Allergia, senescenza e medicina rigenerativa Dott. Domenico Gargano U.O di Allergologia e Immunologia Clinica

L'allergia è una reazione d’ipersensibilità sostenuta da meccanismi immunologici IgE-mediati (tipo I) o cellulo-mediati (tipo IV)

L’atopia è la tendenza familiare o individuale a produrre anticorpi IgE in risposta a basse dosi di antigeni (solitamente proteine) Atopia non è sinonimo di Allergia poiché descrive solo una PREDISPOSIZIONE

Sistema Immunitario

IMMATURITA’ IMMUNITARIA INFANZIA IMMATURITA’ IMMUNITARIA Th2 Th1

MATURITA’ IMMUNITARIA PREADOLESCENZA (fattori favorevoli) Genitori sani Alimentazione corretta Th2 Th1 Non uso di farmaci Ambiente sano MATURITA’ IMMUNITARIA

(fattori sfavorevoli) PREADOLESCENZA (fattori sfavorevoli) Predisposizione genetica Alimentazione scorretta PATOLOGIE ALLERGICHE Th2 Th1 Esposizione allergenica Inquinanti Uso di farmaci Parto cesareo Ambiente asettico Figli unici

(fattori sfavorevoli) PREADOLESCENZA (fattori sfavorevoli) Predisposizione genetica Interventi chirurgici Th2 Th1 Infezioni virali Malnutrizione PATOLOGIE AUTOIMMUNI

9 IgE

IL-4 IL-5 IL-9 IL-13 IL-4

Invecchiamento del sistema immunitario l declino immunitario è solo in parte legato all’età, ma esso è dovuto principalmente alle malattie e alle infezioni Gli anziani sani hanno un sistema immunitario con parametri di efficienza non molto diversi da quelli dell’adulto. Negli ultracentenari i sistemi di difesa mantengono un elevato grado di efficacia, e possono quindi essere considerati un marker genetico di longevità (legato significativamente all’aplotipo HLA B44/DRw6)

Invecchiamento del sistema immunitario Immunità specifica Cellulare Atrofia fisiologica del timo con perdita di efficacia nell’immunità cellulo mediata Atrofia e aumento del tessuto adiposo nel midollo osseo con aumento di plasmacellule a spese delle cellule eritroidi Modificazione di milza e linfonodi si con diminuzione di cellule in grado di rispondere agli antigeni e mitogeni (diminuzione dei centri germinativi) e aumento di quelle differenziate (plamacellule, macrofagi) e del connettivo. Altri elementi modificati sono: Diminuzione della proliferazione linfociti ad attività citotossica ↓ efficienza linfociti B ↑ autoanticorpi (gammapatia monoclonale benigna dell’anziano) ↓ numero e attività di macrofagi ↓ chemiotassi ↓ efficacia della cute e degli altri sistemi di barriera (mucose, clearance mucociliare, secrezione, peristalsi, produzione di IgA, flora batterica commensale)

Invecchiamento del sistema immunitario Immunità specifica Umorale Diminuzione di Ig nel siero con aumento relativo di IgA e IgG rispetto alle IgM. Le Ig prodotte sono spesso autoreattive, contro organi specifici o non (DNA, antinucleo ,antimitocondri), ed aumento della concentrazione di immunocomplessi. presenza di una gammapatia monoclonale benigna di incerto significato, dell’anziano diminuzione risposta anticorpale agli antigeni estranei (aumento malattie infettive) aumentata reattività agli antigeni endogeni (aumento malattie autoimmuni) incremento della incidenza e gravità di fenomeni vasculitici da IC

Invecchiamento del sistema immunitario Immunità non specifica Riduzione di macrofagi, con deficit di processazione e presentazione di antigeni (↓ ruolo APC), e di secrezione di citochine Riduzione dei neutrofili, con deficit di capacità chemitotattica Riduzione dei linfociti K e NK cellule importanti nel controllo delle neoplasie Le barriere difensive dell’organismo (cute, mucose, epiteli) sono ridotte in attività e superficie. Nello specifico: • Cute: riduzione spessore epitelio e sottocute, ↓ flusso ematico, ↓ melanociti ↓ collageno ed elastina • Intestino: ipocloridria, diminuzione secrezione di IgA, diminuzione peristalsi • Respiratorio: ↓ clearence mucociliare, ↓ attività PMN e macrofagi, ↓ secrezione di IgAs.

ATOPIA PATOLOGIE ALLERGICHE Th2 Th1

GENETIC PATTERN ATOPY TH2 IL-4 IL-5 IL-13 ANTIGEN Maternal factors PRESENTATION Maternal factors Feeding Infections Gut microbial flora Allergen exposure GENETIC PATTERN ATOPY TH2 Mast cell Treg IL-4 IL-5 IL-13 Th1 NORMAL DEFENSE AGAINST PATHOGENS

Choose your parents !!! Both parents 60% One parent 40% None (but relatives) 20% Both with the same allergy 80%

epigenetica

Meccanismi di modulazione epigenetica Metilazione del DNA Modificazione degli istoni Regolazione del DNA non codificante

Maternal factors Infections Feeding Gut microbial flora ANTIGEN PRESENTATION Maternal factors Infections Feeding Gut microbial flora Allergen exposure GENETIC PATTERN ATOPY TH2 Mast cell Treg IL-4 IL-5 IL-13 Th1 NORMAL DEFENSE AGAINST PATHOGENS

Fattori che influenzano lo sviluppo di atopia e di infiammazione allergica Th2 mediata

CAMBIAMENTI DELLO STILE DI VITA NEI PAESI INDUSTRIALIZZATI Journal of Allergy and Clinical Immunology 2006;117:151-7 Repubblica di Karelia (Russia) Regione della Nord Karelia (Finlandia)

CAMBIAMENTI DELLO STILE DI VITA NEI PAESI INDUSTRIALIZZATI Repubblica di Karelia (Russia) Regione della Nord Karelia (Finlandia) 55.9 Aspettativa di Vita M (yrs) 74.0 69.7 Aspettativa di Vita F (yrs) 81.1 1 Rapporto PIL pro capite 4 Journal of Allergy and Clinical Immunology 2006;117:151-7

5.5 7 14 8.5 5 3.8 CAMBIAMENTI DELLO STILE DI VITA NEI PAESI INDUSTRIALIZZATI Regione della Nord Karelia (Finlandia) Repubblica di Karelia (Russia) Ratio Asma Allergico (%) Bambini 8.8 1.6 Madri 11.3 1.6 5.5 7 Rinite Allergica (%) Bambini 15.6 1.1 Madri 19.7 2.3 14 8.5 Dermatite Atopica (%) Bambini 38.4 7.7 Madri 23.8 6.2 5 3.8 Journal of Allergy and Clinical Immunology 2006;117:151-7

5.5 7 14 8.5 5 3.8 CAMBIAMENTI DELLO STILE DI VITA NEI PAESI INDUSTRIALIZZATI Regione della Nord Karelia (Finlandia) Repubblica di Karelia (Russia) Ratio Asma Allergico (%) Bambini 8.8 1.6 Madri 11.3 1.6 5.5 7 Rinite Allergica (%) Bambini 15.6 1.1 Madri 19.7 2.3 14 8.5 Dermatite Atopica (%) Bambini 38.4 7.7 Madri 23.8 6.2 5 3.8 Journal of Allergy and Clinical Immunology 2006;117:151-7

5.5 7 14 8.5 5 3.8 CAMBIAMENTI DELLO STILE DI VITA NEI PAESI INDUSTRIALIZZATI Regione della Nord Karelia (Finlandia) Repubblica di Karelia (Russia) Ratio Asma Allergico (%) Bambini 8.8 1.6 Madri 11.3 1.6 5.5 7 Rinite Allergica (%) Bambini 15.6 1.1 Madri 19.7 2.3 14 8.5 Dermatite Atopica (%) Bambini 38.4 7.7 Madri 23.8 6.2 5 3.8 Journal of Allergy and Clinical Immunology 2006;117:151-7

IMMUNOLOGY TODAY 1998

Quali agenti infettivi svolgono un ruolo protettivo rispetto alla comparsa di allergopatie ? Svolgerebbero ruolo protettivo verso asma e allergopatie respiratorie: Tubercolosi e infezioni trasmesse per via oro-fecale Favoriscono lo sviluppo di allergia le infezioni virali acute da: Rhinovirus, RSV, Virus parainfluenzali, Coronavirus, Adenovirus, CMV

Too clean or not too clean: the hygiene hypothesis and home hygiene Clin Exp Allergy 2006; 36: 402-25

Riduzione dell’attività fisica e cambiamenti abitudini alimentari ed asma bronchiale Le porzioni di cibo consumate risultano raddoppiate rispetto agli anni passati National Center for Health Statistics. Health, United States, 2000.

Riduzione dell’attività fisica-sportiva ed asma bronchiale (J Allergy Clin Immunol 2005;115:911-9.) L’ incremento della prevalenza (1960-2000) dell’asma bronchiale si è verificato nello stesso periodo in cui c’è stata una evidente riduzione dell’attività fisica sia negli adulti che nei bambini.

Temporal Trends in the Prevalence of Obesity in Adults and Asthma in the US Temporal trends in the prevalence of obesity in adults and asthma in the USA. The dotted line represents the prevalence of asthma2 while the solid line represents the prevalence of obesity.67 Sin D D , Sutherland E R Thorax 2008;63:1018-1023

Obesity and Circulating Pro- and Anti-Inflammatory Cytokines L’asma e l’obesità sono riconosciute come patologie croniche caratterizzate da uno stato infiammatorio sistemico Quando il tessuto adiposo bianco è presente in quantità eccessiva diviene sede di un’aumentata espressione dei geni codificanti per molecole aventi una spiccata attività pro-infiammatoria (TNFα, l’IL-6, TGF-1, eotaxina, leptina). La liberazione di queste molecole favorirebbe l’intensificazione della risposta immunitaria in senso Th2-mediato. In obesity, visceral adiposity is correlated with circulating levels of proinflammatory cytokines, and adipose tissue propagates inflammation both locally and systemically, in part through recruitment of macrophages via chemokines such as monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) and in part via elaboration of cytokines and chemokines such as (but not limited to) leptin, interleukin 6 (IL-6), tumor necrosis factor (TNF- ), transforming growth factor 1 (TGF- 1), and eotaxin. Although the precise relationship between obesity and asthma remains to be determined, modifications of atopy, lung development, Th1–Th2 balance, immune responsiveness, and airway smooth muscle have been hypothesized to be mechanisms by which obesity might increase asthma risk or modify asthma phenotype. CRP C-reactive protein Leptin cloned in 1994, pleiotropic hormone whose actions extend from the immune system homeostasis to preproduction and angiogenesis. The lung is leptin responsive and producing organ . Animal studies revealed that it is stimulant of ventilation, responsible for lung maturation Is a product of the ob gene which located on chromosome 7, considered an adipokine Production is regulated by food intake; fasting reduces leptin, food consumption is associated with increase in ob gene expression. Insulin and glucocorticoids can increase its secretion. Increased during sepsis and infection and its expression is up-regulated by various pro-inflammatory cytokines including TNF-alpha, IL-1. Chronic inflammation reduces leptinn. Leptin is inhibited by testosterone but increased by ovarian sex steroids. Reduced with catecholamines. In humans, there increase levels of leptin and leptin “insensitivity” Upregulated several pro-inflammatory cytokines including TNF-alpha, IL-6, IL-12 while it increases chemotaxis and and natural killer cell function. Suppresses Th2 pathways and enhances TH1 response Beuther DA. Am J Respir Crit Care Med 2006; 174:112

La leptina esercita un’importante influenza sull’ipotalamo regolando: insorgenza di sazietà proliferazione e l’attivazione dei linfociti T promuove l’angiogenesi promuove il normale sviluppo polmonare La concentrazione della leptina aumenta caratteristicamente nel soggetto obeso come conseguenza dell’instaurarsi di un condizione di leptino-resistenza, (in topi sensibilizzati, la stimolazione con l’allergene dopo pre-trattamento con leptina aumenta l’iperreattività bronchiale indotta dall’allergene) Al contrario l’adiponectina (che induce l’aumenta di IL-10 ad attività antinfiammatoria), sembra ridursi con l’aumentare del grado di obesità.

Vitamin D and allergy: Hot topic

Favorisce l’assorbimento del calcio renale e intestinale e del fosforo UV B (lunghezza d'onda fra 290 e 315 nm) Proteina legante la vitamina D La vitamina D2 e la vitamina D3, originate dalla dieta sono incorporate nei chilomicroni e trasportate dal sistema linfatico nella circolazione venosa. Enzima II livello di questa vitamina nel siero viene usato per determinare lo stato della vitamina D in un paziente (30 a 60 ng per mL) Forma inattiva Calcitonina Deposizione Ca++ ossa Enzima + Regolata dai livelli plasmatici di Paratormone, Calcio, Fosforo, Fattore di crescita fibroblastica + – – renale Favorisce l’assorbimento del calcio renale e intestinale e del fosforo

Use of vitam D in clinical practice in Cannell JJ et al. Alternative Medicine review Volume 13, Number 1, 2008

Gordon, 2004

In the Netherlands > 50% of women with darker pigment were vitamin D defined whereas only 8% of Western women were defined as deficient according to a vitamin D concentration > 25 nmol/L

Wortsman et al, 2000

Vitamin D deficiency has been shown to correlate with many food and environmental allergies in children Sharief et al, 2009

Maternal factors Infections Feeding Gut microbial flora ANTIGEN PRESENTATION Maternal factors Infections Feeding Gut microbial flora Allergen exposure GENETIC PATTERN ATOPY TH2 Mast cell Treg IL-4 IL-5 IL-13 Th1 NORMAL DEFENSE AGAINST PATHOGENS

Traffico & allergie

2004 2004 Traffic related air pollution contribuites to increase mortality risk (cardiopulmonary causes) For allergic diseases and allergy sensitization less consistent results have been found WHO concludes cautiously that traffic related air pollution may increase the risk of allergy development and may exacerbate symptoms in particular susceptible subgroups

La vegetazione reagisce allo stress dell’inquinamento aumentando l’espressione di alcune frazioni proteiche dei pollini che posseggono elevata allergenicità. Intervengono nell’interazione: Tipo di inquinamento : Specie vegetale Fattori climatici 

Aumentata incidenza di malattie allergiche negli «over 70» Miglioramento dello stato di salute complessivo Cambiamento delle abitudini di vita Aumentata incidenza di malattie allergiche negli «over 70» Persistenza di un sistema immunitario efficace associato a prolungata «pressione immunologica» ambientale Farmaci Alimenti Inalanti

MEDICINA RIGENERATIVA Approccio finalizzato alla rigenerazione biologica dei tessuti danneggiati o modificati dal processo di invecchiamento con l’ausilio di cellule staminali. Tali cellule hanno mostrato la capacità di «rimodulare» il sistema immunitario

MEDICINA RIGENERATIVA Il ruolo principale delle cellule staminali è quello di garantire il fisiologico ricambio delle cellule "invecchiate" (tissue renewing) e di ripristinare le cellule danneggiate o morte a seguito di traumi o malattie.

MEDICINA RIGENERATIVA Trapianto delle cellule staminali Rinnovamento in stato indifferenziato Cellule staminali Possibilità di divenire cellule specifiche

staminali totipotenti staminali pluripotenti in grado di sviluppare un intero organismo staminali pluripotenti possono trasformarsi in una qualsiasi tipologia di cellula, ma non possono dare origine a tessuti extra-embionali Tenendo conto delle potenzialità replicative cellule staminali multipotenti sono in grado di replicarsi solo in alcuni tipi specifici di cellule, ma non in tutti staminali unipotenti possono dare origine solo ed esclusivamente ad un tipo peculiare di cellula specializzata

adulte (cordonali , mesenchimali ) embrionali fetali secondo l'origine amniotiche adulte (cordonali , mesenchimali )

MEDICINA RIGENERATIVA Trapianto delle cellule staminali Le cellule staminali mesenchimali adulte sono reperibili in molti tessuti come cordone ombelicale, midollo osseo, sangue periferico, tessuto adiposo e derma Il midollo osseo contiene cellule staminali mesenchimali o stromali (MSC) e cellule staminali ematopoietiche (HSC ) Recentemente è stato dimostrato che il sangue venoso periferico può essere considerato una fonte alternativa di cellule staminali mesenchimali

MEDICINA RIGENERATIVA Trapianto delle cellule staminali In particolare le cellule staminali umane adulte non presentano i problemi etici e di sicurezza derivati dall'utilizzo di quelle embrio-fetali, in quanto non richiedono il sacrificio di un intero organismo e non sono tumorigeniche.

MEDICINA RIGENERATIVA Peculiarità delle MSC è l’assenza sulla loro superficie degli antigeni dell’ MHC di classe I e delle molecole costimolatorie CD40, CD80 e CD86 e la moderata espressione degli antigeni MHC di classe II per cui riescono a sfuggire al riconoscimento da parte dei linfociti T alloreattivi e delle cellule natural killer (NK). Oltre a essere non immunogene, le MSCs hanno un’attività immunoregolatoria ed anti-infiammatoria anche se la comprensione dell’entità e della persistenza di tale effetto necessita ulteriori studi.

J. Larghero , L. Vija, S. Lecourt, L. Michel, F Verrecchia et al Mesenchymal stem cells: immunobiology and role in immunomodulation and tissue regeneration Jyoti A. Kode, Shayanti Mukherjee,Mugdha V. Joglekar, Anandwardhan A. Hardikar Volume 11, Issue 4, 2009, Pages 377–391 Cytotherapy Mesenchymal stem cells and immunomodulation: Toward new immunosuppressive strategies for the treatment of autoimmune diseases? J. Larghero , L. Vija, S. Lecourt, L. Michel, F Verrecchia et al La Revue de Médecine Interne 2009 Mar;30(3):287-99. doi: 10.1016 Diabetes. 2008 Jul; 57(7): 1759–1767.

“Ho perso un po' la vista, molto l'udito “Ho perso un po' la vista, molto l'udito. Alle conferenze non vedo le proiezioni e non sento bene. Ma penso più adesso di quando avevo vent'anni. Il corpo faccia quello che vuole. Io non sono il corpo: io sono la mente.”