Rola układu IL-12/INF-γ w nawrotowych mykobakteriozach

PRACE POGLĄDOWE
Magdalena Strach1
Piotr Nalepa2
Joanna Sulicka-Grodzicka3
Izabella Kierzkowska1
Maciej Siedlar4
Tomasz Grodzicki1
Rola układu IL-12/INF-γ w nawrotowych
mykobakteriozach
Katedra Chorób Wewnętrznych
i Gerontologii UJCM
Mykobakterie są dużą grupą mikroorganizmów szeroko rozpowszechnionych w środowisku człowieka.
Bytują głównie w glebie i wodzie. Ich
chorobotwórczość dla człowieka jest
niska. Jednak u osób z pierwotnymi
i wtórnymi niedoborami odporności
mogą prowadzić zakażeń narządowych, układowych a nawet uogólnionych. Defekty osi IL-12/INFγ stanowią
przykład niedoboru odporności, który
prowadzi do znacznie zwiększonej podatności na infekcje mykobakteryjne
przy zachowanej odporności w stosunku do innych drobnoustrojów. W pracy
przedstawiono przykłady dotychczas
poznanych i opisanych defektów układu IL-12/INFγ wraz z krótkim opisem
doświadczeń własnych ośrodka.
Mycobacteria is a large group
of pathogens that are common in
environment, in soil and tap water.
Although mycobacteria [non tuberculosis mycobacteria] can inhabit body
surface without causing any disease in
the circumstances of primary or secondary immunodeficiency can cause
clinically significant organ or systemic
damage. Defect of IL-12/INFγ axis is an
example of primary immunodeficiency
that predispose to mycobacterial infections while protection against other
microorganisms is not damaged. We
present review of known defects of
IL-12/IFNγ axis and brief presentation
of our own experience.
Wstęp
Pierwotne niedobory odporności [PNO]
są stosunkowo rzadko występującymi
wrodzonymi zaburzeniami układu odpornościowego. Od lat 50-tych ubiegłego stulecia do chwili obecnej opisano ponad 200
jednostek chorobowych, których wspólnym
mianownikiem jest zaburzona odpowiedź
komórek układu odpornościowego człowieka
na antygeny drobnoustrojów, a w skrajnych
przypadkach jej całkowity brak [15,19].
Według klasyfikacji Europejskiego Towarzystwa Pierwotnych Niedoborów Odporności [European Society for Immunodeficienties
ESID] wyróżnia się sześć grup PNO: niedobory
z przewagą zaburzeń odporności humoralnej, niedobory z przewagą zaburzeń odporności komórkowej, niedobory fagocytarne,
układu dopełniacza, zespoły przebiegające
z autoimmunizacją oraz inne dobrze zdefiniowane PNO [4]. U większości pacjentów z
PNO stwierdza się zdecydowanie zwiększoną skłonność do rozwoju zakażeń.
W zależności od rodzaju PNO, zwiększona predyspozycja do powikłań infekcyjnych wywołana jest defektami różnych
składowych układu odpornościowego.
Niektóre niedobory odporności mogą przebiegać z predyspozycją do zakażeń tylko
niektórymi patogenami, odpowiedź na inne
patogeny może pozostawać niezaburzona.
Defekty osi IL-12/INFγ (interleukina-12/
interferon gamma) dotyczące zarówno
niedostatecznej produkcji tych cytokin lub
braku ekspresji receptorów tego szlaku są
przykładem takiego niedoboru.
Szlak IL-12/INFγ odgrywa kluczową rolę
w odporności na zakażenia mykobakteriami
w tym Mycobacterium tbc [Mycobacterium
tuberculosis] oraz innymi, także o niskiej
wirulencji jak prątki niegruźlicze czy atypowe
zwane także MOTT [mycobacteria other
than tuberculosis]. MOTT są dużą grupą
mikroorganizmów szeroko rozpowszechnionych w środowisku człowieka. Bytują głównie w glebie i wodzie. Ich chorobotwórczość
dla człowieka jest znacznie mniejsza niż
Mycobacterium tbc. Wrotami zakażenia jest
układ oddechowy, pokarmowy lub uszkodzone powłoki skórne. MOTT stanowią
florę saprofityczną, ale w niesprzyjających
okolicznościach mogą stać się przyczyną
istotnych klinicznie zakażeń układu oddechowego, skóry, węzłów chłonnych, tkanek
miękkich czy kości.
Wrażliwość typu Mendla na zakażenie
prątkami (ang: Mendelian susceptibility to
mycobacterial infection – MSMD) to rzadko
występujące schorzenie charakteryzujące
się zwiększoną podatnością na infekcje mykobakteryjne o niskiej wirulencji w tym szczep
zawarty w szczepionce przeciwgruźliczej
bacille Calmette Guerin (BCG) oraz MOTT.
W grupie pacjentów z MSMD istnieje także
zwiększona podatność na infekcje bakteriami
z grupy salmonella zarówno durowymi jak i
niedurowymi. Po raz pierwszy niedobór opisano w 1951 roku w Algerii, u dziecka po szczepienieniu BCG doszło do rozsiewu prątków
i uogólnienia infekcji.
Pacjenci z MSMD są z reguły odporni
na inne infekcje bakteryjne choć oczywiście
opisywane są przypadki infekcji Nocardia,
Listeria, Leishmania, human Herpes virus-8
(HHV-8) [5,7,14].
Pierwszym etapem odpowiedzi immunologicznej na zakażenie prątkami jest ich
fagocytoza przez makrofagi. Pobudzone
1
Oddział Pulmonologii i Alergologii
Specjalistycznego Szpitala im. Edwarda
Szczeklika w Tarnowie
2
Zakład Reumatologii Szpitala
Uniwersyteckiego w Krakowie
3
Katedra Immunologii Klinicznej
i Transplantologii UJ CM
4
Dodatkowe słowa kluczowe:
IL-12/INFγ
MOTT
mykobakteriozy
niedobór odporności
Additional key words:
IL-12/INFγ
MOTT
mycobacteria
immunodefiency
Adres do korespondencji:
Dr n. med. Magdalena Strach,
Katedra Chorób Wewnętrznych
i Gerontologii UJCM
Kraków 31-135 ul. Śniadeckich 10
Fax: 12/ 424-88-54
e-mail: [email protected]
1058
Reccurent mycobacterial diseases in patient with
impaired axis IL-12/INF-γ
M. Strach i wsp.
makrofagi produkują cytokiny: m.in. IL-12
(heterodimer zbudowany z cząsteczek IL12p40 i IL-12p35) i TNFα (tumor necrosing
factor alfa). IL-12 pobudza limfocyty T i
komórki NK poprzez receptory dla IL-12
(IL-12Rbeta1 i IL-12Rbeta2). W odpowiedzi na stymulację limfocyty T CD4+ i NK
aktywnie wydzielają IFNγ. IFNγ wiąże się
z receptorem o wysokim powinowactwie
INF-R1, prowadząc do dimeryzacji podjednostek receptora INF-R1 i INF-R2. Kolejno dochodzi do fosforylacji kinaz JAK 1
i JAK2 (Janus kinase). Aktywne kinazy JAK
fosforylują reszty tyrozynowe na części cytoplazmatycznej receptora interferonowego.
To powoduje przyłączenie się białek STAT
i ich fosforylację. Ufosforylowane białka
STAT dimeryzują na powierzchni cytoplazmy. Następnie dochodzi do ich translokacji
do jądra, gdzie biorą udział w regulacji ekspresji genów. Powoduje to transkrypcję genów zależnych od INFγ. Jednym z efektów
jest produkcja TNFα co sprzyja rozwojowi
ziarniny zapalnej i ograniczeniu zakażenia,
zwiększenie ekspresji antygenów zgodności
tkankowej na powierzchni makrofagów tkankowych oraz do indukcji syntezy enzymów
lizosomalnych, a tym samym zwiększenia
zdolności wewnątrzkomórkowego zabijania
prątków (rycina 1) [1].
Defekty osi IL-12/INFγ mogą dotyczyć
ekspresji receptorów dla interferonu tj.
INFγ-R1, INFγ-R2, receptora dla IL-12 : IL12beta1, IL-12beta2, STAT1, NEMO.
Całkowity lub częściowy brak ekspresji IFNγR1 –cecha autosomalna recesywna
Brak ekspresji receptora IFNγR1 po
raz pierwszy opisano w 1996 roku i był to
pierwszy potwierdzony genetycznie defekt
osi IL-12/INFγ. W surowicy pacjentów z tym
defektem stwierdza się wysokie stężenie
INFγ, ich leukocyty/fibroblasty w warunkach
in vitro nie odpowiadają na stymulację INFγ.
Klinicznie zespół przebiega jako ciężkie,
śmiertelne uogólnione infekcje mykobakteryjne (MOTT, BCG), u kilku procent osób
dochodzi do infekcji bakteriami z grupy
Salmonella. Infekcje rozpoczynają się w
dzieciństwie, zazwyczaj przed ukończeniem
3 rż. W leczeniu stosuje się antybiotyki –
przeciwmykobakteryjne, podawanie INFγ
nie znajduje uzasadnienia ze względu na
brak receptorów. Rokowanie jest niepomyślne. W kilku przypadkach przeprowadzono
procedurę przeszczepienia komórek macierzystych szpiku, powikłane niestety było
ciężką reakcją GvHD (graft versus host
disease- przeszczep przeciwko biorcy) i
sepsą wywołaną bakterią Gram-ujemną.
Pozytywny wynik i poprawę zanotowano
tylko po przeszczepieniu komórek od dawcy
haplo-identycznego [11,21].
Częściowy brak ekspresji IFNγR1 - cecha autosomalna recesywna
Charakteryzuje się częściową odpowiedzią receptorów na wysokie dawki INFγ. U
pacjentów zwiększona jest podatność na
infekcje mykobakteryjne, BCG, Mycobacterium tbc., zazwyczaj przebieg infekcji jest
łagodniejszy, zaleca się antybiotykoterapię
okresowo lub przewlekle, rokowanie jest
pomyślne [17].
malna dominująca
Jako cecha dominująca niedobór ten
wiąże się z rezydualną odpowiedzią receptorów na wysokie dawki INFγ in vitro
co powoduje, że przebieg kliniczny jest
bardzo podobny do tego, który jest charakterystyczny dla częściowego niedoboru
IFNγR1. Pacjenci cierpią na nawrotowe
infekcje mykobakteryjne, rozpoczynające
się zazwyczaj w drugiej dekadzie życia.
Zaleca się antybiotykoterapię, w cięższych
przypadkach IFNγ [11].
Całkowity lub częściowy brak ekspresji IFNγR2- cecha autosomalna recesywna
Niedobór ten charakteryzuje się całkowitym lub częściowym brakiem odpowiedzi na
INFγ. Stwierdzamy całkowity brak receptora
na powierzchni komórek, lub też obecność
całkowicie nie funkcjonalnego receptora.
Obraz kliniczny całkowitego niedoboru
IFNγR2 jest podobny jak w niedoborze
IFNγR1, infekcje rozpoczynają się we wczesnym dzieciństwie- są to mykobakteriozy,
rokowanie jest niepomyślne, jedynie przeszczepienie komórek macierzystych szpiku
może dać wyleczenie [10].
Niedobór IL-12Rβ1 - cecha autosomalna recesywna
Podjednostka IL-12Rβ1 receptora
dla IL-12 pełni także funkcje receptora
dla IL-23, stąd jej defekt powoduje zaburzenia sygnałowania przekazywane
przez IL-12 i IL-23. IL-12 wiąże się ze
swoim receptorami IL-12Rβ1 i IL-12Rβ2
na powierzchni limfocytów T, komórek NK
i odgrywa kluczową rolę w indukcji wytwarzania INFγ. Z kolei IL-23 po aktywacji receptora
IL12Rβ1 i IL-23R prowadzi do różnicowania
się limfocytów T -Th0 w kierunku Th 17.
Brak ekspresji powierzchniowej pod-
jednostki β1 receptora IL-12 prowadzi do
zahamowania przekazywania sygnału
przez tą cytokinę i braku wytwarzania INFγ
przez prawidłowe limf. T i NK [2]. Klinicznie u pacjentów dominują infekcje MOTT,
BCG i salmonellozy (ponad 50%), u części
pacjentów występuje łagodna postać skórno-śluzówkowej kandidiazy, u ok. 30%
pacjentów przebieg może być bezobjawowy
[9]. Zalecone leczenie to przede wszystkim
antybiotykoterapia, podawanie INFγ u pacjentów, u których antybiotykoterapia nie
przynosi spodziewanych rezultatów [16].
Niedobór podjednostki p40 IL-12
(IL12p40) – cecha autosomalna recesywna
IL-12 jest heterodimerem składającym
się z 2 podjednostek p40 i p35. Mutacje prowadzące do całkowitego braku wytwarzania
podjednostki p40 powodują zahamowanie
sygnałów związanych z aktywnością IL-12
oraz częściowo IL-23 (p40 to także podjednostka Il-23). W warunkach in vitro limfocyty pacjentów produkują niewielkie ilości
INFγ. Klinicznie pacjenci mają zwiększoną
podatność na infekcje już we wczesnym
dzieciństwie także po szczepieniu BCG, ok.
50% pacjentów cierpi na salmonellozy, natomiast infekcje MOTT i Mycobacterium tbc są
rzadkie. Przebieg infekcji jest łagodny [14].
Zazwyczaj skuteczna jest antybiotykoterapia i ewentualnie wspomagające leczenie
rekombinowanym INFγ [20].
Niedobór STAT1 (signal transducer and
activator of transcription-1)- autosomalny
recesywny
Białka STAT występują w cytoplazmie w
postaci monomerów, po ich aktywacji (fosforylacji) dochodzi do ich translokacji do jadra
komórkowego, gdzie biorą udział w ekspresji
wielu genów [18]. STAT 1 odgrywa kluczową
rolę w przekazywaniu sygnału po aktywacji
Rycina 1
Schemat reakcji komórek układu odpornosciowego na infekcje mykobakteryjne.
Response of immune cells to mycobacteria.
Brak ekspresji IFNγR1- cecha autosoPrzegląd Lekarski 2013 / 70 / 12
1059
Tabela I
Występowanie określonych defektów osi IL-12/INF γ u pacjentów z nawrotowymi mykobakteriozami.
Incidence of IL-12/INFγ axis defects in patients with recurrent mycobacteriosis.
Lp/ płeć
nawrotowa
mykobakterioza
Ekspresja powierzchniowa receptora
IL-12
Ekspresja powierzchniowa receptora
INF γ
Wytwarzanie INFγ
Wytwarzanie IL-12
1.♀
+
obecny
obecny
brak
obecny
2. ♂
+
obecny
obecny
brak
obecny
3. ♂
+
obecny
obecny
brak
obecny
4. ♂
+
obecny
obecny
brak
obecny
5. ♀
+
brak
obecny
obecny
obecny
6. ♀
+
brak
obecny
obecny
obecny
7. ♀
+
obecny
obecny
brak
obecny
8. ♀
+
brak
obecny
obecny
obecny
9. ♀
+
obecny
obecny
obecny
brak
INFγ, także INF α i β. Całkowity niedobór
STAT1 prowadzi do zwiększonej podatności
na infekcje mykobakteryjne i wirusowe. Rokowanie w tym typie niedoboru jest fatalne,
w opisywanych przypadkach klinicznych
do zgonu dochodziło we wczesnym dzieciństwie. U dzieci tych stwierdzano rozsiew
po szczepieniu BGC oraz śmiertelne infekcje wirusowe. Przeszczepienie komórek
macierzystych szpiku wydaje się jedynym
rozwiązaniem [6,12].
Częściowy niedobór STAT1 przebiega
zdecydowanie łagodniej, leukocyty pacjentów częściowo odpowiadają na stymulacje
INFγ, α oraz β [6].
Niedobór STAT1- cecha autosomalna
dominująca
Wiąże się głównie z defektem czynnościowym STAT1 tj. brakiem aktywacji
kolejnych etapów odpowiedzi komórki na
działanie interferonów (GAF- γ activating
factor i ISGF3 -interferon stimulated γ factor
3). Przeważa całkowita blokada szlaku zależnego od GAF- czego klinicznym skutkiem
jest podatność na infekcje mykobakteryjne
(BCG, MOTT, Mycobacterium tbc) przy
zachowanej aktywności drugiego szlaku
(ISGF3), który „odpowiada” za odporność
przeciwwirusową. Przebieg infekcji jest
łagodny, rokowanie pomyślne, zaleca się
leczenie antybiotykami przeciwmykobakteryjnymi. [8]
MSMD dziedziczenie związane z chromosomem X
Mutacje NEMO
NEMO (nuclear kappa B essentials
modulator inaczej IκB kinase-γ) należy do
rodziny białek regulujących aktywność NFκB (nuclear factor kappa B), czynnika odpowiedzialnego za ekspresję wielu ważnych
dla funkcjonowania komórek genów, w tym
genów związanych z zapaleniem (cytokin,
białek ostrej fazy), proliferacją, różnicowaniem i apoptozą komórek.
Mutacje w genie NEMO związane są z
występowaniem innych poważnych chorób
jak nietrzymanie pigmentu, dysplazja ektodermalna hipohydrotyczna z niedoborem
odporności HED-ID (ang. hypohidrotic ecto-
1060
dermal dysplasia with immune deficiency].
W obrazie klinicznym dominują infekcje
MOTT, zalecane leczenie to antybiotykoterapia, ewentualnie INFγ [16].
W badaniach własnych w grupie dorosłych pacjentów z potwierdzoną mykobakterioza płucną (zgodnie z kryteriami American
Thoracic Society z 2007) kierowanych z poradni pulmonologicznych (n:12) wykonano
badanie oceniające funkcję osi IL-12/INFγ:
ekspresję powierzchniową receptora dla
IL-12 na limfocytach T i dla INFγ na monocytach oraz produkcję INFγ przez limfocyty
T po stymulacji PHA i IL-12 po stymulacji,
LPS i INFγ (Tab. I).
Z grupy 12 badanych osób u 3 pacjentów
stwierdzono brak ekspresji powierzchniowej
receptora dla IL-12, u wszystkich pacjentów
obecna była ekspresja receptora dla INFγ. U
5 osób stwierdzono brak produkcji INFγ, u 1
osoby brak produkcji IL-12. U 3 osób zarówno wytwarzanie IL-12 i INFγ było prawidłowe
jak i receptory dla tych cytokin były obecne
(osób tych nie uwzględniono w tabeli).
Parametry odporności humoralnej
i komórkowej u wszystkich osób były prawidłowe- nie rozpoznano innego niż defekt osi
IL-12/INFγ niedoboru odporności.
Konieczne wydaje się wykonanie w
tej grupie pacjentów badań genetycznych
celem identyfikacji niedoboru oraz przebadanie rodzin pacjentów pod kątem istnienia
u nich niedoboru, a także poradnictwa
odnośnie szczepienia przeciwko gruźlicy
dzieci pacjentów.
Piśmiennictwo
1. Al-Muhsen S., Casanova JL.: The genetic heterogenicity of mendelian susceptibility to mycobacterial diseases. J. Allergy. Clin, Immunol. 2008, 122, 1043.
2. Altare F., Lammas D., Revy P. et al.: Inherited
interleukin 12 deficiency in a child with bacille Calmette-Guérin and Salmonella enteritidis disseminated
infection. J. Clin. Invest. 1998, 102, 2035.
3. Bustamante J., Haverkamp M.H., Vinolo E. et al.:
X-linked susceptibility to mycobacteria is caused by
mutations in NEMO impairing CD40-dependent IL-12
production. J. Exp. Med. 2006, 203, 1745.
4. Bousfiha A.A., Jeddane L., Ailal F. et al.: A phenotypic approach for IUIS PID classification and
diagnosis: Guidelines for clinicians at the bedside.
J. Clin. Immunol. 2013, 33, 1078.
5. Camcioglu Y, Picard C, Lacoste V. et al.: HHV-
8-associated Kaposi sarcoma in a child with IFN
gammaR1 deficiency. J. Pediatr. 2004, 144, 519.
6. Chapgier A., Wynn R.F., Jouanguy E. et al.: Human
complete Stat-1 deficiency is associated with defective type I and II IFN responses in vitro but immunity
to some low virulence viruses in vivo. J. Immunol.
2006, 176, 5078.
7. Casanova J.L, Abel L.: Genetic dissection of immunity to mycobacteria: the human model. Ann. Rev.
Immunol. 2002, 20, 581.
8. Casanova J.L., Zhang S-Y, Abel L.: Revisiting
human primary immunodeficiencies. J. Intern. Med.
2008, 264, 115.
9. de Beaucoudrey L., Samarina A., Bustamante
J. et al.: Revisiting kuman IL-12Rβ1 deficiency:a
survey of 141 patients from 30 countries. Medicine
[Baltimore] 2010, 89, 381.
10. Dorman S.E., Holland S.M.: Mutation in the signaltransducing chain of the interferon-gamma receptor
and susceptibility to mycobacterial infection. J. Clin.
Invest. 1998, 101, 2364.
11. Dorman S.E., Picard C., Lammas D. et al.: Clinical
features of dominant and recessive interferon gamma
receptor 1 deficiencies. Lancet 2004, 364, 2113.
12. Dupuis S., Jouanguy E,, Al-Hajjar S. et al.: Impaired
response to interferon-alpha/beta and lethal viral
disease in human STAT1 deficiency. Nat Genet.
2003, 33, 388.
13. Fieschi C.: Mendelian susceptibility to mycobacterial
disease: defects in the IL12/IFNgamma pathway.
Press Med. 2006, 35, 879.
14. Fieschi C., Casanova J.L.: The role of interleukin-12
in human infectious diseases: only a faint signature.
Eur. J. Immunol. 2003, 33, 1461.
15. Fischer A.: Human primary immunodeficiency diseases. Immunity 2007, 27, 835.
16. Filipe-Santos O., Bustamante J., Chapgier A. et al.:
Inborn errors of IL-12/23- and IFN-gamma-mediated
immunity: molecular, cellular, and clinical features.
Semin. Immunol. 2006, 18, 347.
17. Jouanguy E., Lamhamedi-Cherradi S., Altare F.
et al.: Partial interferon-gamma receptor 1 deficiency
in a child with tuberculoid bacillus Calmette-Guerin
infection and a sibling with clinical tuberculosis. J.
Clin. Invest. 1997, 100, 2658.
18. Murray P.J.: The JAK-STAT signaling pathway: input
and output integration. J. Immunol. 2007, 178, 2623.
19. Ochs H., Smith C.I.E., Puck J.: Primary Immunodeficiencies: a molecular and genetic approach, 2nd ed.
Oxford University Press, New York, 2007.
20. Picard C., Fieschi C., Altare F. et al.: Inherited
interleukin-12 deficiency: IL12B genotype and clinical
phenotype of 13 patients from six kindreds. Am. J.
Hum. Genet. 2002, 70, 336.
21. Roesler J.H.M., Picard C., Bordigoni P. et al.:
Hematopoietic stem cell transplantation for complete
IFN-gamma receptor 1 deficiency: a multi-institutional
survey. J. Pediatr. 2004, 145, 806.
M. Strach i wsp.