The TreaT-Assay – Determining the Immunological Risk after Kidney Transplantation by Measuring T cell Alloreactivity towards Urine-Derived Renal Transplant Cells

Abstract

In the past decades, the prognosis of kidney transplant patients improved significantly. This can be attributed to a prolonged graft survival due to the introduction of very effective immunosuppressive drugs and a strong reduction of rejection episodes. On the other hand, the immunosuppressive medication increases the risk of infectious, cardiovascular and malignant diseases, which are the main reason for death with a functioning graft. Personalized immunosuppressive therapy could minimize the risk of complications due to the therapy, while still providing long-term protection of the allograft. For the introduction of personalized medicine, however, a marker that reliably mirrors the risk of cellular rejection is needed to guide immunosuppressive therapy. The key players in cellular rejection are alloreactive T cells. Especially memory T cells targeting proteins of the transplant cells can limit the short- and long-term functionality of the graft. The aim of this thesis was therefore to investigate how the reactivity of T cells towards the allograft can be measured, and how these methods can be used in a test system for the risk of rejection episodes. Cells of the organ donor are needed to activate alloreactive T cells and to determine their frequency. We were the first to describe the application of transplant cells derived from the urine of the transplant recipient for this matter. Therefore, we cultivated tubular epithelial cells from the urine and showed that these cells present HLA-proteins, the target molecules of alloreactive T cells. Alloreactive helper as well as cytotoxic T cells of transplant recipients reacted to the tubular epithelial cells of the kidney allograft donor. This reaction was even stronger than to splenocytes of the donor, an alternative source of stimulator cells. In a proof of concept study patients with a higher number of pre-transplant alloreactive T cells had a worse kidney function in follow-up after transplantation. Patients that experienced an acute rejection episode early after transplantation had more alloreactive T cells before transplantation compared to control patients. These results illustrate that we developed a promising tool for the measurement of alloreactive T cells and therefore for the assessment of the immunological risk after kidney transplantation. The further development of this testing method shall improve the translatability in clinical routine diagnostics. Ultimately, the assay performance needs to be tested in larger trials.

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Prognose von Patienten und Patientinnen mit Nierentransplantat signifikant verbessert. Dies ist vor allem auf ein verlängertes Transplantatüberleben durch den Einsatz von sehr effektiven Immunsuppressiva und eine starke Verminderung von Abstoßungsreaktionen zurückzuführen. Allerdings erhöht die immunsuppressive Medikation das Risiko von infektiösen, kardiovaskulären und malignen Erkrankungen, welche die häufigsten Ursachen für das Versterben trotz funktionierendem Transplantat darstellen. Durch eine personalisierte immunsuppressive Therapie könnte Komplikationsrate durch die Immunsuppression möglichst gering gehalten werden, während gleichzeitig das Transplantat langfristig geschützt wird. Für die Einführung personalisierter Medizin wird allerdings ein Marker benötigt, welcher zuverlässig das Risiko einer zellulären Abstoßungsreaktion abbildet und so die immunsuppressive Therapie leiten kann. Die Hauptakteure der zellulären Rejektion sind alloreaktive T Zellen. Vor allem Gedächtnis-T Zellen, welche gegen Proteine auf den Transplantatzellen gerichtet sind, können die kurz- und langfristige Funktionalität des Transplantats vermindern. Das Ziel dieser Doktorarbeit war somit, zu erforschen, wie sich die Reaktivität der T Zellen gegen das Transplantat bestimmen lässt, um anhand dieser Ergebnisse einen Tests für das Risiko von Abstoßungsreaktionen zu entwickeln. Um alloreaktive T Zellen zu aktivieren und ihre Frequenz zu bestimmen, werden Zellen des Organspenders für die Stimulation benötigt. Wir konnten als Erste den Einsatz von Transplantatzellen aus dem Urin des Empfängers für diesen Zweck beschreiben. Dazu kultivierten wir Tubulusepithelzellen aus dem Urin und konnten zeigen, dass diese HLA-Proteine, die Zielmoleküle für alloreaktive T Zellen, exprimieren. Sowohl alloreaktive T-Helferzellen als auch zytotoxische T Zellen von Transplantatempfängern reagierten auf die Tubulusepithelzellen des Nierenspenders, und taten dies sogar stärker als auf Milzzellen des Spenders, einer alternativen Quelle von Stimulatorzellen. In einer Proof of Concept Studie hatten Patienten, welche schon vor der Transplantation eine höhere Anzahl an gegen das Transplantat gerichteten T Zellen hatten, eine schlechtere Nierenfunktion im Verlauf nach der Transplantation. Patienten, welche eine frühe Abstoßungsreaktion nach der Transplantation entwickelten, hatten mehr alloreaktive T Zellen vor Transplantation als Kontrollpatienten. Diese Ergebnisse zeigen, dass wir ein vielversprechendes Verfahren zur Messung von alloreaktiven T Zellen und damit der Bestimmung des immunologischen Risikos nach einer Nierentransplantation entwickeln konnten. In der weiteren Entwicklung des Testverfahrens soll die Anwendbarkeit in der Routinediagnostik von nierentransplantierten Patienten verbessert werden. Größere Studien müssen dann durchgeführt werden, um die diagnostische Leistungsfähigkeit zu testen.