studio dei disordini della regolazione del sistema immunitario

 STUDIO DEI DISORDINI DELLA REGOLAZIONE DEL SISTEMA
IMMUNITARIO
Introduzione
Le immunodeficienze primitive (PID) sono patologie rare geneticamente determinate che causano
un’aumentata suscettibilità verso le infezioni attraverso difetti distinti dell’immunità innata e
adattativa.
Il ruolo principale del sistema immunitario è di mantenere l’omeostasi; per fare questo ha la
capacità di reagire verso numerosi agenti patogeni instaurando ogni volta una risposta immune
appropriata per difendere l’organismo, contemporaneamente esistono meccanismi di tolleranza che
regolano l’entità di tale risposta in modo da impedire la reattività nei confronti di antigeni “self”.
Un’alterazione di queste due funzioni fondamentali provoca rispettivamente uno stato di
immunodeficienza o di autoimmunità.
Autoimmunità ed immunodeficienza sono state quindi considerate per lungo tempo due estremità
opposte causate rispettivamente da eccessiva risposta immunitaria e da difetto di sviluppo/funzione
del sistema immunitario. In realtà questi due spettri di patologie sono sempre di più considerati
entrambi come disregolazioni del sistema immunitario e possono coesistere nello stesso paziente.
Infatti le manifestazioni autoimmuni sono spesso presenti in molte immunodeficienze primitive con
incidenza variabile. Per quanto riguarda i difetti anticorpali le patologie autoimmuni sono presenti
in circa il 20% dei pazienti affetti da immunodeficienza comune variabile, deficit di IgA e
Sindrome da Iper IgM [1]. Nella Sindrome di DiGeorge la raccolta di dati effettuata su scala
nazionale dell’Associazione Italiana Ematologia Oncologia Pediatrica ha mostrato un’incidenza di
manifestazioni autoimmuni di circa il 19-21% (dati non ancora pubblicati).
Le patologie che hanno contribuito a chiarire l’associazione causale tra immunodeficienza ed
autoimmunità sono le PID con ereditarietà monogenica in quanto non presentano fattori
confondenti quali l’ambiente. E malattie autoimmuni più comuni (LES, artrite reumatoide ecc.) ad
ereditarietà poligenica sono invece più eterogenee clinicamente ed il difetto immunologico è spesso
più complesso e molteplice spiegando così con più difficoltà la relazione causa-effetto con le
manifestazioni autoimmuni.
Tra i disordini monogenici, le immunodeficienze dovute a difetti delle cellule T regolatorie quali
IPEX (Immune Disregulation, Enteropathy, Poliendocrinopathy, X-linked), che coinvolge la
tolleranza periferica, ed APECED (Autoimmune Poliendocrinopathy, Candidiasis, Ectodermal
Distrophy), che coinvolge la tolleranza centrale, presentano malattie autoimmuni con una
penetranza del 100% [1]. Queste manifestazioni sono quasi sempre organo-specifiche e colpiscono
prevalentemente l’apparato endocrino ed epiteliale. Lo studio di questi due disordini immunitari ha
aiutato molto negli ultimi anni la comprensione dei meccanismi coinvolti nella tolleranza
immunologica rilevandone un ruolo di centrale importanza nel prevenire patologie autoimmuni.
La sindrome IPEX è un’immunodeficienza grave molto rara che è stata descritta per la prima volta
nel 1982 da Powel et al [2]. Il fenotipo clinico è caratterizzato da un’esordio precoce nei primi
giorni/settimane di vita di: enteropatia autoimmune associata con scarso accrescimento, dermatite
eczematosa ed endocrinopatia, prevalentemente diabete mellito di tipo 1. Manifestazioni cliniche
più rare sono citopenie autoimmuni (trombocitopenia, anemia emolitica) tiroidite e nefropatia [3,4].
I pazienti presentano inoltre aumentata suscettibilità verso le infezioni anche di grado severo quali
meningite e sepsi [5-7]. Non è ancora chiaro se questo sia dovuto al difetto genetico, sia secondario
ad un’alterazione della barriera cutanea o della mucosa intestinale oppure sia conseguente alla
terapia immunosoppressiva.
IPEX è causata da una mutazione del gene FOXP3 (Forkhead BOX protein 3) localizzato sul
cromosoma X in posizione p11.23. Si tratta di un gene espresso principalmente nel tessuto linfoide
(timo, milza, linfonodi) e composto da 11 esoni che codificano per la proteina FOXP3 di 431
amminoacidi. Tale proteina appartiene alla famiglia P di regolatori trascrizionali FOX caratterizzati
dalla presenza del dominio FKH (Forkhead-winged/helix) che deve il suo nome alla propria
struttura costituita da tre α-eliche e due grandi loop. [3,8]. La famiglia a cui appartiene FOXP3
comprende una serie di regolatori trascrizionali che possono agire da repressori o da attivatori e che
risultano coinvolti in processi importanti come lo sviluppo del timo, il differenziamento cellulare e
la regolazione della funzione linfocitaria. In particolare, è stato osservato che FOXP3 è
fondamentale per lo sviluppo e la funzione dei linfociti T regolatori CD4+CD25+ (Treg), che hanno
la funzione di sopprimere l’attivazione di cellule T autoreattive in periferia [5,6]. La proteina
FOXP3 è composta da quattro domini funzionali: una regione N terminale ricca di prolina, un
dominio centrale Zinc finger ed un Leucine zipper (entrambi conservano motivi strutturali strutture
coinvolti nella interazione proteica) ed un dominio FKH localizzato a livello della regione Cterminale con funzione di legare il DNA.
IPEX è una condizione a rischio per la vita e pertanto richiede un pronto intervento terapeutico non
appena diagnosticata con terapia corticosteroidea ed immunosoppressiva [6, 9], anche se l’unica
opzione terapeutica risolutiva è rappresentata dal trapianto di cellule staminali ematopoietiche
[10,11].
APECED è un raro disordine genetico della regolazione immunitaria, ereditato in modo autosomico
recessivo, causato da mutazione del gene AIRE (autoimmune regulator) coinvolto nella tolleranza
immune. APECED è caratterizzata dalla variabile combinazione di candidiasi mucocutanea (CMC),
solitamente resistente alla terapia antifungina tradizionale e tendente a ricorrere frequentemente
soprattutto nell’infanzia, poliendocrinopatia (ipotiroidismo, insufficienza surrenalica, diabete
mellito tipo 1, ipogonadismo) e/o epatite e distrofia dello smalto dentario e delle unghie [12-14].
Il gene AIRE è localizzato sul cromosoma 21q22.3, si estende per circa 13 kb ed è composto da 14
esoni. Codifica per una proteina di 545 aminoacidi composta da domini funzionali tipici dei
regolatori della trascrizione. L’espressione di AIRE è ristretta alle cellule epiteliali della zona
midollare del timo (mTECs) e alle cellule dendritiche timiche che svolgono un ruolo cruciale per lo
sviluppo della tolleranza immunologica centrale eliminando le cellule T reattive. È stato dimostrato
che AIRE regola l’espressione timica di diversi tipi di proteine specifiche di tessuti periferici in
maniera dose-dipedente. Di conseguenza una diminuita espressione di AIRE provoca una bassa
espressione di tali antigeni self a livello timico che facilita il passaggio di linfociti autoreattivi in
periferia e quindi l’insorgenza delle manifestazioni autoimmuni tipiche di APECED sia contro
antigeni self sia favorendo l’ontogenesi delle cellule Treg (CD4+25+FOXP3+) [15].
I pazienti affetti da APECED solitamente richiedono terapia di sostituzione ormonale, supplementi
di calcio e vitamina D e terapia antifungina per il trattamento della candidosi. La terapia
immunosoppressiva è utilizzata per il controllo dell’epatite autoimmune. Con un’attenta gestione
del trattamento di solito i pazienti riescono a mantenere una discreta qualità di vita e raggiungono
una buona sopravvivenza con prognosi discrete a lungo termine.
Negli ultimi anni sta emergendo sempre con più frequenza uno spettro di patologie caratterizzate da
disordini autoimmunitari multipli che assomigliano ad IPEX, ma che non presentano la mutazione
di FOXP3; questo gruppo di patologie viene identificato col nome di Sindrome IPEX-like.
Recentemente è stato visto che due molecole ( IL-2R alpha (CD25) e STAT5b ) coinvolte nei
processi di attivazione del sistema immunitario, sono correlate alla funzione di FOXP3. Ad oggi in
letteratura sono stati descritti 2 pazienti con deficit di CD25 [16-18]. Questi presentavano quasi le
stesse caratteristiche cliniche riscontrate in IPEX, ma entrambi avevano un’aumentata suscettibilità
verso le infezioni virali e avevano sviluppato splenomegalia e linfoadenopatia diffusa.
STAT5b è un membro dei trasduttori/attivatori di segnale di una famiglia di proteine di trascrizione,
che regola la trascrizione genica in risposta a varie citochine e fattori di crescita. STAT5b è un
trasduttore importante del segnale dell’IL-2 richiesto per mantenere l’espressione di FOXP3 a
livello delle Treg. [19,20]. Il deficit di STAT5b causa un rarissimo disordine autosomico recessivo
decritto poche volte in letteratura [21,22]. I pazienti affetti presentano dimorfismi faciali (bozze
frontali prominenti, naso a sella..), deficit di crescita staturale, infezioni gravi, eczema cronico e
diarrea. La delezione di STAT5a/b nelle cellule CD4+ causa una marcata riduzione di espressione di
FOXP3 e di cellule CD4+CD25+ sia nel timo che in periferia [23, 24].
Sebbene le due condizioni descritte siano già state identificate, ci sono ancora molti pazienti con
caratteristiche IPEX-like che ancora non hanno una diagnosi genetica.
Razionale ed Obiettivi Il principale scopo dello studio è quello di delineare meglio lo spettro clinico delle malattie autoimmuni multiple ereditarie al fine di descriverne i meccanismi patologici ed eventualmente trovare nuovi geni coinvolti nella disregolazione immunitaria. Questo inoltre aiuterà a migliorare la gestione clinica dei pazienti e potrebbe aprire nuove prospettive terapeutiche. A tale scopo le fasi principali dello studio saranno le seguenti: 1. Selezione dei pazienti: nello studio verrà reclutato un numero rappresentativo di pazienti nei quali la storia clinica, i sintomi, la modalità di esordio, gli esami di laboratorio e la risposta alla terapia, siano suggestive per syndrome IPEX o IPEX‐like. 2. Analisi fenotipica e funzionale dei vari sottotipi di cellule T helper ed in particolare delle cellule CD4+CD25+ T regolatorie and Th17 3. Analisi di mutazione dei geni responsabili di disregolazione immunitaria (FOXP3, CD25, STAT5 ecc). Discussione
Molti meccanismi sono coinvolti nel mantenere la tolleranza immunologica. Le cellule Treg sono
fondamentali per un’immunosoppressione attiva. Negli anni sono stati descritti diversi tipi di Treg
con differente meccanismo di azione. FOXP3 è fondamentale per la funzione delle cellule
CD4+CD25+ Treg. Le Treg naturali derivano dal timo ed esprimono costituzionalmente FOXP3 e
CD25; queste cellule sono anergiche in vitro e reprimono la proliferazione cellulare attraverso il
contatto cellulare [25]. Le cellule Treg inducibili derivano in periferia dalle cellule T CD4 naïve
dopo stimolazione con IL2 e TGF‐beta [26,27]. Queste esprimono transitoriamente FOXP3 ed esercitano la loro funzione regolatoria a seconda delle citochine presenti in periferia dopo stimolo antigenico sulle cellule dendritiche. Inoltre in questo contesto anche la IL‐10 ed il TGF‐ β, che sono secrete da cellule dendritiche e da cellule Tr1 (un sottotipo di cellule T regolatorie che non esprimono nè CD25 nè FOXP3), hanno un ruolo importante nell’omeostasi immunitaria [28,29]. In uno studio recente Glocker et al [30] ha ipotizzato che le mutazioni del recettore dell’ IL‐10 (IL10R1 and IL102) abrogano il segnale immunomodulante mediato da IL‐10, associandosi ad uno stato di iperinfiammazione dell’intestino con conseguente enterocolite ad esordio precoce. Alla luce di questo, dato l’ampio spettro clinico delle patologie autoimmuni multiple, è interessante postulare che altri meccanismi regolatori, differenti dalle cellule CD4+CD25+FOXP3+ Treg, possano determinare il fenotipo IPEX‐like. In particolare un’alterata interazione tra le cellule presentanti l’antigene e le cellule T CD4 naive potrebbe causare un’alterazione nel “commitment” delle cellule T e nella tolleranza periferica. BIBLIOGRAFIA [1] Arason GJ, Jorgensen GH, Ludviksson BR. Primary Immunodeficiency and Autoimmunity: lessons from human diseases. Scand J Immunol 2010;71:317‐28. [1] Powell BR, Buist NR, Stenzel P. An X‐linked syndrome of diarrhoea, poly‐endocrinopathy, and fatal infection in infancy. J Pediatr 1982;100:731–7. [2] Bennett CL, Ochs HD. IPEX is a unique X‐linked syndrome characterized by immune disfunction, polyendocrinopathy, enteropathy, and a variety of autoimmune phenomena. Curr Opin Pediatr. 2001;13:533–8. [3] Gambineri E, Perroni L, Passerini L et al. Clinical and molecular profile of a new series of patients with immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X‐linked syndrome: Inconsistent correlation between forkhead box protein 3 expression and disease severity. J Allergy Clin Immunol. 2008;122:1105‐2. [4] Notarangelo LD, Gambineri E, Badolato R. Immunodeficiencies with autoimmune consequences. Adv Immunol 2006;89:321–70. [5] Torgerson TR, Ochs HD. Immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X‐
linked: forkhead box protein 3 mutations and lack of regulatory T cells. J Allergy Clin Immunol 2007;120:744–50. [6] Ochs HD, Ziegler SF, Torgerson TR. FOXP3 acts as a rheostat of the immune response. Immunol Rev 2005;203:156–64. [7] Wildin RS, Ramsdell F, Peake J, et al. X‐linked neonatal diabetes mellitus, enteropathy and endocrinopathy syndrome is the human equivalent of mouse scurfy. Nat Genet 2001;27:18‐
20. [8] Bindl L, Torgerson T, Perroni L et al. Successful use of the new immune‐suppressor sirolimus in IPEX (immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X‐linked syndrome). J Pediatr 2005;147:256–9. [9] Mazzolari E, Forino C, Fontana M, et al. A new case of IPEX receiving bone marrow transplantation. Bone Marrow Transplant 2005;35:1033–4. [10] Rao A, Kamani N, Filipovich A et al. Successful bone marrow transplantation for IPEX syndrome after reduced‐intensity conditioning. Blood 2007;109:383. [11] Sharfe N, Dadi HK, Shahar M, et al. Human immune disorder arising from mutation of the alpha chain of the interleukin‐2 receptor. Proc Natl Acad Sci U S A 1997;94:3168–71. [12] Finnish‐German APECED Consortium.An autoimmune disease, APECED, caused by mutations in a novel gene featuring two PHD‐type zinc‐finger domains. Nat Genet 1997;17:399‐403. [13] Aaltonen J, Bjorses P, Sandkuijl L et al. An autosomal locus causing au toimmune disease: autoimmune polyglandular disease type I assigned to chromosome 21. Nat Genet 1994;8:83‐
7. [14] Nagamine K, Peterson P, Scott HS et al. Positional cloning of the APECED gene. Nat Genet 1997;17:393‐8. [15] Mathis D, Benoist C. A decade of AIRE. Nat Rev Immunol 2007;7:645‐50. [16] Caudy AA, Reddy ST, Chatila T, et al. CD25 deficiency causes an immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X‐linked‐like syndrome, and defective IL‐10 expression from CD4 lymphocytes. J Allergy Clin Immunol 2007;119:482–7. [17] Roifman CM. Human IL‐2 receptor alpha chain deficiency. Pediatr Res 2000;48:6–11. [18] Burchill MA, Yang J, Vogtenhuber C, et al. IL‐2 receptor beta‐dependent STAT5 activation is required for the development of Foxp3þ regulatory T cells. J Immunol 2007;178:280–90. [19] Yao Z, Kanno Y, Kerenyi M, et al. Nonredundant role [20] Bernasconi A, Marino R, Ribas A, et al. Characterization of immunodeficiency in a patient with growth hormone insensitivity secondary to a novel STAT5b gene mutation. Pediatrics 2006;118:e1584–92. [21] Hwa V, Little B, Adiyaman P, et al. Severe growth hormone insensitivity resulting from total absence of signal transducer and activator of transcription 5b. J Clin Endocrinol Metab 2005;90:4260–6. [22] Kofoed EM, Hwa V, Little B, et al. Growth hormone insensitivity associated with a STAT5b mutation. N Engl J Med 2003; 349:1139–47. [23] Cohen AC, Nadeau KC, Tu W, Hwa V et al. Cutting edge: Decreased accumulation and regulatory function of CD4+ CD25(high) T cells in human STAT5b deficiency. J Immunol 2006;177(5):2770–4. [24] Murawski MR, Litherland SA, Clare‐Salzler MJ et al. Upregulation of Foxp3 expression in mouse and human Treg is IL‐2/STAT5 dependent: implications for the NOD STAT5B mutation in diabetes pathogenesis. Ann N Y Acad Sci 2006;1079:198–204. [25] Maggi E, Cosmi L, Liotta F et al. Thymic regulatory T cells. Autoimmun Rev 2005;4:579‐
86. [26] Zheng SG, Wang JH, Gray JD et al. Natural and induced CD4+CD25+ cells educate CD4+Cd25‐ cells to develop suppressive activity: the role of IL‐2, TGF‐β and IL‐10. J Immunol 2004;172:5213‐21. [27] Zhu J, Yamane H and Paul WE. Differentiation of effector CD4 T cell populations. Annu Rev Immunol 2010; 28:445‐89. [28] Levings MK, Bacchetta R, Schulz U, Roncarolo MG. The role og IL‐10 and TGFβ in the differentiation and effector function of T regulatory cells. Int Arch Allergy immunol. 2002;129:263‐76. [29] Roncarolo MG, Gregori S, Battaglia M et al. Interleukin‐10‐secreting type 1 regulatory T cells in rodents and humans. Immunol Rev 2006;212:28‐50. [30] Glocker EO, Kotlarz D, Boztug K et al. Inlammatory bowel disease and mutations affecting the interleukin‐10 receptor. N Engl J Med 2009;361:2033‐45.