Wanneer functioneert iets als allergeen? Trefwoorden - IgE - allergeen - RAST - serologie - IgG - IgG4 - blokkerende antistof - atopie Samenvatting Allergene moleculen kunnen worden onderscheiden in verschillende categorieën die als volgt omschreven kunnen worden: a) complete allergenen; b) incomplete allergenen en c) irrelevante allergenen. a) Complete allergenen hebben twee goed te onderscheiden biologische activiteiten. Ten eerste stimuleren ze het immuunsysteem tot het maken van IgE-producerende plasmacellen en ten tweede kunnen ze gesensibiliseerde mestcellen activeren tot het uitscheiden van mediatoren. Een voorbeeld hiervan is Bet v1 in berkenpollen. De immunologische reactie vereist effectief contact tussen het allergeen en het immuunsysteem onder condities waarbij onderdrukkende mechanismen inactief zijn. Onderdrukkende mechanismen kunnen voorkómen dat de T-cel de voor de klasseswitch vereiste hulp biedt, maar kunnen bovendien ook verhinderen dat de naar IgE-geswitchte B-cel overleeft. b) Incomplete allergenen zijn allergenen die het immuunsysteem NIET kunnen activeren, bijvoorbeeld doordat ze niet in fysiek contact met het lymfoïde systeem komen. Ze kunnen klinische symptomen geven via kruisreactiviteit. Een voorbeeld van een incompleet allergeen is Mal d1 in appel. c) Irrelevante allergenen worden alleen via kruisreactiviteit herkend en zijn klinisch soms minder relevant dan de sensibiliserende allergenen, vermoedelijk vanwege lagere affiniteit. Soms ook vanwege een te laag aantal IgE-bindende epitopen op het oppervlak van het allergeen. Een voorbeeld van een irrelevante allergenen zijn glycaanstructuren (CCD). In sommige situaties gaat een IgE-respons gepaard met een substantiële IgG-respons, zoals bijvoorbeeld gezien wordt bij IgE tegen tetanustoxoïd of tegen insectengif. In dit opzicht zou ook dit een voorbeeld zijn van een klinisch niet-relevante IgE-respons, omdat IgG in zo'n situatie kan optreden als blokkerende antistof. (Ned Tijdschr Allergie 2004;3:84-90) Auteurs R. C. Aalberse S. O. Stapel Inleiding Blootstelling aan allergenen kan klinische verschijnselen geven. Er zitten opvallend veel onzekerheden in deze simpele vaststelling, waarbij de twee belangrijkste vragen zijn: waarom heeft niet iedereen last van allergie, en waarom zijn niet alle eiwitten in onze leefomgeving allergeen? Bij de bespreking van deze beide vragen is het belangrijk om ten aanzien van de allergische reactieketen twee stappen te onderscheiden: de sensibilisatiefase en de symptoomfase. Tijdens fase 1, de sensibilisatiefase, induceert contact met het allergeen de productie van IgE-antistoffen. Tijdens fase 2, de symptoomfase, induceert allergeencontact symptomen en kan daarnaast ook het immuunsysteem blijven beïnvloeden. Complete allergenen zijn in beide genoemde fasen actief. Er zijn echter ook incomplete allergenen die niet in staat zijn het immuunsysteem te activeren, maar via kruisreactiviteit niettemin aanleiding kunnen geven tot klachten. Ten slotte zijn er ook irrelevante allergenen, die wel degelijk in staat zijn 84 JUNI-JULI 2004 - NR.3
het immuunsysteem te activeren tot de productie van IgE-antistoffen, maar die weinig of geen symptomatologie induceren. De achtergrond van deze vormen van allergeniciteit zal in het onderstaande besproken worden. Fase 1: de inductie van IgE-antistoffen door allergeen 1-7 De immunologische reactieketen, leidend tot de aanmaak van specifieke antistoffen, is globaal bekend: het allergeen moet in contact komen met twee typen cellen: met een antigeenpresenterende cel (APC), in de initiatiefase is dit een dendritische cel, en met een B-lymfocyt. Bij contact met de APC wordt het antigeen geïnternaliseerd en intracellulair gedeeltelijk proteolytisch afgebroken. De hierbij ontstane peptidebrokstukken complexeren met membraaneiwit van de MHC-klasse-II-familie en worden als complex naar het celoppervlak getransporteerd om daar herkend te worden door de T-celreceptor. De allergeenspecifieke T-cel herkent het peptide in een MHC-molecuul op de APC, raakt geactiveerd en herkent vervolgens het peptide in het MHC-molecuul op de B-cel. De interactie tussen T- en B-cel is enigszins vergelijkbaar met die tussen T-cel en dendritische cel. Er is echter ten minste één essentieel verschil: de professionele APC (dendritische cel) is in hoge mate a-selectief en kan in principe peptidefragmenten van duizenden verschillende eiwitten presenteren. De B-cel daarentegen heeft één enkele specificiteit die bepaald wordt door de specificiteit van de unieke antistof die door de betreffende B-celkloon wordt gemaakt en op de membraan van deze cel wordt geëxponeerd, aangeduid als B-celreceptor. De B-cel presenteert derhalve alleen peptiden van het door de B-celreceptor herkende en geïnternaliseerde eiwit. Het fysiek contact tussen de geactiveerde T-cel en de B-cel geeft aanleiding tot de hieronder beschreven processen in de B-cel. Afhankelijk van de lokale omstandigheden waarbij de T-cel activatie zich afspeelt kan de T-cel verschillende signalen aan de B-cel geven. Sommige combinaties van signalen leiden er toe dat de B-cel een verandering in het DNA ondergaat, waardoor de klasse van de zware keten van de geproduceerde antistof verandert: de klasseswitch. In het geval van allergie betreft het een switch van mu (de zware keten van IgM) naar epsilon (de zware keten van IgE), en soms een switch van gamma4 naar epsilon. Andere signalen leiden tot proliferatie van de B-cel, tot affiniteitsrijping (somatische mutatie), en tot differentiatie hetzij tot B-cel van het memory-type of tot plasmacel. Plasmacellen die ontstaan uit IgE-geswitchte B-cellen zijn de bron van allergeenspecifieke IgE-antistoffen. Vragen die zich onder meer voordoen zijn: waarom geven niet alle eiwitten aanleiding tot de vorming van IgE-antistoffen en waarom gebeurt het niet bij iedereen, hoe werkt/werken het/de atopiegen(en)? Ook interessant is de vraag waarom, zelfs bij allergische personen, in vergelijking tot IgG zo weinig IgE wordt gemaakt? Eén van de hierbij essentiële factoren is zeer voor de hand liggend, namelijk de mate waarin fysiek contact van allergeen met zowel de APC als de B-cel kan plaatsvinden. Hierbij is van belang om te constateren dat dit contact minder gemakkelijk plaats vindt dan het allergeen-mestcelcontact dat bij de symptoomfase van de allergische reactie een rol speelt. Dit wordt geïllustreerd door allergenen die een rol spelen bij het orale allergiesyndroom, zoals bijvoorbeeld in geval van de appelgeïnduceerde symptomen bij personen met een berkenpollenallergie. Inhalatie van berkenpollen blijkt een veel efficiëntere manier om het immuunsysteem te bereiken en te stimuleren dan ingestie van het verwante allergeen in appel: IgE-antistoffen die appelallergeen herkennen zullen slechts in weinig gevallen door consumptie van appel geïnduceerd zijn. Het appelallergeen blijkt niet of nauwelijks in staat het lymfoïde immuunsysteem te bereiken, maar kan wel de gesensibiliseerde (peri-)orale mestcellen activeren. Deze mestcellen zijn gesensibiliseerd door IgE-antistoffen die zijn geïnduceerd door het kruisreagerende berkenpollenallergeen. De rol van kruisreacties bij de inductie van symptomen zal later in dit artikel nog ter sprake komen. Een tweede essentiële factor is het lokale milieu waarin het contact tussen allergeen, APC en T-cel plaatsvindt. Deze factoren bepalen welk type T-cel gegenereerd wordt. Hierbij is vooral van belang hoeveel IL (interleukine)-4 en IL-13 door de T-cel wordt uitgescheiden bij contact tussen de T-cel en de allergeenspecifieke B-cel. Deze cytokines zijn nodig voor de klasseswitch naar IgE; wanneer de T-cel veel interferon-gamma produceert, wordt deze switch tegengegaan. Deze T-cel-afhankelijke klasseswitch naar IgE is een moeilijke stap in de ontwikkeling van de B-cel. Dit verklaart ten dele waarom zo weinig IgE wordt geproduceerd. Daarnaast blijkt er een tweede limiterende stap te zijn in de ontwikkeling van de B-cel naar IgE-producerende plasmacel: proliferatie en overleving Nederlands Tijdschrift voor Allergie 85
A ANWIJZINGEN VOOR DE PRAKTIJK Kruisallergie: hoe zit dat in elkaar? 1. Bij kruisallergie is sprake van twee (of meer) allergenen. Een van deze allergenen, de sensitizer, is in staat gebleken het immuunsysteem zodanig te activeren dat er IgE-antistoffen tegen een aantal epitopen van dat allergeen geproduceerd worden. 2. Een deel van deze IgE-antistoffen kan niet alleen met de sensitizer reageren, maar ook met andere, structureel verwante, allergenen. Zo n allergeen zou een look-alike genoemd kunnen worden. 3. Een dergelijke kruisreactiviteit kan serologisch worden aangetoond door middel van RAST-remming. Hierbij wordt onderzocht in hoeverre een allergeen in staat is de binding van IgE aan het RAST-allergeen (gebonden aan vaste drager) te remmen. Dit dient op twee manieren getest te worden: met de sensitizer als RAST-allergeen en met de look-alike als RAST-allergeen. - Wanneer de sensitizer het RAST-allergeen is, is te verwachten dat de sensitizer de beste RASTremmer is. Een look-alike zal in het algemeen minder efficiënt remmen: niet alleen is er een hogere dosis voor remming nodig (omdat de affiniteit meestal lager is), ook zal de remming incompleet zijn (slechts een deel van de antistoffen is kruisreactief). - Wanneer de look-alike het RAST-allergeen is, is opnieuw te verwachten dat de sensitizer de beste RAST-remmer is. In dit geval zal echter ook de look-alike een volledige remming geven, maar zal er vaak nog steeds een hogere dosis voor remming nodig zijn. van de naar IgE-geswitchte B-cel. Er zijn aanwijzingen dat in een actief kiemcentrum de overlevingskansen voor IgE-geswitchte B-cellen klein zijn, hierdoor is na hernieuwd contact met allergeen de IgE respons relatief beperkt. Dit is zichtbaar bij bijvoorbeeld de geringe toename van de IgE-antistoftiter na immunotherapie. In dit opzicht is er een opvallend verschil met IgG4. IgG4-geswitchte B-cellen blijken vooral als geheugencellen uit het kiemcentrum te komen en worden slechts moeizaam tot plasmaceldifferentiatie aangezet. Bij hernieuwd allergeencontact kunnen de IgG4-geswitchte geheugencellen in beperkte mate verder switchen naar IgE. Er zijn dus twee routes naar IgE, die beide inefficiënt zijn: De directe switch van IgM naar IgE tijdens de primaire respons van de B-cel, waarbij slechts een klein aantal B-cellen differentieert tot IgE-producerende plasmacel. De indirecte switch van IgG4 naar IgE, waarbij een B-geheugencel uiteindelijk een IgE-producerende plasmacel wordt. In het verdere betoog worden beide routes onderscheiden. De primaire, directe route, deze is onderdeel van een minimale (= atopische) immuunrespons zonder actief kiemcentrum, weinig immunologisch geheugen en daardoor weinig IgG/IgG4. De secundaire, indirecte route, die een onderdeel is van een normale (= niet-atopische) immuunrespons met actieve kiemcentra en een goed ontwikkeld immunologisch geheugen en daardoor veel IgG (met name IgG4). Dit onderscheid is belangrijk in verband met de hieronder te bespreken symptomatische fase van de allergische reactie. Fase 2: De inductie van symptomen door allergeen Het basisprincipe van allergische mestcelactivering zal bekend zijn. Het allergeen reageert met twee (of meer) receptorgebonden IgE-antistoffen en vormt aldus een brug tussen de receptoren. Doordat de receptoren bij elkaar gebracht worden, treedt er intracellulair signalering op die leidt tot de uitstoot van granula waarin bijvoorbeeld histamine zit en de productie van lipidenmediatoren, zoals leukotriënen. Onderwerp van dit betoog is dat dit proces niet bij elk contact tussen de antistofbeladenmestcel en allergeen op gang komt. Hierbij dient onderscheid gemaakt te worden tussen verschillende manieren van allergeencontact (inhalatie, ingestie, huidtest, et cetera) en verschillende soorten reac- 86 JUNI-JULI 2004 - NR.3
A ANWIJZINGEN VOOR DE PRAKTIJK CCD, profiline in relatie tot symptomen 1. Een epitoop is de structuur op het oppervlak van een allergeen die door een antistof herkend wordt. 2. Kruisreacties kunnen optreden op basis van peptide-epitopen, maar (in het geval van allergene glycoproteïnen) ook op basis van suikerepitopen. Een van de best onderzochte suikerepitopen is de crossreactive carbohydrate determinant (CCD). 3. IgE-antistoffen tegen deze epitoop geven in het algemeen minder aanleiding tot klachten en zijn daarom een bron van fout-positieve sero-diagnostiek. 4. Ook IgE tegen peptide-epitopen geeft in geval van kruisreactiviteit vaak minder symptomen bij blootstelling aan de look-alike dan aan de sensitizer. tiepatronen (klinische symptomen, positieve huidreactie). Drie situaties worden hier besproken: 1. IgE tegen serologisch kruisreagerende eiwit allergenen. 2. IgE tegen de Crossreactive Carbohydrate Determinant (CCD). 3. IgE tegen tetanustoxoïd na profylactische vaccinatie. 1. IgE tegen serologisch kruisreagerende eiwit-allergenen 8-11 De aanwezigheid van verwante -en op basis van deze verwantschap immunologisch kruisreagerende- eiwitten in pollen en plantaardige voedingsmiddelen is overduidelijk en onomstreden. Met immunologische kruisreactiviteit is het zoals met ingehuurde dubbelgangers, ondanks hun gelijkenis zijn ze slechts een zwak aftreksel van het origineel. Waarom de immunologische kruisreactiviteit in sommige gevallen wel, maar in andere gevallen niet tot klinische symptomen leidt heeft waarschijnlijk te maken met de sterkte van de kruisreactiviteit. Het blijkt echter niet gemakkelijk om deze hypothese experimenteel te onderbouwen, deels vanwege technische problemen bij het meten van de affiniteit van IgE-allergeeninteracties. Het is echter van belang om vast te stellen dat de gangbare serologische technieken met verzadigende allergeenhoeveelheden werken, waardoor bij dit soort testen affiniteitsverschillen tussen het inducerend allergeen (bijvoorbeeld berkenpollen) en kruisreagerend allergeen (bijvoorbeeld appel) wegvallen. Allergeenactiviteit in vivo, zoals bij huidtesten of orale provocaties, wordt meestal juist met zorgvuldig gedoseerde en dus beperkende allergeenhoeveelheden gemeten, wat dergelijke metingen gevoelig maakt voor affiniteitsverschillen. Het huidige onderzoek is vooral gericht op de in vitro bioassay (bijvoorbeeld histaminerelease uit basofiele granulocyten) als surrogaat voor in vivo allergeniciteit. Bij dit type bepaling wordt met getitreerde hoeveelheden allergeen gewerkt, waardoor dit systeem biologisch relevanter is. Een complicerende factor bij het diagnostisch gebruik van de basofieltest is, afgezien van de logistieke aspecten van werken met verse bloedcellen, dat de biochemische reactiviteit van basofielen donor-afhankelijk variabel is. Het gebruik van in vitro sensibilisatie van gestripte basofielen van een normale donor lijkt hierbij een veelbelovende ontwikkeling. 2. IgE tegen de Crossreactive Carbohydrate Determinant (CCD) De antistofbindende delen van het allergeen, de antigene determinanten of epitopen, zijn in de meeste gevallen opgebouwd uit aminozuren. In sommige gevallen blijkt ook een uit suikers opgebouwde zijketen, een glycaanstructuur, als epitoop te kunnen functioneren. Dit is vooral van belang bij glycoproteïnen van plantaardige of invertebrate afkomst. Deze glycanen zijn zeer kruisreactief. Omdat ze bovendien zeer stabiel zijn, zijn ze met name op immunoblots prominent aantoonbaar, maar ook in RAST en CAP, waardoor positieve testresultaten met lage klinische relevantie kunnen worden gevonden. In biologische testsystemen zijn ze opvallend weinig actief, al zijn er situaties beschreven waarbij IgE tegen CCD gepaard zou gaan met biologische activiteit. Omdat IgE tegen CCD (vrijwel) altijd een irrelevante bevinding is zonder klinische consequenties is het belangrijk onderscheid te maken tussen dit Nederlands Tijdschrift voor Allergie 87
A ANWIJZINGEN VOOR DE PRAKTIJK Relatie pollen en voeding 1. Sommige allergenen in pollen hebben een look-alike in plantaardige voeding. 2. Sensibilisatie via inhalatie van pollen is efficiënter dan sensibilisatie via de orale route. 3. In de meeste gevallen van dit type kruisallergie zal de sensibilisator daarom van pollen afkomstig zijn. Een subpopulatie van de antistoffen tegen pollen zal reageren met een of meer lookalikes in voeding. 4. De klachten blijven vaak (maar niet altijd) beperkt tot de peri-orale huid, de mondholte en de keel, wat aangeeft dat het allergeen in de maag geïnactiveerd wordt. type IgE en IgE tegen peptide-epitopen. Zelfs al is ook in het laatste geval IgE niet altijd klinisch relevant. De reden voor de geringe biologische activiteit van IgE tegen CCD is vermoedelijk een combinatie van een te laag aantal epitopen per allergeen en een te lage aviditeit van de interactie tussen IgE en een CCD-structuur. 3. IgE tegen tetanus na profylactische vaccinatie 17-19 Zoals in het eerste deel van dit artikel uiteen is gezet, kunnen IgE-producerende plasmacellen via twee routes ontstaan: de directe, atopische route (met weinig IgG) en de indirecte, niet-atopische route (met veel IgG, met name IgG4). Een voorbeeld van IgE geïnduceerd via de laatste route, is het IgE dat opgewekt wordt tegen tetanustoxoïd na een profylactische immunisatie. Dit IgE blijkt klinisch minder relevant, vermoedelijk omdat er een grote overmaat IgG met dezelfde specificiteit wordt geproduceerd waardoor allergische reacties worden voorkomen. Een voorbeeld van blokkerende IgG-antistoffen die effectief competeren met IgE. Dergelijke IgE-antistoffen worden bij meer dan de helft van de bevolking geïnduceerd, maar geven vrijwel nooit problemen bij hervaccinatie. Niettemin zijn intradermale tests en priktests vaak wel degelijk positief, vermoedelijk omdat de IgGconcentratie in de oppervlakkige huid te laag is voor effectieve blokkering. Conclusie Allergeniciteit kent verschillende aspecten. Stimulering van het immuunsysteem (B-cel, antigeenpresenterende cel, T-cel) stelt andere eisen dan stimulering van mestcellen. IgE-binding in een immunochemische bepaling is niet zonder meer te vergelijken met allergische activiteit in een biologisch meetsysteem. De oorzaken voor deze verschillen beginnen verklaarbaar te worden, waardoor we de verschillende fases van de allergische reactie beter begrijpen. Nog steeds zijn IgE en allergeen essentiële factoren in de allergische cascade, maar het blijkt belangrijk dat we ons blijven realiseren dat zij onderdeel uitmaken van twee complexe processen: een humorale immuunrespons en een ontstekingsproces. Refenties 1. Kapsenberg ML, Hilkens CM, van der Pouw Kraan TC, Wierenga EA, Kalinski P. Atopic allergy: a failure of antigenpresenting cells to properly polarize helper T cells? Am J Respir Crit Care Med 2000;162:S76-S80. 2. Sudowe S, Rademaekers A, Kolsch E. Antigen dosedependent predominance of either direct or sequential switch in IgE antibody responses. Immunology 1997;91:464-72. 3. Vercelli D. Novel insights into class switch recombination. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2002;2:147-51. 4. Karnowski A, Yu P, Achatz G, Lamers MC. The road to the production of IgE is long and winding. Am J Respir Crit Care Med 2000;162:S71-S75. 5. Achatz G, Luger E, Geisberger R, Achatz-Straussberger G, Breitenbach M, Lamers M. The IgE antigen receptor: a key regulator for the production of IgE antibodies. Int Arch Allergy Immunol 2001;124:31-4. 6. Holt PG, Turner KJ. Persistent IgE-secreting cells which are refractory to T-cell control. Int Arch Allergy Appl Immunol 1985;77:45-6. 7. Manz RA, Arce S, Cassese G, Hauser AE, Hiepe F, Radbruch A. Humoral immunity and long-lived plasma cells. Curr Opin Immunol 2002;14:517-21. 8. Aalberse RC. Structural biology of allergens. J Allergy Clin Immunol 2000;106:228-38. Nederlands Tijdschrift voor Allergie 89
9. Aalberse RC, Kleine Budde I, Stapel SO, van Ree R. Structural aspects of cross-reactivity and its relation to antibody affinity. Allergy 2001;56:27-9. 10. Aalberse RC, Akkerdaas J, van Ree R. Cross-reactivity of IgE antibodies to allergens. Allergy 2001;56:478-90. 11. Aalberse RC, Stapel SO. Structure of food allergens in relation to allergenicity. Pediatr Allergy Immunol 2001;12 :10-4. 12. Aalberse RC, van Ree R. Crossreactive carbohydrate determinants. Clin Rev Allergy Immunol 1997;15:375-87. 13. Van der Veen MJ, van Ree R, Aalberse RC, Akkerdaas J, Koppelman SJ, Jansen HM, et al. Poor biologic activity of cross-reactive IgE directed to carbohydrate determinants of glycoproteins. J Allergy Clin Immunol 1997;100:327-34. 14. Aalberse RC. Clinical relevance of carbohydrate allergen epitopes. Allergy 1998;53:54-7. 15. Van Ree R, Aalberse RC. Specific IgE without clinical allergy. J Allergy Clin Immunol 1999;103:1000-1. 16. Van Ree R, Cabanes-Macheteau M, Akkerdaas J, Milazzo JP, Loutelier-Bourhis C, Rayon C, et al. Beta(1,2)-xylose and alpha(1,3)-fucose residues have a strong contribution in IgE binding to plant glycoallergens. J Biol Chem 2000;275:11451-8. 17. Aalberse RC, Van Ree R, Dannemann A, Wahn U. IgE antibodies to tetanus toxoid in relation to atopy. Int Arch Allergy Immunol 1995;107:169-71. 18. Dannemann A, Van Ree R, Kulig M, Bergmann RL, Bauer P, Forster J, et al. Specific IgE and IgG4 immune responses to tetanus and diphtheria toxoid in atopic and nonatopic children during the first two years of life. Int Arch Allergy Immunol 1996;111:262-7. 19. Gruber C, Lau S, Dannemann A, Sommerfeld C, Wahn U, Aalberse RC. Down-regulation of IgE and IgG4 antibodies to tetanus toxoid and diphtheria toxoid by covaccination with cellular Bordetella pertussis vaccine. J Immunol 2001;167:2411-7. Correspondentieadres auteurs: Prof. dr. R. C. Aalberse Dr. S. O. Stapel Afdeling Immunopathologie Sanquin Research & Sanquin Diagnostiek, CLB Plesmanlaan 125 1066 CX Amsterdam Tel: 020 512 3158 / 3171 Fax: 020 512 3170 E-mail: r.aalberse@sanquin.nl Financiële vergoeding: geen gemeld Belangenconflict: geen gemeld 90 JUNI-JULI 2004 - NR.3