Kardiale Xenotransplantation in Deutschland

Entsprechend dem Ziel des interaktiven Workshops erfolgten auf Basis kondensierter Impulsvorträge durch Sonderforschungsbereichmitglieder des Transregio-Programms 127 „Biologie der xenogenen Zell- und Organtransplantation – vom Labor in die Klinik“ (DFG-Transregio-SFB 127) lebhafte Diskussionen zu verschiedenen Aspekten: Neben einer Übersicht zum aktuellen Stand der tierexperimentellen Forschung lagen die Schwerpunkte auf Fragen zu Abstoßung und Immunsuppression, der potenziellen Übertragung pathogener Keime und der Generierung optimierter genmodifizierter Spenderschweine. Den Abschluss bildeten die ethischen Aspekte dieser Thematik sowie die Darstellung der in Zukunft bestehenden Möglichkeiten und noch zu überwindenden Hürden einer ersten klinischen Studie. In diesem Zusammenhang wurde darüber hinaus über die Pros und Contras eines möglichen „Heilversuchs“, einschließlich der Problematik der idealen Patientenauswahl, diskutiert.

Am 01.03.2023 befanden sich in Deutschland ca. 9500 Patienten auf einer Warteliste für eine allogene Transplantation. Bei Spenderzahlen unter 1000/Jahr in Deutschland über die letzten Jahre und 3 bis 3,5 gespendeten Organen/Spender resultiert daraus ein eklatanter Organmangel in allen Bereichen. Trotz wiederholten Aufklärungskampagnen kam es zuletzt erneut zu einer negativen Entwicklung der Spenderzahlen in Deutschland (Abb. 1), und es existiert aktuell – auch aufgrund des gescheiterten Versuchs der Implementierung der Widerspruchslösung und der fehlenden Legalisierung einer Organspende nach anhaltendem Herz-Kreislauf-Stillstand – keine zufriedenstellende Lösung für das Problem.

Im Bereich Herztransplantation kam es in den letzten 2 Jahren zu keinem signifikanten Rückgang der Spenderzahlen (Abb. 2), dennoch besteht auch hier weiterhin eine signifikante Diskrepanz zwischen Bedarf und Angebot.

Bei zahlreichen Patienten kommt es während der Wartezeit zu einer signifikanten klinischen Zustandsverschlechterung, sodass sie als nicht mehr transplantabel eingestuft werden oder an ihrer Grunderkrankung versterben (Abb. 3).

Werden die Alternativen zur allogenen Transplantation betrachtet, stehen aktuell primär mechanische Herzunterstützungssysteme zur Verfügung. Diese haben sich über die Jahre zwar deutlich verbessert, dennoch gilt die Transplantation aufgrund der geringeren Komplikationsraten (weniger Infektionen, Thrombosen, Blutungen) und der besseren langfristigen Lebensqualität weiterhin als „Goldstandard“ der Therapie der terminalen Herzinsuffizienz. Das „total artificial heart“ als kompletter Herzersatz ist derzeit weiterhin in der Erprobung, jedoch weit entfernt von einer routinemäßigen Anwendung.

Somit scheint die Transplantation xenogener Organe, in diesem Fall von genmodifizierten Schweinen in Menschen, ein attraktiver Therapieansatz – im Sinne eines biologischen und definitiv „physiologischeren“ Herzersatzes zu sein.

Seit Jahrzehnten arbeiten verschiedene internationale Arbeitsgruppen an den Voraussetzungen für eine erfolgreiche Implementierung des xenogenen Herztransplantationsverfahrens in die Klinik [2]. Während in der Initialphase Primaten als Organspender verwendet wurden, hat sich das Schwein aufgrund seiner anatomischen Nähe zum Menschen, aber auch aus ethischen Gründen wegen der Jahrhunderte langen Akzeptanz als Nutztier, durchgesetzt. Dazu sind genetische Modifikationen notwendig: um die gefürchtete hyperakute Abstoßung zu überwinden, werden Gene verantwortlich für schädliche Zuckermoleküle an Zelloberflächen mit der „Genschere“ CRISPR/Cas9 entfernt („Knock-outs“). Außerdem ist eine Verhinderung der Komplementaktivierung durch Genmodifikation ausschlaggebend für die Vermeidung einer unkontrollierten Gerinnungsstörung, die meistens durch die Unverträglichkeit der beiden Spezies (Schwein und Primat/Mensch) hervorgerufen wird. Diese genetischen Veränderungen gehören zu den Voraussetzungen, um ein immunsuppressives Regime zu schaffen, das für den Menschen langfristig tolerabel ist. Ein allgemein gültiger Konsens zwischen den Forschergruppen bezüglich der notwendigen Zahl von Genmodifikationen besteht aktuell nicht. Die „Münchener Strategie“ beruht auf der Meinung, dass eine zu große Zahl genetischer Veränderungen die Tiere empfindlicher machen und die Zucht erschweren würde: Die bereits vorhandene präklinische Erfahrung lehrt, dass 5 genetische Modifikationen für eine klinische Anwendung ausreichend sein könnten.

Um der Problematik des überschießenden Wachstums der Deutschen Landrassenschweine entgegenzuwirken (Körpergewicht: 300 kg; Herzgewicht 1 kg) muss der Fokus auf der Nutzung kleinerer Rassen liegen, z. B. den Auckland Island Schweinen; diese haben ein Endgewicht zwischen 70 und 90 kg, ideal für erwachsene menschliche Empfänger. Bis diese Tiere vollständig genverändert zur Verfügung stehen, erscheint im präklinischen Bereich die Gabe von Rapamycin als Wachstumshemmer sinnvoll.

Eine Herde von Auckland-Island-Schweinen mit entsprechenden gentechnischen Merkmalen wird derzeit herangezüchtet und steht in naher Zukunft zur Verfügung (Abb. 4).

Für die klinische Anwendung ist eine „Designated-pathogen-free“(DPF)-Einheit eine Conditio sine qua non; DPF bedeutet, dass Organe dieser Tiere keine krankheitserregenden Mikroorganismen übertragen.

Die chirurgischen Techniken, einschließlich der Organprotektion mit kontinuierlicher Kaltperfusion bis zur Implantation [3, 4], gelten in erfahrenen Händen als etabliert. Nach ersten Versuchen im heterotop thorakalen Modell [5], wird nun die orthotope Transplantation als Destinationstherapie bevorzugt. Darüber hinaus ist ein Einsatz dieses Verfahrens als Überbrückung zum allogenen Ersatz („bridge to allotransplant“) vorstellbar. Aus immunologischer Sicht halten Experten dies für unkritisch [6].

Mögliche Indikationen für eine Xenotransplantation könnten bestehende Kontraindikationen gegen ein mechanisches Herzunterstützungssystem sowie eine zu erwartende verlängerte Wartezeit auf eine Allotransplantation sein. Auch junge (pädiatrische) Patienten nach Norwood-Palliationen mit rechtsseitig univentrikulärem Herzen könnten als Kandidaten für eine Xenotransplantation in Erwägung gezogen werden.

Nach einer Xenotransplantation kommt es, ähnlich den Mechanismen der Allotransplantation, zu einer Aktivierung des unspezifischen und spezifischen Immunsystems. Präklinische Versuche haben früh ergeben, dass eine Verhinderung von Abstoßungsreaktionen nach Xenotransplantation mit klassischen Immunsuppressiva allein nicht zu erreichen ist [7].

In Tierversuchen hat sich gezeigt, dass eine auf der CD40/CD40L-Kostimulationsblockade basierende Immunsuppression, ergänzt um eine Induktionstherapie gegen B‑ und T‑Zellen (z. B. mit Rituximab und Antithymozytenglobulin) sowie eine Erhaltungstherapie mit Mycophenolat-Mofetil (MMF) und niedrig dosierten Steroiden, der Schlüssel zum Langzeitüberleben ist [4, 8]. Der genaue Wirkmechanismus der CD40/CD40L-Kostimulationsblockade in der Xenotransplantation ist noch nicht vollständig geklärt; u. a. werden die Ausschüttung von proinflammatorischen Zytokinen (IL‑6, IL-2) und die T‑Zell‑/B-Zell-Interaktion gehemmt, wodurch letztendlich sowohl humorale und als auch zelluläre Abstoßungsreaktionen verhindert werden. Im Tiermodell konnte außerdem die Entwicklung von Immuntoleranz über die Induktion von regulatorischen T‑Zellen gezeigt werden [9, 10].

Aktuell wird präklinisch ein chimärischer Maus‑/Rhesusaffen-Anti-CD40-Antikörper (Ak, Massachusetts General Hospital, Boston, USA) verwendet, der für eine klinische Anwendung nicht geeignet ist. Dafür gibt es mittlerweile humanisierte Anti-CD40-Ak (KPL-404; Fa. Kiniksa Pharmaceuticals, Lexington, MA, USA) und Anti-CD40L-Ak (TNX-1500; Fa. Tonix Pharmaceuticals, NY, USA). Beide Antikörper befinden sich derzeit in der Zulassungsphase.

Zu den möglichen Komplikationen nach einer Xenotransplantation gehört die Übertragung von porcinen krankheitserregenden Mikroorganismen auf den Organempfänger. In diesem Zusammenhang sind v. a. die porcinen endogenen Retroviren (PERV) in den Fokus der Wissenschaft geraten. Die PERV werden als provirale Sequenzen in das Erbgut der Schweine eingebaut, können als infektiöse Viruspartikel freigesetzt werden und könnten Tumoren und eine erworbene Immunschwäche im Empfänger hervorrufen (Übersicht: [11]).

Nach mehreren Transplantationen von porcinen Herzen und Nieren in nichthumane Primaten hat sich gezeigt, dass die Übertragung des porcinen (P)CMV von klinischer Signifikanz ist und schließlich zu einer relevanten Limitierung der Überlebensdauer der Transplantate führt (Übersicht: [12]).

Im klinischen Fall von „Mr. Bennett“, dem ersten Empfänger eines genmodifizierten Schweineherzens, wurde das PCMV wegen einer nicht ausreichend sensitiven Nachweismethode im Spenderschwein nicht detektiert und auf den Patienten übertragen. Das Virus replizierte sich im transplantierten Herzen, sodass in der Folge im Empfänger eine hohe Viruslast festgestellt wurde. Herr Bennett verstarb am 08.03.2022, 60 Tage nach seiner Herztransplantation, an kardialem Versagen, am ehesten auf dem Boden der PCMV-Infektion. Eine schwere Abstoßungsreaktion konnte ausgeschlossen werden.

Zum besseren Verständnis ist allerdings wichtig zu betonen, dass das PCMV nur entfernt mit dem humanen Zytomegalievirus (HCMV) verwandt ist. Es ist ein porcines Roseolovirus (PRV) und eng verwandt mit den humanen Herpesviren (HHV)6A, 6B und 7, mit denen fast jeder Mensch infiziert ist.

Obwohl es bisher noch keinen Beweis gibt, dass PCMV menschliche Zellen oder Zellen des Empfängers infizieren kann, ist eine Anpassung des Virus an den neuen Wirt nicht auszuschließen – ähnlich wie bereits für einige Herpesviren beschrieben. Aktuell wird von einem direkten Einfluss des Virus auf das Immunsystem und die Endothelzellen des Organempfängers ausgegangen, wodurch es zu Zytokinausschüttungen, Gerinnungskomplikationen und letztendlich zum Multiorganversagen kommen kann [13].

Da es kein Vakzin und keine effektive medikamentöse Therapie gibt, kommen für einen klinischen Einsatz nur sicher pathogenfreie Schweine zur Auswahl. Das Screening basiert auf Testungen mithilfe der „polymerase chain reaction“ (PCR) und v. a. dem Nachweis von Antikörpern. Entsprechende „standard operating procedures“ (SOP) liegen vor, allerdings muss auf die korrekte Probenentnahme und die Auswahl des richtigen Zeitpunkts für die Entnahme geachtet werden [14]. Eliminierungsprogramme umfassen die Zucht von PCMV-negativen Tieren oder aber die frühzeitige Trennung der Ferkel von der Muttersau („early weaning“; [15]).

Im Fall der PERV ist die Verwendung von Genscheren zur Elimination der integrierten Viren angedacht. Die Notwendigkeit eines solchen Verfahrens ist jedoch noch nicht bewiesen, da eine Übertragung von PERV weder klinisch noch präklinisch nachgewiesen werden konnte. Dennoch werden PERV-C-freie Tiere bevorzugt, weil damit eine potenziell risikoreiche Rekombination PERV-A/C unmöglich wird. In allen Fällen ist eine entsprechende Isolation der Spendertiere in einer DPF-Einheit notwendig.

Es existieren zahlreiche Abhandlungen zu ethischen Überlegungen im Rahmen der allogenen Transplantation sowie der Organspende. Für die Xenotransplantation sind die Berichte limitiert, konzentrieren sich aber im Sinne eines Pathozentrismus (Vermeidung von Leid als Maßstab für die Bewertung von Handlungen) im Wesentlichen auf die Abwägung zwischen Nutzen für den Menschen und Belastung, Gefahren oder auch das Leiden für die Tiere.

Der erwartete Nutzen einer Xenotransplantation liegt, neben der verbesserten Lebenserwartung und Lebensqualität, in einer signifikanten Reduktion der Wartezeit auf ein allogenes Spenderorgan und entspricht dem Prinzip der Fürsorge bzw. des Wohltuns. In Kombination mit dem Nichtschaden durch verbesserte Operationstechniken, einer verträglicheren Immunsuppression und der effektiven Vermeidung von Xenozoonosen bestehen keine Einwände gegen einen potenziellen Nutzen des Empfängers. Bezüglich möglicher psychologischer Auswirkungen ist eine Evaluation erforderlich, allerdings zeigen Umfragen bei Patienten auf der Warteliste eine positive Grundhaltung zum Therapieansatz. Zweifelsfrei muss die Patientenautonomie erhalten bleiben, und eine Aufklärung über die fehlenden Erfahrungen beim Menschen erfolgen.

Für die Tiere bestehen im Rahmen der notwendigen präklinischen Testung zweifelsfrei hohe Belastungen, allerdings sind die Zahlen limitiert und der potenzielle Nutzen für die Patienten wird als überproportional gewertet. Für die spätere Zucht der Tiere als Organspender müssen die Haltungsbedingungen optimal sein, werden aber schon aufgrund der notwendigen Ausstattungs- und Hygieneansprüche zweifelsfrei der klassischen Masthaltung überlegen sein. Somit existieren keine kategorischen, am Tierwohl orientierten Argumente gegen die Durchführung einer Xenotransplantation, allerdings hängt die ethische Vertretbarkeit immer auch von den Anwendungsbedingungen ab.

Letztlich muss zur Thematik der Xenotransplantation kein Konsens innerhalb der Gesellschaft vorliegen. Vielmehr handelt es sich aus ethischer Sicht um eine Thematik der Betroffenen nach umfassender und ausreichender Aufklärung. Trotzdem erscheint es zur Vermeidung der Weitergabe von „gefährlichem“ Halbwissen sinnvoll, die Gesellschaft im Rahmen der Transplantationsproblematik für dieses Thema zu sensibilisieren [16].

Es wurden die Voraussetzungen für einen Heilversuch dargestellt; dieser betrifft schwer kranke Einzelfälle ohne reelle Chance auf ein allogenes Transplantat oder sonstige zugelassene Therapiemaßnahmen. Die Haftung für den Heilversuch liegt ausschließlich beim Behandlungsteam. Ein Heilversuch ist keine klinische Prüfung; eine klinische Studie bedarf vor Beginn einer behördlichen Genehmigung. Werden Heilversuche in großer Zahl durchgeführt und in der Summe ausgewertet (die Zahl ist nicht definiert), handelt es sich gemäß dem Arzneimittelgesetz um eine klinische Studie. Nur auf Grundlage der Daten von klinischen Studien ist später eine Zulassung möglich. Aus diesen Gründen wird bereits für die erste Transplantation der formale Rahmen einer klinischen Studie bevorzugt. Dies gilt auch deshalb, weil es sich für alle Beteiligten um regulatorisches Neuland handelt – auch für die Behörde (hier das Paul-Ehrlich Institut, PEI), die die klinische Studie genehmigen muss. Aus diesem Grund besteht eine sehr enge Zusammenarbeit mit dem PEI in der Vorbereitung der ersten Studie und für deren Registrierung in dem europäischen Clinical Trial Information System (CITIS).

Die Frage, ob es sich bei dem Transplantat um ein Arzneimittel oder um ein Medizinprodukt handelt, wird noch zu bestimmen sein; Präzedenzfälle gibt es keine. Blutegel z. B. als lebende Tiere, werden für die medizinische Anwendung in der EU als Arzneimittel betrachtet, in den USA als Medizinprodukt. Das Regelwerk für die Prüfung von Arzneimitteln ist ausgelegt für definierte chemische Substanzen und Peptide, Proteine, Oligonukleotide (u. a.), nicht jedoch für Organe oder lebende Tiere. Die einzige verfügbare EU-Richtlinie (Guideline on xenogenic cell-based medicinal products [17]) der Europäischen Agentur für Arzneimittel (EMA) spricht lediglich von zellbasierten Produkten, nicht jedoch von Organen. Das Regelwerk für die Prüfung von Arzneimitteln sieht vor, den Wirkstoff sowie das daraus resultierende Arzneimittel zu identifizieren und zu benennen – hier sind kreative, aber wissenschaftlich fundierte Lösungen gefordert. Eine erfolgreiche Testung im Affen (präklinische Situation), ein validierter „Herstellungsprozess“ des Herzens mit den richtigen und validierten In-Prozess-Kontrollen, wie für jedes Arzneimittel selbstverständlich, dies muss jetzt aufgesetzt werden für ein lebendes Tier, die schlussendliche Organentnahme und für das Organ. Diese Thematik und die daraus resultierenden technischen und regulatorischen Fragestellungen sind weltweit noch nicht bearbeitet worden. In Zusammenarbeit mit Experten der Arzneimittelzulassung im Team und im Dialog mit dem PEI werden hierzu Lösungen erarbeitet.

Im Rahmen der intensiven Diskussion bestand innerhalb der Gruppe Einigkeit, dass die Etablierung der klinischen Xenotransplantation ein Leuchtturmprojekt innerhalb der deutschen Herzchirurgie sein könnte. Zahlreiche experimentelle Untersuchungen in den letzten Jahren haben gerade in Deutschland zu einer Reihe von Problemlösungen beigetragen [2, 4]. Neben einer verbesserten Organprotektion scheint durch die Genmodifikation und die Neuzusammenstellung der Immunsuppressiva eine langfristige Abstoßungstherapie klinisch durchführbar. Die gefürchtete hyperakute Abstoßung ist nicht mehr limitierend; das überschießende Größenwachstum der Schweine kann durch die Auswahl einer kleinen Schweinerasse, wie der Auckland-Island-Tiere, verhindert werden. Wichtig ist eine sachgerechte Aufzucht, die eine Übertragung krankheitserregender Mikroorganismen ausschließt. Eine Herausforderung stellt noch die sichere Bereitstellung und Finanzierung einer ausreichenden Zahl von Spendertieren dar. Um das klinische Xenotransplantationsprojekt weiter voranzutreiben, ist eine konsequente und einheitliche Außendarstellung gegenüber Fachleuten, Journalisten und der Gesellschaft notwendig. In diesem Sinne werden Ausschnitte aus diesem Positionspapier in der kardiologischen Fachzeitschrift Cardio News veröffentlicht, um das kardiologisch-internistische Publikum besser erreichen und informieren zu können.