Gut Microbiome, Gastrointestinal Immunity And The Protective Role Of Cytokine-Specific Autoantibodies In Autoimmune Polyendocrine Syndrome Type 1

Autoimmune polyendocrinopathy syndrome type I (APS-1) is a rare monogenic disorder and part of the Finnish disease heritage. A loss-of function mutation in the autoimmune regulator gene, AIRE, leads to a faulty development of immunological self-tolerance and as a consequence, autoreactive T cells escape to the periphery. Patients typically develop several autoimmune disease components, the most common being Addison’s disease and hypoparathyroidism. Apart from these endocrinological abnormalities, APS-1 patients are also susceptible to infections caused by Candida albicans. In addition, patients develop circulating autoantibodies (autoAb’s) targeting tissue antigens as well as cytokines. Some of these autoAbs have been shown to be disease-ameliorating. However, all immunological mechanisms contributing to APS-1 phenotype are not yet precisely known. The focus of this thesis was on the immunological aberrations of the APS-1 with special emphasis on the gastrointestinal tract and the circulating autoAbs. In the first part of this study, we found gastrointestinal symptoms to be a common ailment in APS-1 population. We confirmed the presence of autoAbs against tryptophan hydroxylase 1 and aromatic L-amino acid decaboxylase (AADC), enzymes crucial for the proper functioning of the gut. We also found autoAbs against other gut mucosa associated structures, namely autoimmune enteropathy related 75kDA antigen, villin and Paneth cells. In histological analysis, the number of chromogranin A -positive cells was found to be decreased or even absent in 50% and serotonin positive cells in 78% of APS-1 gastrointestinal tissue samples. We established a significant correlation between constipation experienced by the patients and the loss of serotonin staining enteroendocrine cells as well as between constipation and AADC autoAbs. As a novel finding we presented evidence of a direct cytotoxic T cell response against AADC in 43% of APS-1 patient sera. In the second part of this study, we explored the fecal microbiome of APS 1 patients. Compared to healthy controls we found Streptococcus oralis alongside seven previously uncharacterised Clostridiales to be enriched and Eubacterium rectale, Bifidobacterium animalis, Lactobacillus acidophilus as well as previously uncharacterised Faecalibacteria and Clostridialies to be depleted. A significant positive correlation was established between the species enriched in APS-1 microbiome and constipation, as well as with serum tryptophan metabolites. We conducted a 3 month probiotic trial with Lactobacillus rhamnosus GG and found it to alleviate especially the upper gastrointestinal symptoms while having a mild positive effect on diarrhea. In the third part of this study we examined the prevalence of asthmatic and allergic symptoms in APS-1 patients in relation to serum autoAbs. Respiratory symptoms suspected to be of allergic nature were found to be common, presenting in nearly half of the patients. However, we only found IgE mediated allergy in 14% of the patients. Furthermore, asthma had been diagnosed in another set of 14% of patients. We found a negative correlation between asthma and IL-17F-autoAbs, which suggested a protective effect of IL-17F inhibition on asthma. Hitherto, our understanding of the superorganism-wide immunological mechanisms is far from complete, and the dialogue between host and microbial habitants within shall provide countless opportunities for future research. To conclude, the findings of this thesis show that the GI symptoms in APS- 1 patients are associated with specific histological alterations and changes in the gut microbiome, and that these changes might be reflected in the circulating autoAbs. Some of these antibodies seem to be of protective nature.Autoimmuuni polyendokrinopatia syndrooma tyyppi 1 (APS-1) on harvinainen, suomalaiseen tautiperimään kuuluva yhden AIRE-nimisen geenin aiheuttama sairaus. Geenin toiminnallisen puutoksen seurauksena potilaiden immuunijärjestelmä toimii poikkeavasti. Kateenkorvassa tapahtuva T-valkosolujen kypsymisvaihe häiriintyy ja verenkiertoon päätyy autoreaktiivisia eli kehon omia rakenteita vastaan tuhoisia T-soluja. Tyypillisimmin hyökkäyksen kohteena ovat endokrinologiset elimet kuten lisämunuaisen kuorikerros ja lisäkilpirauhanen, mutta myös ihon rakenteisiin kohdistuvat reaktiot ovat yleisiä, potilailla esiintyy valkopälvisyyttä ja pälvikaljua. Lisäksi APS-1 potilailla tavataan runsaasti erilaisia tulehdusvälittäjäaineisiin kohdistuvia vasta-aineita. Poikkeavasti toimivaan immuunipuolustukseen liittyy myös potilaiden erityinen alttius Candida-hiivasienitulehduksiin. Kaikkia taudin taustalla olevia immunologisia mekanismeja ei vielä tarkkaan tunneta. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin APS-1 potilaiden immunologisia poikkeavuuksia keskittyen erityisesti ruuansulatuskanavaan ja tulehdusvälittäjäaineisiin kohdistuviin vasta-aineisiin. Ensimmäisessä osajulkaisussa raportoimme ruuansulatuskanavan oireiden olevan 31 potilaan joukossamme varsin yleinen vaiva. Toistimme jo aiemmin tunnetun havainnon siitä, että APS-1 potilailla esiintyy vasta-aineita suoliston toiminnan kannalta keskeisiä entsyymejä tryptofaanihydroksylaasia ja aromaattista L-aminohappodekarboksylaasia (AADC), kohtaan. Havaitsimme myös vasta-aineita, jotka kohdistuivat autoimmuunienteropatiaan liittyvään antigeeniin, nukkalisäkkeissä esiintyvään villiiniin sekä suolikryptissa oleviin Panethin soluihin. Suoliston pintakerroksessa nähtiin kudostason muutoksia: kromograniini A:ta tuottavien enteroendokriinisolujen määrä oli vähentynyt tai peräti puuttui 50 %:sta ja serotoniinia tuottavien solujen määrä 78 %:sta näytteistä. Löysimme tilastollisen yhteyden ummetuksen ja puuttuvien serotoniinia erittävien enteroendokriinisolujen, sekä ummetuksen ja AADC-vasta-aineiden välillä. Uutena löydöksenä osoitimme AADC:tä kohtaan myös suoran T-soluperäisen immuunivasteen 43 %:lla potilaista. Toisessa osajulkaisussa teimme havaintoja APS-1 potilaille tyypillisestä ulosteen mikrobiomista. Bakteerilajien monimuotoisuus ei poikennut APS-1 potilaiden ja verrokkien välillä. APS-1 potilaiden näytteissä todettiin verrokkeihin nähden enemmän Streptococcus oralis -bakteeria sekä vielä tuntemattomia Clostridiales- lahkoon kuuluvia bakteereita ja toisaalta vähemmän seuraavia lajeja: Eubacterium rectale, Bifidobacterium animalis, Lactobacillus acidophilus sekä Faecalibacterium-suvun ja Clostridiales -lahkon tuntemattomat edustajat. Tutkimme näiden lajien sekä näytteistä todettujen laajempien bakteeriryhmien yhteyttä potilaiden ruuansulatuskanavan oireisiin, ulosteen lyhytketjuisiin rasvahappoihin, sekä veren tryptofaaniaineenvaihduntatuotteisiin ja autovasta-aineisiin. Löysimme tilastollisen yhteyden APS-1 potilaiden ulosteen mikrobiomissa verrokkeihin nähden ylimäärin esiintyvien bakteerilajien ja ummetuksen välillä. Havaitsimme myös näiden bakteerilajien ja veren tryptofaaniaineenvaihduntatuotteiden välillä yhteyden. Teimme APS-1 potilaille kolmen kuukauden pituisen hoitokokeilun Lactobacillus rhamnosus GG:llä. Interventio näytti tuovan erityistä helpotusta potilaiden yläruuansulatuskanavan oireisiin ja se lievitti ripulia jonkin verran. Kolmas osajulkaisu käsitteli astman ja allergioiden esiintyvyyttä APS-1 potilasjoukossa. Kyselytutkimuksen perusteella astman esiintyvyys APS-1 potilaiden keskuudessa on 14 %. Allergisiksi mielletyt nenän, silmien, suun ja nielun limakalvo-oireet vaivasivat lähes puolta 29:stä APS-1 potilaasta, mutta IgE-välitteinen allergia todettiin mittauksessa vain 14 %:lla. Löysimme käänteisen vastaavuussuhteen verenkierron interleukiini 17 (IL-17) kohdistuvien vasta-aineiden ja astman välillä, astmaa sairastavilla APS-1 potilailla IL-17-vasta-aineita esiintyi vähemmän. Ymmärryksemme ihmisen puolustusjärjestelmän mekanismeista on vielä puutteellinen. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat, että APS-1 potilaiden suolisto-oireet liittyvät spesifeihin kudostason muutoksiin sekä mikrobiyhteisön poikkeavuuksiin suolessa, jotka heijastuvat myös potilaiden verenkierrossa tavattavien vasta-aineiden pitoisuuksiin. Osa näistä vasta-aineista näyttää olevan vaikutukseltaan suojaavia, kuten totesimme astman ja IL-17-vasta-aineen kohdalla