Diagnostik der Medikamentenallergie

Werner J. Pichler

Clinic f. Rheumatology & clinical Immunology/ AllergologyInselspital, University of Bern,CH-3010-BernSwitzerland

ADR-AC GmbHAdverse Drug Reactions –Analysis and ConsultingHolligenstr 91, CH-3008-Bern, Switzerland

Diagnostik der Medikamentenallergie

1. Grundlagen (Rückblick)

2. Neues zur Diagnostik

Medikamentenallergie in Bern

1. Epidemiologie der Medikamentenallergien (RH)2. Penicillin Hypersensitivität (AdW/CS):

- Biochemie der Penicillinallergie (Bindungen)

3. Diagnostik (AdW/HS):- Penicillin-Hautteste (PenG-PLL)- Lymphozytenproliferationstest (LTT): in vitro

Proliferation von mononuklären Blutzellen auf Medikamente

Ablauf Spätreaktion

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tage

WenigePrekursor vermehren Zellen sich

Ab bestimmter Menge Symptome (je nach Art der Immunreaktion)

Asymptomatisch Symptome

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

LTT

SYMPTOME

%

Tage

Lymphozyten-Transformationstest (LTT)

etabliert/standardisiert/evaluiert in Bern durch Frau Dr. Heidi Spengler & Jana Tilch um ca. 1979-1982----------------------------------------------------

? Wie soll denn ein Medikament T-Zellen in vitro stimulieren: T-Zellen werden durchPeptide stimuliert (“? Ein unspezifisches Phänomen !?”)

4.6

59.6

111.7

91.5

2.2 0.7 0.6 0.2 0.9 0.9 0.2 0.1

26.922.6 22 20.5

0.9 0.9 0.1 0.1 0.7 0.6 0.3 0.1

148

21.4

0102030405060708090

100110120

10 100 200 500 1 10 100 200 1 10 100 200 5

Amoxicillin RS Cefuroxim RS Cefadroxil RS Tet.Tox.

Autologes Plasma AB-Serum

SI

μg

Positiver LTT gegen Amoxicllin –dosisabhängig, eindeutig, spezifisch,

Medikamentenallergie: interessant aber unklar

LTT: Start um zwei Fragen zu klären:

1. Was bedeutet diese T-Zell Stimulation fürdas klinische Bild ?

2. Wie erkennen diese T-Zellen das Medikament ?

Tages Arbeit, abends Gäste, saure Wochen, frohe Feste, sei Dein künftig Zauberwort (J.W. von Goethe, „der Schatzgräber“)

Simon

eIn

grid

Jan

Oliver

Mar

kus

Petra

Benn

o

Chris

tel

Drug specific T-cell clones (TCC)from blood and tissue

cell culturewith drug

proliferation

Expansion of a single cell

T-cells

T-cells

phenotypefunction: cytokines, cytotoxicityinteraction with APCs, tissue cellsdrug recognitioncross-reactivity

TCC

Perforin CD4red brown

Immunohisto-chemistry

bullous exanthem (bullous E.)

maculopapular exanthem (MPE)

acute generalizedexanthematous pustulosis (AGEP)

Medikamentenallergie: Ein Schlüssel um die vielfältigen Formen von T-Zell Reaktionen zu

verstehen?

Gell & Coombs Classification (1967!)Hypersensitivity reactions type I – III & type IV

Serum sickness, Arthusreaction

Some drug allergies (e.g., penicillin)

Allergic Rhinitis, asthma, systemic anaphylaxis

Example of hypersen-sitivityreaction

FcR+ cellsComplement

FcR+ cells (phagocytes,

NK cells)

Mast-cell activation

Effector

Soluble antigen

Cell- or matrix-

associated antigen

Soluble antigenAntigen

IgGIgGIgEImmune reactant

Type IIIType IIType I

Ag

platelets

bloodvessel

immune complexAb - platelet

Many different diseases: tuberculin skin testdifferent forms of exanthema ?, eczema ?, contact dermatitis ? …..

T-cells, via cytokines recruitment of monocytes, eosinophils, neutrophils

MHC-presented antigen

T cell

Type IV

Cytokinescytotoxicity

Medikamentenallergie: Ein Schlüssel um die vielfältigen Formen von

T-Zell Reaktionen zu verstehen?

Pustular exanthemaContact dermatitisbullous & maculo-papular exanthema

Maculopapular exanthem with

eosinophilia

Tuberkulin skin test, Contact dermatitis

NeutrophilsCytotoxic T cellsEosinophilic inflammation

Monocyte,Macrophage

CXCL-8, GM-CFSIL-17?

Perforin, granzyme B, FasL

IL-5, IL-4, IL-13, eotaxin

IFN-γ, TNF-α

T cellsCytotoxic T cellsTh2Th1

TYPE IV dTYPE IV cTYPE IV bTYPE IV a

Antibody mediated hypersensitivity reactions (I-III) and delayed type hypersensitivity reactions (IV a-d)

AGEPBehçet disease

Contact dermatitisMaculopapular and bullousexanthemahepatitis

Chronic asthma, chronic allergic rhinitisMaculopapular exanthemawitheosinophilia

Tuberculin reaction ,contactdermatitis (with IVc)

Serum sickness, Arthusreaction

Some drug allergies (e.g., penicillin)

Allergic rhinitis, asthma, systemic anaphylaxis

Example of hypersen-sitivityreaction

NeutrophilsT cellsEosinophilsMacrophage activation

FcR+ cellsComplement

FcR+ cells (phagocytes, NK

cells)Mast-cell activationEffector

Soluble antigen presented by cells or direct T cell stimulation

Cell-associated antigen or

direct T cell stimulation

Antigen presented by cells or direct

T cell stimulation

Antigen presented by cells or direct

T cell stimulation

Soluble antigen

Cell- or matrix-

associated antigen

Soluble antigenAntigen

CXCL-8. GM-CSF,

IL17(T-cells)

Perforin/GranzymeB

(CTL)

IL-5, IL-4/IL-13

(TH2 cells)

IFNγ, TNFα(TH1 cells)

IgGIgGIgEImmune reactant

Type IV dType IV a Type IV b Type IV cType IIIType IIType I

Ag

platelets

bloodvessel

immune complex

IFN-γTH1

chemokines, cytokines, cytotoxins cytokines, inflammatory

mediators

TH2

IL-4IL-5

eotaxin

CTL

PMN

CXCL8GM-CSF

cytokines, inflammatorymediators

A. de Weck: Werner, Sie sollten Ihre Karriere nicht auf Medikamentenallergie alleine bauen, da werden Sie auch Schwierigkeiten haben genügend Funding aufzutreiben

S 57: W. Hadorn nach einem Seminar über Penicillin Allergie zu A. de Weck: Young man, this is very nice work! But you know you should soon do something else….

Aber A. de Weck hielt sich (zum Glück)nicht daran …S 58: Which shows that one should never believe blindly in the prediction of so-called wise men but one`s own feelings…

Wichtige Schritte….• es sind T-Zellen, die im LTT proliferieren Marianne Koponen (1987) • die ersten Penicillin-spezifischen T-Zell Klone: Christian Brander (1993-95) • T-Zell Klone gegen Sulfamethoxazol: Daniela Mauri-Hellweg & Patient

“UNO”, Blutspender für 4 Generationen von PhD-Doktoranden (1993-2009) • zytotoxische Mechanismen: Benno Schnyder, Karin Schnyder, Simone

Schmid, Petra Kuechler, Anna Zawaodniak (1996-2009) • Immunhistologie von MPE, AGEP, bullösen Reaktionen: Nikhil Yawalkar,

Simone Schmid (2000 - ..) • AGEP (acute generalized exanthematous pustulosis): Markus

Britschgi/Urs Steiner/Simone Schmid/Monika Keller (2002-2006) • interstitielle Nephritis: Monika Keller/Zoi Spanou (2006-07)• RCM-Ueberempfindlichkeit: Monika Keller/Marianne Lerch (2007/2008)• ---------------------------------------------------• p-i Konzept: Benno Schnyder, Daniela Mauri-Hellweg, Martin Zanni,

Salomé von Greyerz, Christoph Burkhart, Jan Depta (1997-2004) • TCR-Transfektanten: Jan Depta/Daphné Schmid/Michael Lüthi

(2005/2008): • In vitro Diagnostik (CD69, Zytokine, Zytotoxizität): Andreas Beeler, Priska

Lochmatter, Anna Zawodniak (2006-2009)

Wie können T-Zellen mitMedikamenten reagieren ?

DOGMA: “a small compound (<1000D) is not a complete antigen”

Ein Medikament ist in der Regel zu klein, um per se eine eigenständige Immunantwort auszulösen. Es muss als Hapten (= chemisch reaktiv) kovalent an ein Protein binden, welches dadurch verändert wird. Gegen dieses Hapten-modifizierte Protein kann eine Antikörper-, bzw. T-Zell Immunantwort entwickelt werden.

N

SCH2

ONH

O

H CH3

CH3

ONaO

processing

SO

NH

NO

RHaptens are chemicallyreactivereactive compounds able to bind covalently to proteins. Prohaptens acquire this abilityafter metabolism (SMX →SMX-NO).

Haptens bind to soluble orcell bound proteins, which areprocessed and presented.

A B- and T-cell mediated, hapten-specific immunity canarise.

Penicillin G SMX-NO

Hapten/prohapten specific immunity

T-cell TCR

ON

CH3

S OONH

NO Covalent binding (SMX-NO)

SUMMARY: T-cell recognition of drugs: Covalent drug binding to MHC-peptide

MHC+ peptide

APC (e.g. activatedkeratinocyte, DC,...)

„Classical“ immune response to hapten carriercompound

pi-KonzeptPharmakologische Interaktion mit

Immunrezeptoren

Ein chemisch inertes Medikament, welches unfähig ist, an Proteine zu binden, kann an einige der vielen Immunrezeptoren binden, in ähnlicher Art und Weise, wie es an andere Rezeptoren bindet (pharmakologische Interaktion mit Immun-Rezeptoren, pi-Konzept).

Diese Medikamenten-Rezeptor-Interaktion kann - unter besonderen Umständen - Immunzellen aktivieren und sie zur Proliferation bringen. Die entsprechende Reaktion in vivo ähnelt sehr einer spezifischen Immunreaktion auf das Medikament, hat aber auch oft bizarre klinische und immunologische Eigenschaften.

Das pi-Konzept folgt nicht den Regeln für die Entwicklung einer Immunantwort.

p-i Konzept: Benno Schnyder, Daniela Mauri-Hellweg, Martin Zanni, Salomé von Greyerz, Christoph Burkhart, Jan Depta (1997-2004)

TCC H13 stimulated by SMX and SDM - dose response

90

100

110

120

130

140

150

160

048 96 206

254

302

350

398

446

494

542

590

638

686

734

782

830

878

926

CM

Ionomycin

SMX100

SMX20

SMX4

SDM100SDM20SDM4

SMX-specific T cell clone: immediate Ca++ influxto the specific (stimulatory) compound only

(SMX but not SDM)

SDM is not stimulatory for the TCCCa++ influx: SMX (sulfamethoxazole) specific T-cell clone H13 reacts immediately (60sec) and in a dose dependent way to the drug, but not a structurally related compound (SDM), which does not induce IL-2

Fluo

resc

ence

inte

nsity

seconds

PRISKA

LOCHMATTER

T-cell TCR

MHC+ peptide

APC (e.g. activated

keratinocyte)

ON

CH3

S OONH

NH2

labile, nicht kovalente Bindung von SMX an den TCR,

ausreichend zur Stimulation der T-Zelle

Das p-i Konzept: pharmakologische (direkte) Interaktion des Medikamentes

mit Rezeptoren des Immunsystems

2

1

SofortigerCa++ Influx

„Antigenicity“ of drugs

• Chemical (hapten)• Stable protein/peptide

modification (covalent)• MHC-APC directed• (processing and metabolism)• Very heterogeneous and

often combined immune responses (Ig, T-cells.....)

• Structural (fitting into TCR)• No covalent binding

• TCR – T-cell directed• No processing/no metabolism• T-cell reactions of different types

(exanthema, DRESS, AGEP, TEN.....)

HAPTENP-I CONCEPT

O

CH3

ON

CH3

S OONH

NH2

(NO)

IMMUNOLOGY PHARMACOLOGY

Klinische Konsequenzen des pi-Konzepts

1. Reaktivität ohne stattgehabte Sensibilisierung (falls genügend Rezeptoren/Zellen durch das Medikament stimuliert werden)

2. Das pi-concept erklärt eine relativ rasche Reaktivität in der Haut, auch gegenüber Medikamente, die in der Haut nicht metabolisiert und prozessiert werden (Hautteste)

3. Wichtigkeit der Vorstimulation bzw. der Cofaktoren.4. Die durch das Medikament stimulierten Zellen haben eine

zusätzliche (Peptid-) Spezifität. 5. Medikamente, die Medikamentenallergien entsprechend dem pi-

Konzept auslösen, werden präklinisch nicht erfasst, da entsprechende Untersuchungen lediglich auf der Hapten-Hypothese beruhen.

6. Das pi-concept erklärt, weshalb einige Medikamente lediglich T-Zell-Reaktionen auslösen

Drug allergy group Inselspital, greetings from Switzerland

Daniel Olli Werner Jan Andreas

The early bird catches the worm

Falls ich überziehe…

Das Alter spricht ohnehin gern von sich..

Jean Paul

Diagnostik der MedikamentenallergieSchwierigkeiten

• es ist nicht nur Immunologie • es ist auch Pharmakologie• Kofaktoren sind wichtig• Genetik ist wichtig• Unübliche (überraschende) Klinik

• Vieles ist noch unklar

9d

Exanthem ?

50j Patientin WK; Behandlung mit Amoxicillin & Clavulansäure seit 9 d wegen Bronchitis;

was tun ?Stop des Amoxicillin; topische Steroide; Antihistaminika

Häufigste Frage:

was kann ich der Patientin in Zukunft geben ?

Kann man Cephalosporine, Carbapeneme, Monobactame... einsetzen ?

Neues in der Medikamentenallergie-Diagnostik

Was brauchen wir?• Möglichst sensitive Teste (i.d. > epicutan), • Kreuzreaktionen miterfassen• spezifische IgE• schneller Testresultate • spezielle Teste für besondere Frage-

stellungen

Team allerglogische-immunologische Poliklinik 2009

Hautteste: selektiv positiv gegen Penicilline (Amoxicillin, Ampicillin, Penicillin G, nicht gegen Cepalsosporine)

Neue Hauttest-Serien

• Sensitiver i.d. Test• Komplette Abklärung mit

Identifikation des auslösenden und potentiell tolerierbaren Medikamentes

• Vorgegebene Termine: – 1x/Monat Muskelrelaxantien,

1x/Röntgenkontrastmittel, – Penicilline wöchentlich

„ Bernese drug allergy network “, www.allergiebern.ch

Perioperative AnaphylaxiePenicillineCephalosporine& CarbapenemeSulfonamideLokalanaesthetikaPyrazoloneAntikoagulantien.....

IgE vermittelte Allergien: wenig Testreagentien verfügbar

Basophilenaktivierungstest

CD63 expression or CD203c upregulation on basophils stimulated by anti-IgE, anti-IgE-FcR I or by allergen (drug)

Basophilentest mit passiver Sensibilisierung

n = 3

THOMAS

GENTINETTA

Basophilentest mit passiver Sensibilisierung

+ Serum statt Zellen;

- aufwendig, teuer, funktioniert bisher nur mit bestimmten Medikamenten (Muskelrelaxantien, Carboxymethylcellulose

Cephalosporine)

Experimentell, auf Anfrage

Time course of T-cell activation

Cytokines (IFNg, IL-5, IL-13..

Verfeinerter LTT: CD69-Aufregulation, Zytokine, Zytotoxizität

Ist man nicht fleissig in der Jugend, wird man im Alter traurig sein Konfuzius

Daniel

Valerie Monika Anna MichaelDaniel

CD69 upregulation after 48hrs

culture medium sulfapyridine tetanus toxoid

CD69-PE

CD4-

FITC

CD69

0.1% 1.9% 1.1%

Verfeinerter LTT: CD69-Aufregulation, Zytokine, Zytotoxizität

• Statt Proliferation wird Aktivierung (CD69) gemessen (schneller, nach 3d)

• Passend zum Pathomechanismus (z.B. IL-5 bei eosinophiler Reaktion)

• Ergänzend – z.B. zytotoxische Mechanismen bei toxischer epidermaler Necrolyse (TEN, SJS)

experimentell, auf Anfrage

ANNA

ZAWODNIAK

PRISKA

LOCHMATTER

Teste kombiniert evaluieren Medikamentenallergie-Teste haben

meist eine geringe Sensitivität, aber sehr gute Spezifität

------------------------------------------ positive Teste sind aussagekräftig

- negative Teste sind mit Vorsicht zu interpretieren !- kombiniert eingesetzt gelingt es in einem Grossteil der

Patienten (ca 70%) das relevante Medikament zu identifizieren

Prick i.d. Patch LTT

Identifikation des Auslösers

Provokation ?- mit alternativem Medikament - mit Test-negativem Medikament

Anamnese!Anamnese!Anamnese!

4.6

59.6

111.7

91.5

2.2 0.7 0.6 0.2 0.9 0.9 0.2 0.1

26.922.6 22 20.5

0.9 0.9 0.1 0.1 0.7 0.6 0.3 0.1

148

21.4

0102030405060708090

100110120

10 100 200 500 1 10 100 200 1 10 100 200 5

Amoxicillin RS Cefuroxim RS Cefadroxil RS Tet.Tox.

Autologes Plasma AB-Serum

SI

μg

Positiver LTT und Hauttest gegen Amoxicillin –KEINE Reaktionen auf Cephalosporine

Betalactam-Antibiotika

• Pat WK: sie ist allergisch auf (alle) Penicilline, kann aber Cephalosporine (und Monobactame, Carbapenem) erhalten.

• Bei den verzögerten, T-Zell vermittelten Reaktionen (wie makulopapulärem Exanthem, Serumkrankheit mit Exanthem, bullösem Exanthem) besteht meist KEINE Kreuzreaktion mit Cephalosporinen, Monobactamen und Carbapenemen

Trotz häufig etwas unklarer Situation klare Antwortgeben an Hausarzt sowie Patient: Notfallausweis

Allergologie 2009

Herzlichen Dank meinen früheren und jetzigen Mitarbeitern

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Fortbildungspool

Herzlichen Dank unseren Sponsoren:

Alte Leute sind gefährlich, sie haben keine Angst vor der Zukunft

George Bernhard Shaw