background image

 

Immunosuppressants 

I. OVERVIEW 

The  importance  of  the  immune  system  in  protecting  the  body  against  harmful  foreign 
molecules  is  well  recognized.  However,  this  protection  can  result  in  serious  problems. 
For  example,  rejection  of  the  transplanted  tissue.  Transplantation  of  organs  and  tissues 
(for  example,  kidney,  heart,  or  bone  marrow)  has  become  routine  due  to  improved 
surgical  techniques  and  better  tissue  typing.  Also,  drugs  are  now  available  that  more  - 
electively  s  inhibit  rejection  of  transplanted  tissues  while  preventing  the  patient  from 
becoming  immunologically  compromised.  Earlier  drugs  were  nonselective,  and  patients 
frequently  succumbed  to  infection  due  to  suppression  of  both  the  antibody-mediated 
(humoral) and cell-mediated arms of  the  immune system.  Today, the principal approach 
to  immunosuppressive therapy  is  to alter  lymphocyte  function  using  drugs or antibodies 
against immune proteins. Because of their severe toxicities when used as monotherapy, a 
combination  of  immunosuppressive  agents,  usually  at  lower  doses,  is  generally 
employed.  [Note:  Immunosuppressive  therapy  is  also  used  in  the  treatment  of  auto- 
mmune  diseases.  For  example,  cori  ticosteroids  can  control  acute  glomerulonephritis.] 
Immunosuppressive drug regimens  usually consist  of anywhere  from  two to  four agents 
with  different  mechanisms  of  action  that  disrupt  various  levels  of  T-cell  activation. 
Immunosuppressive drugs can be categorized according to their mechanisms of action: 1) 
Some  agents  interfere  with  cytokine  production  or  action;  2)  others  disrupt  cell 
metabolism,  preventing  lymphocyte  proliferation;  and  3)  mono-  and  polyclonal 
antibodies block T-cell surface molecules. 

II. 

 SELECTIVE INHIBITORS OF CYTOKINE PRODUCTION AND FUNCTION 

Cytokines  are  soluble,  antigen-nonspecific,  signaling  proteins  that  bind  to  cell  surface 
receptors  on  a  variety  of  cells.  The  term  cytokine  includes  the  molecules  known  as 
interleukins  (ILs),  interferons  (IFNs),  tumor  necrosis  factors  (TNFs),  transforming 
growth  factors,  and  colony-stimulating  factors.  Of  particular  interest  when  discussing 
immunosuppressive  drugs  is  IL-2,  a  growth  factor  that  stimulates  the  proliferation  of 
antigen-primed (helper) T cells, which subsequently produce more IL-2, IFN-γ, and TNF-
a  (Figure  40.2).  These  cytokines  collectively  activate  natural  killer  cells,  macrophages, 
and cytotoxic T lymphocytes. Clearly, drugs that interfere with the production or activity 


background image

 

of  IL-2,  such  as  cyclosporine,  will  significantly  dampen  the  immune  response  and, 
thereby, decrease graft rejection. 

A. 

 Cyclosporine 

Cyclosporine is a lipophilic cyclic polypeptide. The drug is extracted from the soil fungus 
Beauveria nivea. Cyclosporine is used to prevent rejection of kidney, l - iver, and cardiac 
allogeneic  transplants.  Cyclosporine  is  most  effective  in  preventing  acute  rejection  of 
transplanted  organs  when  combined  in  a  double-drug  or  triple-drug  regimen  with 
corticosteroids and an antimetabolite such as mycophenolate mofetil. Cyclosporine is an 
alternative to  methotrexate for the treatment of severe, active rheumatoid arthritis. It can 
also  be  used  for  patients  with  recalcitrant  psoriasis  that  does  not  respond  to  other 
therapies, and it is also used for - erophthalmia. x 

1. 

 Mechanism  of  action:  Cyclosporine  preferentially  suppresses  cellmediated 

immune  reactions,  whereas  humoral  immunity  is  affected  to  a  far  lesser  extent.  After 
diffusing  into  the  T  cell,  cyclosporine  binds  to  a  cyclophilin  (more  generally  called  an 
immunophilin) to  form a complex that  binds to calcineurin.  The  latter  is responsible  for 
dephosphorylating  NFATc  (cytosolic  Nuclear  Factor  of  Activated  T  cells).  Because  the 
cyclosporine-calcineurin complex cannot perform this reaction, NFATc cannot enter  the 
nucleus  to  promote  the  reactions  that  are  required  for  the  synthesis  of  a  number  of 
cytokines,  including  IL-2.  The  end  result  is  a  decrease  in  IL-2,  which  is  the  primary 
chemical stimulus for increasing the number of T lymphocytes. 

2. 

 Pharmacokinetics: Cyclosporine may be given either orally or by intravenous (IV) 

infusion. Oral absorption is variable. Interpatient variability may be due to metabolism by 
a  cytochrome  P450  (CYP3A4)  in  the  gastrointestinal  (GI)  tract,  where  the  drug  is 
metabolized.  Cyclosporine  is  also  a  substrate  for  P-glycoprotein  (P-gp),  a  drug  efflux 
pump,  which  limits  cyclosporine  absorption  by  transporting  the  drug  back  into  the  gut 
lumen. About 50 percent of the drug is associated with the blood fraction. Half of this is 
in the erythrocytes, and less than one tenth is bound to the lymphocytes. Excretion of the 
metabolites  is  through  the  biliary  route,  with  only  a  small  fraction  of  the  parent  drug 
appearing in the urine. 

3. 

 Adverse  effects:  Many  of  the  adverse  effects  caused  by  cyclosporine  are  dose 

dependent. Therefore, it is important to monitor blood l -evels of the drug. Nephrotoxicity 
is  the  most  common  and  important  adverse  effect  of  cyclosporine,  and  it  is  critical  to 


background image

 

monitor  kidney  function.  Reduction  of  the  cyclosporine  dosage  can  result  in  reversal  of 
nephrotoxicity  in  most  cases,  although  nephrotoxicity  may  be  irreversible  in  15  percent 
of patients. Hepatotoxicity can also occur, liver function should be periodically assessed. 
Infections in patients taking cyclosporine are common and may be life-threatening. Viral 
infections due to the herpes group and cytomegalovirus (CMV) are prevalent. Lymphoma 
may occur in all transplanted patients due to the net level of immunosuppression and has 
not  been  linked  to  any  one  particular  agent.  Anaphylactic  reactions  can  occur  on 
parenteral  administration.  Other  toxicities  include  hypertension,  hyperlipidemia, 
hyperkalemia  (it  is  important  not  to  use  K+-sparing  diuretics  in  these  patients),  tremor, 
hirsutism, glucose intolerance, and gum hyperplasia. 

B. 

 Tacrolimus 

Tacrolimus (originally called FK506) is a macrolide that is isolated from the soil fungus 
Streptomyces  -tsukubaensis.  Tacrolimus  is  approved  for  the  prevention  of  rejection  of 
liver  and  kidney  transplants  and  is  given  with  a  corticosteroid  and/or  an  antimetabolite. 
This  drug  has  found  favor  over  cyclosporine,  not  only  because  of  its  potency  and 
decreased  episodes  of  rejection,  but  also  because  lower  doses  of  corticosteroids  can  be 
used,  thus  reducing  the  likelihood  of  steroid-associated  adverse  effects.  An  ointment 
preparation  has  been  approved  for  moderate  to  severe  atopic  dermatitis  that  does  not 
respond to conventional therapies. 

1. 

 Mechanism of action: Tacrolimus exerts its immunosuppressive effect in the same 

manner as cyclosporine, except that it binds to a different immunophilin, FKBP-12 (FK-
binding protein). 

2. 

 Pharmacokinetics:  Tacrolimus  may  be  administered  orally  or  IV.  Tacrolimus  is 

subject  to  gut  metabolism  by  CYP3A4/5  isoenzymes  and  is  a  substrate  for  P-gp. 
Together,  both  of  these  mechanisms  limit  the  oral  bioavailability  of  tacrolimus. 
Absorption  is  decreased  if  the  drug  is  taken  with  high-fat  or  high-carbohydrate  meals. 
Tacrolimus  is  from 10- to 100-fold  more potent than cyclosporine. It  is  highly bound to 
serum  proteins  and  is  also  concentrated  in  erythrocytes.  Like  cyclosporine,  tacrolimus 
undergoes  hepatic  metabolism.  At  least one  metabolite of tacrolimus  has been shown to 
have immunosuppressive activity. Renal excretion is very low, and most of the drug and 
its metabolites are found in the feces. 


background image

 

3. 

 Adverse  effects:  Nephrotoxicity  and  neurotoxicity  (tremor,  seizures,  and 

hallucinations) tend to be more severe in patients who are treated with tacrolimus than in 
patients  treated  with  cyclosporine.  Development  of  posttransplant,  insulin-dependent 
diabetes  mellitus  is  a  problem.  Other  toxicities  are  the  same  as  those  for  cyclosporine, 
except  that  tacrolimus  does  not  cause  hirsutism  or  gingival  hyperplasia.  Compared  with 
cyclosporine,  t  -  acrolimus  has  also  been  found  to  have  a  lower  incidence  of 
cardiovascular  toxicities,  such  as  hypertension  and  hyperlipidemia.  Anaphylactoid 
reactions to the injection vehicle have been reported. 

C. 

 Sirolimus 

Sirolimus  is  a  macrolide  obtained  from  fermentations  of  the  soil  mold  Streptomyces 
hygroscopicus.  The  earlier  name  is  rapamycin.  Sirolimus  is  approved  for  use  in  renal 
transplant-  tion,  to  be  used  together  with  cyclosporine  and  a  corticosteroids,  allowing 
lower doses of those  medications to be  used, thereby  lowering their toxic potential.  The 
combination  of  sirolimus  and  cyclosporine  is  apparently  synergistic  because  sirolimus 
works  later  in  the  immune  activation  cascade.  The  antiproliferative  action  of  sirolimus 
has found use in cardiology. Sirolimus-coated stents inserted into the cardiac vasculature 
inhibit restenosis of the blood vessels by reducing proliferation of the endothelial cells. 

1. 

 Mechanism of action: Sirolimus and tacrolimus bind to the same cytoplasmic FK-

binding  protein,  but  instead  of  forming  a  complex  with  calcineurin,  sirolimus  binds  to 
mTOR.  Binding of sirolimus to  mTOR blocks the progression of activated  T cells  from 
the G1 to the S phase of the cell cycle and, consequently, the proliferation of these cells. 
Unlike  cyclosporine  and  -  acrolimus,  sirolimus  does  not  owe  its  effect  to  lowering  IL-2 
prot duction but, rather, to inhibiting the cellular responses to IL-2. 

2. 

 Pharmacokinetics:  The  drug  is  available  only  as  oral  preparations.  Although  it  is 

readily absorbed, high-fat meals can decrease the drug’s absorption. Sirolimus has a long 
half-life (57 to 62 hours) compared to those of cyclosporine and tacrolimus, and a loading 
dose  is  recommended  at  the  time  of  initiation  of  therapy,  but  only  requires  once  daily 
dosing.  Sirolimus  also  increases  the  drug  concentrations  of  cyclosporine,  and  careful 
blood level monitoring of both agents must be done to avoid harmful drug toxicities. The 
parent drug and its metabolites are predominantly eliminated in feces. 

3. 

 Adverse  effects:  A  common  side  effect  of  sirolimus  is  hyperlipidemia.  The 

combination of cyclosporine and sirolimus is more nephrotoxic than cyclosporine alone. 


background image

 

Although  the  administration  of  sirolimus  and  tacrolimus  appears  to  be  less  nephrotoxic, 
sirolimus  can  still  potentiate  the  nephrotoxicity  of  tacrolimus,  and  drug  levels  of  both 
must be monitored closely. Other untoward problems are headache, nausea and diarrhea, 
leukopenia,  and  thrombocytopenia.  Impaired  wound  healing  has  been  noted  with 
sirolimus in obese patients and those with diabetes. 

D. 

 Everolimus 

Everolimus (another mTOR inhibitor) was recently approved by the U.S. Food and Drug 
Administration  for  use  in  renal  transplantation  in  combination  with  low-dose 
cyclosporine  and  corticosteroids.  It  was  originally  approved  in  2009  for  second-line 
treatment in patients with advanced renal cell carcinoma. 

1.  Mechanism  of  action:  Everolimus  has  the  same  mechanism  of  action  as  sirolimus.  It 
inhibits  activation  of  T  cells  by  forming  a  complex  with  FKBP-12  and  subsequently 
blocking mTOR. 

2.  Pharmacokinetics:  Everolimus  differs  from  sirolimus  in  its  pharmacokinetic  profile. 
Everolimus  is  rapidly  absorbed,  attaining  maximal  concentrations  in  1  to  2  hours  post 
dose,  but  absorption  is  decreased  with  high-fat  meals.  Everolimus  is  a  substrate  of 
CYP3A4  and  P-gp  and,  thus,  is  subject  to  the  same  drug  interactions  as  previously 
mentioned  immunosuppressants.  Everolimus  avidly  binds  erythrocytes,  and  monitoring 
of  whole  blood  trough  concentrations  is  recommended.  It  has  a  much  shorter  half-life 
than  does  sirolimus  at  30  ±  11  hours  and  requires  twice-daily  dosing.  Everolimus 
increases drug concentrations of cyclosporine, thereby enhancing the nephrotoxic effects 
of  cyclosporine,  and  is,  therefore,  recommended  to  be  used  with  reduced  doses  of 
cyclosporine. 

3.  Adverse  effects:  Everolimus  has  similar  side  effects  to  sirolimus,  including 
hyperlipidemia,  impaired  or  delayed  wound  healing  following  transplantation,  and 
enhanced nephrotoxicity in combination with higher doses of cyclosporine. An additional 
adverse  effect  noted  with  everolimus  is  angioedema,  which  may  increase  with 
concomitant use of angiotensin-converting enzyme inhibitors. There is also an increased 
risk of kidney arterial and  venous thrombosis, resulting  in  graft  loss,  usually  in  the  first 
30 days posttransplantation. 

III. IMMUNOSUPPRESSIVE ANTIMETABOLITES 


background image

 

Immunosuppressive  antimetabolite  agents  are  generally  used  in  combination  with 
corticosteroids and the calcineurin inhibitors, cyclosporine and tacrolimus. 

A.  

 Azathioprine 

Azathioprine was the first agent to achieve widespread use in organ transplantation. It is a 
prodrug that is converted first to 6-mercaptopurine (6-MP) and then to the corresponding 
nucleotide,  thioinosinic  acid.  The  immunosuppressive  effects  of  azathioprine  are  due  to 
this  nucleotide  analog.  The  drug  has  little  effect  on  suppressing  a  chronic  immune 
response.  Its  major  toxicity  is  bone  marrow  suppression.  Concomitant  use  with 
angiotensin-converting  enzyme  inhibitors  or  cotrimoxazole  in  renal  transplant  patients 
can lead to an exaggerated leukopenic response. Allopurinol, an agent used to treat gout, 
significantly inhibits the metabolism of azathioprine. Therefore, the dose of azathioprine 
must be reduced by 60 to 75 percent. Nausea and vomiting are also encountered. 

B. 

 Mycophenolate mofetil 

Mycophenolate mofetil has, for the most part, replaced azathioprine because of its safety 
and efficacy  in prolonging  graft survival. It has been successfully  used  in  heart, kidney, 
and liver transplants. As an ester, it is rapidly hydrolyzed in the GI tract to mycophenolic 
acid.  This  is  a  potent,  reversible,  uncompetitive  inhibitor  of  inosine  monophosphate 
dehydrogenase, which blocks the de  novo  formation of  guanosine phosphate. Thus,  like 
6-MP,  it  deprives  the  rapidly  proliferating  T  and  B  cells  of  a  key  component  of  nucleic 
acids.  Mycophenolic  acid  is  quickly  and  almost  completely  absorbed  after  oral 
administration.  Both  mycophenolic  acid  and  its  glucuronidated  metabolite  are  highly 
bound  (greater  than  90  percent)  to  plasma  albumin.  The  glucuronide  metabolite  is 
excreted  predominantly  in  urine.  The  most  common  adverse  effects  include  diarrhea, 
nausea,  vomiting,  abdominal  pain,  leukopenia,  and  anemia.  Higher  doses  of 
mycophenolate  mofetil  (3  g/day)  were  associated  with  a  higher  risk  of  CMV  infection. 
[Note:  mycophenolic  acid  is  less  mutagenic  or  carcinogenic  than  azathioprine.] 
Concomitant  administration  with  antacids  containing  magnesium  or  aluminum,  or  with 
cholestyramine, can decrease absorption of the drug. 

C. Enteric-coated mycophenolate sodium 

In  an  effort  to  minimize  the  GI  effects  associated  with  mycophenolate  mofetil,  enteric-
coated  mycophenolate  sodium  was  developed.  The  active  drug  (mycophenolic  acid)  is 


background image

 

contained  within  a  delayed-release  formulation  designed  to  release  in  the  neutral  pH  of 
the  small  intestine.  The  new  formulation  was  found  to  be  equivalent  to  mycophenolate 
mofetil  in  the  prevention  of  acute  rejection  episodes  in  kidney  transplant  recipients. 
However, the rate of GI adverse events was similar to that with mycophenolate mofetil. 

IV. ANTIBODIES 

The use of antibodies plays a central role in prolonging allograft survival. The names of 
monoclonal antibodies conventionally contain “muro” if they are from a murine (mouse) 
source  and  “xi”  or  “zu”  if  they  are  chimerized  or  humanized,  respectively.  The  suffix 
“mab” (monoclonal antibody) identifies the category of drug. The polyclonal antibodies, 
although  relatively  inexpensive  to  produce,  are  variable  and  less  specific,  which  is  in 
contrast to monoclonal antibodies, which are homogeneous and specific. 

A. Antithymocyte globulins 

They  are  primarily  used,  together  with  other  immunosuppressive  agents,  at  the  time  of 
transplantation  to  prevent  early  allograft  rejection,  or  they  may  be  used  to  treat  severe 
rejection episodes or corticosteroid-resistant acute rejection.The antibody-bound cells are 
phagocytosed  in  the  liver  and  spleen,  resulting  in  lymphopenia  and  impaired  T-cell 
responses.  The  antibodies  are  slowly  infused  intravenously,  and  their  half-life  extends 
from  3  to  9  days.  Because  the  humoral  antibody  mechanism  remains  active,  antibodies 
can  be  formed  against  these  foreign  proteins.  [Note:  This  is  less  of  a  problem  with  the 
humanized  antibodies.]  Other  adverse  effects  include  chills  and  fever,  leukopenia  and 
thrombocytopenia, infections due to CMV or other viruses, and skin rashes. 

B. Muromonab-CD3 (OKT3) 

Muromonab-CD3  is  a  murine  monoclonal  antibody  that  is  synthesized  by  hybridoma 
technology  and  directed  against  the  glycoprotein  CD3  antigen  of  human  T  cells. 
MuromonabCD3 is used for treatment of acute rejection of renal allografts as well as for 
corticosteroid-resistant acute allograft rejection in cardiac and hepatic transplant patients. 
It is also used to deplete T cells from donor bone marrow prior to transplantation. 

Adverse  effects:  Anaphylactoid  reactions  may  occur.  Cytokinerelease  syndrome  may 
follow  the  first  dose.  The  symptoms  can  range  from  a  mild,  flu-like  illness  to  a  life-
threatening,  shock-like  reaction.  High  fever  is  common.  Central  nervous  system  effects, 
such as seizures, encephalopathy, cerebral edema, aseptic meningitis, and headache, may 


background image

 

occur.  Infections  can  increase,  including  some  due  to  CMV.  Muromonab-CD3  is 
contraindicated in patients with a history of seizures, in those with uncompensated heart 
failure,  in  pregnant  women,  and  in  those  who  are  breast-feeding.  Because  of  these 
adverse effects and the improved tolerability of rabbit antithymocyte globulin and the IL-
2 receptor antagonists, muromonab-CD3 is rarely used today. 

C. 

 IL-2-receptor antagonists 

Basiliximab  is  said  to  be  “chimerized”  because  it  consists  of  25  percent  murine  and  75 
percent  human  protein.  Daclizumab  is  90  percent  human  protein,  and  is  designated 
“humanized.” Both agents have been approved for prophylaxis of acute rejection in renal 
transplantation  in  combination  with  cyclosporine  and  corticosteroids.  They  are  not  used 
for the treatment of ongoing rejection. In late 2009, daclizumab was withdrawn from the 
U.S. market by the manufacturer due to a diminished demand for the product. 

1. 

 Mechanism of action: Both compounds are anti-CD25 antibodies and bind to the α 

chain of the IL-2 receptor on activated T cells. They thus interfere with the proliferation 
of these cells. Basiliximab is about 10-fold more potent than daclizumab as a blocker of 
IL-2  stimulated  T-cell  replication.  Blockade  of  this  receptor  foils  the  ability  of  any 
antigenic stimulus to activate the T-cell response system. 

2. 

 Pharmacokinetics:  Both  antibodies  are  given  IV.  The  serum  half-life  of 

daclizumab is about 20 days, and the blockade of the receptor is 120 days. Five doses of 
daclizumab are usually administered, the first at 24 hours before transplantation, and the 
next  four  doses  at  14-day  intervals.  The  serum  half-life  of  basiliximab  is  about  7  days. 
Usually,  two  doses  of  this  drug  are  administered,  the  first  at  2  hours  prior  to 
transplantation, and the second at 4 days after the surgery. 

3. 

 Adverse effects: Both daclizumab and basiliximab are well tolerated. Their major 

toxicity  is  GI.  No  clinically  relevant  antibodies  to  the  drugs  have  been  detected,  and 
malignancy does not appear to be a problem. 

D. 

 Alemtuzumab 

Alemtuzumab, a humanized monoclonal antibody, exerts its effects by causing profound 
depletion of T cells from the peripheral circulation. This effect may last for up to 1 year. 
Alemtuzumab  is  currently  approved  for  the  treatment  of  refractory  B-cell  chronic 
lymphocytic  leukemia.  Although  it  is  not  currently  approved  for  use  in  organ 


background image

 

transplantation,  it  is  being  used  in  combination  with  sirolimus  and  low-dose  calcineurin 
inhibitors  in  corticosteroid-avoidance  protocols  at  many  transplant  centers.  Preliminary 
results  are  promising,  with  low  rates  of  rejection  with  a  prednisone-free  regimen.  Side 
effects  include  first-dose  cytokine-release  syndrome,  requiring  premedication  with 
acetaminophen,  diphenhydramine,  and  corticosteroids.  Adverse  effects  include 
neutropenia, anemia, and, rarely, pancytopenia. Intermediate term results have shown an 
increase  in  B-cell  mediated  rejection  and  development  of  autoimmune  disorders  in  a 
small number of patients and, thus, this agent should be used with caution. 

A summary of the major immunosuppressive drugs is presented in Figure 40.8. 

V. CORTICOSTEROIDS 

The  corticosteroids  were  the  first  pharmacologic  agents  to  be  used  as 
immunosuppressives both  in transplantation and  in  various autoimmune  disorders. They 
are  still  one  of  the  mainstays  for  attenuating  rejection  episodes.  For  transplantation,  the 
most  common  agents  are  prednisone  or  methylprednisolone,  whereas  prednisone  or 
prednisolone are used for autoimmune conditions. The steroids are used to suppress acute 
rejection  of  solid  organ  allografts  and  in  chronic  graft-versus-host  disease.  In  addition, 
they are effective against a wide  variety  of autoimmune conditions,  including  refractory 
rheumatoid  arthritis,  systemic  lupus  erythematosus,  temporal  arthritis,  and  asthma.  The 
exact  mechanism  responsible  for the  immunosuppressive action of the corticosteroids is 
unclear.  The  T  lymphocytes  are  affected  most.  The  steroids  are  able  to  rapidly  reduce 
lymphocyte  populations.  They  bind  to  the  glucocorticoid  receptor.  The  complex  passes 
into  the  nucleus  and  regulates  the  translation  of  DNA.  The  use  of  these  agents  is 
associated  with  numerous  adverse  effects.  For  example,  they  are  diabetogenic  and  can 
cause  hypercholesterolemia,  cataracts,  osteoporosis,  and  hypertension  with  prolonged 
use. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 154 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل