Pancreas transplantation

This article is about pancreas transplantation in diabetology. A pancreas or islets transplantation leads to long-term normoglycaemia without hypoglycemic episodes in pacients with type 1 diabetes, unlike the insulin therapy. However, it is not suitable for every pacient with this disease. Today, pankreas transplantation is the only method which induces normoglycemia imediately after the surgery, stabilises glycated hemoglobin and with a long-term functioning transplant also stabilises or even regresses diabetic microvascular changes.

History

World

First attempts to treat type 1 diabetes with pancreas transplantation took place at the turn of the 19th and 20th century. Those attempts were unsuccesful, because they encountered the technical and imunological barriers of those times. Finally on 17th December 1966 at the University of Minnesota in Minneapolis, Kelly and Lillehei carried out the first succesful combined pancreas and kidney transplantation in a human. The pancreas transplantation program has always been tightly connected to the kidney transplantation, because the diabetic nephropathy has always been a severe complication of diabetes. However, the results of the surgeries were not satisfactory. Pacients often suffered from complications connected to poorly treated exocrinous secretion such as infections, trombosis, dehiscences and fistula. At the turn of the 70s and 80s, clinical testing of cyclosporine A accelerated the development of the pancreas transplantation. Organizing several international congresses devoted to pancreas transplantation also played an important role. They were focused mainly on solving problems of exocrinous drainage of pancreas with urinal drainage or the Roux-en-Y duodenojejunostomy. Urological drainage showed a lot of urological and metabolic complications later, so after the development of immunosuppresive treatment, the technique of drenage to the intestine became the preffered option. To prevent unfysiological increase of insulin in the vascular system after connecting the venous system of the graft to the pelvic veins (causing acceleration of atherogenesis), connecting the venous system of the graft to the portal system is preffered today in about a half of world’s centers. In the majority of cases the graft used to be placed retroperitoneally, but they also invented a method of extraperitoneal placement in IKEM.

Czech Republic

In the middle of the 70s, doctors in IKEM had enough experience with a kidney transplantation to try to connect this surgery with a pancreas transplantation. Similarly to the rest of the world, it was neccessary to solve the exocrinus drainage of the pancreas first. After trying out on dogs, they chose the technique of an early obliteration of the outlet with a polymere. This technique has an advanatage to tying. It does not cause congestion and a following rupture (and necrosis / trombosis) and forming of a fistula in the outlet system. Also the acini are inhibited and produce less digestive enzymes. Microscopy control that followed showed that the pancreas fibrotises between day 35 and 10 months and that the previous both exo and endocrinous gland becomes mainly endocrinous one. Best results were achieved using a segment of autotransplant with supplying vessels. Thanks to knowledge from previous attempts, the first transplantation of a kidney and a pancreas in the Czech Republic was succesfuly performed in 1983. Results of these surgeries did not fulfill the expectations, so it was clear that new techniques need to be found. Long term effects changed greatly with the onset of transplantation of the whole pancreas with drainage to the urinary bladder in 1994. Urological and metabolic complications (dehydration, big loss of bicarbonate and connected acidosis) caused around the year 2000 slowing down of the development of the whole pancreas transplantation with the draiage to the intestine, as it was common in the rest of the world. The Langerhans islets transplantation has been performed in IKEM since 2005.

Indication

As in all surgeries, it is neccessary to consider risks and benefits. Considering the risks with a long-term immunosuppresion, the surgery is reserved mainly for pacients waiting for a kidney transplant or for those who already underwent it. The indication of a non-immunosuppressed pacient for the surgery could be a broken perception of hypo/hyperglycaemia – so when the risks of badly compensated diabetes outweigh the risks of long-term immunosuppression. In that case, it is possible to transplant the pancreas separately. Another indication for a separate pancreas transplantation is a diabetes causing quick qrowth of microvascular complications. Combined transplantation of kidneys and a pancreas is indicataed in the case of a terminal diabetic nephropathy. Approximately 95 % of pacients undergoing the procedure are diagnosed with type 1 diabetes, the rest are type 2 diabetes. In IKEM, pacients with type 2 diabetes are indicated only if their BMI is under 30 kg/m2, if they need more than 0,7 j./kg of insulin and at the same time the insulin therapy is not satisfactory. In Europe, only the organs form cadaverous donors are used to transplant. Generally, there is no age limit in indication to transplantation, however, isolated transplantation is hardly ever performed over 50 and the combined transplantation over 60 years of age. Contraindications to transplantation are ischemic diseases of the heart, the CNS and the lower limbs, expecially with a developed diabetic foot syndrome.

Surgical technique

Complications of the urological drainage mentioned above caused a development of the enteral drainage. Transplanting a whole organ rather than a segment is preferable and it also lead to a decreased number of complications such as trombosis, pancreatitis in the graft and fistula. Another benefit is that a bigger mass of the Langerhans islets is transplanted. Surgical approach is either extraperitoneal from a diagonal incision in the right lower abdominal quadrant, or intraperitoneal , usually from a longitudinal laparotomy. The first mentioned has significantly increased risk of postsurgical peritonitis and other possible infections, but allows better absorption of liquid near the gland. The second option (in Czech Republic performed by IKEM) brings better results often loaded with worsened healing of the surgical wound. Venous anastomosis can be done either to the right pelvic plexus (considering the anatomical ratios), or, in the case of intraperitoneal transplantation, to the portal system. Theoretical advantage of the second approach is a prevention of the unfysiological levels of insulin and the creation of tolerance. However, influence of the glycid metabolism was never proven. It is often neccessary to reconstruct the arterial system after the graft collection. Anastomosis is often established with the end to the side to the right external iliac artery, in resurgery even to the common iliac artery or the aorta. The most common technique of solving the exocrinous secretion is the enteral drainage – connecting the duodenum of the graft to the jejunal loop. It is possible to use the Roux-en-Y loop or the direct conection elsewhere. Connection to the urinary bladder is not widely used anymore due to complications rate.

Complications

• surgical - trombosis, bleeding, leacage of pancreatic fluid, pancreatitis
• hematological - anemia, erythrocytois, myelotoxicity
• urological - hematuria, urinary tract infections
• metabolic - acidosis, dehydration
• gastrointestinal - diarrhea, gingival hyperplasia, ulceration in the oral cavity

Surgical complications

About 5 % of pacients develop trombosis in the graft vessels. It is also the most frequent surgical complication. Venous trombosis is more frequent than the arterial. It is possible to use postsurgical anticoagulant therapy and a long-term antiaggregation therapy as a prevention. In case of trombosis it is neccessary to use trombolytics. Another complication is bleeding. The source is usually the vascular anastomosis and a surgical revision is needed. Leakage of the pancreatic fluid appears in 10 % of cases. It is usually due to technial error and if not treatable conservatively, a surgical revision is needed. The clinical picture is similar to acute pancreatitis with fever and leukocytosis. Pancreatitis of the graft is a rare complication.

Hematologické komplikace

Většina pacientů přícházi k transplantaci s již sekundární anémií. Přetrvávání této anémie může být důsledkem špatné funkce štěpu případně jako reakce na léčbu azathioprinem či jinými imunosupresivy. Po operaci dochází postupně k normalizaci hodnoty hemoglobinu. Může však být přítomno překročení hematokritu jako reakce na operaci. Tato erytropoéza je dána spíše než původně uvažovaným zvýšením EPO v periferní krvi zvýšením IGF (insulin-like growth factor) a jeho vazebného proteinu IGF-BP (insulin-like growth factor binding protein). Zvýšená erytropoéza může pacienta ohrožovat zvýšením rizika plicní embolie. Azathioprin může mít myelosupresivní efekt. Dnes bývá nahrazován mycophenolat mofetilem, který by neměl mít na proliferaci myeloidní řady vliv - incidence anémie a leukopenie při léčbě je však obdobná. Také některé antivirové a antibakteriální léky (trimethoprim-sulfamethoxazol, acyclovir, gancyclovir) mohou mít myelotoxický účinek.

Urologické komplikace

Hematurie se po operaci objevuje ve třech formách dle závažnosti. Lehká forma spontánně odezní do 2 - 3 dní po operaci. Těžší forma nebývá život ohrožující, pouze znepříjemňuje hojení a cévkování pacienta. Většinou postačí přerušit farmakoterapii kyselinou acetylsalicylovou, příp. provést výplach. Chronická hematurie se objevuje 4-6 týdnů po operaci a může přetrvávat několik let. Příčinou bývá ulcerózní léze v sliznici segmentu duodena po chronické CMV infekci. Pokud hematurie přetrvává, je nutné chirurgické řešení případně i zřízení trvalé močové drenáže na střevo. Infekce močového měchýře pozorujeme nejčastěji u pacientů s tímto typem drenáže - dnes tedy spíše vzácně.

Metabolické komplikace

Drenáž do močového měchýře byla spojena s vysokou ztrátou bikarbonátů a dehydratací. To vedlo k metabolické acidóze a postupnému přechodu k enterální drenáži. Tyto příznaky však mohou provázet i enterální drenáž a to v případě nedostatečné funkce štěpu ledviny.

Infekční komplikace

Imunosuprimovaný pacient je ohrožen vyšším rizikem výskytu oportunních infekcí. Z časového hlediska lze odlišit 3 fáze: raná postoperační fáze - první 4 týdny - pacienti jsou ohroženi především infekcemi přítomnými v jejich organismu ještě před operací, infekcemi ze štěpu či zdravotnického materiálu. Střední fáze - v prvním půlroce je pak pacient ohrožen především infekcemi CMV, EBV, VHB a HIV. Pozdní postoperační fáze - cca 50% pacientů má obdobná rizika jako příslušníci běžné populace (tj. především respirační a močové infekce), další je kromě infekcí uvedených u druhé fáze ohrožena navíc P. carinii, Listeria monocytogenes aj. Vyžadují tedy zvýšenou a dlouhodobou antimikrobiální terapii.

Gastrointestinální komplikace

Častou postoperační komplikací je průjem a to bez závislosti na použití imunosupresiv či antibiotik. Další komplikací může být gingivální hyperplasie či ulcerace v dutině ústní jako reakce na použití specifických imunosupresiv (Cyclosporin A, sirolimus).

Transplantace Langerhansových ostrůvků

Výhody transplantace slinivky poněkud zastiňují pozdní mikrovaskulární komplikace. Cílem terapie pomocí transplantace inzulin produkující tkáně z alternativních zdrojů je zlepšit kvalitu života pacientů stejně jako snaha předejít pozdním komplikacím a možným nežádoucím účinkům farmakoterapie. Transplantace Langerhansových ostrůvků je v současné době jedinou klinicky použitelnou alternativou k orgánové transplantaci, kterou však doplňuje, protože mohou být využívány především ostrůvky obézních a starších dárců nevhodných k orgánové transplantaci. Nevýhodou oproti transplantaci orgánu je nižší výtěžnost ostrůvků, které jsou izolovány postupně a část dříve izolovaných tak podléhá hypoxii a mechanické degradaci. Výtěžnost ostrůvků z jednoho dárce nepokryje metabolické nároky jednoho příjemce. Obvykle je třeba na jednoho příjemce použít slinivku od 2-3 dárců. Náklady orgánové a ostrůvkové transplantace jsou srovnatelné, dlouhodobá úspěšnost transplantace ostrůvků se postupně blíží orgánové transplantaci, ale prozatím se blíží 80% dlouhodobé úspěšnosti. Transplantace slinivky má dlouhodobou úspěšnost mezi 80-90%. Indikace k operaci jsou podobné jako u orgánové transplantace - především tedy diabetici I. typu s opakovanou nerozpoznanou život ohrožující hypoglykemií či těžce zvládnutelnou glykemickou dekompenzací. Kontraindikováni jsou pacienti s diabetickou nefropatií (kvůli toxicitě imunosupresiv) a leckdy také obézní pacienti - množství ostrůvků se totiž injektuje jako IEQ/kg, kde IEQ je ostrůvkový ekvivalent (množství tkáně odpovídající ostrůvku o průměru 150um).

Historie

První nápad transplantovat ostrůvky se přisuzuje ruskému vědci Sobolevovi někdy kolem roku 1902. Teprve až ke konci 60. let 20. století byl proveden klinický výzkum transplantace ostrůvků v Minneapolis. Zprvu velmi nadějná léčba měla zcela nahradit orgánovou transplantaci. Později se ukázalo, že přestože je tato metoda zatížena menším množstvím komplikací, extrahovat ostrůvky je těžší. Během extrakce jich spousta podlehne hypoxii a mechanickým vlivům, následné postimplantační hypoxii (než si vytvoří cévy), navíc imunogenita ostrůvků je srovnatelná s celým orgánem. Také je třeba extrahovat pro jednoho příjemce ostrůvky z více než 1 dárcovské slinivky. První úspěšná transplantace byla provedena Largiaderem a spol. v Curychu roku 1978. Vysoký podíl na zvyšování úspěšnosti léčby transplantací pomocí ostrůvků má definování a přijetí Edmontského protokolu společně se zdokonalením technik buněčné separace (Ricordi 1988) a vývojem nových imunosupresiv.

Izolace ostrůvků

Samotné izolaci předchází odběr orgánu, který vzhledem k nákladnosti celé operace zajišťují zkušené a specializované týmy. V roce 2000 přijala přední světová pracoviště (včetně IKEM) zásady jednotného postupu tzv. Edmontský protokol. Orgán je nutno dostatečně chladit. Po preparaci vývodu následuje intraduktální vstříknutí roztoku kolagenázy a mechanické rozrušení třepáním ve speciální komoře. Rychlost rozpadu tkáně závisí na tkáni, aktivitě a kvalitě enzymů aj. Následná tkáňová suspenze se dále zpracovává a čistí v buněčném separátoru na základě rozdílné hmotnosti buněk po navázání separačního roztoku. Tento krok je velmi důležitý, protože vyvolává menší imunitní odpověď a také snižuje riziko komplikací jako portální hypertenze či DIC.

Transplantace ostrůvků

Jedinou klinicky využívanou metodou je injekce do portálního řečiště. Transhepatálně, kanylací kožním vpichem či po malé laparotomii punkcí mezenterické žíly. Transhepatální přistup je méně invazivní, ale je spojen s vyšším rizikem krvácení a nutností použít heparin. Kožní vpich se provádí v lokální anestezii pomocí Seldingerovy metody přímo do portální žíly. Ostrůvky se nejprve resuspendují ve směsi albuminu a heparinu. Před samotnou injekcí ostrůvků je nutnost ověřit lokalizaci vpichu kontrastní látkou. Samotná aplikace trvá asi 5-10 min. Periferní větev užitou ke kanylaci lze embolizovat jako prevenci postoperačního krvácení. Po transplantaci je nutné pokračovat v terapii inzulinem, aby nově implantované ostrůvky nebyly poškozeny vysokou hladinou glukózy. Pacienti jsou stejně jako u orgánové transplantace dále léčeni imunosupresivy.

Budoucnost

Vzhledem k nedostatku dárců nebude transplantace orgánu nejspíše nikdy široce rozšířenou metodou léčby diabetu. Jen v ČR se ročně odebere asi 25 pankreatů. Podle odhadu by bylo možné získat jen asi 40 pankreatů pro izolaci ostrůvků ročně. Toto množství je nutné pro transplantaci 10-15 příjemcům. Jisté naděje se vkládají do transplantace zvířecích Langerhansových ostrůvků či geneticky upravených inzulin produkujících buněk s navozenou imunologickou tolerancí. Díky tomu by se mohla tato forma léčby uplatnit i v léčbě diabetu II. typu.

Alternativní zdroje

V současné době lze teoreticky uvažovat pouze nad tkání prasečí či vývojem vlastních geneticky modifikovaných inzulin produkujících buněčných linií. Odhlédneme-li od nejasné výše rizika přenosu prasečích endogenních retrovirů, stále zůstává imunologická bariéra xenogenní tkáně vyšší než u alogenní. Modifikované buněčné linie musí splňovat spoustu kriterií:

• efektivní růst s možností následné inhibice
• dostatečná produkce inzulinu
• kontrolovaná sekrece inzulinu v závislosti na potřebách organismu
• nízká či žádná imunogenicita

V úvahu tak připadají geneticky modifikované inzulární či neinzulární buňky, transformované linie B-buněk, embryonální kmenové buňky, tkáňové specifické kmenové buňky. Na zvířecích modelech byla úspěšně popsána technika diferenciace kmenových buněk v buňky připomínající B-buňky pankreatu, které reagovaly na koncentraci glukózy produkcí inzulinu. U člověka byla prokázána celoživotní obměna B-buněk pankreatu. Postupně byla objevena řada signálních genů a jejich produktů, které řídí diferenciaci tkáňově specifických kmenových buněk. Znalosti diferenciačních mechanismů nebo umělé modifikace buněk by mohly v budoucnu položit základy hromadné produkci B-buněk jako alternativního zdroje inzulin produkující tkáně.

BioHub

BioHub je bioinženýrský projekt DRI (Diabetes Research Institute), který má za úkol napodobit fyziologickou funkci slinivky. Jedná se o miniaturní zařízení implantované do těla mezi vrstvy omenta, obsahující inzulin produkující buňky, které jsou schopny reagovat na koncentraci glukózy v krevním řečišti a uvolňovat tak pouze potřebné množství inzulinu. Někteří pacienti mohou profitovat až desetiletí. Oproti transplantaci ostrůvků má tato metoda vyšší univerzálnost: nemělo by docházet k destrukci imunitním systémem; lepší okysličení buněk uvnitř BioHubu do doby než si vytvoří vlastní cévy; lepší výživa buněk. BioHub se snaží co nejvěrněji napodobit fyziologické prostředí slinivky. Navíc poskytuje možnost přídatné oxygenace či pomocných buněk, které zlepšují dlouhodobou životnost inzulin produkujících buněk, snižují zánětlivou reakci a nežádoucí imunitní reakci. BioHub jako takový lze osídlit i jiným typem buněk. Existuje možnost aplikovat imunosupresivní látky lokálně přímo do preparátu - nedochází tak k systémovému ovlivnění.

Odkazy

Související články

• Slinivka břišní
• Diabetes mellitus 1. typu (endokrinologie)
• Imunosupresiva
• Langerhansův ostrůvek (SFLT)
• Chronické komplikace diabetu
• Transplantace v diabetologii