Pharmacodynamic monitoring of immunosuppressive therapy after renal transplantation

Hintergrund: Die Entwicklung individualisierter Therapieregimes ist ein wichtiges Ziel der Transplantationsmedizin, um die Risiken einer zu starken oder zu schwachen Immunsuppression zu vermeiden. Eine zu geringe Immunsuppression birgt das Risiko einer akuten oder chronischen Abstoßung des Transplantats, eine zu starke Immmunsuppression kann zur Entwicklung von Infektionserkrankungen und Malignomen führen. Zudem gilt es, die substanzspezifischen toxischen Effekte der Immunsuppressiva zu vermeiden. Deshalb ist die Etablierung eines therapeutischen Fensters für die einzelnen Immunsuppressiva und ihre Kombinationen notwendig. Bislang sind pharmakokinetische Verfahren angewendet worden, um die Spiegel der immunsuppressiven Medikamente in den empfohlenen Zielbereichen zu halten. Diese Verfahren geben aber nur Auskunft über die Verstoffwechselung der Medikamente, nicht jedoch über ihre biologische Wirkung. Als Surrogatparameter für die biologische Wirkung sind deshalb pharmakodynamische Biomarker entwickelt worden. Methoden: Bei 86 neu nierentransplantierten Patienten, die mit initial mit einer Kombinations-therapie aus Cyclosporin, Mycophenolsäure, Steroiden und Basiliximab behandelt wurden, wurden die Proliferationsrate, die Expression der Oberlächenmarker CD25 und CD71 sowie der intrazelluläre Gehalt an IL-2 und TNF-α mittels FACS im Verlauf nach Transplan-tation bestimmt und mit dem Wert direkt vor Transplantation verglichen. Zudem wurde als spezifischer Marker für die Wirkung der Mycophenolsäure die Aktivität der Inosinmono-phosphatdehydrogenase (IMPDH) mit HPLC gemessen. Nach 4,5 Monaten wurden die Patienten in einen Cyclosporin- und einen Everolimusarm randomisiert und die biologischen Effekte der beiden Medikamente verglichen. Von besonderem Interesse war die Untersuchung einer Beziehung der Biomarker zu den klinischen Endpunkten Abstoßung und Infektion. Ergebnisse: Alle pharmakodynamischen Parameter bilden das Ausmaß der Immunsuppression nach der Nierentransplantation ab. Am stärksten ausgeprägt war die Unterdrückung der Fähigkeit der T-Zellen, nach Stimulation zu proliferieren. Die Expression von CD25 war im ersten Monat nach Basiliximab-Gabe stärker unterdrückt, als die Expression von CD71. Die Unterdrückung der IMPDH-Aktivität und der intrazellulären Zytokinexpression war zu den untersuchten Zeitpunkten weniger stark ausgeprägt. Die Unterdrückung der IMPDH-Aktivität nahm im Zeitablauf zu, alle anderen Parameter stiegen im Verlauf wieder an, ohne jedoch das Vortransplantationsniveau wieder zu erreichen. Nach der Umstellung auf Everolimus sank die IMPDH-Aktiviät weiter ab. Die Proliferationsrate und die CD71-Expression waren in der Everolimusgruppe signifikant niedriger, die intrazelluläre Zytokinsynthese war hingegen tendentiell stärker ausgeprägt. Ein direkter Zusammenhang zwischen den Vortransplantations-werten der Biomarker und klinischen Endpunkten konnte nicht nachgewiesen werden. Patienten, bei denen eine Dosisreduktion von Mycophenolsäure notwendig war, litten häufiger unter Infektionserkrankungen. Frühe Dosisreduktionen waren mit niedrigeren IMPDH Werten vor der Transplantation assoziiert. Der Zusammenhang zwischen den klinischen Endpunkten und den berechneten Parametern war nicht eindeutig. Für die “area under the pharmacodynamic effect time curve” in den ersten 225 Tagen nach Transplantation (AUE225) der IL-2-Synthese konnte bei einem cut-off-Wert von 27% CD3+IL-2+ eine akute Abstoßung mit einer Sensitivität von 80% und einer Spezifität von 75% identifiziert werden. Schlussfolgerung: Die untersuchten Biomarker erlauben neue Erkenntnisse zu den molekularen Wirkmechanismen der einzelnen Immunsuppressiva und ihres Einsatzes in einer Kombinations-therapie. Die Bestimmung der IMPDH-Aktivität kann bei der Abschätzung der Wirkung der Mycophenolsäure in einer immunsuppressiven Kombinationstherapie mit Cyclosporin oder Everolimus hilfreich sein. Der Zusammenhang zwischen den Biomarkern und den klinischen Endpunkten Abstoßung und Infektionserkrankung ist nicht eindeutig. Um eine individualisierte immunsuppressive Therapie anhand von Biomarkern verlässlich steuern zu können, bedarf es weiterer Studien.Background: The individualization of immunosuppressive therapy to avoid the risks of over- and under-immunosuppression is an important goal in transplantation. Too little immuno-suppression entails the risk of acute or chronic rejection of the transplant, over-immuno-suppression may lead to infection, malignancy and substance-specific toxicity. To avoid these risks, the development of a therapeutic window for immusuppressive agents and combination regimes is required. So far, therapeutic drug monitoring has been used to keep drug levels within the recommended range. Yet, pharmacokinetics can only tell “what the body does to the drug, not what the drug does to the body”. Hence pharmacodynamic biomarkers have been developed as surrogate markers for the biological effects of immunosuppression. Methods: In 86 de novo renal transplant patients, who were initially treated with Cyclosporin, mycophenolic acid, steroids and Basiliximab, the proliferation of T-cells, their expression of surface markers CD25 and CD71 and their expression of intracellular IL-2 and TNF-α as mar-kers of immunosuppression were determined by FACS over the first year after renal transplanta-tion. Simultaneously the activity of the inosine monophosphate dehydrogenase (IMPDH) as a specific marker of the action of the immunosuppressant mycophenolate was measured by HPLC. After 4,5 months, patients were randomized to continue on Cyclosporin or receive Everolimus instead. Biologic effects of both therapies were compared. The relationship of biomarkers and clinical outcomes with respect to infection and rejection was of particular interest. Results: All pharamcodynamic parameters showed the extent of immunosuppression after renal transplantation. Most pronounced was the suppression of the ability of T-cells to proliferate after stimulation. Decrease in CD25-expression in the first month after basiliximab was more proncounced than decrease in CD71-expression. Least pronounced was the suppression of intracellular cytokine-expression and IMPDH- activity. Whereas IMPDH-activity decreased over time, all other parameters increased over time again, yet failed to reach the pretransplant values. After conversion to Everolimus, IMPDH-activity decreased further. The ability to proliferate and the expression of CD71 were significanty lower in the Everolimus group whereas cytokine-synthesis tended to be higher. There was no direct relationship between pretransplant expression of biomarkers and clinical outcomes. Patients that required a myco-phenolate dose reduction had more infections. Early dose reductions were associated with a lower pretransplant IMPDH-activity. The relationship between clinical outcomes and the calculated parameters of biomarker activity was ambiguous. For the “area under the pharmacodynamic effect time curve” in the first 225 days posttransplant (AUE225) of IL-2-synthesis we identified a cut-off-value of 27% CD3+IL-2+ , which had a sensitivity of 80% and a specificity of 75% for the diagnosis of acute rejection. Conclusion: The studied biomarkers provide new insights into the molecular action of immuno-suppressant agents and their use in combination therapy. The determination of the IMPDH-activity may help to assess the effect of mycophenolate in an immunosuppressive combination therapy with cyclosporine and everolimus. The relationship between the biomarkers and the clinical outcomes of rejection and infection are less clear. More research is needed to establish reliable biomarkers to guide an individualized immunosuppressive therapy