Characterising Disease-Specific IgA Responses in Coeliac Disease and Dermatitis Herpetiformis

Abstract

Keliakia on yleinen autoimmuunivälitteinen sairaus, jossa ravinnon gluteeni aiheuttaa perimältään alttiilla henkilöillä ohutsuolen limakalvon kroonisen tulehduksen ja vähittäisen vaurioitumisen sekä lukuisia suolioireita. Keliakia ei kuitenkaan ole pelkästään suoliston sairaus vaan se voi ilmetä myös erilaisina suoliston ulkopuolisina oireina. Yksi keliakian tunnetuimmista suoliston ulkopuolisista ilmentymismuodoista on dermatitis herpetiformis eli ihokeliakia, joka ilmenee rakkulaisena ja kutisevana ihottumana erityisesti kyynärpäissä, polvissa ja pakaroissa. Iho-oireiden lisäksi ihokeliakassa nähdään usein myös keliakialle tyypillisiä rakenteellisia ja tulehduksellisia muutoksia ohutsuolen limakalvolla. Sekä keliakian että ihokeliakian ainoa hoitomuoto on elinikäinen gluteeniton ruokavalio, jonka aikana ohutsuoli ja iho paranevat ja kliiniset oireet helpottuvat.

Sekä keliakiassa että ihokeliakiassa gluteeni aiheuttaa IgA-luokan vasta- ainereaktion elimistön omaa transglutaminaasi (TG) 2 -entsyymiä kohtaan. Näitä TG2-autovasta-aineita esiintyy hoitamattomien potilaiden seerumissa sekä kertyminä ohutsuolen limakalvolla, missä niiden tiedetään osin myös muodostuvan. Ihokeliakiapotilailla nähdään TG2-vasta-ainereaktion lisäksi myös IgA-luokan vasta- ainereaktio epidermaalista transglutaminaasia, TG3:a, kohtaan. TG3-vasta-aineita esiintyy kertyminä ihokeliakiapotilaiden iholla ja niitä havaitaan ihokeliakiapotilailla ja pienellä osalla keliakiapotilaista myös seerumissa. Sekä seerumin että suolen ja ihon vasta-aineet häviävät gluteenittoman ruokavaliohoidon aikana.

Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli lisätä tutkimustietoa IgA-luokan TG2- ja TG3-vasta-ainereaktioista keliakiassa ja ihokeliakiassa. Osatyössä I määritettiin ohutsuolen limakalvon TG2-vasta-aineita tuottavien plasmasolujen esiintyvyys keliakiapotilailla taudin eri vaiheissa. Tulokset osoittivat, että TG2-vasta-aineita tuottavia plasmasoluja esiintyy jo taudin alkuvaiheessa ennen suolen limakalvovaurion syntyä ja että niiden osuus lisääntyy suolivaurion kehittyessä. Gluteenittoman ruokavaliohoidon aloittamisen jälkeen solujen esiintyvyys laski huomattavasti vuoden aikana ja pitkän hoidon jälkeen soluja ei enää juurikaan havainnoitu, mikäli ruokavaliohoito oli tiukka. Solujen suhteellinen määrä korreloi seerumin vasta-aineiden ja ohutsuolen limakalvon vasta-ainekertymien kanssa, joskaan yksittäisten potilaiden kohdalla ne eivät aina kulkeneet käsi kädessä.

Osatyössä II TG2- ja TG3-vasta-ainereaktioita tutkittiin ohutsuolen kudosviljelymallia hyödyntäen. Tulokset osoittivat, että aktiivisten keliakiapotilaiden ohutsuolen koepaloista erittyi kudosviljelyliuokseen pääosin TG2-vasta-aineita, kun taas ihokeliakiapotilaiden koepaloista erittyi pääosin TG3-vasta-aineita. Niiltä ihokeliakiapotilailta, jotka erittivät TG3-vasta-aineita kudosviljelyliuokseen, havainnoitiin TG3-vasta-aineita tuottavia soluja ohutsuolen limakalvolta.

Osatyössä III tutkittiin ohutsuolen limakalvon TG2- ja TG3-vasta-aineita tuottavien plasmasolujen esiintyvyyttä ja gluteenireaktiivisuutta ihokeliakiapotilailla gluteenialtistuksen aikana. Kumpaakaan solutyyppiä ei esiintynyt pitkään gluteenitonta ruokavaliota noudattaneilla potilailla, kun taas gluteenialtistuksen jälkeen sekä TG2- että TG3-vasta-aineita tuottavia plasmasoluja havaittiin yli puolella potilaista. Solujen suhteellinen määrä altistuksen jälkeen korreloi seerumin vasta- ainepitoisuuksien kanssa, mutta yksittäisten potilaiden kohdalla yhteyttä ei aina havaittu. Verrokkeina käytetyiltä keliakiapotilailta TG3-vasta-aineita tuottavia plasmasoluja ei pääsääntöisesti löytynyt.

Osatyössä IV selvitettiin ihokeliakiapotilaiden iholla esiintyvien IgA- ja TG3- kertymien häviämistä pitkän gluteenittoman ruokavaliohoidon aikana ja tutkittiin, onko häviäminen yhteydessä seerumin TG3-vasta-ainepitoisuuteen, ruokavaliohoidon pituuteen ja ohutsuolen limakalvon paranemiseen. Tulokset osoittivat, että TG3-kertymät häviävät iholta samanaikaisesti IgA-vasta- ainekertymien kanssa pitkän gluteenittoman ruokavaliohoidon aikana. Kertymien häviäminen ei ollut yhteydessä seerumin TG3-vasta-aineisiin, ohutsuolen limakalvovaurioon eikä hoidon kestoon.

Tämä väitöskirjatutkimus toi uutta tietoa IgA-luokan TG2- ja TG3-vasta- ainereaktioista keliakiassa ja ihokeliakiassa: Tutkimus osoitti ensimmäistä kertaa, että TG2-vasta-aineiden ohella myös TG3-vasta-aineita tuotetaan ohutsuolen limakalvolla, eritysesti aktiivisessa ihokeliakiassa. Lisäksi tutkimus näytti, että TG2- vasta-aineita tuottavia plasmasoluja esiintyy ohutsuolen limakalvolla niin keliakia- kuin ihokeliakiapotilaillakin, kun taas tässä tutkimuksessa havainnoidut TG3-vasta- aineita tuottavat plasmasolut näyttäisivät olevan tunnusomaisia ihokeliakialle. Vaikka molemmat solupopulaatiot olivat gluteenireaktiivisia, niiden yhteys seerumin sekä ohutsuolen ja ihon vasta-aineisiin ei aina ollut suoraviivainen, mikä viittaa siihen, että sekä keliakiassa että ihokeliakiassa vasta-aineita tuotetaan paitsi ohutsuolessa, myös sen ulkopuolella. Tutkimus osoitti myös, että ihokeliakiapotilaiden iholla esiintyvät IgA- ja TG3-kertymät häviävät hitaasti ja samanaikaisesti gluteenittoman ruokavaliohoidon aikana, mikä tukee vallitsevaa teoriaa siitä, että IgA ja TG3 esiintyvät ihon rakenteisssa komplekseina.

Coeliac disease is a common autoimmune-mediated disorder triggered by dietary gluten in individuals with genetic susceptibility. It is characterised by the inflammation and gradual destruction of the small-bowel mucosal structure and a variety of gastrointestinal symptoms. However, a wide spectrum of extraintestinal symptoms are also increasingly prevalent. One of the most well-known extraintestinal manifestations of coeliac disease is dermatitis herpetiformis, the coeliac disease of the skin, which presents with an itching and blistering rash particularly on the elbows, knees, and buttocks. In addition to skin symptoms, patients with dermatitis herpetiformis typically show coeliac-type structural and inflammatory changes in the small-bowel mucosa. The treatment of choice for both coeliac disease and dermatitis herpetiformis is a strict, life-long gluten-free diet, during which the small-bowel mucosa and skin heal and the clinical symptoms disappear.

A characteristic feature of both coeliac disease and dermatitis herpetiformis is an IgA class autoantibody reaction towards the self-antigen transglutaminase 2 (TG2). TG2-targeting antibodies can be found in the serum of untreated patients and as deposits in the small-bowel mucosa, where they are also known to be partly produced. In addition to the TG2 antibody reaction, patients with dermatitis herpetiformis show an IgA class autoantibody reaction towards epidermal transglutaminase, TG3. TG3 autoantibodies are found as deposits in the skin of dermatitis herpetiformis patients and are present in the serum of not only the majority of patients with dermatitis herpetiformis, but also in a minority of coeliac disease patients. During a gluten-free diet, the serum, small-bowel mucosal, and cutaneous antibodies disappear.

In this dissertation, the IgA class autoantibody responses towards TG2 and TG3 in coeliac disease and dermatitis herpetiformis were investigated. In study I, the frequency of small-bowel mucosal TG2 antibody-secreting cells at different stages of coeliac disease was determined. The results showed that TG2 antibody-secreting cells are present already in the early stage of coeliac disease when the small-bowel mucosal structure is still normal, and that their frequency increases along with the development of mucosal damage and the overt disease. After the initiation of a gluten-free diet, the frequency of the cells decreased significantly within one year, and after long-term treatment, the cells were mostly absent if dietary adherence was strict. The frequency of the cells correlated with the levels of serum TG2-targeting antibodies and the intensity of small-bowel mucosal TG2-targeting antibody deposits, but it was not always parallel at the level of individual patients.

In study II, the TG2 and TG3 antibody responses were investigated exploiting the ex vivo organ culture method of patient-derived small-bowel mucosal biopsies. While biopsies from coeliac disease patients secreted primarily TG2 antibodies into the culture medium, those from dermatitis herpetiformis patients with the active disease were shown to secrete TG3 antibodies. In patients secreting high levels of TG3 antibodies, TG3 antibody-secreting cells were identified in the small-bowel mucosa. In study III, the frequency and gluten-dependency of TG2 and TG3 antibody- secreting plasma cells in dermatitis herpetiformis patients undergoing a gluten challenge was investigated. Both cell populations were mostly absent in long-term dietary treated patients, but they appeared in more than half of the patients during the challenge. The frequency of the cells was shown to correlate with the levels of the corresponding serum antibodies, but it was not always parallel at the level of individual patients. TG3 antibody-secreting cells were generally not found in coeliac disease control patients.

In study IV, the disappearance of cutaneous IgA and TG3 deposits in dermatitis herpetiformis patients was investigated. IgA and TG3 were shown to disappear simultaneously during a strict, long-term gluten-free diet. The disappearance was not associated with the recovery of the small-bowel mucosa, levels of serum TG3 antibodies, or the duration of the gluten-free diet.

This dissertation provides new information regarding the IgA class TG2 and TG3 autoantibody responses in coeliac disease and dermatitis herpetiformis: Firstly, it showed that in addition to TG2 antibodies, TG3 antibodies are also secreted at the small-bowel mucosal level, particularly in active dermatitis herpetiformis patients. In addition, while TG2 antibody-secreting cells were detected in both the coeliac disease and dermatitis herpetiformis patients, TG3 antibody-secreting plasma cells were shown to be characteristic of dermatitis herpetiformis. The presence of both cell populations was shown to be gluten-dependent, but it did not always parallel with the corresponding serum or deposited tissue-bound antibodies, suggesting that autoantibody production also outside of the small-bowel mucosa occurs in both manifestations. Finally, the disappearance of cutaneous IgA and TG3 in dermatitis herpetiformis patients was shown to occur slowly but in parallel during a strict, long-term gluten-free diet, further supporting the existence of IgA and TG3 in the skin as immune complexes.