Immunology of Pregnancy and Risk of the Sensitisation Anna Šedivá, Jiřina Bartůňková Ústav imunologie 2. LF UK a FN Motol, Praha
Souhrn Článek v přehledné formě shrnuje komplexní problematiku imunologie v těhotenství. Úvodní část se zabývá imunitními pochody umožňujícími průběh těhotenství včetně nových poznatků zahrnujících roli molekuly HLA-G a Th2 profilace imunitního systému těhotných. V další části je shrnuta charakteristika vývoje imunitních parametrů u plodu a charakteristika imunitního systému u matky v průběhu těhotenství. Z popsaných fyziologických pochodů potom vyplývá závěrečná část podávající přehled současných názorů na mechanizmy alergické senzibilizace v prenatálním a časném postnatálním životě. Přehled zahrnuje úlohu cytokinů, Th1 a Th2 regulace imunitní odpovědi, časové faktory ovlivňující vznik alergie v průběhu těhotenství a v časném dětství a dále vliv prostředí působícího v popisovaném období na vznik alergických reakcí. Celkové shrnutí problematiky ukazuje na trendy, kterými se ubírá preventivní terapie alergických onemocnění. Klíčová slova: imunologie, těhotenství, IgE, cytokiny, alergie, senzibilizace SUMMARY Current article represents the overview of the complex process of immunology of pregnancy. Introduction is pointed at the immune reactions enabling whole the process of pregnancy, including the description of the role of HLA-G molecule and Th2 oriented profile of the immune system of pregnant women. Subsequent part of the article deals with the development of immune reactions forms the base for the description of immunopathology of allergy and the sensitisation of child during pregnancy and early childhood. The attention is focused on the role of Th1 and Th2 cytokines, regulation of the immune response, time related factors of the process of sensitisation and the influence of environmental factors on the development of allergy. The summary of all immune problems of pregnancy and first months of life shows the trends for the preventive management of allergic disorders. Key words: immunology, pregnancy, IgE, cytokines, allergy, sensitisation
Úvod Celý proces těhotenství je imunologicky podmíněným dějem, kdy na podkladě imunitních reakcí dochází k toleranci a vývoji plodu. V poslední době došlo k velkému rozvoji poznatků o imunologických mechanizmech umožňujících průběh těhotenství. Přehled základních imunitních reakcí zahrnujících funkci HLA-G molekuly, regulaci mateřské imunity ve smyslu Th2 profilace a utlumení mateřských
cytotoxických reakcí je podán v úvodní kapitole tohoto článku. V další části je shrnut vývoj imunitních parametrů u matky a u plodu v průběhu těhotenství. Imunitní reakce jsou podkladem také patologických situací zahrnujících i senzibilizaci plodu a následný rozvoj alergických reakcí u dětí. Mechanizmy umožňující tyto pochody v prenatálním a časném postnatálním životě se zabývá závěrečná část článku. Normální těhotenství Těhotenství představuje proces aktivně řízený imunoregulačními mechanizmy. Aktivace imunitních mechanizmů směřujících k normálnímu průběhu těhotenství je spuštěna v okamžiku přichycení embryonálních buněk do děložní výstelky a v iniciálních fázích formování placenty. Hlavními rysy imunitní odpovědi matky na probíhající těhotenství je výrazná převaha Th2 odpovědi a potlačení cytotoxických reakcí (2). Za změnu imunitních reakcí u matky tímto směrem je v počátečních fázích těhotenství zodpovědná molekula HLA systému, exprimovaná v trofoblastu a nazývaná HLA-G (4). HLA-G je neklasická HLA molekula s typickou molekulární strukturou, skládající se z těžkého řetězce HLA molekul a beta2mikroglobulinu. Na rozdíl od klasických ubikvitérních HLA-A,B a C molekul I. třídy, jež se účastní v histokompatibilních reakcích a v procesech prezentace antigenu následovaných vyvoláním imunitní odpovědi, má HLA-G tkáňově omezenou distribuci, omezený polymorfizmus jinak typický pro HLA systém a má několik izoforem. Hlavní funkce této molekuly je taktéž rozdílná od obecné role HLA molekul I. třídy a spočívá v udržení imunologické tolerance plodu v průběhu těhotenství (4). HLA-G se nalézá výhradně na materno-fetálním rozhraní na povrchu buněk trofoblastu. V této lokalizaci dochází ke kontaktu HLA-G molekul na těchto buňkách s lymfocyty přítomnými v tkáni deciduy. V populaci těchto lymfocytů je výrazná převaha NK buněk. NK buňky přítomné v decidue v souvislosti s HLA-G molekulou hrají významnou roli při implantaci a umožňují lýzou deciduálních buněk agresivní invazi trofoblastu. Oproti tomu samotné buňky trofoblastu, jež jsou embryonálního původu, exprimují HLA-G a jsou díky této molekule rezistentní vůči lýze způsobené těmito NK buňkami, čímž je umožněna implantace a zároveň ochrana plodu (4). Agresivní lytické reakce podléhají taktéž kontrolním mechanizmům. Pod vlivem probíhajících interakcí buňky deciduy začnou exprimovat receptory, například CD 94 nebo KIR (killer inhibitory receptor), jež umožňují, avšak kontrolují a omezují, agresivní migraci trofoblastu (2, 4). V tkáni deciduy v populaci přítomných lymfocytů jsou i cytotoxické CD8 pozitivní lymfocyty s rysy LGL (large granular lymphocytes). Tyto buňky vytvářejí v této lokalizaci cytokinové prostředí, jež navodí převahu Th2 imunitní odpovědi a potlačení cytotoxických reakcí (2). V průběhu těhotenství je výrazně preferována větev Th2, směřující k sekreci protilátek. Produkce alloprotilátek namířených proti paternálním antigenům přítomným na tkáních plodu přispívá k udržení těhotenství. Potlačení cytotoxických reakcí, normálně podporovaných Th1 větví imunitní odpovědi, má ve svém důsledku tutéž funkci, směřující ke zdárnému průběhu procesu těhotenství (2, 4). Kromě buněk a protilátek se v imunitních reakcích uplatňuje řada dalších molekul. Důležitá je síť cytokinů. V průběhu celého těhotenství jsou potlačeny cytokiny stimulující Th1 větev imunitní odpovědi, a to zejména IFN g. Produkovány jsou naopak cytokiny směřující k Th2 polarizaci imunitní odpovědi, jako je IL-10 a IL-4. Tato Th2 polarizace je ještě dále udržována sekrecí prostaglandinu E2 a progesteronu. Kromě těchto regulačních cytokinů buňky deciduy a přítomné NK buňky produkují prorůstové cytokiny podporující růst trofoblastu, jako je například GM-CSF (granulocyte-macrophages – colony stimulating factor), TGF beta (transforming growth factor beta) a další (2). Proces imunologické tolerance plodu a podpory jeho růstu a vývoje probíhá od prvních okamžiků implantace, je ukončen přibližně do 10. týdne těhotenství a je nadále pevně a nezvratně udržován až do porodu. Obdobné pochody nastupují při následném těhotenství, pokud zůstává otec stejný. Při rozdílné paternitě jsou všechny imunologické pochody nastolovány opět od začátku (2). Vývoj imunity matky a plodu v průběhu těhotenství Imunitní změny u matky v průběhu těhotenství Imunitní změny u matky vyplývají z procesu udržení těhotenství popsaného v předchozím odstavci. U matky je v průběhu celého těhotenství navozen a udržován stav imunosuprese a tolerance plodu jako fetálního allotransplantátu. V důsledku toho je po celé těhotenství snížen počet a funkce NK buněk, stejně
tak je snížen počet cytotoxických a aktivovaných lymfocytů T. V průběhu těhotenství se také tvoří a jsou detekovatelné alloprotilátky proti paternálním antigenům, jež přispívají k udržení těhotenství. Kromě těchto specifických imunitních reakcí jsou celkové změny v imunologických parametrech mírné a variabilní. V oblasti protilátek bývá nalézáno zvýšení IgM, jinak je obraz imunologického vyšetření matky v rozmezích normálních hodnot. Výraznější změny se odehrávají lokálně v placentě, kde nejsou zachytitelné běžným imunologickým vyšetřením. V placentě je nahromadění imunologicky aktivních buněk, hlavně makrofágů, které jsou aktivovány a udržují cytokinové prostředí napomáhající Th2 profilaci a dále usnadňují růst plodu (2). Vývoj imunity u plodu Vývoj imunity plodu je těsně spjat s vývojem hematopoetického systému, ze kterého pocházejí buňky imunitního systému, a dále s vývojem centrálních a periferních imunitních orgánů (12). Proces maturace T lymfocytů probíhající v thymu je započat během fetálního vývoje a pokračuje po narození. Vývoj thymu a následně T lymfocytů je tedy těsně spjat s vývojem buněčné imunity, jak je popsána dále. S růstem a vyzráváním plodu přebírá kostní dřeň, další z centrálních imunitních orgánů, hematopoézu ze žloutkového vaku a dále z jater plodu. Tento proces se plynule a postupně odehrává přibližně od 4. až 6. měsíce těhotenství a je rázně dokončen narozením dítěte. S procesy hematopoézy je spojena možnost diagnostiky stavu imunity u plodu. V oblasti buněčné imunity dochází k postupnému charakteristickému vývoji spektra B i T lymfocytů a NK buněk plodu (15). Počty T lymfocytů postupně stoupají od 15 - 16 týdne těhotenství a postupně též mění své povrchové znaky z naivních buněk na buňky rozpoznávající antigeny (15). Přítomnost a charakter T lymfocytů v cirkulaci plodu je taktéž kritickým faktorem pro zralost a možnost imunitní odpovědi plodu. Výrazná lymfocytóza u plodu se až v posledních týdnech těhotenství mění na převahu granulocytů, charakteristických pro novorozenecké období (vlastní pozorování, 1996). V oblasti protilátek nemá plod za normálních okolností žádné imunoglobuliny a až v posledních týdnech těhotenství dochází k přestupu IgG placentou. Za tento přestup je zodpovědná struktura nazývaná FcRn, Fc receptor neonatal, molekula podobné struktury jako HLA molekuly, zmiňované v první části tohoto článku v souvislosti s HLA-G (6). FcRn aktivně váže Fc část IgG molekuly mateřského původu a zprostředkuje jeho přenos přes placentu (12). Další izotypy imunoglobulinů se za normálních okolností začínají tvořit až u novorozence pod tlakem antigenu. Za patologických okolností intrauterinních infekcí se IgM může tvořit již intrauterinně u plodu jako reakce na infekční agens. Kromě protilátek se vyvíjejí i další složky imunitního systému, jako jsou cytokiny a další součásti specifické i nespecifické imunity. Ve vztahu k regulaci imunitní odpovědi a výrazné preferenci Th2 větve imunitní odpovědi je velmi důležitá přítomnost Th1 a Th2 specifických cytokinů u plodu. U plodu je možné detekovat IFN g, jehož množství však významně klesá s průběhem těhotenství a jeho hladina je všeobecně nízká ke konci tohoto období (1). Plod sám neprodukuje téměř žádné Th2 profilující cytokiny, jako je IL-4. Imunitní systém u plodu je schopen reagovat na antigeny, které se však za normálních okolností dostávají do styku s jeho imunitním systémem pouze prostřednictvím matky. S narozením dítěte dochází v imunitním systému ke změnám, jež probíhají hlavně pod vlivem vnějších antigenů, jimž je náhle organizmus dítěte vystaven a postupně se rozvíjejí možnosti imunitních reakcí. Atopie a alergie Predikce vzniku alergie V souvislosti s alarmujícím nárůstem alergických onemocnění v populaci se hlavně v poslední době věnuje velká pozornost imunitním pochodům v těhotenství a jejich možnému vlivu na vznik alergie u dítěte. Počáteční snahy predikovat vznik alergie u dítěte na podkladě hodnot IgE naměřených v amniu či v pupečníkové krvi se setkaly jen s částečným úspěchem, dalšími moderními studiemi spíše zpochybňovaným (5, 8, 11). Nicméně nárůst alergií v populaci - stejně tak jako riziko atopického terénu na pozdější rozvoj alergických reakcí - je zřejmé. Tento fakt vedl k dalšímu hledání charakteristiky a možnosti predikce alergie u rizikových dětí. Se znalostí regulačních pochodů vedoucích k alergickým reakcím byly u novorozených dětí kromě hladin IgE zkoumány i schopnosti produkce cytokinů. U rizikových dětí byla nalezena výrazně snížená produkce IFNg jejich T lymfocyty (9). Navíc je u těchto dětí specificky výrazně snížená produkce IFNg jako odpověď na antigeny, které potom vyvolávají jejich alergické reakce (16). Využití produkce IL-4 k predikci rizika alergie je obtížnější, neboť schopnost
produkce tohoto cytokinu je u fétu všeobecně velmi nízká (16). U dětí s rizikem vzniku alergie na podkladě jejich imunitního profilu je také zvýšené nebezpečí prenatální senzibilizace. Prenatální senzibilizace Otázce senzibilizace alergenem je věnována velká pozornost. Je známo, že expozice vysokým koncentracím alergenu v prvních měsících života je spojena se zvýšeným rizikem vzniku alergie (16). V této souvislosti byly uspořádány studie, které zjišťovaly vliv prenatální expozice alergenům na pozdější vznik alergie u dítěte. Studie, které se zabývaly měřením expozice matek alergenům ve třetím trimestru těhotenství, neodhalily žádný rizikový vliv u matek vystaveným alergenům ve srovnání s matkami a jejich dětmi, které se s alergeny nesetkaly (16). Při bližším zkoumání, se zřetelem na vývoj imunity u matky a plodu, tak jak je popsán v úvodních částech tohoto článku, se zjistilo, že kromě faktu samotné expozice alergenu je nesmírně důležitý časový faktor, určující, v jakém období vývoje plodu k expozici dojde (7, 16). Z výsledků studií vyplývá, že kritická doba pro expozici alergenu a následnou senzibilizaci je 22. týden těhotenství. Při expozici před tímto termínem nedojde k senzibilizaci pro nedostatečnou vyzrálost imunitního systému plodu, jehož T buňky právě v této době nabývají proliferačních schopností (16). Podle výsledků studií se také ukazuje, že právě druhý trimestr těhotenství je kritickou periodou pro počáteční aktivaci T lymfocytů. Mateřská expozice alergenům ve třetím trimestru již neměla vliv na vznik alergických reakcí. Druhý trimestr je z tohoto hlediska nazýván periodou „okna“, které trvá přibližně od pátého do sedmého měsíce těhotenství a představuje kritickou periodu pro senzibilizaci in utero u jedinců s atopickou predispozicí (7, 16). Imunologický podklad tohoto faktu leží v Th2 dominanci u matky. Obzvláště u alergických matek dojde při expozici alergenu k další stimulaci Th2 odpovědi, jež může následně ovlivnit plod. Dále děti těchto matek s atopickou dispozicí mají i v prenatálním období nižší schopnosti sekrece IFNg, což jim neumožňuje blokovat Th2 imunitní reakcí a přispívá dále k procesu senzibilizace. Toto úzké spojení mezi matkou a plodem také může přispět k vysvětlení faktu, proč se alergická dispozice dědí silněji ze strany matky než otce. Kromě ovlivnění imunologických reakcí plodu může dojít k senzibilizaci plodu i expozicí plodu přímo alergenům, jež se dostanou přes placentární bariéru. Je určitá možnost, že alergeny mohou přestoupit přes placentu ve formě komplexů s přestupujícím IgG, hypoteticky by se mohlo jednat o antigenní efekt antiidiotypových protilátek. Postnatální senzibilizace novorozence a kojence K prenatální senzibilizaci rizikových dětí dochází hlavně v druhém trimestru těhotenství, zatímco pokusy omezit expozici alergenům u matek ve třetím trimestru nevedly ke snížení alergického rizika pro dítě (17). Naopak jako velmi důležitý fakt se ukazuje nutnost snížit antigenní zátěž po narození a v prvních měsících života, kdy zátěž antigeny významně přispívá ke vzniku alergických reakcí (16, 17). Nutnost omezit expozici alergenům hned po narození se týká hlavně dětí s atopickou zátěží. Zatímco u dětí bez tohoto pozadí vede intrauterinní expozice alergenu k toleranci, u atopiků a zvláště po další expozici alergenu po narození vede tento druh senzibilizace k rozvoji alergického onemocnění (16). U těchto dětí přetrvává Th2 typ imunitní odpovědi, který je nadále udržován expozicí alergenu. Aktivované, senzibilizované T lymfocyty jsou stimulovány expozicí antigenu. K expozici může kromě přímého vystavení alergenu dojít i kojením. Prováděné studie opravdu prokázaly u dětí do 2 let věku, jejichž matky omezily v průběhu těhotenství a kojení příjem alergizující potravy, snížený výskyt potravinové alergie. Nicméně tato výhoda vymizela do věku 7 let, kdy se setřely rozdíly mezi skupinami dětí a matek, jež omezily alergeny v životním stylu a těmi, jež se pohybovaly v normálním prostředí (17). Protilátky typu IgE jsou po vystavení alergenu tvořeny v tomto období jak atopickými, tak neatopickými dětmi. Nicméně u dětí bez rodinné zátěže dojde k imunologickým pochodům tolerance a postupnému snížení alergické odpovědi (14). V případě potravinových antigenů se zřejmě jedná o mechanizmus anergie specifických T lymfocytů při expozici vysokým dávkám antigenu v potravě, u inhalačních alergenů jde spíše o mechanizmus imunitní suprese, kdy se pod vlivem malých dávek inhalačních alergenů mění původní novorozenecký Th2 typ reaktivity na Th1. Rozdíl v polarizaci imunitní odpovědi byl v populaci atopických dětí a dětí bez této zátěže prokázán. Děti s atopickým rizikem produkovaly v kulturách mononukleárních buněk po stimulaci signifikantně více IL-4 a méně IFNg než děti z kontrolní skupiny a vykazovaly tak opožděné vyzrávání směrem k Th1 typu imunity, a tím zvýšené riziko vzniku alergie (13). Multifaktoriální genetické faktory tedy určují typ imunitní reaktivity, a tím riziko alergických reakcí. Nicméně genetické faktory nevysvětlují prudký nárůst alergie v posledních letech. Proto se stále více zaměřuje pozornost v tomto směru na vliv prostředí.
Vlivy prostředí na vznik alergie v časných věkových obdobích Křivka nárůstu alergických onemocnění v posledních desetiletích zákonitě otevírá otázku vlivu prostředí, a to hlavně ve vyspělých zemích, na vysokou incidenci alergických onemocnění. Určité faktory přispívající k nárůstu alergií byly odhaleny a zahrnují především kouření v rodině, dále zvýšenou expozici alergenům vnitřního prostředí v budovách, znečištěné životní prostředí a v časných věkových obdobích hlavně změny ve výživě. Přes určitý dopad těchto faktorů není prudký nárůst frekvence alergických onemocnění zcela vysvětlen. Při hledání příčin se objevily i hypotézy, které prokazovaly souvislost nárůstu alergií se změnou expozice dětí spektru mikroorganizmů v nejčasnějším období života. Postnatální infekce mají vliv na postupné přesměrování z Th2 na Th1 větev imunitní odpovědi. Zvláště důrazně v tomto směru působí vakcinace proti tbc, které bylo připisováno pozitivní ovlivnění vzniku alergie právě polarizací k Th1 větvi imunity. Nicméně poslední studie více než 6000 dětí ze Švédska i tuto hypotézu zpochybňuje (10). Změny ve výživě budou hrát výraznou roli při vzniku alergií za účasti reakcí slizničního imunitního systému. Ten je obzvláště zapojen v oblasti gastrointestinálního traktu, kde se podílí na regulaci imunitní odpovědi. Zvyšující se rozdíly mezi prudce rostoucí incidencí alergie ve vyspělých zemích a výrazně nižší křivce nástupu alergií v rozvíjejících se zemích také směřují významně do oblasti odlišného spektra a způsobu výživy malých dětí (3). Stejně jako nacházíme otevřené „okno“ v průběhu těhotenství ve druhém trimestru, kdy dochází k senzibilizaci rizikových plodů, tak i v časném postnatálním životě je u atopických dětí určité okno, kdy je vysoké riziko senzibilizace a rozvoje alergie. Toto okno je zřejmě výrazně delší u společností v rozvinutých zemích než u společností žijících tradičním způsobem života. Přes mocný aktivní výzkum v těchto oblastech nejsou závěry jednoznačné a alarmující nárůst alergických onemocnění jenom posílí hledání dalších poznatků na tomto poli. Závěr Imunitní pochody odehrávající se v průběhu těhotenství u matky i u plodu mají příčinnou souvislost se vznikem alergických onemocnění. Imunitní reakce zodpovědné za vznik alergie jsou ovlivňovány jak genetickými vlivy, tak vlivy prostředí. Podle současných znalostí shrnutých v článku jsou v období těhotenství a časného dětství dvě riziková období, kdy je z preventivních důvodů u dětí s rizikovými genetickými faktory nutné omezit expozici alergenům, a to je druhý trimestr těhotenství a první měsíce života. Pomyslné okno otvírající se po narození bude zřejmě různě dlouhé ve vyspělých společnostech a ve společnostech stále žijících tradičním způsobem života. Závažný nárůst alergických onemocnění podnítí další výzkumy na tomto poli. V současné době nezbývá než nadále balancovat na úzké hranici mezi Th2 dominující imunitní odpovědí vedoucí k alergii a pozitivní Th1 směřující odpovědí, která však na svém druhém pólu může vést k rozvoji autoimunitních onemocnění. doc. MUDr. Anna Šedivá, CSc. Ústav imunologie 2. LF UK a FN Motol V Úvalu 84 150 18 Praha Literatura 1. Abbas A, Thilaganathan B, Buggins AG, Layton DM, Nicolaides KH. Fetal plasma interferon gamma concentration in normal pregnancy. Am J Obstet Gynecol 1993; 168(5): 1414-1416. 2. Beer AE, Kwak-Kim JYH. Immunology of normal pregnancy. http:/repro-med.net/papaers /normpreg.html. 3. Björksten B. The environmental influence on childhood asthma. Allergy 1999; 54 Suppl 49: 17-23. 4. Carosella ED, Dausset J, Rouas-Freiss N. Immunotolerant functions of HLA-G. Cell Mol Life Sci 1999; 55(3): 327-33. 5. Eiriksson TH, Sigurgeirsson B, Ardal B, Sigfusson A, Valdimarsson H. Cord blood IgE levels are influenced by gestational age but do not predict allergic manifestations in infants. Pediatr Allergy
Immunol 1994; 5(1): 5-10. 6. http://www.path.cam.ac.uk/~mrc7/movies/fcrn1.html 7. Jones AC, Miles EA, Warner JO, Colwell BM, Bryant TN, Warner JA. Fetal peripheral blood mononuclear cell proliferative responses to mitogenic and allergenic stimuli during gestation. Pediatr Allergy Immunol 1996; 7(3): 109-116. 8. Odelram H, Björksten B, Leander E, Kjellman NI. Predictors of atopy in newborn babies. Allergy 1995; 50(7): 585-592. 9. Rinas U, Horneff G, Wahn V. Interferon-gamma production by cord-blood mononuclear cells is reduced in newborns with a family history of atopic disease and is independent from cord blood IgE-levels. Pediatr Allergy Immunol 1993; 4(2): 60-64. 10. Strannegard IL, Larsson LO, Wennergren G, Strannegard O. Prevalence of allergy in children in relation to prior BCG vaccination and infection with atypical mycobacteria. Allergy 1998; 53(3): 249-254. 11. Strimas JH, Chi DS. Significance of IgE level in amniotic fluid and cord blood for the prediction of allergy. Ann Allergy 1988; 61(2): 133-136. 12. Šedivá A. Imunitní systém u dětí. Triton, Praha 1999. 13. Tang ML, Coleman J, Kemp AS. Interleukin-4 and interferon-gamma production in atopic and non-atopic children with asthma. Clin Exp Allergy 1995; 25(6): 515-521. 14. Tariq SM, Stevens M, Matthews S, Ridout S, Twiselton R, Hide DW. Cohort study of peanut and tree nut sensitisation by age of 4 years. BMJ 1996; 31 313:7056 514-517. 15. Thilaganathan B, Mansur CA, Morgan G, Nicolaides KH. Fetal T-lymphocyte subpopulations in normal pregnancies. Fetal Diagn Ther 1992; 7(2): 53-61. 16. Warner JA, Jones CA, Jones AC, Miles EA, Francis T, Warner JO. Immune responses during pregnancy and the development of allergic disease. Pediatr Allergy Immunol 1997; 8:10 Suppl 5-10. 17. Zeiger RS, Heller S. The development and prediction of atopy in high-risk children: follow-up at age seven years in a prospective randomized study of combined maternal and infant food allergen avoidance. J Allergy Clin Immunol 1995; 95(6): 1179-1190.
