Katsaus Suoliston immuunijärjestelmän merkitys tyypin 1 diabeteksen synnyssä Outi Vaarala Epidemiologisissa tutkimuksissa on osoittautunut, että suoliston immuunijärjestelmään vaikuttavat tekijät, kuten altistuminen lehmänmaitoproteiineille varhaislapsuudessa ja lapsuuden toistuvat enterovirusinfektiot, lisäävät tyypin 1 diabeteksen riskiä. Vastaavasti eläinmalleissa on havaittu, että ravinnon valkuaisainekoostumus vaikuttaa haiman Langerhansin saarekkeisiin hakeutuvien lymfosyyttien toimintaan ja diabeteksen ilmaantumiseen. Myös tutkimukset saarekkeisiin hakeutuvien lymfosyyttien kotiutumisominaisuuksista viittaavat siihen, että suoliston ja haiman välillä on immunologinen yhteys. Tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla on myös havaittu lisääntynyttä läpäisevyyttä ja tulehduksellisia muutoksia suolistossa. Tuoreen havaintomme mukaan ensimmäinen immunisaatio insuliinia kohtaan syntyy usein imeväisiässä ja kohdistuu ravinnon lehmänmaidon insuliiniin. Tämä korostaa edelleen suoliston immuunijärjestelmän merkitystä insuliinia tuottaviin beetasoluihin kohdistuvan autoimmuniteetin synnyssä. Yhä useammat tutkimustulokset viittaavat suoliston immuunijärjestelmän ja tyypin 1 diabeteksen synnyn väliseen yhteyteen. Vaikka todisteet ovat toistaiseksi epäsuoria, tämän tutkimusalueen saavutukset voivat tulevaisuudessa tarjota mahdollisuuden ehkäistä tyypin 1 diabetesta vaikuttamalla suoliston immuunijärjestelmän toimintaan. Tyypin 1 diabetes on autoimmuunitauti, joka johtaa insuliinia tuottavien haiman beetasolujen tuhoutumiseen. Sen patogeneesissä on keskeistä haiman Langerhansin saarekkeiden tulehdusreaktion eli insuliitin synty. Autoreaktiiviset T-lymfosyytit hakeutuvat Langerhansin saarekkeisiin, ja niitä pidetään beetasolujen tuhoajina. Muut saarekkeiden solut jäävät koskemattomiksi, mikä kertoo beetasoluspesifisestä autoimmuunireaktiosta. Perinnöllinen alttius tyypin 1 diabetekselle on usean geenin säätelemä, mutta luokan II HLA-alleelit HLA- DQA*0301 DQB1*0302 ja DQA1*501 DQB1*0201 liittyvät suureen sairastumisriskiin (She 1996). Nämä HLA-geenien tuotteet osallistuvat antigeenien esittelemiseen T-lymfosyyteille, joten genetiikan tutkimustulokset tukevat käsitystä tyypin 1 diabeteksesta immunologisin mekanismein välittyvänä tautina. Geneettisten tekijöiden ohella myös ympäristö vaikuttaa taudin kehittymiseen, minkä puolesta puhuu tyypin 1 diabeteksen jatkuvasti lisääntyvä ilmaantuvuus monissa maissa (Karvonen ym. 1993). Altistuminen varhaislapsuudessa enterovirusinfektioille tai lehmän maidon proteiineille on liitetty epidemiologisissa tutkimuksissa tyypin 1 diabeteksen riskiin (Åkerblom ja Knip 1998). Mielenkiintoista on, että molemmat ympäristötekijät stimuloivat suoliston immuunijärjestelmää. Molempien riskitekijöiden osalta on esitetty, että lisääntynyt vaara sairastua tyypin 1 diabetekseen välittyisi»molecular mimicry» -mekanismin eli rakenteellisen samankaltaisuuden aiheuttaman ristiin reagoivan immuunivas- Duodecim 2000; 116: 351 8 351
teen välityksellä. Coxsackie B4 -enteroviruksen 2-C-proteiinissa ja saarekesoluproteiini glutamaattidekarboksylaasissa (GAD) on lyhyt, kuuden aminohapon pituinen samankaltainen ketju (Atkinson ym. 1994). Tyypin 1 diabetekseen äskettäin sairastuneilla on havaittu korostuneen voimakas immuuunivaste, joka kohdistuu useisiin maidon proteiineihin: lehmän seerumin albumiiniin, beetalaktoglobuliiniin ja beetakaseiiniin (Karjalainen ym. 1992, Cavallo ym. 1996, Vaarala ym. 1996). Näissä proteiineissa on rakenteellista samankaltaisuutta saarekesoluantigeenien kanssa. Toistaiseksi ei ole suoraa näyttöä siitä, että näiden antigeenien samankaltaisuudesta johtuvat ristiin reagoivat immuunivasteet selittäisivät, millä mekanismeilla altistuminen enteroviruksille tai lehmän maidon proteiineille johtaisi insuliinia tuottavan solukon tuhoutumiseen ja tyypin 1 diabeteksen syntyyn. Rakenteellista samankaltaisuutta ja immunologista ristireaktiivisuutta voidaan usein havaita ympäristön antigeenin ja kehon omien rakenteiden välillä, mutta tämä ei välttämättä johda tuhoavien autoimmuunimekanismien käynnistymiseen. Omien tutkimuksiemme ja muiden julkaisemien tulosten valossa suoliston immuunijärjestelmä voi muodostaa merkitsevän yhteyden näiden ympäristötekijöiden ja tyypin 1 diabeteksen synnyn välillä (taulukko 1). Suoliston immuunijärjestelmä ja oraalinen toleranssi Suoliston immuunijärjestelmän tehtävänä on pitää yllä toleranssia harmittomia proteiineja kuten ravinnon antigeeneja ja normaaliflooran mikrobeja kohtaan. Samanaikaisesti suoliston immuunijärjestelmän on tunnistettava ja kyettävä torjumaan haitalliset, tauteja aiheuttavat mikrobit. Oraalinen toleranssi kohtaamiamme uusia antigeeneja kohtaan kehittyy koko elämän ajan, mutta sen merkitys on erityisen suuri imeväisiässä ja varhaislapsuudessa, jolloin elimistö kohtaa taajaan uusia antigeeneja. Oraalinen toleranssi havaittiin kokeellisesti jo vuosisadan alussa (Wells ja Osborne 1911), mutta sen syntymekanismit tunnetaan vieläkin heikosti. Useimmat tutkimukset on tehty eläimillä, ja ne ovat osoittaneet, että antigeenin anto suun kautta nuorelle tai aikuiselle eläimelle johtaa toleranssiin eli heikentyneeseen immuunivasteeseen, kun samaa antigeenia käytetään myöhemmin parenteraalisessa immunisaatiossa (Strobel ja Mowat 1998). Sen sijaan vastasyntyneissä eläimissä antigeenin anto suun kautta voi synnyttää systeemisen immuunivasteen, joka vahvistuu myöhemmän immunisaation vaikutuksesta. Paitsi ikä ja suoliston kypsyminen myös oraalisen antigeenin annos vaikuttaa toleranssin syntyyn: pienet annokset riittävät heikentämään soluvälitteistä immuniteettia ja suuremmat heikentävät vasta-ainemuodostusta. Annokset, jotka ovat ns. tolerogeenisen ikkunan alapuolella, voivat vahvistaa myöhemmin syntyvää antigeenispesifistä immuunivastetta, vaikka ne eivät varsinaisesti aiheuttaisi havaittavaa systeemisen immuunivasteen syntyä. Tietämyksemme antigeeniannoksen tai vastaanottajan iän merkityksestä oraalisen toleranssin synnyssä ihmisellä on vähäistä. Ruoka-aineallergiat ovat yleisimpiä imeväisiässä sekä varhaislapsuudessa ja paranevat usein itsestään kahden vuoden ikään mennessä, mikä puoltaa näkemystä siitä, että suoliston immuunijärjestelmän kypsyminen iän myötä on edullista oraalisen toleranssin kehittymiselle. Sen sijaan toleranssiin johtavan antigeeniannoksen merkityksestä ihmisellä tiedetään vähän. Terveillä lapsilla ravinnon antigeeneja kohtaan syntyy systeeminen humoraalinen ja soluvälitteinen immuunivaste altistumisen yhteydessä (Vaarala ym. 1995). Iän myötä nämä immuunivasteet heikentyvät oraalisen toleranssin kehittyessä. Olemme esittäneet, että korostunut immuunivaste ravinnon sisältämiä maitoproteiineja kohtaan tyypin 1 diabeteksessa heijastaa oraalisen toleranssin heikentynyttä säätelyä, joka saattaa johtua suoliston immuunijärjestelmän toimintahäiriöstä. Tämä häiriö voi olla yhteydessä tyypin 1 diabeteksen syntyyn (Vaarala ym. 1996). Onko tyypin 1 diabetes suoliston immuunijärjestelmän sairaus? Tyypin 1 diabeteksessa beetasoluja kohtaan syntyvän autoimmuniteetin alkuperä on toistaiseksi 352 O. Vaarala
tuntematon. Lymfosyyttien hakeutuminen verenkierrosta kohdekudokseen on monivaiheinen tapahtuma, jossa lymfosyyttien pinnan ns. adheesiomolekyyleilla on tärkeä merkitys niiden sitoutuessa verisuonen endoteelin vastinpareihin. Limakalvon imukudoksessa, kuten suolen Peyerin levyissä, lymfosyyttien kotiutumista välittää lymfosyyttien pinnan adheesiomolekyyli α4β7- integriini, joka sitoutuu endoteelin vastinpariinsa MadCAM-1:een (mucosal vascular addressin). Tyypin 1 diabeteksen eläinmallissa NODhiiressä (non-obese diabetic) on havaittu, että MadCAM-1:tä esiintyy tulehtuneissa haiman saarekkeissa, joissa on todettavissa myös α4β7- integriiniä pinnallaan kantavia lymfosyyttejä (Faveeuw ym. 1994, Yang ym. 1994, Hänninen ym. 1996b). Tämä kotiutumisreseptoripari on myös toiminnallisesti tärkeä lymfosyyttien sitoutumisessa haiman verisuonten endoteeliin (Hänninen ym. 1996b). NOD-hiirillä joko β7- tai MadCAM-1-molekyyleihin kohdistuvan monoklonaalisen vasta-aineen anto estää diabeteksen ja insuliitin synnyn (Yang ym. 1997, Hänninen ym. 1998). Nämä tutkimukset osoittavat, että beetasolureaktiiviset lymfosyytit käyttävät samoja lymfosyyttien ja endoteelin adheesiomolekyylejä kuin suoliston limakalvoille kotiutuvat lymfosyytit. Lisäksi Hännisen ym. (1996b) tutkimuksessa kolmen viikon ikäisen NOD-hiiren suoliston imusolmukkeista eristetyt lymfosyytit siirsivät diabeteksen terveelle vastaanottajalle, mikä osoittaa, että taudin varhaisvaiheessa suoliston immuunijärjestelmän lymfosyytit ovat diabetogeenisia. Samankaltainen havainto on tehty myös ihmisen diabeteksessa. T-solulinja, joka oli eristetty diabetekseen menehtyneen lapsen haimasta, sitoutui voimakkaasti tulehtuneen haiman verisuonen endoteeliin ja limakalvon imukudoksen endoteeliin mutta heikosti perifeerisen imusolmukkeen tai terveen haiman endoteeliin (Hänninen ym. 1993). Omissa tutkimuksissamme havaitsimme, että tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla GAD-autoantigeenin tunnistavat lymfosyytit kantoivat pinnallaan α4β7- integriinia, kun taas parenteraalisen immunisaation seurauksena syntyneissä tetanustoksoidin tunnistavissa lymfosyyteissä ei ollut tätä suoliston kotiutumisreseptoria (Paronen ym. 1997). Taulukko 1. Tutkimustuloksia, jotka tukevat käsitystä suoliston immuunijärjestelmän osallisuudesta tyypin 1 diabeteksen syntyyn. Eläintutkimukset Ravintotekijät vaikuttavat diabeteksen ilmaantuvuuteen eläinmalleissa (NOD-hiiri ja BB-rotta) Ravintomuutokset aiheuttavat muutoksia BB-rottien haimaan hakeutuvien lymfosyyttien sytokiininerityksessä. Haiman saarekkeisiin hakeutuvat lymfosyytit kantavat pinnallaan suoliston kotiutumisreseptoria NOD-hiirillä Monoklonaaliset vasta-aineet, jotka sitoutuvat suoliston kotiutumisreseptoriin, estävät diabeteksen synnyn eläinmalleissa Tutkimukset ihmisen tyypin 1 diabeteksessa Lehmänmaidon proteiineille altistuminen varhaislapsuudessa lisää diabetesriskiä Tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla lapsilla on todettu voimakas immuunivaste useita ravinnon proteiineja kohtaan Suoliston kotiutumisreseptori esiintyy GAD-reaktiivisten T-lymfosyyttien pinnalla tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla lapsilla Immunohistologiset löydökset tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla lapsilla viittaavat tulehduksellisiin muutoksiin suolistossa Primaari-immunisaatio insuliinia kohtaan tapahtuu suolistossa varhaislapsuuden aikana NOD = non-obese diabetic, BB = biobreeding, GAD = glutamaattidekarboksylaasi Havaintomme GAD-reaktiivisuuden painottumisesta α4β7-positiivisiin lymfosyytteihin tukee ajatusta, että tyypin 1 diabeteksessa autoreaktiiviset lymfosyytit käyttävät suoliston kotiutumisreseptoreja, ja korostaa edelleen suoliston immuunijärjestelmän merkitystä tyypin 1 diabeteksen synnyssä. Näyttää siltä, että toleranssi kehon omille antigeeneille on tyypin 1 diabeteksessa murtunut suoliston lymfosyyteissä. Savilahti ym. (1999) ovat tutkineet suolen immunohistologiaa tyypin 1 diabeteksessa ja havainneet tulehdusreaktion merkkejä potilaiden suolistossa. Antigeenia esittelevien DR- ja DPproteiinien määrä suolen epiteelinukassa ja α4β7-integriinin määrä lamina proprian lymfosyyteissä oli lisääntynyt potilailla terveisiin verrattuna. Löydökset eivät rajoittuneet potilaisiin, joilla oli keliakiaan ja diabetekseen liittyvä HLA-DQB1*02 alleeli. Nämä havainnot viittaavat siihen, että subkliininen suolistotulehdus voi liittyä tyypin 1 diabetekseen. Suoliston immuunijärjestelmän merkitys tyypin 1 diabeteksen synnyssä 353
Omissa alustavissa tutkimuksissamme olemme saaneet viitteitä siitä, että suolistoon kotiutuvat α4β7-positiiviset lymfosyytit ovat toiminnallisesti poikkeavia tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla. Potilaiden α4β7-integriinia kantavat lymfosyytit erittivät suhteellisesti enemmän IFN-γsytokiinia ja vähemmän TGF-β:aa kuin terveiden lasten vastaavat lymfosyytit (Klemetti ym. 1998). Lehmänmaitoproteiinit ja tyypin 1 diabetes Tämän tutkimuksen alustavat tulokset viittaavat siihen, että lehmänmaitoproteiinien välttäminen ensimmäisten 6 8 elinkuukauden aikana vähensi diabetekseen liittyvien autovasta-aineiden syntyä kahden vuoden ikään mennessä. Useiden epidemiologisten tutkimusten mukaan varhainen altistuminen imeväisiässä lehmänmaitoproteiineille tai lyhyt rintaruokinta-aika merkitsevät lisääntynyttä riskiä sairastua myöhemmin tyypin 1 diabetekseen (Åkerblom ja Knip 1998). Altistuminen ennen 2 3 kuukauden ikää merkitsee useimpien tutkimusten mukaan keskimäärin noin 1.5 2-kertaista diabetesriskiä, mutta eräissä tutkimuksissa, joissa on käytetty HLA-geenien suhteen kaltaistettuja verrokkeja, riski on noussut jopa 10-kertaiseksi suuren geneettisen riskin omaavilla henkilöillä. Kaikissa epidemiologisissa tutkimuksissa tämä riski ei ole tullut esille, ja lehmänmaitoproteiinien merkitys tyypin 1 diabeteksen riskitekijänä on ollut kiistanalainen diabetestutkimuksessa. Pienten riskisuhteiden näkyminen epidemiologisissa tutkimuksissa voi vaihdella, ja riittävän tilastollisen voiman saavuttaminen vaatii usein suuria otoskokoja erityisesti, kun tutkittava riskitekijä on yleinen. Edellä mainitut havainnot ovat kuitenkin johtaneet ns. esitutkimusten käynnistämiseen Hans Åkerblomin johdolla tyypin 1 diabeteksen ehkäisystä. Tämän tutkimuksen toisessa vaiheessa on selvitetty ravinnon lehmänmaitoproteiinien välttämisen vaikutusta diabetekseen liittyvien autovasta-aineiden muodostukseen sellaisilla vastasyntyneilla, joiden isällä, äidillä tai sisaruksella on tyypin 1 diabetes. Puolet tutkimusryhmästä käytti normaalia lehmänmaitopohjaista äidinmaidonkorviketta ensimmäisten 6 8 elinkuukauden aikana ja puolet sai tarvittaessa kaseiinipohjaista äidinmaidonkorviketta, jossa proteiini oli pilkottu vähemmän immunogeenisiksi peptideiksi. Ruokavaliosta poistettiin naudanlihaa sisältävät tuotteet. Tämän tutkimuksen alustavat tulokset viittaavat siihen, että lehmänmaitoproteiinien välttäminen ensimmäisten 6 8 elinkuukauden aikana vähensi diabetekseen liittyvien autovasta-aineiden syntyä kahden vuoden ikään mennessä. Yhdelle 53:sta eliminaatioryhmän lapsesta kehittyi autovasta-aineita kahden vuoden seurannassa, ja kuusi 48:sta tavallista äidinmaidonkorviketta saaneesta lapsesta muuttui autovasta-ainepositiivisiksi (Åkerblom ym. 1999). Lehmänmaitoproteiinit ovat ensimmäisiä vieraita valkuaisaineita, joita pieni lapsi saa suolistoonsa. Tämä altistus on voimakas immunostimulaatio ja aiheuttaa paitsi spesifisen immuunivasteen muodostuksen kyseisiä antigeeneja kohtaan myös epäspesifistä immunologista aktivaatiota. On mahdollista, että lehmänmaitoproteiineille altistuminen suurentaa diabetesriskiä epäspesifisin mekanismein aktivoimalla suoliston immuunijärjestelmää imeväisiässä. Tyypin 1 diabeteksen eläinmalleissa, kuten spontaanisti diabetekseen sairastuvilla NOD-hiirellä ja BB-rotalla (biobreeding), pilkottujen lehmänmaitoproteiinien antamisen ravinnossa on havaittu vähentävän diabetesta verrattuna kokoproteiinien antoon (Elliott ja Martin 1984, Elliott ym. 1988). Nämä ravintoerot aiheuttavat muutoksia haiman saarekkeisiin hakeutuvien lymfosyyttien sytokiininerityksessä (Scott ym. 1997). Kuitenkaan diabeteksen kehittyminen näissä eläinmalleissa ei ole riippuvainen altistumisesta lehmänmaitoproteiineille, ja tutkimustulokset merkitsevät lähinnä sitä, että pilkottujen proteiinien anto kokoproteiinien asemesta vähentää diabetesta. Lisäksi nämä tutkimukset osoittavat, että ravintotekijät vaikuttavat diabeteksen esiintymiseen eläinmalleissa, mikä tukee suoliston immuunijärjestelmän merkitystä autoimmuunidiabeteksen synnyssä. 354 O. Vaarala
Havainnot korostuneesta immuunivasteesta ravinnon lehmänmaitoproteiineja kohtaan tyypin 1 diabeteksessa voivat heijastaa suoliston lisääntynyttä läpäisevyyttä oraalisesti annettujen antigeenien osalta. Äskettäin on julkaistu tutkimus, jossa osoitettiin, että mannitolin läpäisevyys oli lisääntynyt tyypin 1 diabetekseen sairastuneilla (Carratù ym. 1999). Oraalisen toleranssin vahvistaminen hoitona tyypin 1 diabeteksessa Oraalisen toleranssin vahvistaminen säätelee autoimmuniteettia vaikuttamalla autoantigeenispesifisten T-lymfosyyttien sytokiinineritykseen ja siten niiden toiminnalllisiin ominaisuuksiin. Paikalliset sytokiinit ja hormonit vaikuttavat kypsyvien lymfosyyttien toiminnallisiin ominaisuuksiin. Suoliston lymfosyyteille on ominaista, että kehittyvä immuunivaste on tyypillisesti Th2-tyyppinen eli johtaa vasta-ainemuodostusta lisäävien ja sytotoksista immuniteettia vaimentavien sytokiinien eritykseen (Premier ja Meusen 1998). Oraalisen toleranssin vahvistamiseen voidaan käyttää myös ns. adjuvantteja, jotka lisäävät Th2-tyyppisen immuunivasteen muodostumista (Hartmann ym. 1997). Mikäli beetasoluspesifisen autoimmuniteetin synty tyypin 1 diabeteksessa on yhteydessä oraalisen toleranssin häiriöön, kuten olemme esittäneet, tällaisten adjuvanttien käyttö voi olla mielenkiintoinen mahdollisuus tämän diabetestyypin ehkäisyssä. Autoantigeenin antoa suun kautta on käytetty menestyksellisesti diabeteksen ehkäisyssä NODhiirellä (Zhang ym. 1991). Insuliinin annon on todettu vähentävän sytotoksisia lymfosyyttejä stimuloivan sytokiinin IFN-g:n muodostusta haiman saarekkeissa ja lisäävän ns. Th2-tyyppistä immuniteettia vahvistavien sytokiinien kuten IL- 4:n, IL-10:n ja TGF-b:n muodostumista (Ploix ym. 1998, Hancock ym. 1995). Myös GAD:n anto suun kautta siirtogeenisen kasvin mukana estää NOD-hiirellä diabeteksen kehittymisen vaikuttamalla GAD:n tunnistavien lymfosyyttien sytokiinineritykseen (Ma ym. 1997). On mahdollista, että oraalisen toleranssin säätely ei toimi normaalisti tyypin 1 diabeteksessa ja että siksi autoantigeenin anto suun kautta voi teoriassa johtaa jopa autoimmuniteetin vahvistumiseen henkilöillä, joilla on suuri riski sairastua diabetekseen. Osa kokeellisista tutkimuksista viittaa tähän mahdollisuuteen. Bergerot ym. (1994) havaitsivat, että oraalisella insuliinilla hoidetuista NOD-hiiristä eristetyt CD8-lymfosyytit kiihdyttivät diabeteksen kehittymistä, kun niitä siirrettiin terveelle hiirelle yhdessä diabetogeenisten lymfosyyttien kanssa. Myös bakteeriperäisen adjuvantin käyttö insuliinin kanssa kiihdytti diabeteksen kehittymistä BB-rotalla mutta ehkäisi diabeteksen synnyn NOD-hiirellä (Bellman ym. 1998). Blanas ym. (1996) kehittivät siirtogeenisen hiirimallin, jossa beetasolut tuottivat ovalbumiinia. Ovalbumiinin anto suun kautta johti CD8- lymfosyyttien hakeutumiseen haiman saarekkeisiin ja diabeteksen syntyyn. MBP:n (myelin basic protein) anto suun kautta ehkäisee aikuisella rotalla autoimmuunienkefaliitin synnyn (MS-taudin eläinmalli) mutta aiheuttaa vastasyntyneellä haitallisen Suoliston infektioiden lisäksi myös muutokset suoliston normaalifloorassa voivat muuttaa suoliston immuunivastetta. immuunivasteen ja taudin voimistumisen (Miller ym. 1994). Lisäksi toistuvat tai pienet MBPannokset kiihdyttävät autoimmuunienkefaliitin kliinistä kulkua aikuisellakin rotalla (Meyer ym. 1996). Nämä tutkimukset osoittavat, että oraalisen toleranssin mekanismit poikkeavat toisistaan eri lajeilla ja eri-ikäisillä eläimillä. Suoliston immuunijärjestelmään vaikuttavat ympäristötekijät voivat myös muuntaa syntyvää autoimmuunivastetta. Erilaiset suolistoinfektiot, kuten enterovirusinfektiot, saattavat aiheuttaa muutoksia suoliston lymfosyyttien sytokiininerityksessä ja periaatteessa aktivoida suoliston immuunijärjestelmän autoreaktiivisia lymfosyyttejä. Enterovirusinfektiot on liitetty tyypin 1 diabeteksen riskiin (Åkerblom ja Knip 1998). Hyödyn tutkimusryhmä on havainnut, että saarekesoluvasta-aineet ilmaantuvat usein samanaikaisesti serologisesti todettujen enterovirusinfektioiden yhteydessä lapsilla, jotka sairastuvat myöhemmin tyypin 1 diabetekseen (Hiltunen ym. 1997). En- Suoliston immuunijärjestelmän merkitys tyypin 1 diabeteksen synnyssä 355
Kuva 1. Hypoteesi ravintoperäistä lehmän insuliinia kohtaan syntyvän immuunivasteen yhteydestä insuliinispesifisen autoimmuniteetin ja tyypin 1 diabeteksen syntyyn. Altistuminen ravinnon insuliinille saa aikaan terveillä henkilöillä ns. primaari-immunisaation, joka johtaa useimmiten oraalisen toleranssin kehittymiseen. Joillakin henkilöillä immunisaatio kuitenkin johtaa voimakasaffiinisten insuliiniautovasta-aineiden kehittymiseen, immuunivasteen leviämiseen muita beetasoluantigeeneja kohtaan ja lopulta tyypin 1 diabeteksen kehittymiseen. Immuunivasteen kehittymiseen vaikuttaa suoliston sytokiiniympäristö: IFN-γ:n eritys lisää sytotoksista immuniteettia ja TGF-β:n eritys puolestaan johtaa toleranssiin. Suolistossa syntyvän immuunivasteen ominaisuuksia muokkaavat perinnölliset tekijät, suoliston mikrobifloora ja suoliston infektiot. IFN-γ = interferoni gamma, TGF-β = tuumorinekroositekijä beeta. terovirusinfektiot voivat myös muuttaa suoliston läpäisevyyttä ja aiheuttaa siten muutoksia suoliston immuunivasteessa. Suoliston infektioiden lisäksi myös muutokset suoliston normaalifloorassa voivat muuttaa suoliston immuunivastetta, mihin viittaavat ruoka-aineallergioiden tutkimustulokset (Majamaa ja Isolauri 1997). Lehmänmaidon insuliini beetasoluautoimmuniteetin laukaisijana? Olemme äskettäin havainneet, että ensimmäinen immunisaatio insuliinia kohtaan tapahtuu varhaislapsuudessa suoliston kautta, kun imeväisikäiset altistuvat lehmän insuliinille, jota on lehmänmaitopohjaisissa tuotteissa, kuten äidinmaidonkorvikkeissa (Vaarala ym. 1998 ja 1999). Lehmän insuliini poikkeaa rakenteellisesti ihmisen insuliinista kolmen aminohapon suhteen, joista kaksi on A-ketjussa ja yksi B- ketjussa, ja aiheuttaa siksi immunisoitumisen ihmisessä (Kurtz ym. 1980). Lehmänmaitopohjaiselle äidinmaidonkorvikkeelle altistuneet lapset muodostavat sekä humoraalisen että soluvälitteisen immuunivasteen lehmän insuliinia kohtaan, ja syntyneet vasta-aineet sitoutuvat myös ihmisen insuliiniin. Insuliinispesifinen immuniteetti on keskeisessä osassa tyypin 1 diabeteksen kehittymisessä. Insuliiniautovasta-aineet ilmaantuvat useimmiten ensimmäisenä autovasta-aineena lapsille, joille kehittyy diabetes tai siihen liittyvä autoimmuniteetti (Ziegler ym. 1999). Lisäksi NOD-hiirellä insuliinispesifiset T- solut siirtävät taudin terveelle hiirelle (Daniel ym. 1995) ja valtaosa saarekkeisiin hakeutuvista lymfosyyteistä on insuliinispesifisiä (Wegmann ym. 1994). On esitetty, että insuliini olisi ns. primaariantigeeni tyypin 1 diabeteksen synnyssä. Lehmän insuliinin aiheuttama primaarinen immuunivaste poikkeaa ominaisuuksiltaan tyypin 1 diabeteksessa esiintyvästä immuunivasteesta, joka on mitä ilmeisemmin pitkäaikaisen immunisaation vahvistama (Vaarala ym. 1999). 356 O. Vaarala
On mahdollista, että tämä varhainen altistus insuliinille suoliston kautta palvelee toleranssin syntyä terveillä lapsilla. Seuratessamme lehmän insuliiniin sitoutuvien vasta-aineiden kehitystä lapsilla, joilla on suurentunut geneettinen riski sairastua diabetekseen ja joille muodostui saarekesoluvasta-aineita, havaitsimme kuitenkin insuliiniin sitoutuvien vasta-aineiden lisääntyvän jatkuvasti 18 kuukauden ikään mennessä, kun taas vasta-ainepitoisuudet pienenivät niillä lapsilla, joille ei kehittynyt saarekesoluvasta-aineita (Vaarala ym. 1999). Tämä viittaa siihen, että lehmän insuliinin aiheuttaman insuliinispesifisen immuunivasteen säätely ei välttämättä ole kontrolloitua lapsilla, joille ilmaantuu autoimmuunireaktio. Hypoteesi tyypin 1 diabeteksen yhteydestä lymfosyyttien herkistymiseen varhaislapsuudessa ravintoperäiselle lehmän insuliinille ja myöhemmin näiden lymfosyyttien kypsymiseen sytotoksiseksi insuliinispesifiseksi autoreaktiiviseksi lymfosyyttipopulaatioksi on esitetty kuvassa 1. Tässä hypoteesissa suoliston immuunijärjestelmällä sekä siihen vaikuttavilla geneettisillä ja ympäristötekijöillä on keskeinen merkitys insuliinispesifisen immuniteetin säätelijänä. * * * Kiitän yhteistyöstä professori Hans Åkerblomia ja dosentti Erkki Savilahtea, joiden kanssa käydyt keskustelut ovat vaikuttaneet tutkimuslinjani kehittymiseen. Tutkimustani ovat tukeneet Suomen Akatemia, Diabetestutkimussäätiö, Ravitsemuksen tutkimussäätiö, Juvenile Diabetes Foundation International ja Novo Nordisk Foundation. Kirjallisuutta Atkinson M A, Bowman M A, Campbell L, Darrow B L, Kaufman D L, Maclaren NK. Cellular immunity to a determinant common to glutamate decarboxylase and coxsackie virus in insulin-dependent diabetes. J Clin Inv 1994;94:2125 9. Bellmann K, Kolb H, Rastegar S, Jee P, Scott F W. Potential risk of oral insulin with adjuvant for the prevention of type 1 diabetes. A protocol effective in NOD mice may exacerbate disease in BB rats. Diabetes 1998;41:844 7. Bergerot I, Fabien N, Maguer V, and Thivolet C. Oral administration of human insulin to NOD mice generates CD4+ T cells that suppress adoptive transfer of diabetes. J Autoimmunity 1994;7:655 63. Bergerot I, Ploix C, Petersen J, ym. A cholera toxoid-insulin conjugate as an oral vaccine against spontaneous autoimmune diabetes. Proc Natl Acad Sci USA 1997;94:4610 4. Blanas E, Carbone FR, Allison J, Miller J F A P, Heath W R. Induction of autoimmune diabetes by oral administration of autoantigen. Science 1996;274:1707 9. Carratù R, Secondulfo M, de Magistris L, ym. Altered intestinal permeability to mannitol in diabetes mellitus type 1. J Ped Gastroenterol Nutr 1999;28:264 9. Cavallo M G, Fava S D, Monetini L, Barone F, Pozzilli P. Cell-mediated immune response to b casein in recent-onset insulin-dependent diabetes: implications for disease pathogenesis. Lancet 1996;348: 926 8. Daniel D, Gill R G, Schloot N, Wegmann D. Epitope specificity, cytokine production profile and diabetogenic activity of insulin-specific T cell clones isolated from NOD mice. Eur J Immunol 1995;25:1056 62. Elliott R B, Martin J M. Dietary protein: a trigger of insulin-dependent diabetes in the BB rat? Diabetologia 1984;26:297 9. Elliott R B, Reddy S N, Bibby N J, Kida K. Dietary prevention of diabetes in the non-obese diabetic mouse. Diabetologia 1988;31:62 4. Faveeuw C, Gagnerault M-C, and Lapault F. Expression of homing and adhesion molecules in infiltrated islets of Langerhans and salivary glands of nonobese diabetic mice. J Immunol 1994;152:5969 78. Hancock W W, Polanski M, Zhang J, Blogg N, Weiner H L. Suppression of insulitis in non-obese diabetic (NOD) mice by oral insulin administration is associated with selective expression of interleukin- 4, and -10, transforming growth factor-beta, and prostaglandin- E. Am J Pathol 1995;147:1193 9. Hartmann B, Bellmann K, Ghiea I, Kleemann R, Kolb H. Oral insulin for diabetes prevention in NOD mice: potentiation by enhancing Th2 cytokine expression in the gut through bacterial adjuvant. Diabetologia 1997;40:902 9. Hiltunen M, Hyöty H, Knip M, Ilonen J, Reijonen H, Vähäsalo P, Roivainen M, Lönnrot M, Leinikki P, Hovi T, Åkerblom H K, and the Childhood Diabetes in Finland Study Group. Islet cell antibody seroconversion in children is temporally associated with enterovirus infections. J Inf Dis 1997;175:554 60. Hänninen A, Salmi M, Simell O, Jalkanen S. Endothelial cell-binding properties of lymphocytes infiltrated into human diabetic pancreas. Implications for pathogenesis of IDDM. Diabetes 1993;42: 1656 62. Hänninen A, Jaakkola I, Jalkanen S. High prevalence of diabetogenic lymphocytes in gut-associated lymphoid tissue of young NOD mice. Scand J Immunol 1996(a);43:735. Hänninen A, Salmi M, Simell O, Jalkanen S. Mucosa-associated (beta 7- integrinhigh) lymphocytes accumulate early in the pancreas of NOD mice and show aberrant recirculation behavior. Diabetes 1996(b);45:1173 80. Hänninen A, Jaakkola I, Jalkanen S. Mucosal addressin is required for the development of diabetes in nonobese diabetic mice. J Immunol 1998;160:6018 25. Karjalainen J, Martin J M, Knip M, ym. A bovine albumin peptide as a possible trigger of insulin-dependent diabetes mellitus. N Engl J Med 1992;327:302 7. Karvonen M, Tuomilehto J, Libman I, LaPorte R. A review of the recent epidemiological data on the worldwide incidence of Type 1 (insulin-dependent) diabetes mellitus. World Health Organization DIAMOND Project Group. Diabetologia 1993;36:883 92. Klemetti P, Kantele J M, Paronen J, Savilahti E, Åkerblom H K, Vaarala O. Interferon-γ secretion by T cells expressing gut-specific homing receptor α4β7-integrin in patients with newly diagnosed IDDM and in control chidlren. (Abstrakti). Diabetes 1998;47 Suppl 1:A2033. Kurtz A B, Matthews J A, Mustaffa B E, Daggett P R, Nabarro J D N. Decrease of antibodies to insulin, proinsulin and contaminating hormones after changing treatment from conventional beef to purified pork insulin. Diabetologia 1980;18:147 50. Ma S-W, Zhao D-L, Yin Z-Q, ym. Transgenic plants expressing autoantigens fed to mice to induce oral immune tolerance. Nature Med 1997;3:793 6. Majamaa H, and Isolauri E. Probiotics: a novel approach in the management of food allergy. J Allergy Clin Immunol 1997;99:179 85. Meyer A L, Benson J M, Gienapp I E, Cox K L, Whitacre C C. Suppression of murine chronic relapsing experimental autoimmune encephalomyelitis by the oral administration of myelin basic protein. J Immunol 1996;157:4230 8. Miller A, Lider O, Abramsky O, Weiner H.L. Orally administered myelin basic protein in neonates primes for immune responses and enhances experimental autoimmune ecephalomyelitis in adult animals. Eur J Immunol 1994; 24:1026 32. Paronen J, Klemetti P, Kantele J M, ym. Glutamate decarboxylase-reactive peripheral blood lymphocytes from patients with IDDM express gut-specific homing receptor α4β7-integrin. Diabetes 1997;46:583 8. Ploix C, Bergerot I, Fabien N, Perche S, Moulin V, Thivolet C. Protection against autoimmune diabetes with oral insulin is associated with Suoliston immuunijärjestelmän merkitys tyypin 1 diabeteksen synnyssä 357
the presence of IL-4 type 2 T-cells in the pancreas and pancreatic lymph nodes. Diabetes 1998;47:39 44. Premier R R, Meeusen N. Lymphocyte surface marker and cytokine expression in peripheral and mucosal lymph nodes. Immunology 1998;94:363 7. Savilahti E, Örmälä T, Saukkonen T, ym. Jejuna of patients with insulindependent diabetes mellitus (IDDM) show signs of immune activation. Clin Exp Immunol 1999;116:70 7. Scott F W, Cloutier E H, Kleemann R, ym. Potential mechanisms by which certain foods promote or inhibit the development of spontaneous diabetes in BB rats: dosage, timing, early effect on islet area, and switch in infiltrate from Th1 to Th2 cells. Diabetes 1997;46:589 98. She J-X. Susceptiblity to type 1 diabetes: HLA-DQ and DR revisited. Immunol Today 1996;17:323 9. Strobel S, Mowat A. Immune responses to dietary antigens: oral tolerance. Immunology Today 1998;19:173 81. Vaarala O, Saukkonen T, Savilahti E, Klemola T, Åkerblom HK. Development of immune response to cow milk proteins in infants receiving cow milk formula or hydrolysed formula. J Allergy Clin Immunol 1995;96:917 23. Vaarala O, Klemetti P, Savilahti E, Reijonen H, Ilonen J, Åkerblom H K. Cellular immune response to cow s milk β-lactoglobulin in patients with newly diagnosed IDDM. Diabetes 1996;45:178 82. Vaarala O, Paronen J, Otonkoski T, Åkerblom HK. Cow milk feeding induces antibodies to insulin in children A link between cow milk and insulin-dependent diabetes mellitus? Scand J Immunol 1998;47:131 5. Vaarala O, Knip M, Paronen J, ym. Cow s milk formula feeding induces primary immunization to insulin in infants at genetic risk for type 1 diabetes. Diabetes 1999;48;1389 94. Wegmann DR, Norbury-Glaser M, Daniel D. Insulin-specific T cells are a predominant component of islet infiltrates in pre-diabetic NOD mice. Eur J Immunol 1994;24:1853 7. Wells H G, Osborne T B. The biological reactions of the vegetable proteins. I. Anaphylaxis. J Infect Dis 1911;8:66 124. Yang X-D, Michie S A, Tisch R, Karin N, Steinman L, McDevitt H O. A predominant role of integrin α4 in the spontaneous development of autoimmune diabetes in nonobese diabetic mice. Proc Natl Acad Sci USA 1994;91:12604 8. Yang X-D, Sytwu H-K, McDevitt H O, Michie S A. Involvement of β7 integrin and mucosal addressin cell adhesion molecule-1 (MAd- CAM-1) in the development of diabetes in nonobese diabetic mice. Diabetes 1997; 46:1542 7. Zhang J Z, Davidson L, Eisenbarth G, Weiner H L. Suppression of diabetes in nonobese mice by oral administration of porcine insulin. Proc Natl Acad Sci USA 1991;88:1052 6. Ziegler A-G, Hummel M, Schenker M, Bonifacio E. Autoantibody appereance and risk for development of childhood diabetes in offspring of parents with Type 1 diabetes. The 2-year analysis of the German BABYDIAB study. Diabetes 1999;48:460 8. Åkerblom HK, Knip M. Putative environmental factors in Type 1 diabetes. Diabetes/Metabol Rev 1998;14:31 67. Åkerblom H K, Virtanen S M, Hamalainen A-M, ym. Emergence of diabetes associated autoantibodies in the nutritional prevention of IDDM (TRIGR) project (abstrakti) Diabetes 1999;48 Suppl 1:A45. OUTI VAARALA, dosentti, Suomen Akatemian vanhempi tutkija outi.vaarala@ktl.fi Kansanterveyslaitos Mannerheimintie 166 00300 Helsinki Aikakauskirjan pyytämä katsaus Jätetty toimitukselle 23.8.1999 358