Studies of the pathogenesis of IgA nephropathy and Henoch-Schönlein purpura, with special reference to Streptococcus pyogenes infections and complement

Abstract

IgA nephropathy (IgAN) is the most common form of primary glomerulonephritis and Henoch-Schönlein purpura (HSP) the most common form of vasculitis in childhood. HSP may affect kidneys, a complication termed Henoch-Schönlein nephropathy (HSN). Renal pathology in HSN resembles that seen in IgAN. The pathogenesis of IgAN and HSP is so far unclear. Both are characterized by tissue deposits of underglycosylated polymeric IgA1 and the debut or exacerbations are regularly preceded by infections usually affecting the respiratory tract and often caused by group A streptococci (GAS). GAS express the surface bound M protein, which varies in sequence between strains and in certain serotypes includes an IgA-binding region (IgA-BR). The complement system, an important part of the innate immune system, is activated during IgAN and HSN reflected by the common finding of mesangial depositions of C3.

Paper I-III investigated whether IgA-binding M proteins are involved in the pathogenesis of IgAN and HSP. In the first study we examined tissue samples from pediatric patients with IgAN and HSP and detected IgA-BR co-localizing in the mesangial region with IgA in most of the kidney samples from patients with IgAN and HSN and skin samples from patients with HSP. In the second study we showed that pediatric patients with IgAN had higher antibody levels to IgA-BR than age-matched controls. The third study showed that the IgA-binding M protein from GAS serotype 4 (M4) had a significantly higher binding affinity for underglycosylated polymeric IgA1 than for other forms of IgA1. Mesangial cells stimulated with M4 exhibited increased synthesis and secretion of IL-6. Co-stimulation with both M4 and IgA1 induced excessive IL-6 secretion. IgA1 also induced C3 secretion from mesangial cells, which was enhanced when the cells were co-stimulated with M4.

Paper IV identified a novel mutation heterozygous mutation in exon 2 of the factor H gene (CFH) in a child with IgAN complicated by thrombotic microangiopathy (TMA) most probably triggered by malignant hypertension. In addition, three heterozygous CFH polymorphisms were identified, known to increase the risk for TMA. This genotype may thus have contributed to the combined phenotype of IgAN and TMA.

This thesis provides evidence for the involvement of GAS expressing IgA-binding M proteins in the etiology and pathogenesis of IgAN and HSP. An N terminal mutation in CFH may have influenced the course and pathological findings in IgAN and particularly conferred susceptibility for TMA.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

IgA-nefropati (IgAN) är den vanligaste formen av primär inflammation av njurarna och Henoch-Schönlein purpura (HSP) den vanligaste formen av kärlinflammation i barndomen. HSP kan också drabba njurarna och kallas då Henoch-Schönlein nefropati (HSN). Orsaken till båda sjukdomar är inte helt klarlagd ännu.

Båda kännetecknas av vävnadsinlagringar med immunoglobulin A (IgA), ett slags äggvita eller antikropp, som kroppen producera för att försvara sig på slemhinnor och i blodet. Det finns två olika slags IgA: IgA1 och IgA2. IgA1innehåller ett område (hinge-region) som binder sockerkedjor av varierande längd. IgA finns vidare som enskilda IgA (monomert IgA) eller i en annan form där två eller flera IgA har satt ihop sig (polymert IgA). Vävnadsinlagringar i IgAN eller HSP utgörs av underglykosylerat (korta sockerkedjor), polymert (flera IgA ihop) IgA1.

I njurvävnadsprover från patienter med IgAN hittar man ofta bredvid det nämnda IgA även komplement faktor 3 (C3) och andra faktorer som antyder att komplement-systemet är aktiverat. Komplement-systemet är en viktig del av det medfödda försvaret (immunsystemet) och sammansätts av ett tretiotal äggvitor, som samspelar i den kaskadartade aktiveringen av komplement-systemet eller kontrollen över den. Systemet är mycket effektivt och ställa till med stora skador ifall kontrollen över den rubbas. Den viktigaste äggvitan som kontrollera komplement-systemet är komplement faktor H.

En annan gemensam nämnare till IgAN och HSP är att utbrotten av båda vanligtvis föregås av luftvägsinfektioner, som ofta orsakas av grupp A streptokocker. Dessa är bakterier som orsakar bland annat halsfluss, lunginflammation eller svinkoppar. De har på sin utsida en äggvita, som kallas M protein och som skiljs åt i strukturen mellan streptokockstammarna (serotyperna). Vissa av stammarna har M proteiner som binder IgA genom en IgA-bindande region. M-proteiner kan lösas ifrån bakterierna i samband med infektioner.

I de första tre studierna undersökte vi huruvida det finns ett samband mellan IgA-bindande M proteiner från streptokocker och utvecklingen av IgAN eller HSP.

I första studien undersökte vi vävnadsprover av patienter med IgAN och HSP avseende spår av IgA-bindande M proteiner och påvisade IgA-bindande M proteiner i många av dessa. Vi såg att de IgA-bindande M proteiner fanns på samma ställen som IgA i njurarna av patienter med IgAN och HSN.

I andra studien jämförde vi antikroppshalten (immunoglobulin G, IgG) mot IgA-bindande regioner av M-proteiner i blodprover av en grupp barn med IgAN med blodprover från lika gamla kontrollbarn. Mängden av antikropparna mot de undersökta IgA-bindande regioner var signifikant högre i patientgruppen, vilket tyder på att dessa i högre utsträckning drabbats av infektioner med streptokocker, som har IgA-bindande M proteiner.

I tredje studien undersökte vi bindningen av det IgA-bindande M proteinet från en streptokock-serotyp (M4) till IgA1 och kunde visa att den har en mycket större dragningskraft (bindningsaffinitet) mot underglykosylerat polymert IgA1 än mot andra typer av IgA1. Sedan visade vi att M-proteinet binder till njurceller och att dessa som ett svar börja tillverka och utsöndra ett inflammatoriskt budämne (interleukin-6, IL-6). Tillverkningen och utsöndringen tilltog betydligt när vi stimulerade njurcellerna med M-proteinet tillsammans med underglykosylerat polymert IgA1. Även utsöndringen av komplement faktor 3, en viktig äggvita i aktiveringen av komplement-systemet, från njurcellerna ökade klart genom att låta underglykosylerat polymert IgA1 inverka på dessa.

I fjärde studien beskriver vi en flicka med IgAN, som utvecklat högt blodtryck och en komplikation som kännetecknas av proppbildningar och sönderfall av röda blodproppar i de små kärlen i filterenheterna (glomeruli) av njurarna (trombotisk mikroangiopati, TMA). Vi undersökte patientens arvsmassa ifrån ett blodprov avseende förändringar i arvsanläggningen (genen) för komplement faktor H. Vi fann att en hittills okänd mutation stört utsöndringen av faktor H ifrån de cellerna som producerar den. Vidare hittade vi tre stycken avvikelser, som tidigare har beskrivits kunna öka risken att utveckla en annan orsak till TMA (hemolytisk uremiskt syndrom, HUS) och som kan ha inverkat på utvecklingen av TMA i patienten.

Sammanfattningsvis så visade vi i våra studier att IgA-bindande M-proteiner från grupp A streptokocker sannolikt är delaktiga i sjukdomsutvecklingen (patogenesen) av IgAN. Genetiska förändringarna av faktor H skulle kunna leda till ökad aktivering av komplementsystemet och därmed ha inflytelse i det kliniska förloppet hos patienten med IgAN.

• author: Schmitt, Roland
• supervisor: Diana Karpman
• opponent: Professor van Kooten, Cees, Department of Nephrology, Leiden University medical center, Leiden, The Netherlands
• organization: Paediatrics (Lund)
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Pediatrics
• keywords: IgA nephropathy, Henoch-Schönlein purpura, Streptococcus pyogenes, M protein, complement
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:38
• pages: 89 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC, A10, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2012-05-11 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-00-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 9d72327d-ca24-444d-9d79-f2053c5db45f (old id 2493128)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:51:57
• date last changed: 2019-05-22 00:07:30