Chapter 6.

Transplantation Biology

HISTORICAL BACKGROUND

THE ALLOGRAFT REACTION

HISTOCOMPATIBILITY ANTIGENS

HISTOCOMPATIBILITY GENETICS

HISTOCOMPATIBILITY TESTING

THE LYMPHOID SYSTEM

THE MACROPHAGE SYSTEM

THE REJECTION MECHANISM - THE AFFERENT LIMB

THE REJECTION MECHANISM - THE EFFERENT LIMB

MODIFICATION OF ALLOGRAFT REJECTION

COMPOSITE TISSUE TRANSPLANTATION

□ Medawar와 Gibson : 2nd set graft시 allograft rejection이 더 빠른 것을 발견.

- Medawar's subsequent experimental work

① skin allograft에 대한 resistance가 innate는 (선천적이지 않다) 아님

: 1st set allograft는 짧은 시간동안 acceptance보임

② allograft sensitivity는 한번 생기면 systemic.

③ 2nd set allograft의 rejection은 accelerated fashion으로 발생

④ allograft rejection은 donor specific

THE ALLOGRAFT REACTION

□ Allograft의 생존은 donor와 recipientrks의 genetic disparity에 반비례한다.

□ Skin graft rejection : as standard tranplant model

① 첫 2일 : allograft와 autograft는 유사

--> multiple dilated capillary (no blood flow)

② 3 ~ 4일

ⓐ autograft : dilated capillary → small caliver vessel (rapid blood flow)

ⓑ allograft :

㉠ 2 ~ 5일부터 : perivascular space에 leukocytic infiltration

㉡ 다음 2일 이후 : dilated vessel, thrombi, punctate hemorrhage

㉢ 8 ~ 9일 : blood flow가 멈춤 → graft slough

□ Second graft rejection  : more rapid

① 1st set 1주내에 2nd set : white graft rejection (not vascularized)

② 8 ~ 80일 : 4-5일 내에 rejection과정 발생

③ 80일 이후 : 1st set과 동일(by Rapaport & Converse)

HISTOCOMPATIBILITY ANTIGEN

□ Histocompatibility Ag : graft rejection을 유발할 수 있는 antigen

- blood group Ag이 가장 강하다

- cell surface에서 일차적으로 발견

- 다양한 concentration과 variability를 가짐

- wide range of determinant를 가짐

HISTOCOMPATIBILITY GENETICS

□ Major Histocompatibility Complex(HMC) : strongest transplantation antigen

□ leukoagglutinating Ab.가 multiparous woman 또는 multiply transfused patient의 sera에서 발견됨으로 알려지기 시작

--> 다른 사람의 세포에 대한 antisera의 reactivity pattern은 polymorphic genetic locus(chromosome 6)의 발현에 의한 antigens(HLA)을 인식하는 것에 기인함

□ antigen이름을 Human Leukycyte Antigen(HLA)라 함

□ 사람의 HMC는 chromosom 6에 위치

□ detection 방법(cell surface HLA detection)

① leukocyte typing : donor와 recipient의 HLA type을 결정

ⓐ 방법 : lymphocytes, antisera, complement를 incubate

- antisera : multiparous woman, multiply transfused patient도 가능

ⓐ Major histocompatibility antigen만 확인가능

ⓑ lymphocyte membrane에 있는 HLA-A, B, D antigen을 판별

ⓒ Ix : 가족 중 best donor 선택에 사용 (MHC만 확인가능하므로)

② mixed lymphocytic culture : donor와 recipient간의 HLA-D/DR locus의 histocompatibility 정도를 파악

ⓐ HLA-D가 서로다른 사람의 lymphocyte를 mix하면 blast transfomration, DNA synthesis, proliferation이 일어남

--> radiation or mitomycin C로 inactivation시킨 donor lymphocyte와 recipient lymphocyte를 incubate

--> blast transformation의 정도를 정량화하기 위해 thymidine을 첨가 uptake정도를 관찰

ⓑ allograft success를 예측하는 가장 중요한 factor

ⓒ Ix : living, related donor recipient pairs - 5 ~ 6일 소요됨

□ HLA : chromosome 6에 위치,

① HLA의 expression : 각각의 locus에는 여러 가지 allele가 있어 세포막에 다양하한 antigenecity를 보인다.(fig 6-1)

* allele : many alternative forms of the gene

ⓐ Class I antigen : chromosome 6의 HLA-A, B locus와 chromosome 15의 특정 gene에 의해 발현된 antigen

- 핵을 가진 거의 모든 세포들에 존재(parenchymal cell)

- lymphocyte transformation을 유발시키지 못함

ⓑ Class II antigen : HLA-D/Dr, SB, MB(DC), MT에 의해 발현된 antigen

- lymphoreticular system의 세포와, 염증이나 mitogen stimulation에 의해 활성화된 parenchymal cell에만 존재

- lymphocyte transformation을 유발시키는 antigen

- 2 glycoprotein chain molecule로 구성

㉠ □ chain은 모두 유사

㉡ □ chain은 다른 HLA-DR Ag에서 모두 다름

--> antigenic specificity는 □ chain에 의함

② 정상인은 2개의 HLA antigen complexes를 가짐 - 양쪽 부모로부터 1나씩

--> cell surface에 codominant(공우성)으로 expression

③ relative positions of the loci

- 아직 상당부분이 밝혀지지 않고 있지만 몇몇은 immune responsiveness를 control하는 것으로 생각됨

: 많은 질병에 대한 susceptibility는 특정 HLA specificities와 관련

ex) HLA-DR3는 myasthenia gravis, Graves' disease, SLE와 관련

--> DR Ag이 adjacent immune response gene의 marker로 생각

④ HLA Subloci on chromosome 6

- closely linked

- Antigens from one chromosome

--> haplotype ( 각 부모로부터 1나의 haplotype을 inherit)

- meiosis동안 HLA-A와 HLA-B 또는 HLA-B와 HLA-D간의 genetic crossover에 의해 새로운 haplotype을 형성

: 한 allele가 특정 HLA locus에서 발견되고 다른 allele가 두 번째 HLA locus에서 발견될 확률은 집단의 alleles의 빈도와 일치하여야 하나 이러한 현상은 관찰되지 않는다.

--> linkage disequilibrium : 특정 allele combinations이 기대치보다 훨씬 자주 발견되는 현상

<-- 특정 haplotypes의 selective advantage에 기인

⑤ weak histocompatibility antigen : chromosome 6가아닌 다른 chromosome상의  loci에 의해 controlled

--> HLA가 같은 unrelated(혈연이 아닌) 사람끼리의 allograft rejection에 관련

- 이와 같은 non-HLA dtermined histocompatibility Antigen들은 clinical transplantation에서 중요하지만 밝혀지지 않는 factor들이다

HISTOCOMPATIBILITY  TESTING

□ Trnsplantion의 성공여부는 antigenic mosaic의 유사성에 의한다.

THE LYMPHOID SYSTEM

□ 주로 alograft의 rejection & delayed hypersensitivity 에 관여

□ 발생학

yolk sac hematopoietic stem cell --> oligopotential progenitor cell

-->	① myeloid series cell --> basophil, neutrophils, eosinophils

② lymphoid progenitor cell --> T & B lymphocyte

1. Thymus derived lymphoid cell ; T lymphocyte

① delayed hypersensitivity and allograft rejection에 관여

② 발생 : Stem cell --> thymic cortex

--> thymic medulla (differentiation step)

- cell surface molecule에 따라 type이 결정

- histocompatibility Ag에 반응하는 능력을 가짐

--> peripheral lymphoid tissue : LN, spleen, peyer's patch

- T-cell surface molecule과 venule의 surface molecule의 interaction에의해 guide

③ cell surface molecule에 의한 subtype - T1, T3, T11 molecule은 모두 가짐

ⓐ T4 molecule : effector cells for hypersensitivity(T4 cell = T helper cell)

-->	B lymphocyte의 replication과 Ab production

Cytotoxic T cell을 IL2를 통해 promote and regulate

aid in the induction of suppressor cells

ⓑ T8 molecule : cytotoxic effector cell (T8 cell = Tk cell)

--> or as supressor cell : inhibiting immunoglobulin synthesis and delayed hypersensitivity reaction

2. Bursa analogous organ derived lymphoid cell : B lymphocyte

① humoral immunity에 관여

② 발생 : Stem cell --> bursa analogous organ

--> Ag independent phase 후 Ag dependent differentiation

--> 여러종류의 monoclonal Ab. 를 갖는다.

- immature cell은 표면에 IgM을 갖지만 성숙되면서 IgG를 갖게 된다.

- membrane IgM과 immature lymphocyte의 crosslinkage는 subsequent differentiation을 막고, 해당하는 clone을 inactivation시킨다

--> two end points

㉠ plasma cell : Ag specific Ig을 생성하

㉡ memory cell : Ag에 다시 노출시 plasma cell로 분화

THE MACROPHAGE SYSTEM

□ 발생 : bone marrow의 multipotential stem cell --> monoblast

--> monocyte

- increase functional capacity( as measured by lymphocyte interaction & lysosome concentration )

--> circulation

--> extravascular pool에서 tissue macrophage가 됨

- multiple antigen recognition & processing function

- membrane receptors for immune and nonimmune material에 대한

: C3 complement, Fc Ig fragments, lymphokines, complex carbohydrate

THE REJECTION MECHANISM - THE AFFERENT LIMB

□ Macrophage, T & B lymphocyte

THE REJECTION MECHANISM - THE EFFERENT LIMB

1. Cell mediated responses

2. Complement system(Fig 6-3)

3. Clotting system(Fig 6-4)

4. Kinin system

Cell Mediated Responses

□ enzyme system --> lymphocyte와 Ab에 의한 foreign tissue의 인식을 도움

- foreign tissue destruction

- recruitment of destructive cellular mediators : macrophage, PMNL

□ Lymphokines

ⓐ IL-2

ⓑ migration inhibitory factor, chemotactic factor

--> attract & immobilize macrophage

ⓒ macrophage activation factor

--> stimulate macrophage graft destructive ability(phagocytosis, pinocytosis, cytotoxicity)

ⓓ leukocyte inhibitory factor

ⓔ lymphotoxin

ⓕ skin reactive factors

ⓖ interferon

ⓗ transfer factor : transfer specific Ag responsiveness to unsensitized lymphocytes

MODIFICATION OF ALLOGRAFT REJECTION

1. previleged site

2. immunologic enhancement

3. immunologic tolerance

4. immunosuppression

Previleged site

Immune response가 감소되어있는 anatomic site : brain, anterior chamber of eyeball

□ 이유

① lymphatic drainage가 적다 - passive block of sesitization process

② active central immune regulation mechanism이 존재

Immunologic Enhancement

1. 정의 : graft에 존재하는 Ag에 대해 이미 immunized된 recipient에서 graft survival이 연장되는 것

2. mechanism : graft destruction을 block하는 Ab(Ig G)가 foreign Ag을 mask

① cytotoxic T cell의 induction을 방지

② sensitized cell의 proliferation 방지

③ graft cell을 Ab가 둘러싸 immune effectors에 의한 파과를 방지

3. critically imporatant factor

① previous Ag exposure 여부

② subsequent graft의 timing

③ form of antigen presentation

4. examples

① active : kidney allograft에서 pre-transplant blood transfusion

② passive : transfer of immune serum or sensitized lymphocyte

Immunologic Tolerance

1. 정의 : controlled exposure to Ag(ex. early life에 Ag에 노출시)에 의한 immunologically unresponsive state

- antigen의 form, dose, route of administration이 중요

□ immunologic tolerance를 쉽게 만들 수 있는 경우

① large protein Ag

② Ag mosaic of tissue (than single antigenic determinant)

③ immunologically incompetent anmial

□ bacteria와 같은 particulate Ag은 어렵다

2. mechanism : tolerated Ag에 specific한 alloreactive cell에 suppressor cell이 노출되어 activation

□ Chimerism : prenatal exchange of red cell precursor in twin cattle

--> 2종류의 erythrocyte를 생존하는 동안 계속 가짐

--> 서로 skin graft시 rejection 하지 않음

Immunosuppression

1. corticosteroid

2. antilymphocyte globulin

3. radiation

4. antiproliferative drug

Corticosteroid

1. Cannot prevent rejection : 그러나 다른 약물과 병합사용시 rejection을 preventing and reversing

2. steroid-recptor complex → nucleus로 들어가 DNA와 반응

3. lymphocyte : most affected.

- maximal lymphopenia : single dose 후 4-6시간에 발생

- B cell보다 T cell reduction이 더 심함

- Suppressor T cell보다 helper T cell이 더 감소

4. 기능

ⓐ lymphopenia <-- cytolysis, sequestration

ⓑ neutrophil, macrophage : chemotaxis, phagocytosis ↓

ⓒ circulating neutrophil 일시증가 : endothelial margination ↓

ⓓ allograft rejection에 작용하는 nonspecific inflammatory component ↓

Antilymphocyte Globulin(IgG)

1. course of therapy

a. immediated pretransplant period

b. 이식후 1-2 주

c. rejection episode중 short period 동안 사용

2. effect

① maximal effect : T-lymphocyte, cell mediated immunity(Ab suppression 불가능)

② little effect : antibody response

3. 기전

① long-lived T lymphocytes가 ALG로 coating되어 liver와 spleen에서 제거

--> lymph node의 paracortical T cell region의 depletion

② 다른 immunosuppressive drug를 potentiates

3. 부작용

① cross-reactivity with recipient antigen

② serum sickness 유발가능

Radiation

1. 기전 : lymphopenia, immunocompetent cell 기능을 감소

2. timing of radiation and Ag exposure가 효과에 밀접한 관련

- maximal effect : immediately preceding, during, or soon after Ag exposure

Antiproliferative drug

1. antimetabolite : 필요한 metabolite를 대치

① purine analogue : azathioprine(Imurane)

- competitive enzyme inhibition으로 adenylic and guanylic acid의 전구물질이 inosinic acid의 합성을 억제 --> replicative funciton을 block

- T lymphocyte의 Ag binding receptor에 부착

② folic acid antagonist : aminopterin,  methotrexate

2. alkylating agent : cell component(DNA, RNA)에 combine --> cell death

: T lymphocyte cell mediated immunity보다 B lymphocyte, Ab production에 더 영향

① cyclophosphamide

② cyclosporine

□ cyclosporine : not cytotoxic, no antimitotic activity

① action(fig 6-5)

ⓐ macrophage(Ag processing cell)이 IL-1을 합성, 분비하는 것을 block

--> helper T cell 자극 방지

ⓑ Cytotoxic T cell의 IL-2 receptor를 block

--> cytotoxic T cell의 proliferation을 방지

□ neutrophil, macrophage 자체에는 영향없음 → 일반 면역기능은 유효

□ B cell에도 무영향

② 부작용

ⓐ nephrotoxicity	ⓑ hepatotoxicity

ⓒ lymphoma incidence ↑	ⓓ no BM toxicity

COMPOSITE TISSUE TRANSPLANTATION

Bone allograft

1. cellular component : strongly immunogenic

2. glycoprotein, collagen, mps bone matrix : minimal response

□ bone healing은 host cell repopulation으로 일어나므로 bone allograft의 short-term immunosuppression으로 충분하다.

□ Minor histocompatibility가 다를 경우 생존가능하나 major histocompatibility가 다른 group에서는 cyclosporine을 계속 사용해야 한다

Nerve allograft

Bone matrix 보다 Schwann cell의 immunogenecity가 큼

Skin allograft

다른 조직보다 더 심한 rejection 보임

Langerhan's cell in epidermis : cyclosporin에 영향 받지 않는 Ag presenting cell