Balancing efficacy and toxicity of kidney-transplant immunosuppression

De voorbije decennia werd een enorme vooruitgang geboekt in de transplan tatiegeneeskunde. Niertransplantatie is hierdoor uitgegroeid tot de eers te-keuze behandeling van eind-stadium nierlijden. Hoewel het gebruik van combinaties van nieuwe en krachtige geneesmiddelen om afstoting te voor komen (immuunsuppressiva) geleid heeft tot excellente resultaten vroegti jdig na transplantatie, zowel wat betreft patiënt- als nieroverleving, v indt dit onvoldoende weerspiegeling op lange termijn. De belangrijkste o orzaak voor dit laattijdig verlies van transplantnieren is een traag pro gressieve microscopische (histologische) beschadiging van de transplantn ieren. Enerzijds wordt deze histologische beschadiging van transplantnie ren veroorzaakt door chronische afstoting, maar anderzijds ook door toxi citeit ten gevolge van het langdurig gebruik van de immuunsuppressiva. D e meest frequent gebruikte combinatietherapie vandaag is een combinatie van corticosteroïden, een calcineurine inhibitor (cyclosporine of tacrol imus) en mycofenolaat. Het is inderdaad zo dat immuunsuppressiva maar ui terst zelden in monotherapie voorgeschreven worden. In de meeste gevalle n worden 2 tot 4 immuunsuppressiva gecombineerd om maximaal effect te be komen met zo laag mogelijke dosis en daardoor meer verspreide toxiciteit . Desondanks blijft toxiciteit van de immuunsuppressiva een groot proble em, waarbij vooral lokale toxiciteit van cyclosporine en tacrolimus in d e transplantnieren de resultaten op lange termijn hypothekeert. Tenslott e, naast de gevolgen van afstoting en toxiciteit, wordt het functioneren en de levensduur van de nieren na transplantatie in belangrijke mate be paald door de kwalitieit van de donornieren. Door de schaarste aan donor -organen worden steeds meer nieren van mindere kwaliteit getransplanteer d, afkomstig van oudere donoren of donoren met voorafbestaande maar vaak niet gekende comorbiditeit als hypertensie, diabetes of cardiovasculair e problemen. Het blijft een moeilijke oefening om een evenwicht te vinden tussen het maximaal voorkomen van afstoting enerzijds en een zo laag mogelijk risic o op nevenwerkingen van de immuunsuppressiva anderzijds. Om de juiste ba lans te vinden kan de graad van immuunsuppressie rechtstreeks gemeten wo rden, maar op dit ogenblik zijn deze technieken in ontwikkeling en nog n iet klinisch toepasbaar. Een meer onrechtstreekse methode voor opvolging van de graad van immuunsuppressie is het meten van de bloedspiegels van de gebruikte immuunsuppressiva, wat daarenboven het voordeel heeft dat ook toxische spiegels gemeten kunnen worden. Vooral voor cyclosporine en tacrolimus is het opvolgen van de bloedspiegels en aanpassen van de dos is aan de spiegels routine klinische praktijk geworden. Hierdoor is de f armacokinetiek de opname, distributie, afbraak en uitscheiding van de m edicatie door het lichaam goed gekend voor cyclosporine en tacrolimus, alsook de interacties die voorkomen met andere geneesmiddelen en zelfs d e erfelijke factoren die een rol spelen in de variatie tussen personen i n de farmacokinetiek van cyclosporine en tacrolimus. Voor andere immuuns uppressiva zoals mycofenolaat worden de bloedspiegels (nog) niet routine matig opgevolgd. Hierdoor, en doordat mycofenolaat gekenmerkt wordt door een meer complexe farmacokinetiek, zijn de factoren die de farmacokinet iek van mycofenolaat beïnvloeden minder goed gekend. Recente studies heb ben echter aangetoond dat een striktere opvolging van de bloedspiegels v an mycofenolaat nuttig zou kunnen zijn om afstoting te voorkomen. Het is daarom belangrijk een beter inzicht te krijgen in de factoren die de fa rmacokinetiek van mycofenolaat beïnvloeden, zoals de interacties met and ere geneesmiddelen, en de erfelijke factoren met invloed op de interindi viduele variabiliteit. In het eerste deel van dit proefschrift werd ingegaan op de farmacokinet iek van mycofenolaat, en toonden we aan dat deze beïnvloed wordt door va riatie in de opname (absorptie), afbraak (metabolisatie) en uitscheiding (excretie) van mycofenolaat. Hierbij beschreven we de invloed van de sn elheid van maaglediging op de opnamesnelheid van mycofenolaat (Hoofdstuk 2.1), en konden we aantonen dat er een klinisch belangrijke interactie bestaat tussen rifampicine (een antibioticum vooral gebruikt in de behan deling van tuberculose) en mycofenolaat, waarbij we een gedetailleerde a nalyse maken van de onderliggende mechanismen. De bevindingen met rifamp icine kunnen waarschijnlijk geëxtrapoleerd worden naar andere geneesmidd elen met een gelijkaardig interactieprofiel (Hoofdstuk 2.2). Ook onderzo chten we de invloed van een verminderde (transplant-)nierfunctie op de b loedspiegels van mycofenolaat. Hierbij stelden we vast dat een matige ni erfunctievermindering leidt tot een verminderde renale excretie van de a fbraakproducten en tot opstapeling van mycofenolaat en zijn afbraakprodu cten in het lichaam, met potentieel een hoger risico op bijwerkingen (Ho ofdstuk 2.3). Verder werd ook een duidelijke invloed van diabetes op de farmacokinetiek van mycofenolaat vastgesteld (lagere blootstelling), die niet (alleen) verklaard kan worden door een vertraagde maaglediging, zo als eerder werd gesuggereerd, maar waarschijnlijk mede veroorzaakt wordt door rechtstreekse invloeden van diabetes op de metabolisatiesnelheid v an mycofenolaat. Tenslotte hebben we de invloed van frequent voorkomende genetische varianten in de genen voor UGT1A9 (belangrijk voor metabolis atie) en MRP2 (belangrijk voor excretie) op de farmacokinetiek van mycof enolaat beschreven, voor het eerst in een humane setting (Hoofdstukken 2 .4 en 2.5). Naast het meten van de graad van immuunsuppressie en onrechtstreekse par ameters voor effectiviteit en toxiciteit, kunnen ook surrogaat eindpunte n worden gebruikt voor de klinische opvolging van transplantnierpatiënte n. Aangezien het verlies van een transplantnier veelal voorafgegaan word t door een geleidelijke vermindering van de werking van de transplantnie r, vormt de evolutie van de transplantnierfunctie een goede maat v oor de prognose op korte tot middellange termijn. De vermindering van de transplantnierfunctie is echter meestal een heel laattijdig fenomeen, e n wordt alleen duidelijk wanneer er al uitgebreide histologische beschad iging van de transplantnier is opgetreden. Maar bij uitgebreide histolog ische beschadiging is het onmogelijk om de onderliggende oorzaak nog te identificeren. De behandeling komt meestal te laat omdat de beschadiging onomkeerbaar geworden is. Daarom vormt de vroegtijdige histologische ev aluatie van transplantnierweefsel verkregen door het routinematig uitvoe ren van punctiebiopsies van transplantnieren ( protocolbiopsies ) een me er vroegtijdige en meer gevoelige parameter voor de opvolging en het ops poren van histologische beschadiging van de transplantnieren in een vroe g stadium, wanneer behandeling nog mogelijk is. Een bijkomend voordeel v an het uitvoeren van protocolbiopsies is dat ook de oorzaak van de besch adiging in vele gevallen geïdentificeerd kan worden en meer gerichte beh andeling kan volgen, in tegenstelling tot wanneer biopsies worden uitgev oerd op het ogenblik van transplantnierfalen. In het tweede deel van dit proefschrift werd dieper ingegaan op de histo logische evolutie van transplantnieren, bij patiënten behandeld met de k rachtige combinatie van tacrolimus, mycofenolaat en corticosteroïden, al of niet met bijkomende inductietherapie. Aangezien een correct inzicht in de risicofactoren voor de ontwikkeling en progressie van een aandoeni ng essentieel is om de behandeling ervan verder te verbeteren, werden de risicofactoren die een rol spelen in deze histologische evolutie geanal yseerd, inclusief de bloedspiegels van tacrolimus en andere factoren die een rol kunnen spelen in een verhoogde individuele gevoeligheid voor to xiciteit van tacrolimus in de transplantnier. In Hoofdstuk 3.1 toonden we aan dat klinische maar ook subklinische afst otingsverschijnselen een belangrijke rol blijven spelen in de histologis che evolutie van transplantnieren, ondanks het gebruik van een van de me est krachtige combinaties van immuunsuppressiva en een snelle adequate b ehandeling van deze afstotingsverschijnselen. We stelden ook vast dat ee n goede compatibiliteit tussen de receptor en de donor belangrijk blijft om het risico op afstoting zo laag mogelijk te houden, wat recent ook b evestigd werd in grotere database-studies. Door deze bevindingen loopt n u binnen de Eurotransplant-regio een pilootproject waarbij de nadruk gel egd wordt op een goede compatibiliteit voor HLA-DR bij de toekenning van transplantnieren aan de patiënten op de wachtlijst. In Hoofdstuk 3.2 onderzochten wij de factoren die de histologische evolu tie van volwassen transplantnieren verklaren, wanneer die gebruikt werde n voor transplantatie in kinderen en adolescenten van 1- tot 21-jarige l eeftijd. Meest opmerkelijk hierbij was dat de discrepantie tussen de gro otte van de volwassen transplantnieren en kleine bloedvaten van de kinde ren aanleiding geeft to een relatief tekort aan bloedvoorziening van de transplantnier en secundaire onomkeerbare histologische beschadiging, di e al duidelijk was in de eerste maanden na transplantatie. Dit gaat gepa ard met een functionele aanpassing van de transplantnier aan de grootte van het kind dat de nier krijgt, wat ook vroeger reeds door anderen besc hreven werd. In deze studie hebben we voor het eerst aangetoond dat deze functionele aanpassing echter niet of niet volledig omkeerbaar is bij d e kleinste kinderen, meest waarschijnlijk door de onomkeerbare histologi sche beschadiging die optreedt vroeg na transplantatie. Dit kan uiteraar d belangrijke gevolgen hebben voor de werking van de transplantnieren op lange termijn. Bij uitgebreide analyse van de verhouding tussen de bloedspiegels van ta crolimus en de histologische evolutie van transplantnieren bleek dat de blootstelling aan tacrolimus geen rol speelt in de gevoeligheid voor tox iciteit in de transplantnier (Hoofdstukken 3.1, 3.2 en 3.3). In Hoofdstu k 3.3 hebben we aangetoond dat onvoldoende expressie van P-glycoproteïne in de transplantnier en genetische varianten in het gen dat codeert voo r P-glycoproteïne (ABCB1) onafhankelijke risicofactoren vormen voor d e toename van chronische histologische schade van een transplantnier. Di t komt meest waarschijnlijk doordat onvoldoende aanwezigheid en onvoldoe nde werking van P-glycoproteïne leidt tot lokale opstapeling van tacroli mus en/of zijn metabolieten, en hiermee gepaard gaande lokale toxiciteit . Deze bevinding is niet alleen van belang voor niertransplantpatiënten, maar ook voor patiënten die tacrolimus nemen voor andere indicaties. Sy stematische screening voor genetische varianten in het gen coderend voor P-glycoproteïne en evaluatie van de lokale expressie van P-glycoproteïn e in transplantnieren zou mee kunnen bepalen welke patiënten meest voord eel hebben bij een calcineurine-vrij immuunsuppressief schema. Verder stelden we vast dat de leeftijd van de donor en de kwaliteit van de transplantnier op het ogenblik van transplantatie een grote rol spele n in de histologische en functionele evolutie van de transplantnier, zow el bij volwassen transplantnierpatiënten als bij kinderen die een volwas sen transplantnier kregen. Dit is onafhankelijk van de hoger beschreven effecten van P-glycoproteïne of discrepantie in grootte tussen donor en receptor. De leeftijd van de donoren bepaalde in belangrijke mate de kwa liteit van de transplantnieren, maar bleek ook van belang voor de histol ogische evolutie van een transplantnier na transplantatie. Hogere leefti jd van donoren bleek belangrijk geassocieerd met chronische beschadiging van alle renale compartimenten, zowel tubulo-interstitieel (tubulaire a trofie en interstitiële fibrose), vasculair (arteriolaire hyalinose en v asculaire intimaverbreding) als glomerulair (globale glomerulosclerose). Hieruit kan geconcludeerd worden dat niet alle toename van chronische h istologische letsels na transplantatie veroorzaakt wordt door transplant atie-gerelateerde fenomenen. Dit is voornamelijk relevant voor letsels z oals arteriolaire hyalinose, die typisch toegeschreven worden aan het ge bruik van de calcineurine-inhibitoren cyclosporine en tacrolimus, maar i n twee onafhankelijke studies toch duidelijk gerelateerd bleken aan hoge re donorleeftijd (Hoofdstukken 3.2 en 3.3). Tenslotte is het blijvende verschil in de lange-termijnsoverleving tusse n transplantnieren van levende en nieren van overleden donoren een mooie illustratie van het belang van de kwaliteit op het ogenblik van transpl antatie. In een laatste studie, uitgewerkt in Hoofdstuk 3.4, gaan we die per in op de moleculaire mechanismen die verantwoordelijk zijn voor dit verschil, door gebruik te maken van microarrays die de expressie van mee r dan 38.000 gekende genen tegelijk analyseren. Voor het eerst werd bij mensen aangetoond dat de lokale expressie van complementfactoren een rol speelt in dit onderscheid tussen nieren van levende en overleden donore n, waarbij zowel verlengde koude ischemietijd als hersendood bij de dono r onafhankelijk van elkaar de expressie van deze complementfactoren beïn vloeden. Ook na transplantatie blijft de regeling van de lokale renale e xpressie van complement genen klinisch belangrijk, onafhankelijk van het feit of de nier afkomstig is van een levende of een overleden donor. Zo als reeds werd aangetoond in dierexperimenten, zou specifieke complement -inhibitie een belangrijke rol kunnen spelen in de verdere verbetering v an de resultaten van niertransplantatatie. Conclusies 1. Farmacokinetiek en farmacogenetica v an mycofenolaat a. Vertraagde maaglediging is geassocieerd aan een tragere absorptie van mycofenolaat, evenwel zonder invloed op d e totale blootstelling (AUC0-12) aan mycofenolaat. b. Er is een significante interactie tusse n mycofenolaat en rifampicine, waarbij behandeling met rifampicine leidt tot een duidelijke daling in de blootstelling aan mycofenolaat en een stijging van de bloedspiegels van de metabolieten van mycofenolaat. c. Er is een dualiteit in de effecten van nierfunctie op de farmacokinetiek van mycofenolaat. Enerzijds leidt een matige nierfunctiebeperking tot accumulatie van mycofenolaat en zijn met abolieten en tot een secundair verhoogde blootstelling, terwijl anderzij ds een extreem slechte nierfunctie tot een gedaalde blootstelling leidt door een verhoogde vrije fractie en secundair verhoogde metabolisatie. d. Diabetes mellitus is geassocieerd aan e en gedaalde blootstelling aan mycofenolaat. Dit kan niet volledig verkla ard worden door vertraagde maaglediging, maar is waarschijnlijk mede ver oorzaakt door effecten van diabetes mellitus op de metabolisatie van myc ofenolaat. e. Frequent voorkomende genetische variant en in UGT1A9 en ABCC2 genen hebben een significante invloed op de farmacokinetiek van mycofenolaat. 2. Histologische en klinische evolutie van een transplantnier a. T-cel-gemedieerde afstoting van de tran splantnier blijft de belangrijkste oorzaak van vroegtijdige vermindering van transplantnierfunctie en transplantnieroverleving, ondanks het gebr uik van krachtige immuunsuppressieve combinatietherapie. b. Het aantal HLA-DR mismatchen blijft een belangrijke risicofactor voor afstoting van een transplantnier en het h iermee geassocieerde risico op het verlies van een transplantnier, ondan ks het gebruik van krachtige immuunsuppressieve combinatietherapie. c. In de eerste jaren na niertransplantati e is er een geleidelijke toename van chronische beschadiging van het tub ulo-interstitieel compartiment, ondanks het gebruik van krachtige immuun suppressieve combinatietherapie en vroegtijdige detectie en behandeling van acute klinische en subklinische afstoting. d. De leeftijd van de donor bepaalt in bel angrijke mate de kwaliteit van de transplantnier, maar is ook van belang voor de histologische evolutie van een transplantnier na transplantatie . Niet alle progressie van chronische histologische letsels na transplan tatie wordt veroorzaakt door transplantatie-gerelateerde fenomenen. e. Isometrische vacuolisatie van tubulaire epitheelcellen wordt voornamelijk gezien vroegtijdig na niertransplanta tie en is geassocieerd aan een hoge blootstelling aan tacrolimus, maar i s niet progressief en leidt niet tot chronische histologische beschadigi ng. f. Bij transplantatie van volwassen nieren in peuters en kleuters ontstaat een functionele adaptatie van de transp lantnier aan de metabole noden van de receptor. Deze adaptatie is deels irreversiebel, meest waarschijnlijk doordat die gepaard gaat met onomkee rbare histologische beschadiging van het tubulo-interstitieel compartime nt, secundair aan renale ischemie veroorzaakt door de discrepantie tusse n de grootte van de volwassen donornier en de kleine bloedvaten van de r eceptoren. g. Hogere blootstelling aan tacrolimus is niet geassocieerd aan een verhoogd risico op calcineurine-inhibitor-geme dieerde nefrotoxiciteit, wanneer de blootstelling aan tacrolimus binnen vooraf gedefinieerde marges gehouden wordt. h. Verlaagde apicale expressie van P-glyco proteïne in tubulaire epitheelcellen en verminderde functie van P-glycop roteïne (geassocieerd aan de ABCB1 C3435T variant) zijn geassocieerd aan een verhoogd risico op chronische tubulo-interstitiële beschadiging van transplantnieren, meest waarschijnlijk door lokale accumulatie en to xiciteit van tacrolimus en/of tacrolimus metabolieten. i. In nieren afkomstig van overleden donor en is er een significante en klinisch relevante lokale renale overexpres sie van complementgenen op het ogenblik van implantatie. Ook na transpla ntatie blijft de regeling van de lokale renale expressie van complement genen klinisch belangrijk, onafhankelijk van het feit of de nier afkomst ig is van een levende of een overleden donor.CHAPTER 1. GENERAL INTRODUCTION 9 1.1 KIDNEY TRANSPLANTATION FOR END-STAGE RENAL DISEASE 11 1.2 IMMUNOSUPPRESSIVE DRUGS EFFICACY - REJECTION PREVENTION AND TREATMENT 13 1.2.1 T-cell mediated rejection 14 1.2.2 Antibody-mediated rejection 17 1.3 IMMUNOSUPPRESSIVE DRUGS SIDE EFFECTS AND TOXICITY 19 1.3.1 Cyclosporine and tacrolimus 19 1.3.2 Mycophenolic acid 24 1.4 THE BALANCE BETWEEN EFFICACY AND TOXICITY 25 1.4.1 Cyclosporine and tacrolimus 25 1.4.2 Mycophenolic acid 28 1.5 EXTENDED CRITERIA FOR KIDNEY TRANSPLANTATION 31 1.5.1 Older and extended criteria donors 31 1.5.2 Changes in recipient age 31 1.5.3 Impact of demographic shifts 32 1.6 STUDY AIMS 33 CHAPTER 2. PHARMACOKINETICS AND PHARMACOGENETICS OF MYCOPHENOLIC ACID 53 2.1 The impact of gastric emptying rate on mycophenolic acid pharmacokinetics 55 2.2 The interaction between rifampin and mycophenolic acid pharmacokinetics 71 2.3 The impact of renal allograft function on mycophenolic acid pharmacokinetics 95 2.4 The impact of UGT1A9 polymorphisms on mycophenolic acid pharmacokinetics 121 2.5 The impact of MRP2 polymorphisms on mycophenolic acid pharmacokinetics 143 CHAPTER 3. HISTOLOGICAL AND CLINICAL EVOLUTION OF KIDNEY ALLOGRAFTS 167 3.1 Clinical determinants of the first-year histological evolution of kidneys transplanted into adult recipients 169 3.2 Clinical determinants of the early histological evolution of adult-sized kidneys transplanted into pediatric recipients 191 3.3 Integration of clinical, pharmacokinetic and pharmacogenetic factors on the histological evolution of kidneys transplanted into adult recipients 217 3.4 Elucidation of the molecular processes underlying the outcome difference between living and deceased donor kidneys 237 CHAPTER 4. SUMMARY AND CONCLUSIONS 265 CHAPTER 5. SAMENVATTING EN CONCLUSIES 285 ABBREVIATIONS 295 CONTRIBUTING AUTHORS 297 DANKWOORD/ACKNOWLEDGMENTS 299 LIST OF PUBLICATIONS 303 SELECTED LIST OF PRESENTATIONS 306 CURRICULUM VITAE 309 AWARDS 310status: publishe