Tillämpning av systemimmunologi i sökandet efter personliga biomarkörer för klinisk effekt (SYS-T-ACT)

Sammanfattning av studien: Tillämpning av systemimmunologi för att söka efter personliga biomarkörer för klinisk effekt: Förutsäga T-cellsaktiveringspotentialen in vivo från vilande T-celler hos patienter.

Inledning Allergi drabbar mer än 20 % av befolkningen i de flesta utvecklade länder. De stora allergiska sjukdomarna, allergisk rinit, astma, födoämnesallergier och urtikaria, är kroniska, orsakar stora funktionsnedsättningar och är kostsamma både för individen och för samhället (World Allergy Organization (WAO) white book 2013). Förutom yrkesallergier orsakas de vanligaste allergierna av mat, pollen, damm, mögel, djurmjäll, insektsstick, mediciner...Allergiska fenomen beror på ett förvärrat immunförsvarssvar på antigener som tolereras av icke-allergiska patienter.

Efter exponering för antigener kan naiva CD4+ (differentieringskluster 4) T-celler differentieras i olika undergrupper av T-hjälparceller (Th1, Th2, Th9, Th17, Th22, Tfh) och inducerade suppressiva regulatoriska T-celler som kännetecknas av olika cytokinexpressionsmönster, transkriptionsfaktorer och andra ytmarkörer, som kommer att orkestrera adaptiva och medfödda immunsvar på dessa stimuli. Th2-celler är centrala aktörer i alla olika former av immunglobulin E (IgE)-associerade allergiska sjukdomar och anses därför vara den mest dominerande T-cellsundergruppen som upprätthåller det allergiska svaret. Vid antigenupptag och bearbetning av antigenpresenterande celler polariseras CD4+ T-celler mot en Th2-fenotyp, vilket leder till expression av Th2-cellassocierade cytokiner såsom Interleukin (IL)-4, -5, -9, -13, byte B-cellssvar mot IgE-produktion (sensibilisering eller tidig fas). Allergenspecifikt IgE binder till en högaffinitetsreceptor (FcεRI) hos medfödda immunceller inklusive basofiler och mastceller, vilket utlöser frisättningen av anafylaktogena mediatorer (cytokiner, kemokiner, histamin, heparin, serotonin och proteaser) som är ansvariga för inflammatorisk cellrekrytering och allergiska celler symtom (effektor eller sen fas). Att identifiera nätverk av gener uttryckta i vilande och aktiverade Th2-celler från allergiska patienter skulle hjälpa till att särskilja genkandidater som förutsäger immuntolerans mot allergener.

Allergier är sjukdomar som involverar många cellundergrupper. De specifika reaktiviteterna och bidragen till den kliniska bilden är nära beroende av varandra och inte helt dechiffrerade ännu. Samspelet mellan det cellulära immunsystemets olika aktörer kompliceras ytterligare av förekomsten av den kommensala tarmfloran, även kallad mikrobiotan. Tarmmikrobiota är delvis under övervakning av immunförsvaret, och störningar eller förändringar i mikrobiotans sammansättning, till exempel på grund av antibiotikaupptag under barndomen och/eller olika matvanor, kan påverka adaptiva och medfödda immunfunktioner. Karakterisering av tarmmikrobiotan hos mänskliga värdar som genomgår immunterapi kan vara av stort intresse för att avgränsa interaktioner mellan mikrobiota och adaptiva immunsystem.

Trots avsevärda förbättringar av mediciner som lindrar dagliga allergisymtom upplever fortfarande en andel av patienterna okontrollerade svåra symtom. För dessa patienter är strikt undvikande av allergenet och att hålla akuta mediciner inom räckhåll de bästa rekommendationerna hittills, och bördan av att leva med allergi resulterar i slutändan i psykosociala, hälsomässiga, yrkesmässiga och ekonomiska problem genom att påverka folkhälsokostnaderna. I dessa fall är den bästa och genomförbara lösningen för att förbättra livskvaliteten att tillämpa en immunoterapeutisk metod för att framkalla allergentolerans.

Allergenspecifik immunterapi (AIT) har implementerats i mer än 100 år, och uppnår varaktig reaktionslöshet genom att administrera eskalerande doser av det orsakande allergenet tills en underhållsdos uppnås. Immunterapeutiska protokoll som sträcker sig över olika varaktigheter (från timmar för ultra-rush-protokoll till veckor eller månader för konventionella protokoll) används för behandling av mat, pollen, mjäll och insektsstickallergi. Desensibilisering sker i sekventiella steg såsom mycket tidig desensibilisering av mastceller och basofiler, snedställning av T- och B-cellssvar mot regulatorisk fenotyp, modulering av allergenspecifika antikroppisotyper och hämning av migration och mediatorfrisättning av eosinofiler, basofiler och mast celler.

Frågor kvarstår dock om de mycket tidiga händelserna som äger rum vid initiering av immunterapi, som huruvida mekanismerna är olika i brådskande eller konventionella protokoll. Resultatet av immunterapi kan vara relaterat till händelser som inträffar i olika cellundergrupper, och identifieringen av prediktiva biomarkörer för toleransinduktion är fortfarande mycket nödvändig.

För detta ändamål kommer systembiologi att tillämpas. Systembiologi syftar till att samla information om komplexa biologiska system (till exempel transkriptomiska data) och att tillämpa beräkningsverktyg för att bättre förstå och förutsäga om och i vilken grad dessa system kommer att reagera på störningar. Baserat på "omics"-data ger systembiologi en större bild av cellulära händelser som inträffar under loppet av AIT än metoder som fokuserar på isolerade genkandidater eller signalvägar. Detta systemiska tillvägagångssätt tillåter byggandet och slutsatsen av prediktiva genuttrycksnätverk som inte kunde bestämmas med hjälp av hypotesbaserade tillvägagångssätt.

Bakgrund till forskningsprojektet:

Mänskliga individer visar stor variation i både medfödda och adaptiva immunsvar efter immunstimuli. Lite är dock känt om vilka och hur molekylära subnätverk kvantitativt kontrollerar immunsvarspotentialen. Hittills har inga prediktiva biomarkörer för klinisk effekt av vaccinationer eller antigenspecifika immunterapier mot allergi fastställts. Det aktuella förslaget är en pilotstudie för att identifiera kandidater av intresse, vars prediktiva värde som biomarkörer kommer att bedömas i ytterligare studier som involverar större grupper av patienter och lämpliga kontroller.

Forskarna antar att tidiga molekylära händelser av cellstimulering i framgångsrik AIT korrelerar med en regulatorisk immunresponssignatur av medfödda (Natural Killer (NK) celler, medfödda lymfoida celler) och adaptiva (T- och B-celler) immunceller. I detta avseende kan egenskaper hos de vilande (före AIT) Th2-cellerna hos allergiska patienter och tidiga förändringar som inträffar i denna population under förloppet av AIT i slutändan förutsäga terapeutiskt resultat.

Syftet med detta projekt är att utveckla en systembiologistrategi för att kvantitativt förutsäga responspotentialen hos aktiverade Th2 (T-hjälpar typ 2)-celler från vilande Th2-celler från allergiska patienter som genomgår allergendesensibiliseringsbehandling. Utredarna planerar att analysera transkriptomet av deras celler vid olika tidpunkter under hela AIT och att härleda nätverk av genuttryck som gör det möjligt för oss att bestämma viktiga prognostiska faktorer för AIT-respons och immuntoleransinduktion. Parallellt med Th2-celler kommer forskarna att studera roller och subpopulationer av NK-celler, eftersom rollen för dessa undergrupper i allergi är fortfarande i stort sett okänd. Dessutom, eftersom tarmmikrobiotan är känd för att vara associerad och interagerar med immunsystemet, kommer utredarna att ta tillfället i akt att samla mikrobiotaprover från patienter som genomgår AIT för att bedöma förändringar som kan inträffa under desensibilisering. Slutförandet av denna studie kommer att tillåta oss i) att identifiera potentiella biomarkörer som i slutändan kan användas för att förutsäga behandlingsresultat eller för att förfina och anpassa behandlingen till en patients egenskaper ii) för att övervaka förändringarna som sker i NK-celler från patienter som exponeras för desensibiliseringsprocedurer, iii) att studera tarmmikrobiotan hos allergiska patienter och utforska potentiella mikrobiotaprediktiva biomarkörer (en del av studien utförd vid IBBL). Denna studie står som en proof-of-concept-studie för att starta en framtida större kohort, eftersom upptäckten av nya biomarkörer/funktioner kan öppna upp nya vägar för att förstå andra störningar kopplade till immundysreglering och där toleransinduktion krävs, såsom autoimmun sjukdomar, transplantationsavstötning och andra.

Metodik:

Patienter som kommer att inkluderas i denna studie är allergiska patienter från immuno-allergologiska avdelningen på CHL, som ändå kommer att genomgå rutinmässig antigenspecifik immunterapi av medicinska skäl. Dessa immunterapeutiska protokoll är redan etablerade och används av erfarna specialister vid CHL och kommer inte att modifieras för detta forskningsprojekts syfte. Om patienter som är kvalificerade för AIT går med på att delta i vårt forskningsprojekt, kommer utredarna att samla in blod- och avföringsprover under behandlingsförloppet. Beroende på vilken allergi som ska behandlas finns det två rutinmässiga desensibiliseringsprotokoll: ett ultra-rush-protokoll utförs för desensibilisering av insektsstick, medan ett konventionellt protokoll används för pollen-desensibilisering. En kontrollgrupp utan klinisk historia av allergier rekryteras. Blod- och avföringsprover tas inom samma tidsramar som hos allergiska patienter.