Natural Rubber Latex Allergy: Cutaneous and Airway Responses in Mouse Models and Immune Responses in Latex-Allergic Patients

Abstract

Luonnonkumiallergia on merkittävä ongelma toistuvasti luonnonkumituotteiden kanssa tekemisiin joutuvilla henkilöillä. Kumikäsineet ja muut luonnonkumituotteet herkistävät ihokosketuksen kautta ja voivat aiheuttaa nokkosihottumaa, allergista nuhaa ja astmaa erityisesti terveydenhuollon työntekijöille. Toistuvasti leikkauksiin joutuvilla on myös normaalia suurempi riski herkistyä luonnonkumille. Luonnonkumille allergisoituneilla esiintyy usein välittömien (tyypin I) allergioiden lisäksi käsi-ihottumaa, jonka syynä saattaa olla viivästynyt allergia. Tietämys siitä, mitkä ovat luonnonkumiallergian iho- ja hengitystieherkistymiseen johtavia tekijöitä, on melko vähäistä. Tämän allergian ehkäisy ja hoito vaativat kuitenkin, että allergian kehittymisen taustalla olevat mekanismit tunnetaan riittävän hyvin.

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ihon tulehdusvasteita sekä luonnonkumille spesifisten vasta-aineiden tuottoa hiirimallia hyödyntämällä. Luonnonkumin ihoaltistuksen merkitystä hengitysteiden herkistymisessä tutkittiin samoin hiirimallilla. Luonnonkumiallergikkojen verisoluja käytettiin tutkittaessa luonnonkumin kahden pääallergeenin Hev b 6.01:n ja Hev b 5:n vaikutusta tulehdusvälittäjäaineisiin (sytokiineihin ja kemokiineihin). Uusimpien tutkimusten mukaan Hev b 2 ja Hev b 13 ovat myös luonnonkumiallergian pääallergeeneja. Tässä tutkimuksessa selvitettiin näille allergeeneille spesifisten IgE vasta-aineiden esiintyvyyttä kolmessa eri maassa; Suomessa, Espanjassa ja USA:ssa. Tämä tutkimus luo pohjaa tarkemman diagnostiikan kehittämiselle ja luonnonkumiallergian ehkäisylle.

Luonnonkumiallergian hiirimallit osoittivat, että ihon kautta tapahtuva herkistyminen aiheuttaa voimakkaan allergeeni-spesifisen IgE vasteen veressä ja altistaa hiiret allergiselle, Th2 tyypin iho- ja keuhkotulehdukselle. Ihon altistuminen luonnonkumille saattaa aiheuttaa samalla mekanismilla luonnonkumiallergikoille käsi-ihottumaa ja myös lisätä mahdollisuutta sairastua luonnonkumin aiheuttamaan astmaan. Luonnonkumiallergikkojen veren yksitumaisten valkosolujen vasteet luonnonkumin pääallergeeneille osoittivat, että tulehdussytokiinit ja -kemokiinit yhdessä säätelysytokiinien kanssa osallistuvat merkittävästi tulehdusvasteeseen ja sen säätelyyn. IgE vasta-aineiden määrä luonnonkumiallergikkojen seerumissa osoitti, että allergeenien puhtausaste vaikuttaa merkittävästi saataviin esiintyvyyslukuihin. Tulosten mukaan Hev b 2:ta ja Hev b 13:a ei voida, päinvastoin kuin tähän menneessä julkaistu kirjallisuus osoittaa, luonnehtia luonnonkumiallergian pääallergeeneiksi.

Natural rubber latex (NRL) allergy has been an important health issue for two decades. Gloves and other NRL products cause contact urticaria, rhinitis and asthma in NRL-allergic health care workers (HCW) and may sensitize patients during surgical operations. In addition to type I immediate symptoms, NRL-allergic subjects often suffer from hand dermatitis. A major goal of the present study was to investigate cutaneous and airway routes in sensitization and the subsequent inflammatory responses to NRL in the skin and lungs. The specific goals included (i) characterization of cutaneous inflammatory response to NRL allergens (ii) examination of the impact of cutaneous exposure route in the development of airway hypersensitivity to NRL in mouse models of NRL allergy and, (iii) investigation in NRL-allergic patients of cytokine and chemokine responses of circulating mononuclear cells to two of the most important NRL allergens, Hev b 6.01 and Hev b 5. Finally, the study aimed to determine IgE antibody prevalence rates in NRL-allergic patients to Hev b 2 and Hev b 13, two proteins, which have recently suggested to be major NRL allergens.

When BALB/c mice were exposed to NRL patches for three one-week periods, the NRL exposed skin exhibited a Th2-type dermatitis, characterized by infiltration of CD3+CD4+ T cells, eosinophils and degranulated mast cells (I). This inflammatory response was associated with enhanced expression of IL-1b and IL-4 mRNA, and with increased mRNA expression of CC chemokines CCL2, CCL3, CCL4 and CCL11. Cutaneous NRL exposure induced significant total and Hev b 6.01- specific IgE responses, whereas intraperitoneal exposure produced Hev b 1-specific and NRL-specific IgG2a responses.

Airway hyperresponsiveness in mice was measured by whole-body plethysmography (II). Airway NRL-challenge (0.5% in PBS) after intracutaneous (IC) and intraperitoneal (IP) sensitizations, but not after intranasal (IN) sensitization, induced a significant airway hyperreactivity, lung mucus production and influx of mononuclear cells and eosinophils into the lungs. Th2 cytokines (IL-4 and IL-13) and several CC chemokines (CCL1, CCL3, CCL8, CCL11, CCL17 and CCL24) and chemokine receptors (CCR1, CCR3, CCR4 and CCR8) were similarly induced in the lungs after IC and IP sensitization. IN sensitization of mice increased expression of regulatory cytokine TGF- b1 and regulatory T-cell marker Foxp3 mRNA in the lungs and produced a negligible amount of Hev b 6.01-specific IgE in the blood in contrast to IC and IP sensitization.

In human studies, PBMC from NRL-allergic patients showed significant proliferation responses to Hev b 6.01, but not to Hev b 5 compared with control subjects (III). Both allergens induced a significant mRNA expression of proinflammatory (TNF, IL-12p40) and Th2 (IL-13) cytokines. Regulatory cytokine expression in PBMC of NRL-allergic patients exhibited diametrical changes; IL-10 was increased but TGF-b1 mRNA was decreased compared with control subjects. NRL allergens induced significant expression of inflammatory chemokines (CCL3, CCL4, and CCL20). In addition, CCR4 expression was increased on CD3+CD8- T cells whereas CXCR3 expression decreased on CD3+CD8+ T cells.

IgE antibody prevalence to Hev b 2 and Hev b 13, and also to Hev b 5 and Hev b 6.01 was examined in the sera of 215 NRL-allergic patients and 172 control subjects from Finland, Spain and the USA (IV). The allergens were purified by chromatography under non-denaturating conditions. A special effort was made to extensively purify native Hev b 2 and Hev b 13. By using these purified allergens in ELISA, IgE prevalence was found to be relatively low both to Hev b 2 (from 5% to 15%) and Hev b 13 (from 18% to 30%). In contrast, IgE prevalence was high both to Hev b 6.01 (from 54% to 74%) and Hev b 5 (from 28% to 71%) confirming that these NRL allergens are the major allergens in Europe and in the USA.

In conclusion, the present experiments in mouse NRL allergy models reveal that cutaneous NRL exposure induces Th2-type skin and lung inflammation and strong humoral allergen-specific IgE responses. Cutaneous exposure to NRL allergens could therefore be involved in the development of hand eczema in NRL-allergic patients and predispose sensitized subjects to asthma. The observed PBMC responses to major NRL allergens suggest that allergen-specific induction of inflammatory cytokines and chemokines is important in the pathophysiology of NRL allergy. These findings also emphasize the important role of the regulatory cytokines. The IgE antibody prevalence study emphasizes the importance of using highly purified NRL allergens and furthermore provides clear evidence that neither Hev b 2 nor Hev b 13 can be considered as major NRL allergens.