NETWORK CITOCHINICO E ALLERGIE RESPIRATORIE

Sebastiano Gangemi

U.O.C. e Scuola di Specializzazione di Allergologia e Immunologia Clinica

Università degli Studi di Messina

A.O.U.”Gaetano Martino”

Treg

ATOPIA E INFIAMMAZIONE ALLERGICA

PATTERN GENETIC

O

AmbienteFattori MaterniInfezioni

LinfocitaTh2

LinfocitaTh1

ATOPIA

COINVOLGIMENTO DEL SISTEMA IMMUNE NELLA FLOGOSI

ALLERGICA

• Concentrazione sierica di anticorpi (IgE, IgG4, IgG1, IgA)

Cellule effettrici e regolatorie: - Eosinofili - Mastociti - Basofili - Linfociti T e B - C. Dendritiche

IgE

Immunoterapia specifica ed IgE• Inizio ITS: incremento IgE specifiche (effetto “booster”)

• Dopo 6 mesi: rinormalizzazione valori IgE specifiche

• Dopo periodo > 1 anno: calo (non sempre presente) delle IgE specificheQuesto meccanismo ha perso di considerazione negli ultimi anni perché la riduzione delle IgE è tardiva, contenuta e non sempre presente

Ovviamente l’incremento delle IgE è una caratteristica delle allergie respiratorie anche se spesso non vi e’ corrispondenza tra i livelli di IgE specifiche e totali e la gravita’ dei sintomi

IgG

L’incremento dei livelli sierici di IgG4 (“Ab bloccanti”) è correlato con il miglioramento clinico delle malattie allergiche

Wachholz PA, et al. Curr Opin Allergy Clin Immunol. 2004

L’incremento dei livelli sierici di IgG4 (“Ab bloccanti”) :

- è soprattutto IL-10-dipendente - blocca il rilascio di istamina allergene-dipendente ed IgE-indotto dai basofili - IgG4 per il veleno di imenotteri correla con la protezione da successive punture Nouri-Aria KT et al. J Immunol. 2004 Muller UR et al. Allergy 1989

IgA

• Nei soggetti sani la risposta immune a Der p1 provoca l’incremento dei livelli di IgA specifiche (insieme alle IgG4 e meno alle IgG1)

• Ciò non avviene nei soggetti allergici

• e’ il TGF-beta ad indurre la produzione di IgA (prodotto soprattutto dalle cosiddette cellule Th3)

Jutel M et al. Eur J Immunol

2003

Negli allergici avviene una migrazione transepiteliale delle mastcellule durante la rinite, la cui riduzione è proporzionale al miglioramento dei parametri cliniciIn modelli murini, l’iniezione sottocutanea di peptidi allergenici down-regola le risposte delle mast-cellule Bentley AM et al. JACI 1992

Treter S et al. Cell Immunol 2003

- dopo test di scatenamento nasale si ha incremento del numero di eosinofili nel liquido di lavaggio nasale- durante il picco pollinico nei pollinosici avviene un incremento della reattività bronchiale all’istamina e del numero di eosinofili ed ECP nel BAL-durante la stagione pollinica negli asmatici allergici avviene il priming della adesione eosinofila alla betulla Furin MJ et al. JACI 1991; Rak S et al. JACI 1988; Hakansson et al. JACI 1997

mastcellule, eosinofili

Uncommitted(naive) CD4+ T helper cells

Th1

Th2

Th17

Thnaive

IL-12TGF-

IL-4

TGF-

IL-6TGF-

TNF-IFN-

IL-4 IL-5IL-13

IL-17 IL-22IL-21

IL-10TGF-

TregCD4+CD2

5+

TregTr1 Th3

STAT-4

STAT-6

T-bet

GATA-3

Foxp3

RORt

Korn T et al. Nature 2007 Nurieva R et al. Nature 2007 Afzali B et al. Clin Exp Immunol 2007

cell-cell contact

T helper cell commitment towards specific lineages

IL-23

induction

induction

induction

induction

Proliferationcytokine production

IL-21 Th17 Autocrine regulation

SUBSETS CELLULE T EFFETTRICI

Th1

Th2

IL-2, IFN-gamma, TNF-beta

IL-4, IL-5, IL-9, IL-13

Recentemente è stato identificato un altro subset di T helper cells denominato Th17 (produce IL-17 e IL-22) fortemente implicato nei fenomeni autoimmuni (p.e. encefalomielite sperimentale autoimmune, artrite collageno-indotta, psoriasi) oltre che nella immunità innata contro le infezioni (specie verso batteri extracellulari)

Zheng Y et al. Nature Feb 2007 Furuzawa-Carballeda J et al. Autoimmun Rev Jan 2007

Th17

T naive

IL-6 IL-21

TGF-

TGF- IL-23

IL-23R

STAT3

RORt

Nucleo

IL-17,IL-17F,IL-6, IL-22,IL-21,TNF-

differenziazione

Fibroblasti, macrofagi, c.endoteliali/epiteliali

mediatori infiammatori rilascio di chemochine Neutrofi

li

Batteri Extracellulari

malattie Autoimmuni

Nucleo

Kaiko GE et al, Immunology 2007

Polarizzazione e funzioni delle

TH17

T-regulatory cells (Tregs)

La tolleranza periferica T-cellulare è un processo immunologico dimostrato nell’autoimmunità, nel cancro, nelle infezioni, nei trapianti e nelle allergie.E’ stata individuata una famiglia eterogenea di cellule T ad attività regolatoria (Treg) che giocano un ruolo chiave nella tolleranza periferica. Si tratta di popolazioni di cellule T sia naturali che inducibili diverse tra loro nello sviluppo, specificità, meccanismi d’azione.

Bluestone JA et al. Nat Rev Immunol 2003

T-regulatory (TReg) cells

Specific effector cells

Subsets of regulatory T cells: CD4+CD25+Treg, Tr1, Th3,

CD8+CD25+CD28-Treg, CD4-CD8-Treg, TCRgammadeltaTreg

Suppressive factors involved in pheripheral tolerance to allergensIL-10, TGF-beta, CTLA-4, GITR, PD-1, HR2

Jutel et al., Allergy 2006

Tr1 cellsSono coinvolte nella tolleranza periferica T-cellulare essendo capaci di re-direzionare una risposta immune inappropriata verso allergeni o autoantigeni. Possono essere indotte dalla presenza di IL-10 prodotta da cellule dendritiche immature ed utilizzano vari meccanismi soppressivi, primi tra tutti la produzione di IL-10 ed in minor misura di TGF-beta

Taylor A et al., Immunology 2006 Levings MK et al., Blood 2005

Sono caratterizzate da una prevalente produzione di TGF-beta e da una minore produzione di IL-10 dopo attivazione con determinati antigeniLa produzione di TGF-beta induce un incremento di IgA e dà una spiegazione del ruolo di queste cellule nel contesto dell’immunità periferica mucosale verso gli antigeni nei soggetti sani

Jutel et al. Eur J Immunol 2003

Th3 cells

CD4+CD25+Treg cells

Originano dal timo, esprimono FOXP3, GITR, CD103 e CD122 ed agiscono soprattutto mediante meccanismi da contatto che coinvolgono CTLA-4, TGF-beta di membrana e PD-1, anche se rilasciano citochine (IL-10 e TGF-beta)

Prevengono risposte patologiche verso antigeni self e not self ed i fenomeni autoimmuni; la loro deplezione porta allo sviluppo di malattie autoimmuni nei topi; nell’uomo la loro presenza è ridotta nelle malattie autoimmuni; sopprimono le risposte immuni ai tumori

Read S et al. J Immunol 2006 Shimizu J Nat Immunol 2002

Bluestone JA et al. Nat Rev Immunol 2003

B cell

APC

Th2-Th1

Mast cell

Eosinophil

IL-10

TReg cells

TReg cells

Inibizione

produzione

citochine/sopravviv

enza

Inibizione

produzione

citochine/attivazion

e

Inibizione capacità

presentazione antigenica

Switch isotipico rapporto IgG4/IgE

Soppress

ione

rispost

a

all’alle

rgene

(tramite

inib

izione

del CD28)

Induce la proliferazione delle Treg

(loop autocrino)

IL-10: azioni sulle cellule del S.I.

Basophils

Inibizione produzione citochine/attivazione

Cellule B

Th2-Th1 Th17

Langerhans

TGF-beta

TReg cells

Down-regolazione

espressione Fcepsilon

RIInduzione della

generazione di Th17

Soppressione IgE Induzione IgA

Soppress

ione

risposta

all’alle

rgene

TGF-beta: azioni sulle cellule del S.I.

TReg cells

Induce la proliferazione delle Treg

Activation signal 2

APC

T cell

MHC Class II Antigen B7 (CD80 or CD86)

CD4 TCR/CD3 complex CD28

Signal 2

Signal 1

CD80

CD86

CD40

APC T cellCTLA-4 (CD152)

CD28

CD40L (CD154)

CTLA-4• Ha il 30% di omologia con CD28 ed e’ indotto rapidamente dopo attivazione delle T

•Utilizza gli stessi ligandi del CD28 (CD80/CD86) con affinità > 10-20 volte

• E’ un potente segnale inibitorio per le T cells, riduce il segnale per CD28 e TCR, inibisce l’espressione di IL-2 e IL-2R e blocca le cellule T in fase G1

CD28•Costitutivamente espresso dalla maggioranza dei T CD4+ e dal 50% dei T CD8+ ed ha come ligandi CD80 e CD86•Promuove la differenziazione delle T cells in T helper• Può fare da signaling alle DCs mediante CD80 e CD86•Controlla sviluppo timico ed omeostasi periferica delle Tregs

T cell costimulatory pathwaysmodificato da Nat Reviews

CD80

CD86

CD40

APC T cellCTLA-4 (CD152)

CD28

CD40L (CD154)

Treg

Inhib

ition

Inhibition

Azioni favorevoli

Omeostasi comparto T cell

Prevenzione Autoimmunità

Tolleranza ai trapianti

Prevenzione GVHD

Prevenzione allergie

Azioni sfavorevoli

Down-regulation delle risposte immuni ai tumori

Down-regulation delle risposte immuni alle infezioni

modificato da Nat Reviews

Altre sottopopolazioni regolatorie

IL-10-producing regulatory B cells: sono cellule capaci di azione tollerogena mediante produzione di IL (come la IL-10) o l’interazione con T effettrici in modelli murini di artrite reumatoide, encefalomielite ecc. Mizoguchi A et al. J Immunol 2006

Dc-Regs: sono cellule dendritiche che agiscono come regolatori delle risposte immuni infiammatorie mediante la produzione di IL-10 (esistono subsets naturali: CD11 (lowCD45RB(high)DCs)

Fujita S et al. Blood 2006

Macrophage 2 (M2): “alternatively activated macrophages”, hanno funzioni immunoregolatorie e promuovono remodelling e riparazione tissutale Mantovani A et al. Blood 2006

Invariant NKT (iNKT): è un subset dei T linfociti che può sopprimere la immunosorveglianza delle CTL verso i tumori attraverso la produzione di citochine Terabe et al., J Exp Med, 2003

B1-Th1/Th17 B2-Treg NetworkLe B1 e B2 sono due distinte linee di cellule B che differiscono per

locazione, espressione genica, repertorio anticorpale, risposte proliferative e secrezione immunoglobulinica

In presenza di TGF-/ IL-2:

B1

B2

• B1 implicate nelle risposte a microrganismi e tumori ma anche in fenomeni autoimmuni

• B2 implicate soprattutto in fenomeni regolatori

Th1 (IFN-, IL-2, TNF-)

Th17 (IL-17, IL-21, IL-22)

Foxp3+CD4+ Treg cells

Zhong X et al. Eur J Immunol 2007

Sembra che in tali azioni, le B1 e B2 siano più incisive delle DC

Regulatory B cells

NKT cellsCD8+Treg

TGF-

Attivazione

EffectorT cells Th1/2

cells

IL-10

Apoptosi Regolazione bilancia citochine

T CD4+

Riduzione attivazione CD4 per via diretta o tramite Dc

Inibizione presentazione ag

e cascata infiammatoria

IgG/IgA

IL-10-producing regulatory B cells Neutralizzazio

ne di fattori solubili dannosi

Soppressione attivazione di Dc/macrofagiAumento clearance di cellule apoptotiche

(sorgenti di auto-Ag)

Mizoguchi A, et al. J Immunol 2006

CD1d

DC

M1/T1-M2/T2-M17/T17 Network

• M1(fenotipo IL-12high, IL-23high , IL-10low), indotti da IFN-gamma, LPS, TNF, GM-CSF, capaci di produrre citochine pro-infiammatorie (IL-1 beta, TNF, IL-6) e di indurre risposte polarizzate Th1

• M17 (“Macrophage producing Th17-polarising cytokines”), ad attività polarizzante i Th naive in Th17 in seguito a stimolo da batteri extracellulari

Boraschi et al. Eur Cytokine Netw 2006

I macrofagi vengono sottoposti a varie forme di polarizzazione in base alla tipologia degli stimoli ambientali cui vengono sottoposti:

M2 (fenotipo IL-12low, IL-23low , IL-10high), dotati di funzioni immuno-regolatorie ed in grado di promuovere remodelling e riparazione cellulare e di indurre prevalentemente risposte polarizzate Th2 Le cellule M2 sono state recentemente suddivise in 3 sottotipi in base agli specifici stimoli inducenti:

- M2a indotte da IL-4 ed IL-13 - M2b indotte da immunocomplessi ed agonisti di IL-1R e TLR - M2c indotte da IL-10 e glucocorticoidi Mosca et al. J Leukoc Biol, 2007 Mantovani et al. Immunity, 2005

M1/T1-M2/T2-M17/T17 Network

Dc Network

Dc1 cells Dc2 cells Dc reg cells

Th1 cells

Th2 cells

Treg cells

Dc17 cells?

LPS

Allergeni, elminti

ITS

Dc immatura

modificato da Till SJ, JACI 2004

SUBSET CITOCHINICO ATOPICI

Atopici: prevalenza subset

Th2(secrezione

prevalente di IL-4, IL-5, IL-9, IL-13)

Romagnani S. et al. JACI 2000

Negli ultimi anni è stato osservato che anche le cellule Th1 hanno un ruolo importante nel corso delle malattie atopiche, agendo insieme alle Th2 nel mantenimento della flogosi allergica cronica

Ngoc PL et al.Curr Opin Allergy Clin Immunol 2005

Norman PS, J Allergy Clin Immunol 2004

Th17

Th17 sono caratterizzate dall’espressione di: IL-17 (IL-17A), IL-17F, IL-6 TNF-, IL-22, IL-21

Le Th17 giocano un ruolo chiave nell’infiammazione e nell’autoimmunità: sono state associate all’asma, AR, LES, reazione di rigetto ai trapianti

Th17 nell’asma allergica

L’espressione di IL-17 aumenta dopo challenge allergenico

La sua concentrazione è elevata nel polmone e nel sangue dei pazienti allergici ed è legata alla severità dei sintomi

Le Th17 hanno azioni regolatorie ed inibitrici nell’asma conclamato inibendo IL-5, eotassina, reclutamento degli eosinofili nell’asma

TH17, caratteristiche e rapporti con le allergie

Minciullo P.L., Patafi M., Giannetto L., Merendino R. A., Di Pasquale G., Morabito F., Pacchiano E., Ferlazzo B., De Luca

G., Gangemi S.The CX3C-chemokine fractalkine (CX3CL1) is detectable in serum of

patients affected by allergic rhinitis and/or asthmaEuropean Journal of Inflammation 2005; 3: 149-152

Purello D'Ambrosio F., Gangemi S., Merendino R.A., Arena A., Lombardo G., Valenti A., Romano M.

Fluticasone propionate reduces serum interleukin-8 levels in asthmatic patients

Respiration, 2000; 67: 348

Gangemi S., Ruello A., Arena A., Minciullo P., Pirazzoli A., Di Blasi P., Purello-D'Ambrosio F., Merendino R.A.

In vitro effect of fluticasone propionate on interleukin-8 production by monocytes obtained from patients affected by moderate-severe allergic

asthmaPharmacology, 2002 Oct;66(2):57-60

CHEMOCHINE ED ALLERGIE RESPIRATORIE

IL-35

Treg Th17

IL-35

Tolleranza materna verso il feto

Trofoblasto

TOLLERANZA MATERNO/FETALE

I livelli di endotossine nella polvere domestica correlano inversamente con la sensibilizzazione allergenica Gereda JE et al. Lancet 2000

L’esposizione ad endotossine può esacerbare l’asma in soggetti con malattia già conclamata Braun-Farhlander C et al. NEJM 2002

In modelli murini è stato dimostrato che le endotossine sono protettive quando somministrate prima della sensibilizzazione allergica mentre esacerbano l’infiammazione bronchiale quando somministrate in animali sensibili

IPOTESI IGIENICA,ALLERGIE,AUTOIMMUNITA’

Hygiene Hypothesi

s

Ipotesi igienica (tradizionale)Le infezioni rafforzano la risposta Th1. Miglioramento delle condizioni igieniche, vaccinazioni e stile di vita “occidentale” hanno portato alla riduzione delle comuni infezioni, favorendo lo switch Th1>Th2. Le allergie, pertanto, sono aumentate

Malattie parassitarie inducenti risposte Th2 sono protettive quanto le endotossine batteriche Th1-inducenti Wills-Sharp M et al. Nat Rev Immunol 2001

IPOTESI IGIENICA,ALLERGIE,AUTOIMMUNITA’

Hygiene Hypothesis

E’ solo la promozione di

risposte Th1 da parte delle infezioni

a prevenire l’insorgenza di

allergie ?

ragazzi infettati da schistosoma sono protetti dalle allergie,ma perdono questa protezione dopo terapia anti-elmintica Van den Biggelaar AH et al Lancet 2000

L’ipotesi igienica si può applicare solo

alle allergie ?

Le infezioni riducono diabete giovanile,sclerosi multipla e M.di Crohn insieme alle allergie Bach JF NEJM 2002

Le infezioni attivano il network regolatorio cellulare –citochinico

Riduzione dei fenomeni

allergici ed autoimmuni

Vitamina D3

Risposta Immune

Allergie Risposta alle

terapie

VITAMINA D E SISTEMA IMMUNE

pre-trattate con Vit.D

ADIUVANTI STIMOLANTI IL-10 INCREMENTANO L’EFFICACIA DELLA SLIT

Van Overtvelt L. et al. Int Arch Allergy Immunol 2007

Vit.D3

Lactobac. plantarum

IL-10

DcDc pre-

trattate con L.plantarum

T CD4+ naive

T CD4+ naive

Dc

Dc Treg

Th1

Vit.D3

Dc Dc reg TregTnaive

efficacia SLIT

ITS+ Vit.D3 La Vit.D3 l’efficacia dell’ITS mediante IL-10 e

TGF-Questa azione viene abrogata dall’aggiunta di Ab anti-IL-10 e anti-TGF-

Taher YA et al. J Immunol 2008

Vit.D3

BALB/C mice OVA-sensibili

Koike et al. J Biol Chem 2003

I SUPERANTIGENI INFLUENZANO LA RISPOSTA AGLI IMMUNOSOPPRESSORI NELLE MALATTIE

AUTOIMMUNI

Araki K et al. Eur J Pharmacol 2007

Superantigeni

Attivavano MEK/ERK

Attivavano NFAT

L’attivazione di ERK è associata con la funzione di NFAT e la produzione di IL-2 nella fase ritardata dell’attivazione delle T

Li et al. JACI 2004Edmead et al. J Immunology 2004

SAg da Streptococco emolitico

Riduce l’azione soppressiva del betametasone verso la proliferazione in vitro dei PBMC dei pazienti affetti da psoriasi e la sua efficacia terapeuticaRiduce in vitro la produzione di IL-10 da PBMC dei pazienti psoriasici

Aiba S et al. Exp Dermatology 2002

La vitamina D3 è in grado di ripristinare l’efficacia terapeutica del betametasone nei pazienti psoriasici

Naive T cell

Th1

Th2

CD28

TCR

CD80/CD86

MHC -II

PAMP

Toll-like

PRR

Path.Ag..

da Medzhitov R, Nature Rev Immunol 1,135,2001

Alcune sequenze di DNA batterico (Immunostimulatory Oligodenucleotides

o ISS-ODN) riconosciute dal TLR sulle APC, inducono una risposta Th1

IL-12 IL-18

Dendritic cell

Ag

inflammation

Toll-like receptors e: infezioni, allergia, autoimmunità e

cancro

TLRs

Molecole associate a patogeni (PAMPs)

Molecole proprie

dell’organismo

batteri Gram+/-, miceti, virus RNA/DNA,

protozoi

Defensine, ROS, HMGB1, fibrinogeno, hsp, surfactante, EDN

danno tissutalemalattie

autoimmunim.neurodegenerati

vem.allergiche e

cancro

Chen K et al. Int Immunopharmacol, 2007

riconoscono

Possono essere coinvolti:

TLR signaling

VITAMINA D E TOLL-LIKE RECEPTOR

CYP27B1

25D3 1,25 D3

VDR

Cathelicidin

TLR2/1

MONOCITA

CYP27B1

25D3 1,25 D3

VDR

Cathelicidin

TLR2 CD14

TLR2/6 TGF-1

KERATINOCITA

Attività anti-microbica diretta

Induzione del rilascio di citochine e conseguente infiammazione

Loop autocrin

o

la carenza di Vit D è associata ad aumentata suscettibiltà alla TBC

La disfunzione della catelicidina è stata associata alla dermatite atopica e alla psoriasi

Schauber J et al. J Clin Invst 2007 Schauber J et al. JACI 2008

la catelicidina è in grado di bloccare la sensibilizzazione

in modelli murini di DAC

Di Nrado A et al. J Immunol 2007

CONCLUSIONI

• Conoscenze ancora incomplete sul network citochinico coinvolto nella flogosi allergica

• Coinvolgimento di tutte le cellule del Sistema Immune e contemporanea cooperazione di più meccanismi insieme

• Ruolo centrale delle alterazioni della tolleranza periferica nei soggetti atopici

• Maggiori conoscenze sulla flogosi allergica potranno fornire nuovi target e strategie terapeutiche per le patologie allergiche