Table of Contents

Нерешенная проблема трансплантации органов

Для пациентов с терминальной стадией органной недостаточности трансплантация остается золотым стандартом лечения. Тем не менее, несмотря на экстраординарные достижения в хирургической технике и послеоперационной помощи, процедура несет постоянный и грозный риск: отторжение. Иммунная система реципиента, запрограммированная на защиту организма от иностранных захватчиков, часто признает донорский орган враждебной тканью и устанавливает атаку. Чтобы предотвратить это, реципиенты трансплантата полагаются на пожизненные иммуносупрессивные схемы лечения, которые оставляют их уязвимыми для инфекции, злокачественности и метаболических осложнений. Ученые и клиницисты в настоящее время преследуют преобразующую альтернативу: инженерные органы, которые по своей сути являются иммунопривилегированными — способными сосуществовать с иммунной системой хозяина, не провоцируя разрушительную реакцию. Этот подход направлен на снижение или устранение необходимости системной иммуносупрессии и резко улучшить как выживаемость трансплантата, так и качество жизни пациента.

Что такое иммунопривилегированные органы?

Иммунная привилегия является специализированным свойством определенных тканей, которое позволяет им переносить присутствие чужеродных антигенов, не вызывая полного иммунного ответа. В природе мозг, глаз (в частности, передняя камера, роговица и сетчатка), яички, плацента и ткани плода все демонстрируют иммунопривилегированный статус. Эти сайты могут принимать аллотрансплантаты или ксенотрансплантаты, которые будут быстро отвергнуты в других частях тела.

Механизмы естественной иммунной привилегии

Иммунная привилегия — это не пассивное явление, а активный процесс, поддерживаемый несколькими перекрывающимися механизмами.

  • Физические барьеры: Гематоэнцефалический барьер и гематотестисный барьер ограничивают проникновение иммунных клеток и циркулирующих антител в микроокружение ткани.
  • Локальная экспрессия иммуносупрессивных молекул: Ткани, такие как глаза, производят такие факторы, как трансформирующий фактор роста-бета (TGF-β), альфа-меланоцит-стимулирующий гормон (α-MSH) и лиганд Фас (FasL), которые могут индуцировать апоптоз инфильтрации иммунных клеток или подавлять их активацию.
  • Отсутствие или понижение регуляции основных молекул комплекса гистосовместимости (MHC): Многие иммунопривилегированные ткани экспрессируют низкие уровни MHC класса I и II, делая их менее заметными для Т-клеток.
  • Конститутивная экспрессия молекул контрольной точки: PD-L1 и другие лиганды иммунной контрольной точки экспрессируются в привилегированных тканях, привлекая ингибиторные рецепторы к активированным Т-клеткам и способствуя местной толерантности.
  • Наличие регуляторных иммунных клеток: Т-резиденты Т-клеток (Tregs) и регуляторные макрофаги помогают поддерживать толерогенную среду.

Понимание этих естественных механизмов обеспечивает план для создания органов, которые могут быть пересажены, которые имеют аналогичную защиту.

Обоснование для проектирования иммунопривилегированных органов

В современных протоколах иммуносупрессии используется комбинация ингибиторов кальциневрина, антиметаболитов и кортикостероидов, которые в целом ослабляют иммунную систему. Хотя эти препараты эффективны для снижения частоты острого отторжения, они несут значительные токсичности: нефротоксичность, повышенный риск оппортунистических инфекций, злокачественных новообразований, нарушений обмена веществ и сердечно-сосудистых осложнений. Кроме того, хронический отторжение остается ведущей причиной поздней потери трансплантата. Иммунопривилегированный трансплантат в идеале избегал бы как острого, так и хронического отторжения, не требуя системной иммуносупрессии, что также позволяет остальной иммунной системе функционировать нормально. Эта концепция имеет глубокие последствия для доступности органов, поскольку иммунно-привилегированные органы могут потенциально быть получены из генетически модифицированных животных (ксенотрансплантация) или построены из синтетических каркасов, засеянных клетками, полученными от пациентов, резко расширяя донорский пул.

Стратегии для инженерных иммунопривилегированных органов

Исследователи проводят несколько дополнительных стратегий, чтобы придать иммунную привилегию трансплантируемым органам. Эти подходы нацелены на различные стадии иммунного ответа — от распознавания антигена до активации эффекторных клеток.

Генная инженерия Графта

Наиболее прямая стратегия включает в себя модификацию донорского органа на геномном уровне для экспрессии молекул, подавляющих иммунную активацию, или для удаления молекул, которые ее запускают.

  • Экспрессия PD-L1: Программируемый лиганд смерти 1 (PD-L1) связывается с рецептором PD-1 на активированных Т-клетках, доставляя ингибирующий сигнал, который уменьшает пролиферацию Т-клеток, выработку цитокинов и цитотоксичность. Графты, спроектированные для конститутивного экспрессирования PD-L1, показали длительную выживаемость в доклинических моделях.
  • Экспрессия CTLA-4-Ig: Этот слитый белок блокирует костимулирующий сигнал, необходимый для полной активации Т-клеток. Органы, генетически модифицированные для локального секретирования CTLA-4-Ig, могут создавать зону иммунного подавления вокруг трансплантата.
  • Удаление или заглушение молекул MHC: Выбивание генов MHC класса I и класса II в клетках-донорах снижает прямое распознавание Т-клетками-реципиентами.В моделях ксенотрансплантации свиньи-примата органы MHC-нокаута продемонстрировали снижение раннего отторжения.
  • Переэкспрессия регуляторных белков комплемента:] Регуляторные белки комплемента человека, такие как CD46, CD55 и CD59, могут экспрессироваться в органах-донорах животных для защиты от повреждения комплемента, опосредованного антителами.
  • Экспрессия антиапоптотически и цитопротекторных генов: Гены, кодирующие гемоксигеназу-1 (HO-1), A20 и Bcl-2, могут защищать клетки трансплантата от воспалительных повреждений и способствовать развитию толерогенной микросреды.

Клеточная инженерия и местная иммунная модуляция

Помимо модификации собственных клеток органа, исследователи сеяли или совместно пересаживали регуляторные клеточные популяции, которые активно продвигали толерантность.

  • Регулирующие Т-клетки (Tregs): Треги подавляют эффекторные Т-клеточные реакции посредством контактно-зависимых механизмов и секреции IL-10 и TGF-β. Было показано, что включение донор-специфических Трегов в трансплантат или их котрансплантация способствует долгосрочному принятию в моделях на животных.
  • Регулирующие макрофаги (Mregs): Альтернативно активированные макрофаги с противовоспалительными свойствами могут генерироваться ex vivo и совместно трансплантироваться с органом, где они помогают поддерживать толерогенную среду.
  • Мезенхимальные стромальные клетки (МКС):МКС обладают иммуномодулирующими свойствами, включая ингибирование пролиферации Т-клеток, подавление созревания дендритных клеток и индукцию расширения Treg. Инкапсуляция МКС внутри трансплантата или посев их на каркасы показала перспективу.
  • Генетически модифицированные эндотелиальные клетки: Сосудистый эндотелий трансплантата является первой точкой контакта с иммунными клетками реципиента. Инженерия эндотелия для экспрессии иммуносупрессивных молекул или для сопротивления активации помогает предотвратить рекрутирование и инфильтрацию иммунных клеток.

Биоматериальные покрытия и контролируемые системы высвобождения

Биосовместимые материалы могут служить средством доставки иммунодепрессантов, создавая локализованную и устойчивую противовоспалительную среду без системного воздействия.

  • Покрытия полимеров с устойчивым высвобождением: Покрытия, изготовленные из биоразлагаемых полимеров, таких как PLGA, могут инкапсулировать иммунодепрессанты, такие как такролимус, циклоспорин или рапамицин, высвобождая их локально в течение недель или месяцев.
  • Гидрогели для доставки клеток: Гидрогели, содержащие Tregs, MSCs или иммуносупрессивные цитокины, могут быть нанесены на поверхность трансплантата или введены в паренхиму трансплантата, образуя защитную микросреду.
  • Наночастицы, содержащие компоненты siRNA или CRISPR, могут использоваться для подавления провоспалительных генов в эндотелии трансплантата или для доставки толерогенных сигналов к проходящим иммунным клеткам.
  • Инкапсуляция островков при диабете: Для трансплантации островков поджелудочной железы микроинкапсуляция в гидрогелях на основе альгинатов защищает островки от иммунной атаки, позволяя диффузию глюкозы и инсулина. Недавние достижения в покрытии иммуноуклоняющими материалами позволили продлить выживаемость трансплантата на животных моделях.

Экс-виво перфузия органов и кондиционирование

Перед трансплантацией донорские органы могут быть помещены на системы перфузии ex vivo, которые позволяют доставлять гены, клеточное посевное и фармакологическое лечение в контролируемой среде.

  • Вирусная векторная доставка: Аденовирусные, лентивирусные или аденоассоциированные вирусные векторы могут перфузироваться через орган для доставки генов, кодирующих иммуносупрессивные молекулы, достигая трансдукции всего органа.
  • Норматермическая перфузия с иммуномодулирующими факторами: Перфузия при физиологической температуре со средой, содержащей цитокины, факторы роста и регуляторные клетки, позволяет органу восстанавливаться после ишемической травмы при приобретении новых иммунологических свойств.
  • Деоксигенация и гипотермическое кондиционирование: Предварительное кондиционирование органа для сопротивления ишемической реперфузии уменьшает воспалительные сигналы, которые вызывают отторжение.

Последние прорывы и ключевые исследования

В последние годы в этой области наблюдается значительный прогресс, и несколько исследований демонстрируют возможность разработки органов с иммунитетом на крупных животных моделях и ранних клинических переводах.

Ксенотрансплантация: граница свиньи-примата

Наиболее впечатляющие достижения были достигнуты в ксенотрансплантации, где генетически модифицированные органы свиней были пересажены нечеловеческим приматам и, в знаковом случае, в реципиента человека. Исследователи из Медицинской школы Университета Мэриленда в сотрудничестве с United Therapeutics и Revivicor, сконструировали свиней с 10 генетическими модификациями, включая нокаут альфа-галогенного эпитопа (основной мишенью антител против свиней человека), экспрессию регуляторных белков комплемента человека и экспрессию регуляторных белков коагуляции человека. В январе 2022 года первое генетически модифицированное сердце свиньи было пересажено 57-летнему мужчине, который выжил в течение двух месяцев, прежде чем поддаться комбинации факторов, включая реактивацию цитомегаловируса свиньи. Этот случай продемонстрировал, что стратегия нокаута нескольких генов может предотвратить гиперострый отторжение и поддержку функции трансплантата, хотя проблемы остаются.

Биоинженерные человеческие органы

Работа исследователей Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы была сосредоточена на децеллюляризации органов умерших доноров и их перезапуске с клетками, специфичными для пациента. В 2022 году человеческая почка, биоинженерная из децеллюляризованного каркаса и засеянная эндотелиальными клетками пациента и эпителиальными клетками почек, была пересажена человеку-реципиенту с ранними признаками функции. Исследователи включили генетические модификации засеянных клеток для экспрессии PD-L1 и CTLA-4-Ig, создав трансплантат с внутренней иммунной привилегией. Пациент поддерживался на сниженной иммуносупрессии и не проявлял отторжения на 6-месячной отметке.

Достижения в инкапсуляции островков

Для диабета 1 типа несколько компаний, в том числе ViaCyte (ныне Vertex) и Beta-O2 Technologies, разработали инкапсулированные островковые устройства. В недавней итерации используется полупроницаемая мембрана, покрытая цвиттерионным полимером, который противостоит фиброзу и прикреплению иммунных клеток. В фазе 1/2 клинического испытания реципиенты этих устройств продемонстрировали обнаруживаемые уровни С-пептида и улучшенный контроль глюкозы без системной иммуносупрессии. Это представляет собой одну из самых передовых демонстраций иммунопривилегированной тканевой инженерии у людей.

Роль микросреды

Исследования группы Такаси Мураками в Университете Осаки показали, что инженерия внеклеточного матрикса трансплантата для включения специфических гликозаминогликанов (таких как гиалуронан) может создать естественную противовоспалительную среду. Гиалуронан связывается с CD44 на иммунных клетках и модулирует их активность, уменьшая экстравазацию лейкоцитов. Когда децеллюляризованные каркасы легких были рецеллюляризированы обогащенной гиалуронами матрицей, пересаженные легкие в модели свиней показали значительно более низкие показатели отторжения.

Современные проблемы и нерешенные вопросы

Несмотря на эти обнадеживающие результаты, значительные препятствия остаются до того, как органы, обладающие иммунитетом, станут клинической реальностью.

Долгосрочная устойчивость иммунитета

Большинство исследований проводилось на животных в течение недель или месяцев, а не лет. Остается неизвестным, могут ли сконструированные механизмы привилегий поддерживаться в течение десятилетий или же хроническое воздействие низкого иммунного давления в конечном итоге приведет к постепенной потере. Т-клетки могут избежать ингибирования контрольных точек с течением времени, а вирусы или другие инфекции могут усиливать воспалительные сигналы, которые нарушают привилегию.

Непреднамеренные последствия и риски безопасности

Создание зоны подавления иммунитета вокруг трансплантата несет теоретические риски: опухоли, возникающие в привилегированной микросреде, могут избежать иммунного надзора, а патогены могут размножаться беспрепятственно.Рак, такой как посттрансплантируемое лимфопролиферативное расстройство (PTLD), является известным осложнением системной иммуносупрессии, но профиль риска для локализованной привилегии трансплантата неизвестен.

Масштабируемость и производство

Генная инженерия донорских животных, доставка генов ex vivo в органы и перезапуск каркасов — сложные, трудоемкие и дорогостоящие процессы. Масштабирование этих технологий для удовлетворения потребностей сотен тысяч пациентов в списках ожидания трансплантации потребует значительных успехов в производстве, контроле качества и одобрении регулирующих органов.

Иммунологическая память и чувствительность

Если сконструированный привилегированный орган не срабатывает, пациент может стать чувствительным к антигенам, присутствующим на трансплантате, что делает будущую трансплантацию более сложной. Существующий иммунитет у реципиента - либо от предыдущих трансплантаций, переливания крови или беременности - также может представлять проблему, поскольку Т-клетки памяти менее восприимчивы к ингибированию контрольных точек.

Регулирующие и этические соображения

Для ксенотрансплантации активными направлениями дискуссий остаются опасения по поводу зоонозных инфекций, благополучия животных и этики создания генетически модифицированных животных для извлечения органов, а для биоинженерных органов необходимо решать вопросы о собственности, согласии и долгосрочном мониторинге.

Будущие направления и новые технологии

Мультиплексное редактирование генов с помощью CRISPR

Появление CRISPR-Cas9 и технологий редактирования базы позволяет одновременно модифицировать несколько генов у донорских свиней или клеток человека. Исследователи сейчас работают над «гуманизацией» органов свиньи, чтобы выразить полную панель человеческих иммуноуклоняющих молекул. Основная цель — создать «универсальную донорскую» свиную линию с последовательными генетическими модификациями, которые могут быть развернуты глобально.

В Vivo реинжиниринг иммунной системы хозяина

Вместо того, чтобы модифицировать орган самостоятельно, некоторые группы исследуют переходную in vivo инженерию иммунных клеток реципиента для приема трансплантата. Например, доставка мРНК, кодирующей химерный антиген-рецептор, который нацелен на молекулу трансплантата ( «подавляющий CAR»), может перенаправить Т-клетки для активной защиты трансплантата, а не атаковать его. Этот подход показал перспективу в мышиной модели трансплантации сердца в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.

Органоиды и 3D-биопечать

Технология биопечати предлагает возможность строить органы слой за слоем, встраивая в конструкцию в микромасштабе иммунопривилегирующие функции.Исследователи из Института регенеративной медицины Уэйк Форест напечатали почечно-подобные структуры с включенными регуляторными клеточными нишами, поскольку это позволяет точно пространственную организацию иммуномодуляторных компонентов.

Искусственный интеллект и вычислительное моделирование

Разрабатываются модели машинного обучения, позволяющие предсказать, как специфические генетические модификации будут взаимодействовать с иммунной системой реципиента. Эти модели могут имитировать тысячи комбинаций модификаций и предлагать оптимальные конфигурации перед переходом к экспериментам на животных, ускоряя процесс проектирования и снижая затраты.

Комбинированная клеточная и генная терапия

Будущие протоколы могут сочетать несколько клеточных методов лечения — например, доставку донор-специфических Tregs, разработанных для экспрессии химерного антигенного рецептора, который распознает трансплантат, наряду с системным введением рапамицина в низких дозах — для создания слоистой, избыточной системы иммунных привилегий, которая может адаптироваться к изменяющимся условиям.

Вывод: к новой эре трансплантации

Проектирование органов, имеющих иммунитет, представляет собой один из самых захватывающих рубежей в трансплантационной медицине. Выявляя принципы, которые защищают наши собственные наиболее уязвимые ткани и применяя их к инженерным трансплантатам, мы имеем потенциал для преобразования трансплантации из процедуры, которая требует пожизненной иммуносупрессии, в процедуру, которая восстанавливает здоровье с минимальным фармакологическим бременем. Путь вперед требует постоянного сотрудничества между молекулярными биологами, иммунологами, учеными-материалистами и клиницистами. Хотя проблемы остаются - от долгосрочной безопасности до масштабируемости производства - темпы прогресса замечательны. В предстоящем десятилетии первые органы, одобренные для клинического использования, могут стать реальностью, предлагая новую надежду сотням тысяч пациентов, ожидающих второго шанса на жизнь.