Ak komplementrendszer l t d szerepe kóros folyamatok kialakulásában
Józsi Mihály
2016. február 24.
A komplementrendszer
physical barriers
(soluble)
(modified after Erdei-Gergely: Immunobiology [Medicina])
physical barriers
(soluble)
A komplementrendszer
• több, mint 40 komponens ismert: - egymást láncreakcióban aktiváló oldékony faktorok - szabályozó molekulák (oldékony és sejtmembrán-kötött) - az aktivált komponenseket megkötő sejtfelszíni receptorok
• a veleszületett immunitás esszenciális végrehajtó rendszere • inaktívan testszerte jelen van a vérben, testfolyadékokban • lépésről lépésre aktiválódik (kaszkád)
A komplementrendszer aktiválódása és szerepe
klasszikus út
lektin út
alternatív út felismerés (mintázatfelismerő molekulák)
ellenll anyagok „amplification loop”
C3 C3b
t terminális i áli út C5 szabályozó y molekulák gátolják a saját sejtek, szövetek károsodását
opszonizáció, fagocitózis
C5 C5a
gyulladás, ll dá sejtaktiváció jt kti á ió
C5b-9
lízis
(célsejt feloldása)
Saját – nem-saját felismerése
1 stratégia: 1. t té i a nem-saját ját felismerése f li é és é megtámadása tá dá 2. stratégia: minden megtámadása, de a saját megvédése - alternatív út
A komplementaktiváció szabályozása
klasszikus út
lektin út
alternatív út
properdin
C1-inhibitor
CR1 MCP DAF I-faktor
C4BP
C3
C5 vitronectin clusterin CD59
H-faktor CR1 MCP C3b DAF I-faktor C5 C5a
C5b-9
k b i karboxipeptidáz tidá N
C4BP: C4b-binding protein CR1: complement receptor type 1 MCP: membrane cofactor protein DAF: decay accelerating factor
A komplement szerepe a mikrobák elleni védelemben
elimináció (fagocitózis, lízis) klasszikus út C1q
IgG, IgM
lektin út
MBL
alternatív út
C3b
mikroba
MBL: mannán-kötő lektin Ig: immunoglobulin (ellenanyag, antitest)
A komplementrendszer funkciói
V l Veleszületett ül t tt immunitás i itá • opszonizáció • mikrobák lízise • kemotaxis
„Waste W t disposal“ di l“
Adaptív Ad tí immunitás i itá
• immunkomplexek
• B-sejtek aktiválása
eltávolítása • apoptotikus és
• gyulladás
nekrotikus sejtek
• sejtek aktiválása
eltávolítása
(PMN, Mf, DC, ...)
• autoreaktív B-sejtek eliminálása • T-sejt válasz elősegítése
Cikkek száma a PubMed-ben „complement” vagy „complement system” kulcsszóra keresve 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
a rendszer (fő funkciója) felfedezése
komponensek, „új” utak azonosítása, leírása, jellemzése
2014
2011
2008
2005
2002
1999
1996
1993
1990
1987
1984
1981
1978
1975
1972
1969
1966
1963
1960
1957
1954
1951
1948
1945
1942
1939
1936
1933
1930
1927
1924
1921
1918
1915
1912
1909
1906
1903
0
betegségek, terápia
A komplementrendszer szerepe betegségekben
Ricklin D, Lambris JD. Nat Biotechnol. 2007, 25:1265.
A komplementrendszer és betegségek
Merle NS és mtsai., Front Immunol. 2015 May 26;6:257
13
A komplementrendszer p és fertőzések
A komplementrendszer és fertőzések Patogének g belépése p sejtekbe j – a komplementrendszer p kihasználásával • CR2: Epstein-Barr vírus receptora • CD46: kanyaróvírus (morbilli) receptora • CR1 vörösvérsejteken: Plasmodium falciparum receptora • internalizáció opszonikus receptorokon át (pl. CR3) Szepszis: • a sok mikróba túlzott komplementaktivációt okoz okoz, fokozott C5a képződés • C5aR-on hatva súlyosbítja a folyamatot, hozzájárulva a szöveti károsodáshoz, szervműködések leállásához - neutrofilek “paralízise”, limfociták apoptózisának kiváltása (immundepléció) - súlyos gyulladás (“cytokine storm” kiváltása makrofágokon hatva) - szöveti faktor expresszió fokozása endotélsejteken – fokozott véralvadás
Komplementdeficienciák és fertőzések Alternatív út (properdin, D-faktor) deficienciái: fokozott fogékonyság súlyos meningococcus fertőzésre, egyes más bakteriális fertőzésekre is Terminális út (C5-, (C5- C6-, C6- C7-, C7- C8-, C8- C9-deficiencia): visszatérő, visszatérő de ritkán halálos meningococcus fertőzés Klasszikus út (C1q-, (C1q C2-, C2 C4-deficiencia): C4 deficiencia): tokkal rendelkező baktériumok általi fertőzések pl. S. pneumoniae, N. meningitidis, H. influenzae Lektin út (MBL-, (MBL- fikolin-deficiencia): visszatérő légúti fertőzések C3 deficiencia: légúti fertőzések fertőzések, meningitis a leggyakoribb (opszonizációs defektus)
A komplementrendszer aktiválódása
klasszikus út
ellenll anyagok
lektin út
alternatív út felismerés (mintázatfelismerő molekulák)
visszatérő légúti fertőzések „amplification loop”
C3 C3b
t terminális i áli út C5
opszonizáció, fagocitózis
C5 C5a
gyulladás, ll dá sejtaktiváció jt kti á ió
C5b-9
lízis
(célsejt feloldása)
A komplementrendszer aktiválódása
klasszikus út
lektin út
alternatív út felismerés (mintázatfelismerő molekulák)
ellenll anyagok „amplification loop”
C3 C3b
t terminális i áli út C5
C5 C5a
C5b-9
opszonizáció, fagocitózis
gyulladás, ll dá sejtaktiváció jt kti á ió
lízis
Neisseria (célsejt feloldása) meningitidis CDC/ Dr. Brodsky
Komplementdeficienciák és fertőzések Regulátor fehérjék, receptorok deficienciája: I-faktor, H-faktor deficiencia a C3-deficienciához hasonló, mert másodlagosan alacsony C3 és B-faktor szint alakul ki (de pl. H-faktor deficiencia glomerulonephritist is okoz!) CR1 alacsony expressziója véd a malária ellen. CR3/CR4 deficiencia (LAD-1) súlyos opportunista fertőzések, pl. S. aureus (neutrofil adhézió és fagocitózis defektusa miatt)
Malária (Plasmodium spp.) 2012-ben kb. 207 millió maláriás fertőzés,, kb. 627 ezer haláleset sporozoiták
(forrás: WHO)
máj
merozoiták
vörösvérsejt szúnyogú bél
CR1 vörösvérsejteken: Plasmodium falciparum receptora
gametociták g
CR1 alacsony expressziója véd a malária ellen
A komplementrendszer aktiválódása
klasszikus út
lektin út
alternatív út felismerés (mintázatfelismerő molekulák)
ellenll anyagok C3
„amplification loop” C3b CR3/CR4 deficiencia (LAD-1) súlyos opszonizáció, fagocitózis opportunista fertőzések fertőzések, pl pl. S. S aureus (neutrofil adhézió és fagocitózis defektusa miatt)
t terminális i áli út C5
C5 C5a
C5b-9
lízis
National Institute of Allergy and (célsejt feloldása) Infectious Diseases (NIAID)
Patogének menekülése a komplement elől
• tok, tok sejtfal etc etc. (fizikai barrier) • egyes fehérjék megkötése: pl. albumin, fibrinogén – az antigén-felszín antigén felszín maszkírozása • molekuláris mimikri • a gazdaszervezet komplementgátló molekuláinak megkötése (C3 inaktiválása, MAC hatástalanítása, stb.) • komplementgátló molekulák termelése • komplementfehérjéket hasító enzimek expressziója • stb stb.
Patogének menekülése a komplement elől
• ellenanyag depléció (e.g. protein A) • direkt komplement gátlás (C3 konvertáz konvertáz, C5 konvertáz konvertáz, C5aR) • komplementregulátorok rekrutálása (pl. C1-INH, H-faktor, C4BP) • regulátor mimikri (e.g. VCP – vaccinia virus complement control protein) • enzimatikus degradáció (e.g. staphylokinase, Pseudomonas elastase) Lambris JD et al. Nat Rev Microbiol. 2008, 6:132-42.
A komplementrendszer p patológiás p g folyamatokban y
Komplementdeficienciák és betegségek
Klasszikus Kl ik út (C1q-, (C1 C2-, C2 C4-deficiencia): C4 d fi i i ) szisztémás i té á llupus erithematosus ith t (SLE) é és SLE-szerű megbetegedés Lektin út: MBL-deficiencia szív-érrendszeri betegségek rizikófaktora p betegségek g g ((vasculitis,, g glomerulonephritis) p ) C3-deficiencia: immunkomplex-mediált Regulátorfehérjék: H faktor deficiencia: glomerulonephritis (dense deposit disease) H-faktor-deficiencia: I-faktor-deficiencia: immunkomplex-mediált betegségek (vasculitis, glomerulonephr.) CD55, CD59: GPI horgony hiánya miatt alacsony v. nincs expresszió – paroxismalis nocturnalis hemoglobinuria C1-INH (autosz. domináns): túl sok bradykinin képződik – herediter angioneuroticus oedema
Komplement-polimorfizmusok és betegségek
Komplement-polimorfizmusok K l t li fi k növelhetik ö lh tik az esélyét él ét egyes, az alternatív lt tí út által mediált betegségek kialakulásának. pl. C3 R102G: C3b102G–hez kevésbé kötődik a H-faktor - időskori makuladegeneráció, dense deposit disease, vasculitis rizikófaktora B-faktor R32Q: konvertáz felépülésének hatékonyságát befolyásolja a FB32Q kevésbé képes konvertázt kialakítani – protektív polimorfizmus az időskori makuladegeneráció esetén A polimorfizmusok összessége meghatározza, hogy milyen mértékben aktiválódhat a komplementrendszer. - patogének szelekciós nyomása ! ui. az aktívabb komplement hatékonyabban pusztítja el a kórokozókat, de egyben növeli a komplement által okozott betegségek kockázatát is.
Morgan BP, Harris CL. Nat Rev Drug Discov. 2015;14:857-877.
Komplementaktiváció és –gátlás egyensúlya • célzott és korlátozott aktiváció (biztonságos opszonizáció) • mintázatfelismerő és opszonikus p molekulák együttműködése gy
H-faktor C4BP
pl. pentraxinok
aktiváció
gátlás
A szabályozás hibája betegségekhez vezethet • szöveti károsodás, gyulladás, autoimmunitás
gátlás
aktiváció
Komplementaktiváció endogén ligandumokon Ligand
C1q binding
Classical pathway activation
C4BP binding
Factor H binding
Potential pathogenic relevance
CRP
+
+
+
+
Cardiovascular diseases, AMD?
SAP
+
+
+
?
Alzheimer’s Alzheimer s disease
PTX3
+
+
+
+
Cardiovascular and renal diseases
DNA
+
+
+
+
SLE
Late apoptotic and necrotic cells
+
+
+
+
SLE
Amyloid Aβ peptide
+
+
+
+
Alzheimer’s disease
fibromodulin
+
+
+
+
Joint diseases
decorin and biglycan
+ (C1q tails)
-
-
-
Joint diseases
modified after: Sjöberg et al. (2009) Trends Immunol., 30:83-90.
Példa: komplement és apoptotikus sejtek
Trends in Immunology. 2003; 24:148.
Példák betegségekre, g g , ahol a komplement p szerepe p részletesebben ismert
1. AMD – age-related macular degeneration • a látásromlás és vakság vezető oka a nyugati világ országaiban, 3% prevalencia • az USA-ban USA ban a vakság kb kb. 54%-áért 54% áért felelős • világszerte kb. 50 millióra becsülik az érintettek számát (WHO) • komplex betegség: életkor, örökletes és környezeti tényezők szerepe - öregedés g a fő rizikótényező y - dohányzás, étkezés, napfény - oxidatív stressz, lipidek, gyulladás, vaszkularizáció - komplementgének, egyéb genetikai tényezők
AMD – age-related macular degeneration
Khandhadia S et al., Immunobiology 2012, 217:127
AMD és komplement •
H-faktor polimorfizmus: Y402H
•
C3
•
egyes B-faktor, C2 variánsok protektívek
•
CFHR1/CFHR3 gének deléciója protektív
ezen variánsok hatásmechanizmusa még nem minden esetben világos, de a komplementrendszer szerepe az AMD patomechanizmusában eléggé biztos H-faktor: single nucleotide change 1277T→C (Y402H) (egészségesek kb. 1/3-ában) •
CT heterozigóták: >2-szeres kockázat
•
CC homozigóták: 3-6-szoros kockázat
H-faktor és AMD
Y402H polimorfizmus befolyásolja a H-faktor kölcsönhatását különböző ligandumokkal, pl.: • extracelluláris mátrix (Bruch’s membrane) • C-reaktív protein • apoptotikus/nekrotikus sejtek • malondialdehid epitópok (oxidatív károsodás) • Streptococcus St t pyogenes ! – szelekciós l k ió nyomás á ?
2. Paroxizmális nokturnális hemoglobinuria • 1-2 eset / 1,000,000 fő / év • 10-20 év várható élettartam a diagnózis g után • vörösvérsejtek pusztulásával jár • szerzett, klonális, vérképzőrendszeri betegség
Bell S, et al. ACNR 2014;14(3):24-5.
CD59
CD55
komplementaktiváció
http://www.thelymphnodes.com/related health issues/guide http://www.thelymphnodes.com/related-health-issues/guideparoxysmal-nocturnal-hemoglobinuria-pnh/
3. Atípusos hemolitikus urémiás szindróma (aHUS) • potenciálisan halálos, ritka vesebetegség 2 eset / 1,000,000 1 000 000 fő / év • hemolitikus anémia,, alacsonyy vérlemezkeszám,, akut veseelégtelenség jellemzi
courtesy of Dr. Ch.J. Mache
• veseendotél sérülése fontos a betegség kialakulása során • a komplementaktiváció szabályozásának hibájával függ össze – felszíneken (sejt, alapmembrán) - komplementgén mutációk és polimorfizmusok - génátrendeződések és deléciók a H-faktor génklaszterben - H-faktor ellenes autoantitestek
Atípusos hemolitikus urémiás szindróma (aHUS)
((© Alexion))
endotélaktiváció, vérlemezke-aktiváció, trombusképződés
állandó komplementaktiváció
trombocitopénia
hemolitikus anémia
kapilláriselzáródás (trombotikus mikroangiopátia)
veseelégtelenség urémia veseelégtelenség, tünetek egyéb szervekben
vörösvértest
granulocita
vérlemezke
von Willebrand-faktor
Atípusos hemolitikus urémiás szindróma (aHUS) • kiválthatja fertőzés, gyógyszer, terhesség… • ~50% végstádiumú veseelégtelenség, ~25% mortalitás az első akut fázis alatt • egyéb tünetek (magas vérnyomás, hasmenés, idegrendszeri p problémák…) ) • kezelés: plazmaferezis, gyulladásgátlók, anti-C5, anti C5, immunszuppresszánsok
Komplement és aHUS
klasszikus út lektin út (IgG, pentraxinok...) (cukor csoportok)
C3
alternatív út (folyamatos)
B-faktor B faktor
H-faktor C3b MCP
I-faktor
clusterin terminális út (MAC) • •
funkcióvesztéses (regulátorok) és funkciószerzéses (C3, B-faktor) mutációk szerzett forma: H-faktor autoantitestek MCP: membrane cofactor protein
Komplementgén-mutációk aHUS-ban H-faktor I-faktor MCP B faktor B-faktor C3 CFH::CFHR1 hibrid gén anti-H-faktor antitestek
20-30 % 4-12 7-10 < 2 8 3 2-10
• döntően heterozigóta mutációk • alacsony penetrancia ((~50%) 50%) – kell egy trigger trigger, pl pl. fertőzés fertőzés, gyógyszer gyógyszer, terhesség • további gének, autoantitestek szerepe?
Komplementgén-mutációk és veseátültetés
mutation
transplanted patients
recurrence
factor H
34
76 %
factor I
8
88 %
10
20 %
MCP
Loirat and Frémeaux-Bacchi, Ped. Transplant. 2008, 12:619-629.
4. Dense deposit disease (DDD)
•
ritka, súlyos vesebetegség
•
a plazma komplementreguláció hibájával asszociált (alacsony C3 szint) Licht et al. (2006) Kidney Int. 70:42-50.
•
okozhatja H-faktor deficiencia (kvantitatív v. funkcionális)
•
H-faktor -/- egereknél spontán glomerulonephritis alakul ki a plazmában való ellenőrizetlen komplementaktiváció miatt (Pickering et al., Nat. Genet. 2002)
•
gyakran C3-nefritikus faktor (C3 konvertázt stabilizáló ellenanyag) detektálható a betegekben (50-80%-ban)
•
ritkábban H-faktor vagy B-faktor ellenes autoantitest (néhány ismert eset)
(IKEA)
Komplementet p célzó terápiák p
Komplementet célzó terápiák Tisztított v. rekombináns fehérjék: • C1-INH: HANO – kininrendszer elsősorban • fejlesztés alatt: pl. H-faktor, H-faktor és CR2 fragmentumok hibridje, sCR1 Peptidek: pl. C3-gátló peptid, H-faktor kötő peptid Kis molekulájú inhibitorok: pl. C5aR antagonista, aptamerek Antitestek: • anti-C5 (eculizumab): PNH, aHUS • anti-B-faktor, anti-C3, anti-properdin etc. Klinikai próbák különböző fázisaiban tesztelnek számos potenciális komplementgátló anyagot (pl. AMD-ben, aHUS-ban, PNH-ban, szepszisben).
Morgan BP, Harris CL. Nat Rev Drug Discov. 2015;14:857-877.
Komplementgátlók felhasználási területei
Komplementaktivációval kapcsolatos betegségek gyógyítása: • C1-INH: HANO • anti-C5 (eculizumab): PNH, aHUS Orvosi beavatkozásokkal kapcsolatos komplementaktiváció gátlására: - transzplantáció során - gyógyszerek adásakor - implantátumok, kanülök stb. alkalmazásakor •
Komplementgátlók bejuttatása, vagy felszínek (pl. stent, liposzóma) módosítása a cél.
A komplementrendszer aktiválódása
klasszikus út
lektin út
alternatív út felismerés (mintázatfelismerő molekulák)
ellenll anyagok „amplification loop”
C3 C3b
C5 szabályozó y molekulák gátolják a saját sejtek, szövetek károsodását
opszonizáció, fagocitózis
C5 C5a
gyulladás, ll dá sejtaktiváció jt kti á ió
C5b-9
lízis
(célsejt feloldása)
A komplementrendszer aktiválódása
klasszikus út
lektin út
alternatív út felismerés (mintázatfelismerő molekulák)
ellenll anyagok „amplification loop”
C3 C3b
opszonizáció, fagocitózis
Anti-C5 (Soliris, eculizumab) C5 szabályozó y molekulák gátolják a saját sejtek, szövetek károsodását
C5 C5a
gyulladás, ll dá sejtaktiváció jt kti á ió
C5b-9
lízis
(célsejt feloldása)
Figure 1 Eculizumab: molecular structure and mode of action
Zuber, J. et al. (2012) Use of eculizumab for atypical haemolytic uraemic syndrome and C3 glomerulopathies Nat. Rev. Nephrol. doi:10.1038/nrneph.2012.214
Alexion Pharmaceutical’s Pharmaceutical s Soliris, at $409,500 a year, is the world’s world s single most expensive drug. This monoclonal antibody drug treats a rare disorder in which the immune system destroys red blood cells . The disorder. if left untreated,, is usuallyy lethal within 10 years. y Paroxysymal y y nocturnal hemoglobinuria (PNH), hits 8,000 Americans. (http://www.forbes.com/2010/02/19/expensive-drugs-cost-business-healthcare-rare-diseases.html)
Gyógyszer Indikáció
A betegség Kb. átlagos prevalenciája költség / év
1.
Soliris
Paroxizmális nokturnális hemoglobinuria
8000 (USA)
$ 409500
2.
Eleprase
Hunter-kór
500 (USA)
$ 375000
3.
Naglazyme Maroteaux-Lamy szindróma
1100 (világon) $ 365000
4.
Myozyme
5000-10000 (világon)
Pompe-betegség
$ 300000
Vö.: Lipitor for high cholesterol ($1,500 a year), Zyprexa for schizophrenia ($7,000 a year) or Avastin for cancer ($50,000 a year)
Alexion Pharmaceuticals (1992) – Yale 2007: Soliris engedélyezése PNH-ra 2011: engedély g y aHUS-ra
(www.forbes.com)
Problémák: • 4600 € / adag; éves szinten kb. kb 80 000 € (gyerek < 10 kg) - 460 000 € (felnött) • Vakcináció v. antibiotikumos profilaxis (Neisseria meningitidis)
A Soliris-kezelést tilos megkezdeni (lásd 4.4 pont): • azoknál k ál a PNH PNH-ban b szenvedő dő betegeknél, b k él akiknél kik él megoldatlan ld l N Neisseria i i meningitidis fertőzés áll fenn; • akik jelenleg nincsenek vakcinálva Neisseria meningitidis ellen. • azoknál az aHUS-ban szenvedő betegeknél, akiknél megoldatlan Neisseria meningitidis fertőzés áll fenn; • akik jelenleg nincsenek oltva Neisseria meningitidis ellen vagy nem részesültek megfelelő antibiotikummal folytatott profilaktikus kezelésben a vakcinációt követő 2 héten át.
4.4 Különleges figyelmeztetések és az alkalmazással kapcsolatos óvintézkedések Hatásmechanizmusából adódóan a Soliris növeli a páciens érzékenységét meningococcus i (N (Neisseria i i meningitidis) i itidi ) ffertőzéssel tő é l szemben. b E Ezen b betegek t k esetén nagyobb a ritka szerocsoportok (különösen az Y, W135 és X) fertőzésének kockázata A fertőzés kockázatának csökkentése érdekében minden beteget vakcinálni kell legalább 2 héttel a Soliris beadása előtt előtt. … Kifejezetten ajánlottak az A, C, Y és W135 szerotípusok elleni tetravalens vakcinák lehetőleg a konjugált formák vakcinák, formák. A vakcinálás nem feltétlenül elegendő a meningococcus-fertőzés megelőzéséhez. … Súlyos vagy halálos meningococcus-fertőzésekről számoltak be Soliris-szal kezelt betegeknél.
Genetic Variants in C5 and Poor Response to Eculizumab N Engl J Med 2014;370:632-9. 2014;370:632-9 Jun-ichi Nishimura, et al.
Ah heterozygous t missense i mutation t ti iin exon 21 21, c.2654G→A, 2654G A predicting di ti p.Arg885His, A 885Hi was identified id tifi d iin allll Japanese patients with a poor response but not in those who had a good response. A very similar mutation, c.2653C→T, which predicts p.Arg885Cys, was identified in an Argentinian patient of Asian ancestry who had a poor response.
Megfontolások a komplementet célzó anyagok kapcsán •
„Szokásos“ megfontolások: farmakokinetika, biztonságosság, stb.
•
Előnyök és hátrányok, hatóanyagok kombinációja
•
Fertőzések veszélye
•
Immunogenitás
•
Kell-e teljes gátlás egyáltalán? gátlás aktiváció aktiváció kti á ió
gátlás
Összefoglaló cikkek az előadás témájához: Ricklin D, Hajishengallis G, Yang K, Lambris JD. Complement: a key system t for f immune i surveillance ill and dh homeostasis. t i N Natt IImmunol. l 2010 Sep;11(9):785-97 Ricklin D D, Lambris JD JD. Complement in immune and inflammatory disorders: pathophysiological mechanisms. J Immunol. 2013 Apr 15;190(8):3831-8. Ricklin D, Lambris JD. Complement in immune and inflammatory disorders: therapeutic interventions interventions. J Immunol Immunol. 2013 Apr 15;190(8):3839-47. Morgan BP, Harris CL. Complement, a target for therapy in inflammatory and degenerative diseases. Nat Rev Drug Discov. 2015 Dec;14(12):85777.
