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Humans are exposed to a plethora of microorganisms that reside on outer and inner body surfaces. These are collectively referred to as the human microbiome. The evolutionary relationship between humans and their microbiome is very complex. It is now widely accepted that these microorganisms are not just passive spectators but play an important role in health. The presence or absence of certain microbes is also linked to various diseases, including inflammatory bowel disease, cardiovascular disease, obesity, cancer, and allergies.
Allergies are several conditions caused by a misguided immune response to foreign antigens that are typically harmless. Common allergic diseases include atopic dermatitis (AD), allergic asthma, hay fever, and anaphylaxis. The incidences of allergic diseases are continuously rising, with up to 40% of the human population thought to be sensitised to environmental antigens. This increased incidence is not simply the result of societies becoming more aware and better at diagnosing these diseases. It is believed that the increases in allergies and sensitisation have environmental causes and are related to Western lifestyles. It is known that the rate of allergies is less frequent in developing countries. They are also more likely to occur in urban than rural areas. The prevailing view of the involvement of bacteria in allergies is described by the hygiene hypothesis. The hypothesis claims that decreased exposure to diverse microbial communities early in life increases the risk of developing allergic diseases. There are numerous examples to support this claim. For example, children born and raised in close contact to farm animals or in the presence of pets, and who are thus in direct and constant contact with a complex microbial environment, are protected from allergic diseases. On the other hand, colonisation or infection with certain bacteria increases allergic disease risks. This seems to contradict the hygiene hypothesis.
It appears that the members of the microbiome have different effects on allergy, and the hygiene hypothesis may not apply to every player in the complex microbial diversity that humans are in contact with. Therefore, a better understanding of the host bacterial interaction is required on the level of bacterial species.
This work studies the interplay between bacteria and the immune system to identify and characterise bacterial components with allergenic properties. In this quest, Staphylococcus aureus (S. aureus) and Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) were investigated for their allergenic properties and involvement in different allergic diseases. In the case of S. aureus, evidence is presented on allergic implications for two different components; serine protease-like proteins (Spls) and superantigens (SAg). Furthermore, experimental support is provided on the allergenic properties of the extracellular serine protease (Esp) from S. epidermidis. We argue that stimulating allergic reactions by staphylococci is an immune evasion mechanism that increases the survival chances of the bacteria within the host.
In chapter 1, an introduction is given to both S. aureus and S. epidermidis and their interactions with the immune system. Also, the bacterial components with allergenic properties and allergic diseases with known bacterial involvement are presented. Finally, the question of why bacteria cause allergy is discussed.
Chapter 2 describes allergic reactions to the Spls of S. aureus in a cohort of cystic fibrosis patients. Chapter 3 focuses on the SAgs of S. aureus. SAgs were discovered more than 30 years ago, but their physiological function is still under discussion. In this chapter, the allergenic properties of SAgs and their possible immunological mechanisms are reviewed, and a possible link between SAgs and allergic diseases is discussed. In chapter 4, the focus shifts to S. epidermidis and its involvement in AD. The human immune response to the Esp from S. epidermidis is characterised in healthy and AD individuals. The allergenic properties of Esp imply a detrimental role of S. epidermidis in AD. Finally, chapter 5 summarises and discusses the results of this thesis. In this section, the pieces are put together, and attention is brought back to the question of why bacteria cause allergies.
Das Immunsystem hat die Aufgabe körperfremde von körpereigenen Strukturen zu unterscheiden. Es gewährt dem Organismus die spezifische Abwehr gegenüber krankheitsauslösenden Strukturen (Bakterien, Viren, Gifte). In seiner Komplexität führen Fehlfunktionen des Immunsystems zu verschiedenen Erkrankungen. Richtet sich die Immunantwort gegen körpereigene Strukturen und versagt die Unterscheidung zwischen Eigen und Fremd, so spricht man von Autoimmunerkrankungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Epidemiologie von (1) Allergien und (2) Autoimmunerkrankungen der Schilddrüse (AIT). (1) Parodontitis und Allergien HINTERGRUND: Parodontitis ist eine unter Erwachsenen weit verbreitete lokale, orale Infektion, die systemische Auswirkungen hat. In der Ätiologie von Allergien wird seit den 80iger Jahren die sogenannte Hygiene-Hypothese diskutiert. Diese besagt, dass Infektionen im Kindesalter präventiv auf die Entstehung von Allergien wirken. In der vorliegenden Studie wurde der Zusammenhang zwischen Parodontitis und allergischen Erkrankungen (Heuschnupfen, Hausstauballergie und Asthma) in der Allgemeinbevölkerung Vorpommerns und einem Diabetes mellitus Typ 1 Patientenkollektiv untersucht. METHODEN: Für die erste Analyse wurden Daten von 2837 Männern und Frauen im Alter zwischen 20 und 59 Jahren aus der bevölkerungsrepräsentativen „Study of Health in Pomerania“ (SHIP) herangezogen. Das Diabetes mellitus Typ 1 Patientenkollektiv beinhaltete 170 Patienten im Alter zwischen 17 und 80 Jahren. Der Attachmentverlust (AV) wurde gemessen und das Ausmaß der Parodontitis mittels des Prozentsatzes an Fläche mit einem AV über 3mm erfasst (gesunder Parodontalstatus, geringer AV, moderater AV, schwerwiegender AV). ERGEBNISSE: In SHIP berichteten 326 Personen Heuschnupfen, 111 Personen eine Hausstauballergie und 114 Personen waren von Asthma betroffen. In dem untersuchten Diabetes mellitus Typ 1 Patientenkollektiv litten 22 Patienten an mindestens einer der drei allergischen Erkrankungen. In SHIP wurde nach Kontrolle für ausgewählte Konfounder ein inverser Zusammenhang zwischen dem Schweregrad der Parodontitis und dem Vorhandensein von Heuschnupfen sowie Hausstauballergie gefunden. Mit steigendem AV nahm die Wahrscheinlichkeit für Heuschnupfen (ptrend<0,05) und Hausstauballergie (ptrend<0,05) ab. Hinsichtlich Asthma zeigte sich kein signifikanter Trend (ptrend=0,11), jedoch konnte auch hier mit steigendem AV eine gleichzeitige Abnahme der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Asthma beobachtet werden. Die Analysen im Diabetes mellitus Typ 1 Patientenkollektiv bestätigten diese Ergebnisse. Auch hier nahm die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Allergie mit zunehmenden AV ab. FAZIT: Sowohl in der Allgemeinbevölkerung Vorpommerns als auch in Diabetes mellitus Typ 1 Patienten wurde eine inverse Assoziation zwischen dem Parodontalstatus und allergischen Erkrankungen dargelegt. Diese Ergebnisse befürworten die Hygiene-Hypothese. (2) Anzahl an Schwangerschaften und AIT HINTERGRUND: Frauen sind häufiger von AIT betroffen als Männer. Darüber hinaus ist bekannt, dass das Risiko für einen AIT während der Schwangerschaft und in der Post-Partum-Periode steigt. Das Ziel der Analysen war es, die Assoziation zwischen der Anzahl an Schwangerschaften und AIT zu untersuchen. METHODEN: Daten von 2837 Frauen im Alter zwischen 20 und 79 Jahren aus der bevölkerungsrepräsentativen „Study of Health in Pomerania“ (SHIP) wurden analysiert. Serum Anti-Thyreoperoxidase-Antikörper (anti-TPO) und Thyrotropin Titer wurden bestimmt. Weiterhin wurde eine Schilddrüsensonographie durchgeführt. Eine AIT lag beim gleichzeitigen Vorliegen eines echoarmen Schilddrüsenmusters und eines positiven anti-TPO Titers (>200 IU/ml) vor. ERGEBNISSE: Multivariable Zusammenhangsanalysen zeigten, dass die Chance für eine AIT (OR 4,7 [95%-KI 1,4-15,6], p<0,05) bei Frauen mit mindestens einer Schwangerschaft im Vergleich zu Frauen, die niemals schwanger waren, erhöht war. Ähnliche Ergebnisse zeigten sich auch für ein echoarmes Schilddrüsenmuster (OR 1,7 [95%-KI 1,0-2,8], p<0,05) und positive anti-TPO Werte (OR 1,9 [95%-KI 1,0-3,3], p<0,05). FAZIT: In der untersuchten Studienpopulation stieg das Risiko für eine AIT mit dem Durchleben der ersten Schwangerschaft an.