Complement-dependent defence against bacterial infection. Studies in C2 deficiency.

Abstract

The complement system is critically involved in defence against bacterial infection. C2 deficiency is, apart from mannan-binding lectin (MBL) deficiency, the most common homozygous complement deficiency among Caucasians. The classical pathway of complement activation is not functional in C2 deficiency and the condition is associated with invasive infections caused by the encapsulated bacteria Streptococcus (S.) pneumoniae, Neisseria (N.) meningitidis and Haemophilus (H.) influenzae type b. In the present investigation we developed an improved method to analyse complement activation mechanisms. We found that vaccination of C2-deficient individuals with capsular polysaccharides of S. pneumoniae, N. meningitidis and H. influenzae type b induced production of antibodies capable of supporting alternative pathway-mediated defence involving bactericidal activity and opsonophagocytosis. Thus, vaccination in C2 deficiency might be meaningful and should be further investigated. Results also indicated that antibodies to some subcapsular antigens of N. meningitidis were strictly dependent on an intact classical pathway for expression of bactericidal activity. This could partly explain the decreased immunity to meningococci in C2 deficiency. Impaired immune responses to the MBL-binding O antigen-specific oligosaccharide of Salmonella serogroup C were found in C2-deficient and MBL-deficient persons. This indicated impaired isotype switching from IgM to IgG and suggested that classical pathway C3-convertase may be involved in maturation of the antibody response to MBL-binding antigens. In further experiments with the oligosaccharide it was found that the MBL pathway could activate C3 and the alternative pathway with circumvention of C4 and C2. This could be an important mechanism of innate immunity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Komplementsystemet ingår i vårt naturliga immunförsvar och bidrar till det förvärvade immunförsvaret bl. a. genom att aktiveras av specifika antikroppar. Komplementsystemets viktigaste skyddsfunktioner är att försvara oss mot bakteriella infektioner, förhindra uppkomst av autoimmuna sjukdomar genom att eliminera immunkomplex och döende celler samt att fungera som en förbindelselänk mellan det naturliga och det förvärvade immunförsvaret. Därutöver medverkar komplementfaktorer i den inflammatoriska reaktionen vid många sjukdomar.



Komplementsystemet består av mer än 30 proteiner i serum (blodvätska) eller bundna till cellytor. Olika strukturer i bakteriernas cellvägg samt antigen-antikropps komplex är exempel på ämnen som kan aktivera komplementsystemet. Aktivering kan ske enligt tre vägar som brukar betecknas den klassiska vägen, den alternativa vägen och lektin-vägen. Oberoende av vilken väg som aktiveras, leder aktiveringen till bildandet av C3-konvertas, enzymer med förmåga att spjälka C3, som är det centrala proteinet i komplementsystemet. Nedbrytningsfragment av C3 intar en nyckelroll i vårt försvar mot bakteriella infektioner. C3-fragment medverkar i processer som opsonisering/fagocytos och baktericidi (direkt bakterieavdödning). Opsonisering innebär att C3-fragment och antikroppar binder till och därmed förändrar bakterieytan så att bakterien lättare ?äts upp? (fagocyteras) av vita blodkroppar som makrofager och granulocyter. För baktericidi krävs att komplement-systemets sena faktorer (C5-C9) aktiveras och bildar MAC (membranattack-komplexet) som perforerar bakteriernas ytskikt. Komplementbrist , ärftlig eller förvärvad, är ofta förenad med utveckling av autoimmuna sjukdomar som SLE (systemisk lupus erythematosus) och/eller ökad mottaglighet för svåra bakteriella infektioner. C2-brist är, med undantag av MBL-brist (MBL=mannan-bindande lektin), den vanligaste ärftliga komplementbristen i den västerländska befolkningen med uppskattningsvis 25-100 fall på en miljon invånare. C2 ingår i den klassiska aktiveringsvägen. Vid C2-brist ses ökad frekvens av invasiva infektioner orsakade av kapslade bakterier såsom S. pneumoniae (pneumokocker), N. meningitidis (meningokocker) och H. influenzae typ b.



Avhandlingen baseras på fem delarbeten av vilka två arbeten föreligger i manuskriptform. I avhandlingen studeras komplement-beroende försvarsmekanismer mot bakteriella infektioner med fokusering på C2-brist.



I det första delarbetet presenteras och utvärderas en förbättrad metod att skilja mellan komplementsystemets olika aktiveringsmekanismer. Från normalserum eller andra sera avlägsnas klassiska vägens C1q och alternativa vägens D och P, vilket ger oss ett C1qDP-fritt reagens. De renade komplementproteinerna C1q, D och P adderas ett och ett eller tillsammans i olika kombinationer till C1qDP-reagenset, vilket gör det möjligt att studera aktivering via klassisk och alternativ väg var för sig eller tillsammans. Metoden visade sig motsvara förväntningarna väl. Synergistisk effekt vid samtidig aktivering av klassisk och alternativ väg kunde påvisas, liksom den förstärkande effekten av P på aktiveringen av den alternativa vägen. Tidigare metoder har inte på ett så tydligt sätt medgett analys av denna typ. Metoden användes i de fortsatta studierna.



I delarbetena III och V studerades vaccinationssvar vid C2-brist efter vaccination med kapselpolysackarider från meningokocker, H. influenzae typ b och pneumokocker. Vaccination ledde till produktion av specifika antikroppar, vilka visade sig ha förmåga att aktivera inte bara den klassiska utan även den alternativa vägen. Betydelsen av antikroppar för aktivering av den alternativa vägen har sannolikt underskattats. Ökad förmåga till avdödning av meningokocker och H. influenzae typ b i serum efter vaccination kunde påvisas. Erhållna resultat visade att antikroppar riktade mot komponenter i meningokockens cellvägg, som delvis döljs av kapseln, sannolikt kräver en intakt klassisk väg för att kunna avdöda. Detta skulle delvis kunna förklara varför personer med C2-brist har nedsatt immunitet mot meningokocker. Resultaten tydde också på ökad fagocytos av pneumokocker efter vaccination. Fynden var delvis svårtolkade då effektiv fagocytos ofta noterades redan före vaccination. Effektiva funktionella svar i form av ökad C3-deposition på renad kapselpolysackarid från pneumokocker kunde dock påvisas.



Sammanfattningsvis tyder resultaten på att vaccination av personer med C2-brist är meningsfull och bör undersökas vidare.



I delarbete IV undersöktes mekanismerna för komplementaktivering inducerad av Salmonella. Detta var intressant av två anledningar. Beståndsdelar av cellväggens lipopolysackarid, betecknade som de O-antigenspecifika oligosackariderna från Salmonella tillhörande serogrupperna B, C och D hade rapporterats aktivera den alternativa vägen. Det fanns även belägg för att Salmonella serogrupp C via MBL och lektin-vägen kunde aktivera den alternativa vägen. MBL känner bl. a. igen strukturer som innehåller mannos, ett socker som det finns rikligt av i cellväggen hos Salmonella serogrupp C. Arbetet kom att koncentreras kring Salmonella serogrupp C. Vi mätte komplementaktivering som C3-deposition med ELISA och använde den O-antigenspecifika oligosackariden av Salmonella serogrupp C som antigen.



Vi fann att oligosackariden kunde inducera komplementaktivering genom att använda MBL eller specifika antikroppar som igenkänningsmolekyler. Specifika antikroppar riktade mot O-antigenet aktiverade komplementsystemet både via den klassiska och den alternativa vägen. Hos personer med C2-brist som hade MBL i sitt serum fann vi att antigenet kunde inducera komplementaktivering. Detta förvånade oss eftersom den allmänt rådande uppfattningen är att lektin-vägen aktiverar C3 via klassiska vägens C3-konvertas, C4b2a. C2 fanns ju inte i patientens serum. De fortsatta studierna visade att lektin-vägen kan kringå C4 och C2 och ge en direkt aktivering av C3 och den alternativa vägen. Denna mekanism visade sig vara effektiv och kan vara viktig för det normala immunförsvaret.



Delarbete II tillkom som följd av fynd gjorda i delarbete IV. I serum från tre personer med C2-brist fann vi oförklarligt låga halter av IgG-antikroppar mot den O-antigenspecifika oligosackariden hos Salmonella serogrupp C. Kunde detta bero på ofullständig utmognad av immunsvar mot vissa antigen som igenkänns av MBL?



Det har tidigare vid brist på komplementfaktorer inom den klassiska vägen (C1q, C2, C4 eller C3) konstaterats att antigen som är ?tymus-beroende? (t. ex. proteiner), givit upphov till låga antikroppssvar och defekt ?switch? (övergång) från produktion av IgM till IgG-antikroppar. Vad som gäller för polysackarider, ?tymus-oberoende? antigen är inte närmare undersökt.



I en större grupp om 20 vuxna personer med C2-brist bestämde vi halterna av IgM- och IgG-antikroppar mot fem olika polysackarider: de O-antigenspecifika oligosackariderna från Salmonella serogrupp B, C och D samt kapsel-polysackarid från två pneumokocker. De erhållna IgM- och IgG-halterna i gruppen med C2-brist jämfördes med IgM- och IgG-halterna i en lika stor grupp friska blodgivare. Det centrala fyndet var den mycket låga halten av IgG-antikroppar mot Salmonella serogrupp C vid C2-brist. Eftersom Salmonella serogrupp C binder MBL utökades studien med en grupp om 20 personer med MBL-brist. Som vi misstänkt, fann vi mycket låga IgG-halter mot Salmonella serogrupp C även i gruppen med MBL-brist. Fynden tyder på att polysackarider som igenkänns av MBL och aktiverar lektin-vägen kräver klassiska vägens C3-konvertas dvs närvaro både av C4 och C2 för att ge upphov till normala immunsvar.

• author: Selander, Barbro
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Kuijper, Edward J., Department of Medical Microbiology, Leiden University Medical Center, Leiden, Holland
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area; Microbiology in the medical area
• keywords: antibody responses, polysaccharide antigens, vaccination, mannan-binding lectin (MBL), complement, C2 deficiency, Immunology, serology, transplantation, Immunologi, serologi
• pages: 174 pages
• defense location: Sölvegatan 23, Lund
• defense date: 2001-11-09 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMG - - 0012 - - SE
• ISBN: 91-628-4967-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 82894465-18d3-47b7-95e1-ad572764e6f2 (old id 41964)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:52:25
• date last changed: 2018-11-21 21:07:44