Jedes vaskularisierte solide Organtransplantat ist per definitionem ein mehr oder weniger ischämisch geschädigtes und reperfundiertes Organ. Die Gesamtischämiezeit für das Transplantat ergibt sich aus der Summe der initialen warmen Ischämie, der anschließenden kalten Ischämie während der Perfusion des Organs mit Aufbewahrungslösung und des Transports und schließlich der für Revaskularisierung und Reperfusion benötigten Zeit.

Die Veränderungen im Gewebe durch Ischämie sind weitgehend bekannt. Unter Hypoxie kommt es zum Verbrauch der energiereichen Adenosintriphosphate (ATP). Es folgen der Zusammenbruch des aktiven transmembranösen Ionentransports und der Einstrom von Ionen und Wasser in die Zellen. Verlagerung von Wasser aus dem intravasalen Kompartiment nach intrazellulär führt zu Hämokonzentration, erhöhter Blutviskosität und Zellschwellung. Erhöhte Durchlässigkeit des kapillären Endothels („capillary leakage“) bedingt den Ausstrom von Makromolekülen und Plasma ins umliegende Gewebe verbunden mit interstitiellem Ödem und Gewebedruckerhöhung. Azidose führt zu schlechterer Viskoelastizität insbesondere der Leukozyten. Die Schwellung der Endothelzellen führt zusätzlich zu Lumeneinengung und damit kapillärer Obstruktion. Der Schweregrad der resultierenden Reperfusionsstörung, das sogenannte „no reflow“-Phänomen, ist abhängig von der Dauer der vorausgegangenen Ischämie (13). Bei der anschließenden Reperfusion des Gewebes kommt es zur Verstärkung der Schädigung, weil der wieder einströmende molekulare Sauerstoff insbesondere in Endothelzellen zur Bildung freier Radikale führt, welche Leukozyten aktivieren. Bereits 30 Minuten nach Ischämie/Reperfusion (IR) ist die Adhärenz der Leukozyten deutlich erhöht (13). Aktivierte Leukozyten und geschädigtes Endothel bilden wiederum freie Radikale, so dass ein Circulus vitiosus entsteht (siehe Abbildung 1).

Abb. 1: Pathophysiologische Vorgänge bei der Entstehung des mikrovaskulären Ischämie-/Reperfusionsschaden. Modifiziert übernommen aus Menger MD, Vollmar B, Glasz J et al.: Microcirculatory manifestations of hepatic ischemia/ reperfusion injury. Prog Appl Microc 1993, 19: 106. Karger, Basel. Switzerland.

Die wichtigsten Reaktionen auf den initialen Schaden durch Ischämie und Reperfusion sind die Bildung freier Radikale, die Freisetzung proinflammatorischer Zytokine und die Aktivierung der Leukozytenadhäsion.

Zahlreiche experimentelle Studien haben gezeigt, dass an der postischämischen Schädigung nach allogener Nierentransplantation freie Radikale beteiligt sind (14, 15). Dabei konnte auch gezeigt werden, dass Substanzen mit antioxidativen Eigenschaften (wie z. B. Superoxiddismutase oder Allopurinol) die Schädigung durch IR minimieren konnten (15). In klinischen Studien gestaltet sich allerdings der Nachweis der kurzlebigen freien Radikale schwierig. Erhöhte Aktivität freier Radikale konnte jedoch über den Metaboliten Malondialdehyd (MDA), der bei der Fettsäureoxidation durch Radikale entsteht, nach allogener Nierentransplantation nachgewiesen werden (16).

Proinflammatorische Zytokine, die von aktivierten Endothelzellen und Leukozyten freigesetzt werden, spielen eine bedeutende Rolle im Circulus vitiosus nach IR und beim Ablauf schädigender Interaktionen des immunologischen Netzwerks. Die wichtigsten sind Tumornekrosefaktor α (TNF-α), verschiedene Interleukine sowie Interferon γ. TNF-α wird in erster Linie von aktivierten Makrophagen/Monozyten, aber auch von T-Zellen sezerniert und stimuliert autokrin und parakrin Leukozyten und Endothel. Dadurch werden weitere Zytokine - vor allem Interleukin-1 (IL-1), Interleukin-6 (IL-6) und Interleukin-8 (IL-8) - ausgeschüttet und MHC- und Adhesionsmoleküle hochreguliert (17, 18). Interferon γ (IFN-γ) steigert ebenfalls die MHC-Expression nach Schädigung durch IR (18). In einem IR-Modell bei syngen transplantierten Ratten konnten erhöhte Werte für TNF-α und IL-1 bereits 15 Minuten nach Reperfusion festgestellt werden. Ebenfalls erhöht waren IL-6 und IL-10 (19).

Eine zentrale Bedeutung sowohl für die Gewebeschädigung unmittelbar nach IR wie auch für die alloantigenabhängige Immunantwort nach Transplantation besitzen die Adhäsionsmoleküle. Dabei handelt es sich um transmembranäre Proteine an der Oberfläche von Leukozyten und Endothelzellen, die sich in die drei Gruppen der Selektine, der Immunglobulinsuperfamilie und der Integrine gliedern. Entsprechend einer in mehreren Schritten ablaufenden Kaskade, auf die im folgenden Kapitel noch näher eingegangen wird, vermitteln sie Kontakt, Bindung und Transmigration zwischen Leukozyten und Endothel. Viele experimentelle und klinische Studien der vergangenen Jahre haben die Bedeutung der Adhäsionsmoleküle nach IR unterstrichen (20, 21, 22). Durch Selektinblockade mittels des Moleküls TBC-1269 konnten im Tiermodell protektive Effekte vor der Schädigung durch IR erzielt werden (23). Ebenfalls zu einer Milderung der Schäden nach Transplantation führte der Einsatz von Antikörpern gegen Intercellular Adhesion Molecule 1 (ICAM-1) in Tierstudien an Primaten (24). Sehr gute Ergebnisse in Bezug auf strukturelle Schädigung, Nierenfunktion und Langzeitüberleben nach IR konnten im syngenen Transplantationsmodell bei Ratten mit Antisense-Oligonukleotiden gegen ICAM-1 erzielt werden, welche die Expression auf mRNA-Ebene blockieren (25, 26). Neben tierexperimentellen Erkenntnissen zeigte sich auch in Untersuchungen an humanen Biopsien eine Hochregulation der Adhäsionsmoleküle nach Transplantation und IR in der Niere. Beim Vergleich von Biopsien aus Transplantatnieren verwandter Lebendspender mit kadaverischen Spendern vor und nach Reperfusion des Organs, konnte ein Anstieg der Adhäsionsparameter und der Zellinfiltration in Abhängigkeit von der Dauer der kalten Ischämiezeit festgestellt werden (27). In einer weiteren Biopsiestudie fanden sich in Organen nach langen kalten Ischämiezeiten vermehrt neutrophile Granulozyten, was ebenfalls auf eine gesteigerte Expression der Adhäsionsmoleküle hindeutet (28). Therapeutische Intervention mit monoklonalen Antikörpern gegen Adhäsionsmoleküle zeigte sich in klinischen Studien allerdings nur teilweise erfolgreich. Bei einer komparativen Multizenterstudie konnte durch Gabe eines monoklonalen Antikörpers gegen leukocyte function-associated antigen 1(LFA-1) bei Nierentransplantierten eine signifikante Reduktion akuter Rejektionsereignisse sowie ein leicht protektiver Effekt vor verzögert einsetzender Transplantatfunktion erzielt werden (29). Entgegen erfolgreichen tierexperimentellen Studien konnte in einer Placebo-kontrollierten klinischen Multizenterstudie nach Gabe von anti-ICAM-1 kein geringeres Auftreten akuter Rejektionen und verzögerter Organfunktion in den ersten drei Monaten nach Transplantation ermittelt werden (30).

Abb. 2: Wichtige Adhäsionsmoleküle und „Chemoattractants“ beim Ablauf der Adhäsionskaskade. Modifiziert übernommen aus Andrian UH, Mackay CR: T-Cell Function and Migration. N Engl J Med 2000; 343: 1020-34.

Der biologische Hintergrund für die Kommunikation zwischen Endothel und Leukozyten besteht in der Notwendigkeit, die zirkulierenden Abwehrzellen spezifisch und effektiv an den Ort einer Gewebeschädigung zu leiten. Dabei müssen die Endothelzellen innerhalb von Sekundenbruchteilen Informationen an die passierenden Leukozyten weiterleiten und einen Erstkontakt mit diesen herstellen. Die Migration der Leukozyten aus der Blutbahn ins Gewebe erfolgt in einer Abfolge bestimmter Schritte, bei denen Adhäsionsmoleküle aus drei großen Gruppen (Selektine, Integrine und Rezeptoren aus der Immunglobulinsuperfamilie) zu unterschiedlichen Zeitpunkten an der Zelloberfläche zum Tragen kommen (siehe Abbildung 2).

Der erste Kontakt zwischen Leukozyten und aktiviertem Endothel – das sogenannte „Tethering“ - erfolgt über die Selektine (33). Die Selektinbindung kann charakteristischerweise innerhalb kürzester Zeit aktiviert und wieder deaktiviert werden, was zum einen den Zell-Zell-Kontakt unter Strömungsbedingungen überhaupt erst ermöglicht und andererseits zum typischen Phänomen des „Rolling“ der Leukozyten auf der Gefäßoberfläche führt. Drei unterschiedliche Selektine sind an der Adhäsion der Leukozyten ans Endothel beteiligt. L-Selektin (CD62L) findet sich auf der Oberfläche aller Leukozyten, E-Selektin (CD62E) ist nur auf der Oberfläche aktivierter Endothelzellen vorhanden und P-Selektin (CD62P) befindet sich in den Weibel-Palade-Körperchen der Endothelzellen sowie in den α-Granula der Thrombozyten. In Nierenbiopsien nach Transplantation fand sich interessanterweise ausschließlich P-Selektin thrombozytären Ursprungs (27). Allerdings ist bekannt, dass auch an der Gefäßoberfläche anhaftende Thrombozyten die Adhäsion von Leukozyten unterstützen (34). Die Liganden der Selektine sind alle mit dem fucosilierten Tetrasaccharid Sialyl-Lewis X (sLeX) ausgestattet (33). Der Rezeptor P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) findet sich auf neutrophilen Granulozyten, Monozyten sowie einigen Lymphozyten und ist Ligand für P- und E-Selektin. Ein weiterer Ligand für P-Selektin, der mit den sogenannten „high endothelial venules“ der lymphatischen Gewebe, einem speziellen System postkapillärer Venolen, assoziiert wird, ist Glycosilation dependent cell adhesion molecule 1 (GlyCAM-1). Das Glykoprotein E selectin ligand 1 (ESL-1) dient dagegen in erster Linie neutrophilen Granulozten zur Bindung an E-Selektin (35). An Doppel-Knockout-Mäusen für P- und E-Selektin konnte einerseits die Bedeutung der Selektine für die Leukozytenadhäsion gezeigt werden und andererseits auch eine Redundanz zwischen beiden Rezeptoren, da in Knockouts für nur eines der beiden Selektine keine signifikante Reduktion der Migration von neutrophilen Granulozyten erreicht wurde (36).

Auch für die Migration der adhärenten Leukozyten durch die Endothelbarriere spielen Integrine und IgsF-Rezeptoren eine wichtige Rolle (32). In vitro konnte gezeigt werden, dass wiederum die oben beschriebenen Ligandenpaare ICAM-1/LFA-1 und VCAM-1/VLA-4 für den Durchtritt von Monozyten, Lymphozyten und neutrophilen Granulozyten wichtig sind (54, 55, 56). Neben diesen ist vor allem PECAM-1 – ein weiteres 130 kDa großes Mitglied der Ig-Superfamilie - von Bedeutung. Unter anderem ist PECAM-1 an der Zell-Zell-Verbindung der Endothelzellen beteiligt und wird deshalb bereits von allen gesunden Gefäßen stark exprimiert. Außerdem findet es sich an der Oberfläche von Neutrophilen, Monozyten und T-Lymphozyten. Bei der Transmigration interagiert vermutlich PECAM-1 auf Leukozyten mit endothelialem PECAM-1. In vitro und im Tiermodell mit intravitaler Mikroskopietechnik konnte mit monoklonalen Antikörpern gegen PECAM-1 dessen wichtiger Einfluss für die Transmigration von Leukozyten gezeigt werden (57, 58).