schritt sein, um die Erprobung von Organen aus genetisch veränderten Schweinen für Transplantationen beim Menschen zu ermöglichen. Das Verfahren wird als Xenotransplantation bezeichnet. Es ist einer der vielversprechendsten medizinischen Ansätze zur Bekämpfung des Organmangels.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entfernten mithilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas aus dem Genom der Schweine bestimmte Gene, die vom menschlichen Immunsystem erkannt und angegriffen werden. Durch weitere Gen-„Knockouts“ eliminierten sie zudem sogenannte porzine endogene Retroviren, die im Erbgut von Schweinen vorkommen und auch auf den Menschen übertragen werden können. Sieben menschliche Gene wiederum fügten sie dem Schweinegenom hinzu. Im Vergleich zu vorherigen Studien wurden noch nie so viele Gene modifiziert. Akute Abstoßungsreaktionen und Infektionen sind bisher der Hauptgrund, warum derlei Organtransplantationen oft scheitern.

Die Forschenden wählten zudem für ihre Organspender die Yucatan-Miniaturschweinerasse aus, weil ihre Organgröße mit der von menschlichen Organen vergleichbar ist. In älteren Arbeiten wurde das Organwachstum der Schweine meist durch genetische Veränderungen gehemmt. Darüber hinaus wurden nun Schweine mit der Blutgruppe 00 ausgewählt, um Blutgruppenunverträglichkeiten auszuschließen.

Das Ergebnis: Einer der 21 Affen überlebte 758 Tage mit den transplantierten Schweinenieren, bevor er wegen Ödemen und Niereninsuffizienz eingeschläfert wurde. Insgesamt überlebten die Affen zwischen vier und 758 Tage mit den Transplantaten. Fünf Tiere erreichten ein Jahr und mehr.

Xenotransplantationen wurden erstmals in den 80er-Jahren versucht, aber nach dem berühmten Fall von Stephanie Fae Beauclair – bekannt als Baby Fae – weitgehend aufgegeben. Das Kind, das mit einem tödlichen Herzfehler geboren wurde, erhielt ein Pavianherz und starb innerhalb von 21 Tagen nach dem Eingriff, weil das Immunsystem das fremde Herz abstieß. Die Wissenschaft wandte sich damals zunächst von Xenotransplantationen ab. Mit weiterem Fortschritt im Bereich der Gentechnik und der Möglichkeit, maßgeschneiderte Schweinemodelle zu entwickeln, wurde das Feld aber wieder attraktiver.

Anfang vergangenen Jahres gelang es einem Ärzteteam der medizinischen Fakultät der Universität von Maryland in Baltimore (USA) erstmals ein genetisch verändertes Schweineherz erfolgreich in einen Menschen zu transplantieren. Der 57-jährige Patient überlebte knapp zwei Monate. Er starb unter anderem aufgrund einer Infektion mit einem Schweinevirus, das bei Tests an dem Schweineherzen nicht aufgefallen war [I] [II]. Das Organ als solches arbeitete wie gewünscht. Vor einigen Wochen transplantierten dieselben Mediziner einem zweiten Patienten ein Schweineherz. Der zweifache Vater, der an einer lebensbedrohlichen Herzkrankheit litt, erhole sich nach der Operation gut, atme selbstständig und kommuniziere mit Familie und Freunden, heißt es in einer Pressemitteilung der Universität [III].

In Deutschland möchte die bayerische Firma XTransplant Minischweine der Auckland-Landrasse gentechnologisch vermenschlichen, sodass auch hierzulande erste klinische Versuche mit Schweineorganen vertretbar werden. Nach Angaben der Firma sollen nach den derzeitigen Plänen erste gentechnisch veränderte Schweine der Rasse frühestens 2024 für klinische Studien an der Klinik Großhadern der Ludwig-Maximilians-Universität München zur Verfügung stehen [IV].

Übersicht

Dr. Joachim Denner, Leiter der Arbeitsgruppe Virussicherheit der Xenotransplantation am Institut für Virologie, Freie Universität Berlin

Prof. Dr. Eckhard Wolf, Professor für Molekulare Tierzucht und Biotechnologie, Genzentrum, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Statements

Dr. Joachim Denner

Leiter der Arbeitsgruppe Virussicherheit der Xenotransplantation am Institut für Virologie, Freie Universität Berlin

Forschungsfeld Xenotransplantation

„Die Xenotransplantation unter Verwendung von Schweineorganen erlebte in den letzten beiden Jahren einen enormen Aufschwung. Zum einen wird über präklinische Studien in nicht-humanen Primaten mit beachtlichen Überlebenszeiten der Schweinetransplantate berichtet, zum anderen wurden zwei Transplantationen von Schweineherzen in Patienten in Baltimore durchgeführt. Der erste Patient lebte zwei Monate mit dem Transplantat. Zu seinem Tod hat unter anderem die Übertragung eines Schweineherpesvirus beigetragen. Der zweite Patient wurde erst vor Kurzem transplantiert.“

Neue Erkenntnisse

„Nun erscheint im renommierten Fachjournal ,Nature‘ ein Artikel, in dem Schweinenieren mit 69 genetischen Modifikationen in Cynomolgusaffen transplantiert wurden und Überlebenszeiten bis zu 758 Tagen erreicht wurden. Der Beitrag wurde von 60 Autoren von der Firma eGenesis, vom Transplantationszentrums des Massachusetts General Hospitals, vom Duke Transplantationszentrums und von anderen Instituten in den USA verfasst. Die 69 genetischen Modifikationen umfassen drei Knockouts (das Ausschalten eines Gens; Anm. d. Red.) von Schweinegenen, sieben Knockins (das Einfügen eines Gens in das Erbgut; Anm. d. Red.) von humanen Genen und 59 inaktivierte porcine endogene Retroviren (PERVs).“

„Neu an dem experimentellen Setting sind drei Dinge: Erstens, das Knockout von Neu5Gc (N-Glycolylneuraminsäure) in Ergänzung zu den bekannten alpha-Gal (Galactose-alpha-1,3-galactose) und Sd(a) (Sia-alpha2,3[GalNAc-beta1,4]Gal-beta 1,4-GlcNAc)-Knockouts. Diese Modifikationen verhindern die hyperakute Abstoßung. Zweitens, die erstmalige Verwendung von Yucatan-Miniatur-Schweinen und drittens die Inaktivierung aller 59 im Genom dieser Tiere vorhandenen PERVs. Die Yucatan-Miniatur-Schweine haben Organe, die in ihrer Größe den menschlichen Organen entsprechen und wurden deshalb gezielt ausgewählt. In früheren Studien, unter anderem bei der Herztransplantation in Baltimore, wurden Tiere von der Größe von Hausschweinen verwendet und die notwendige Größe des Schweineherzens wurde durch die Inaktivierung des Gens für den Rezeptors des Wachstumshormons erzielt [1].“

„Die in der jetzigen Studie eingebauten menschlichen Gene waren die Gene für die Komplementregulatoren CD46 und CD55, für THBD (Thrombomodulin) und PROCR (endothelialer Protein C-Rezeptor), die beide eine Rolle bei der Gerinnung spielen, für CD47 zum Schutz der Körperzellen vor dem Angriff von Makrophagen, sowie für TNFAIP3 (Tumornekrosefaktor, alpha-induziertes Protein 3 oder A20) und HMOX1 (Hämoxygenase). Die letzten beiden sollen die Folgen der Ischämie, Apoptose und Entzündung vermindern. Die genetischen Modifikationen sind dieselben wie bei den 10-fach genetisch modifizierten Schweineherzen für die Patienten in Baltimore [1], mit dem Unterschied, dass im Donorschwein TNSFAIP3 nicht ausgeknockt wurde, dafür aber der Wachstumsfaktorrezeptor. Neu ist hingegen, dass hier alle sieben humanen Gene in einer einzigen Kassette durch einen Rekombinase-vermittelten Austausch eingebracht wurden.“

Medikation

„Als Immunsuppressivum wurde TNX-1500, ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen den CD40-Liganden (CD40L, CD154), verwendet, wodurch die CD40-CD40L-Kostimulierung gehemmt wurde. Antikörper, die die CD40-CD40L-Interaktion hemmen, sind inzwischen zur Standardbehandlung in der Xenotransplantation geworden. Beim ersten Patienten, der ein Schweineherz in Baltimore transplantiert bekam, wurde KPL-404, ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen CD40 verwendet [1]. Es ist zu hoffen, dass diese Antikörper bald eine Zulassung bekommen.“

Überlebensdauer

„758 Tage hat das Nierentransplantat in einem Tier funktioniert, bevor es durch eine chronische Antikörper-vermittelte Abstoßung abgestoßen wurde. Unter den 21 beschriebenen Rezipienten gab es auch Tiere, deren Transplantat bereits nach acht bis 25 Tagen abgestoßen wurde, bei einigen wurde der Versuch auch nach vier bis 35 Tagen abgebrochen. Bei den meisten Tieren wurde eine thrombotische Mikroangiopathie beobachtet. Diese beachtlichen Unterschiede in der Überlebenszeit könnten mit Unterschieden in der Expression der Transgene erklärt werden, auch ist nicht sicher ob alle Tiere frei vom zuvor erwähnten Schweineherpesvirus sind.“

„Dennoch, 758 Tage bei einem Tier und 100 bis 673 Tage bei sechs weiteren Tieren ist ein großer Erfolg. Bisher war die längste Überlebensdauer eines Rhesusaffen mit einer Niere von einem Schwein mit dem humanen Gen CD55 und einem Knockout von alpha-Gal 499 Tage [2]. Auch in dieser Studie wurde ein monoklonaler Antikörper gegen CD154 verwendet.“

Schweineviren

„In der Publikation wird nicht darüber berichtet, ob die Spendertiere auf potenziell zoonotische Schweine-Viren untersucht wurden. Der Umstand jedoch, dass derart beachtliche Überlebenszeiten erreicht wurden, lässt darauf schließen, dass das porcine Cytomegalovirus, das eigentlich ein porcines Roseolovirus (PCMV/PRV) ist, nicht in den Donortieren vorhanden war und deshalb auch nicht übertragen wurde. PCMV/PRV hat in früheren Studien die Überlebenszeiten von Schweineorganen in nicht-humanen Primaten signifikant verringert. Dieses Herpesvirus wurde auch auf den ersten Patienten in Baltimore übertragen. In präklinischen Studien mit Schweineherzen haben Paviane mit Organen, die PCMV/PRV-positiv waren, keine 30 Tage überlebt, während Tiere mit virusfreien Organen bis zu 195 Tagen lebten [3]. Im Grunde könnten die Nieren von den beschriebenen gentechnisch modifizierten Tieren, wenn die Ursachen für die unterschiedlichen Überlebenszeiten geklärt sind, sodass im nur lange Überlebenszeiten erreicht werden, mit einer an den Menschen angepassten Immunsuppression für eine klinische Studie verwendet werden.“

Prof. Dr. Eckhard Wolf

Professor für Molekulare Tierzucht und Biotechnologie, Genzentrum, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Neue Erkenntnisse

„In dieser Studie ist es erstmals gelungen, Javaneraffen, denen man beide Nieren entfernt hatte, durch Transplantation von genetisch modifizierten Schweinenieren fast zwei Jahre am Leben zu erhalten. Das ist sehr beachtlich. Problematisch ist nur, dass nach demselben Eingriff einige Tiere auch nur relativ kurz überlebt haben (zum Teil nur eine bis drei Wochen). Die Frage nach der Ursache für diese variablen Ergebnisse bleibt in der Arbeit offen.“

„In der Arbeit wurden zwei Konstellationen von Spenderschweinen getestet: Schweine mit Knockouts von drei Glykosyltransferase-Genen (GGTA1, CMAH und B4GALNT2/B4GALNT2L). Für die Verwendung der Organe beim Menschen wäre das sinnvoll und würde vor der Abstoßung schützen. Für die Verwendung bei Altweltprimaten (wie den Javaneraffen) ist einer der drei Gen-Knockouts (CMAH) schädlich, da dadurch ein Antigen vermehrt gebildet wird, gegen das Altweltprimaten (nicht aber Menschen) natürliche Antikörper haben, welche die Abstoßung beschleunigen. Das ist seit vielen Jahren bekannt. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Organe dieser genetischen Konstellation (drei Gen-Knockouts) in Javaneraffen keine guten Überlebenszeiten aufwiesen. Nach Transplantation in menschliche Patienten hätten sie mit hoher Wahrscheinlichkeit sehr viel besser funktioniert.“

„Eine weitere Konstellation: Schweine mit den drei Gen-Knockouts, die aber zusätzlich in einem großen Genkonstrukt sieben menschliche Gene tragen. Zwei dieser Gene (CD46, CD55) beziehungsweise ihre Produkte hemmen die Aktivierung des Komplementsystems, zwei Gene (TBM = Thrombomodulin; EPCR = endothelialer Protein-C-Rezeptor) sollen dafür sorgen, dass es nicht zu Gerinnseln kommt, wenn Primatenblut durch Blutgefäße vom Schwein fließt; ein weiteres Gen soll die Aktivierung von Makrophagen hemmen, und zudem zwei Gene (HMOX1, TNFAIP3), die Entzündungsreaktionen entgegenwirken sollen.“

„In der Tat haben die Nieren dieses zweiten Genotyps trotz der großen Variabilität der Ergebnisse signifikant länger beziehungsweise besser funktioniert als die des ersten Genotyps. Das ist nicht verwunderlich, da die genannten sieben menschlichen Gene die negativen Effekte des CMAH-Gen-Knockouts für die Altweltaffen abmildern. Ob alle diese Gene auch für die Transplantation in den Menschen notwendig wären, würde ich bezweifeln. Ich gehe davon aus, dass dafür die drei Gen-Knockouts sowie zwei bis drei menschliche Gene ausreichend sein müssten. Was dafür spricht ist die Tatsache, dass ein hirntoter Mensch mit einer Niere mit nur einem einzigen Gen-Knockout (GGTA1) nach Transplantation mehrere Wochen überlebt hat [4].“

„Aus meiner Sicht wäre es sinnvoll, in den nicht humanen Primaten Organe zu testen, die den CMAH-Knockout nur auf einem Chromosom tragen, während das andere intakt bleibt. Dadurch könnte man den negativen Effekt des kompletten CMAH-Knockouts vermeiden, hätte aber die Mutation an sich bereits eingebracht. Durch Kreuzung solcher Tiere würde man in der nächsten Generation Schweine erhalten, die den kompletten CMAH-Knockout hätten und als Spender für den Menschen geeignet wären.“

„Bei einigen der Spendertiere hat man in der Studie auch noch porzine endogene Retroviren (PERV), die im Genom eingebaut sind, mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 mutiert und keinen signifikanten Effekt auf das Überleben der Nieren nach Xenotransplantation beobachtet. Das Geschäftskonzept der Firma eGenesis baut darauf auf, alle PERV in den Spenderschweinen zu inaktivieren. Wir halten das nicht für notwendig, da noch nie eine PERV-Infektion beim Menschen beobachtet wurde. Wir arbeiten allerdings mit Schweinen (Auckland Island Pigs), die nur wenige PERV-Sequenzen tragen und von Natur aus frei von PERV-C sind.“

Spenderschweine

„Die Verwendung einer kleineren Schweinerasse wie Yucatan ergibt Sinn, da die Organe von der Größe zum Menschen passen. Ein Nachteil der Yucatan-Schweine ist, dass bei ihnen häufiger als in anderen Schweinerassen Defekte in der Scheidewand zwischen den beiden Herzkammern auftreten, was nicht nur die Herzfunktion beeinträchtigt, sondern auch die Funktion der Nieren beeinflussen kann. Bei den Auckland Island Pigs tritt dieser Defekt nach unserer Erfahrung nicht auf.“

Weitere Forschungsschritte

„Die Ergebnisse zeigen klar, dass die Xenotransplantation von Schweinenieren langfristig funktionieren kann, wenn alle Parameter optimiert sind. Die Variabilität der Ergebnisse in der Studie zeigt, dass dies noch nicht komplett gelungen ist. Ein Aspekt, der in der Arbeit zu wenig diskutiert wird, ist die Tatsache, dass es sich bei den verwendeten Spenderschweinen um geklonte Tiere handelte. Da die Technik des Klonens zu einer großen epigenetischen Variabilität der resultierenden Tiere führen kann, könnte dies zumindest teilweise auch die Variabilität der Ergebnisse nach Xenotransplantation ihrer Organe erklären. Daher verwenden wir das Klonen nur für die Erstellung der ,Gründertiere‘; Tiere, die als Organspender dienen sollen, werden durch Zucht generiert, was die epigenetische Variabilität minimiert.“

„Die Ergebnisse in den präklinischen Studien müssen für die Nieren noch konsistenter werden – für Herzen sind sie das bereits. Faktoren, die dazu beitragen könnten, sind der Verzicht auf den kompletten CMAH-Knockout für die Primatenversuche – davon müsste man natürlich die Zulassungsbehörde überzeugen – und die Generierung der Spenderschweine durch Zucht statt durch Klonen. Darüber hinaus müssen die Spendertiere auf einen sogenannten designiert pathogenfreien (DPF) Hygienestatus gebracht werden, um sicherzustellen, dass durch die Xenotransplantation keine Infektionserreger übertragen werden.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Dr. Joachim Denner: „Es gibt keine Interessenkonflikte von meiner Seite.“

Prof. Dr. Eckhard Wolf: „Ich bin Mitgründer der XTransplant GmbH.“

[II] Griffith BP et al. (2022): Genetically Modified Porcine-to-Human Cardiac Xenotransplantation. The New England Journal of Medicine. DOI: 10.1056/NEJMoa2201422.

[III] University of Maryland (22.09.2023): UM Medicine Faculty-Scientists and Clinicians Perform Second Historic Transplant of Pig Heart into Patient with End-Stage Cardiovascular Disease. Pressemitteilung.

[IV] XTransplant (2022): State parliament support xenotransplantation. Pressemitteilung.

Affen überlebten bis zu zwei Jahre mit transplantierten Schweine-Nieren

Übersicht

Statements

Dr. Joachim Denner

Prof. Dr. Eckhard Wolf

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Primärquellen

Literaturstellen, die von den Expertinnen und Experten zitiert wurden

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden