Impact of immunosenescence and donor age on alloimmunity and transplant outcome

Abstract

Continuous and complex modifications of the immune system in parallel to aging are major factors impacting transplant outcome and organ quality. Increasing numbers of elderly transplant recipients and a growing utilization of organs from older donors thus pose pressing challenges for transplantation medicine. In clinical practice, transplantation of old donor organs has been associated with reduced patient and graft survival, more frequent episodes of acute rejection and delayed graft function. To elucidate the mechanisms underlying these clinical findings, a fully MHC-mismatched murine model of vascularized heterotopic cardiac transplantation with young (8 to 12 weeks) DBA/2 recipients and either young or old (18 months) C57BL/6 donors was used. Cardiac allografts procured from old donor mice were subject to significantly accelerated graft rejection compared to young allografts. This difference in graft survival was associated with higher ISHLT rejection scores and increased intragraft infiltration by CD4+ and CD8+ T cells. Futhermore, organ age impacted characteristics of systemic alloimmune responses of the recipients, with increased frequencies of splenic CD8+ effector T cells and CD8+IFN-γ+ T cells in recipients of old allografts, in addition to higher frequencies of alloreactive IFN-γ and IL-6-producing splenocytes and more potent proliferative responses upon restimulation with donor-type antigen. To discriminate between differential effects of parenchymal tissue and intragraft passenger leukocytes in this context, chimeric donor animals were generated by transplanting young syngeneic bone marrow into old and young prospective donor mice six weeks prior to organ procurement. When transplanting these chimeric allografts (young tissue/young leukocytes or old tissue/young leukocytes) comparable graft survival, rejection scores and systemic immune responses were observed, thus revealing a crucial role of intragraft passenger leukocytes in mediating augmented immune responses when transplanting old allografts. Focusing on dendritic cells as one subset of passenger leukocytes, prospective cardiac allografts were then depleted of intragraft DCs by donor pretreatment with liposomal clodronate. Differences in graft survival and rejection scores where abolished when using hearts depleted of intragraft DCs, and systemic alloimmune responses remained independent of donor age. Furthermore, in-vitro characterization of allostimulatory priming capabilities of DCs showed significantly higher frequencies of IFN-γ-producing cells and higher proliferative responses among allogeneic splenocytes when stimulated by old DCs, as well as increased expression of MHC-II and costimulatory molecules on old DCs. Dendritic cells as a cellular substrate mediating donor-age-dependent acceleration and exacerbation of allograft rejection may thus represent a potential target for donor pretreatment strategies.

Kontinuierliche und komplexe Veränderungen des Immunsystems mit zunehmendem Alter haben entscheidenen Einfluss auf den klinischen Erfolg von Organtransplantationen und die Qualität von Spenderorganen. Da die Zahl der älteren Transplantatempfänger steigt und zunehmend Organe von älteren Spendern transplantiert werden, ergeben sich drängende Herausforderungen für die Transplantationsmedizin. Klinisch konnte für die Transplantation von älteren Spenderorganen eine Assoziation mit schlechterem Patienten- und Transplantatüberleben sowie häufigeren akuten Abstoßungsreaktionen und verzögerter Transplantatfunktion gezeigt werden. Um diesen klinischen Phänomenen zugrundeliegende Mechanismen zu ergründen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Mausmodell heterotoper, komplett vaskularisierter Herztransplantation mit MHC-disparaten jungen (acht bis zwölf Wochen) DBA/2-Empfängern und jungen oder alten (18 Monate) C57BL/6 Spendern etabliert. Von alten Spendermäusen gewonnene Herzen zeigten eine signifikant beschleunigte Transplantatabstoßung im Vergleich zu jungen Spenderherzen. Dieser Unterschied im Transplantatüberleben war begleitet von höheren Indizes in der ISHLT Abstoßungsklassifikation und verstärkter Transplantatinfiltration durch CD4+ und CD8+ T- Zellen. Das Alter des transplantierten Organs hatte weiterhin Einfluss auf Charakteristiken der systemischen Alloimmunreaktion des Empfängers, dargestellt durch erhöhte Häufigkeit von milzständigen CD8+ Effektor-T-Zellen und CD8+IFN-γ+ T-Zellen bei Transplantation von älteren Spenderorganen, zusätzlich zu erhöhten Häufigkeiten von alloreaktiven IFN-γ- und IL-6-produzierenden Splenozyten sowie ausgeprägterer alloreaktiver Proliferation von Splenozyten bei Restimulation mit donorspezifischen Antigenen. Um Effekte des Parenchyms der transplantierten Organe von denen der mitübertragenen Passagierleukozyten zu unterscheiden, wurden chimäre Spendertiere generiert durch Transplantation von Knochenmark junger syngener Tiere in alte und junge zukünftige Spendertiere sechs Wochen vor Organentnahme. Nach Transplantation dieser chimären Spenderherzen (junges Parenchym mit jungen Passagierleukozyten oder altes Parenchym mit jungen Passagierleukozyten) waren Transplantatüberleben, Abstoßungsindizes und systemische Empfängerantworten vergleichbar, was auf eine entscheidende Rolle von organständigen Passagierleukozyten bei der Vermittlung von verstärkten Immunreaktionen nach Transplantation alter Spenderorgane hindeutete. Mit Fokus auf dendritische Zellen als eine Untergruppe der Passagierleukozyten wurden nun organständige dendritische Zellen durch Vorbehandlung der Spendertiere mit liposomalen Clodronat aus den Spenderherzen depletiert. Unterschiede in Transplantatüberleben und Abstoßungsindizes waren aufgehoben nach Transplantation von Spenderherzen vorbehandelter Tiere, ebenso waren die systemischen Immunantworten unabhängig vom Alter der Spendertiere. Weiterhin konnte eine detailliertere Charakterisierung der allostimulatorischen Priming- Fähigkeiten dendritischer Zellen in-vitro zeigen, dass Stimulation mit alten dendritischen Zellen zu erhöhten Häufigkeiten von IFN-γ- produzierenden Zellen sowie deutlicheren alloreaktiven Proliferationen unter allogenen Splenozyten führt und alte dendritische Zellen eine erhöhte Expression von MHC-II und kostimulatorischen Molekülen aufweisen. Dendritsche Zellen als zelluläres Substrat der beschleunigten und verstärkten Transplantatabstoßung alter Spenderorgane könnten somit ein Ziel möglicher Strategien der Spendervorbehandlung darstellen.