KAUPUNKI-ILMAN PIENHIUKKASTEN JA MAATILAPÖLYN VAI- KUTUS LASTEN IMMUUNIVASTEIDEN SÄÄTELYMEKANISMEIHIN
Johannes Niiranen Kaupunki-ilman pienhiukkasten ja maatilapölyn vaikutus lasten immuunivasteiden säätelyme-
kanismeihin Pro Gradu -tutkielma Ympäristötiede Itä-Suomen yliopisto, Ympäristö- ja biotieteiden laitos Marraskuu 2018
ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO, Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta Ympäristö- ja Biotieteiden laitos, Ympäristötieteen pääaine
Johannes Niiranen: Kaupunki-ilman pienhiukkasten ja maatilapölyn vaikutus lasten immuu- nivasteiden säätelymekanismeihin
Pro Gradu -tutkielma 64 sivua
Tutkielman ohjaajat: Marjut Roponen (apulaisprofessori, FaT), Maria-Viola Martikainen (FM) Marraskuu 2018
Avainsanat: PBMC, CD80+, ILT4+, kaupunki-ilman pienhiukkaset, maatilapöly, allergia
TIIVISTELMÄ
Astma ja hengitysteissä alkunsa saavat allergiat ovat yleistyneet lapsilla varsinkin kehittyneissä maissa. Geneettiset tekijät ovat astman kehittymisessä ja vakavuusasteessa erittäin tärkeitä, mutta ne eivät voi yksinään selittää sairauksien lisääntymistä lapsilla. Ympäristötekijöistä muun muassa lasten altistumisen tupakansavulle ja sisäilman pölypunkeille on varmistettu aiheutta- van astmaa ja hengitystieallergioita. Ulkoilman hiukkasmaisten saasteiden on huomattu pahen- tavan jo puhjennutta astmaa, mutta sen rooli astman ja allergisten sairauksien aiheuttajana lap- silla on vielä epäselvä. Sitä vastoin maatilalla kasvaneiden lasten altistuminen erilaisille maati- laympäristössä tyypillisesti esiintyville antigeeneille on huomattu useissa epidemiologisissa tutkimuksissa vähentävän lasten herkkyyttä sairastua astmaan, heinänuhaan ja muihin allergi- siin sairauksiin.
Pro Gradu -tutkielmani tavoitteena oli selvittää, minkälaisia vaikutuksia altistuminen kaupunki- ilman hiukkasille ja maatilapölylle aiheuttaa immuunivasteen säätelymekanismeihin. Pro Gradu -tutkielman kokeellisessa osassa suomalaisten lasten verinäytteistä eristettyjä PBMC- soluja altistettiin suomalaiselta maatilalta kerätylle maatilapölylle ja Kiinasta (Nanjing) kerä- tyille kaupunki-ilman pienhiukkasille. Altistetuista näytteistä tunnistettiin virtaussytometriana- lyysillä dendriittisolut (mDC ja pDC), monosyytit ja B-solut sekä niiden pinnalla ilmentyvät CD80- ja ILT4-reseptorit.
Pro Gradu -tutkielmani tulokset tukevat pääosin tieteellisessä kirjallisuudessa esitettyjä havain- toja. Altistuminen maatilapölylle aktivoi immuunijärjestelmää nostamalla immuunisolujen CD80-tasoja. Kaupunki-ilman pienhiukkasilla altistetuilla PBMC-soluilla havaittiin puolestaan CD80-tasojen laskevan, mikä viittaa immuunivasteen inhiboitumiseen. Tulokset vahvistavat osaltaan maatilaympäristön immuunivastetta aktivoivan vaikutuksen, joka saattaa näkyä aller- gioiden synnyltä suojaavana vaikutuksena. Kaupunki-ilman pienhiukkasten rooli allergioiden kehittymisessä vaatii lisätutkimuksia.
UNIVERSITY OF EASTER FINLAND, Faculty of Science and Forestry Department of Environmental and Biological Sciences, Environmental Science
Johannes Niiranen: Impact of urban air small particles and farm dust on the mechanisms of immune response regulation in children
Master’s thesis 64 pages
Supervisors: Marjut Roponen (PhD), Maria-Viola Martikainen (MSc) November 2018 Keywords: PBMC, CD80+, ILT4+, urban air particles, farm dust, allergy
ABSTRACT
Asthma and respiratory allergies have become more prevalent in children, especially in devel- oped countries. Genetic factors are a main contributor in the development of asthma and its severity, but they can not alone explain the increase in prevalence in children. Environmental risk factors such as exposure to smoking and house dust mites have been associated with asthma and respiratory allergies in children. Outdoor particulate pollution has been found to exacerbate pre-existing asthma, but its causal role in asthma and allergic diseases in children is still uncer- tain. In contrast, several epidemiological studies have shown that the exposure to various types of antigens typically present in farming environment reduces the susceptibility of rural children to asthma, hay fever and other allergic diseases.
The objective of my thesis was to study the effects of exposure to urban air particles and farm dust on the mechanisms of immune response regulation. In the experimental part of the thesis, PBMC-cells isolated from 4-year-old Finnish children’s blood samples were exposed to farm dust collected from a farm in Finland and to urban air small particles collected from China (Nanjing). In the exposed samples, a flow cytometry analysis was used to identify dendritic cells (mDC and pDC), monocytes and B-cells, as well as before mentioned cells expressing CD80 and ILT4 receptors on their cell membranes.
The results of my thesis generally support the observations made in the scientific literature.
Exposure to farm dust activates the immune system by raising immune cell CD80 levels. CD 80 levels were decreased in PBMC cells exposed to urban air small particles. The decrease in CD80 levels inhibits possible immune reactions and inactivates the immune system. Further studies are needed to assess the link between urban air small particles and the development of allergies.
ESIPUHE
Tämä opinnäytetyö on tehty Itä-Suomen yliopiston Ympäristö- ja biotieteiden laitoksen inha- laatiotoksikologian laboratorion tutkimusryhmässä. Opinnäytetyön ohjaajina toimivat apulais- professori Marjut Roponen ja filosofian maisteri Maria-Viola Martikainen.
Haluan kiittää ohjaajiani ja kaikkia tutkimusryhmän jäseniä asiantuntevasta avusta. Erityisesti haluan kiittää ohjaajaani Maria-Viola Martikaista avusta ja neuvoista laboratoriokoevaiheessa.
Lisäksi haluan kiittää kaikesta sydämestäni Hänärin poikia vertaisavusta.
Lisäkiitokset tuesta ja kannustuksesta menevät perheelleni ja avopuoliso Sannille.
Kuopiossa 16.11.2018
Johannes Niiranen
LYHENTEET JA MÄÄRITELMÄT
PBMC-SOLUT Perifeerisen veren mononukleaariset solut pDC Plasmasytoidiset dendriittisolut
mDC Myeloidiset dendriittisolut
ILT4+ Immunoglobulin-like Transcript 4-reseptoreita solukalvoillaan ilmentävät solut
CD80+ Cluster of differentiation-reseptoreita solukalvoillaan ilmentävät ilmentävät solut
ANTIGEENI Immuunivasteen aiheuttava molekyyli
SYTOKIINI Proteiinirakenteinen solujen välisen viestinnän välittäjäaine PATOGEENI Taudinaiheuttaja
MHC-PROTEIINIT MHC-geenijoukon koodaamat solupinnan glykoproteiinit
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO
...82. KIRJALLISUUSKATSAUS
...102.1 IHMISEN IMMUUNIJÄRJESTELMÄN PERUSJAOTTELU...10
2.2 IHMISEN IMMUUNIJÄRJESTELMÄN SOLUT...11
2.2.1 Perusjaottelu...11
2.2.2 Dendriittisolu ja sen esiasteet...11
2.2.3 Dendriittisolujen tehtävät ihmisen immuunijärjestelmässä...13
2.2.4 Dendriittisolujen rooli T-solujen aktivaatiossa...14
2.2.5 B-lymfosyytit, niiden tehtävät ja muodostuminen ihmisen immuunijärjestelmässä...17
2.2.6 B-solujen aktivaatio...18
2.2.7 Monosyytit...18
2.2.7.1 Monosyyttien kehittyminen ja luokittelu...18
2.2.7.2 Monosyyttien tehtävät ihmisen immuunijärjestelmässä...19
2.3 ALLERGIA JA ASTMA...20
2.3.1 Allergia...20
2.3.2 Astma...20
2.3.3 Dendriittisolujen rooli astman ja allergioiden kehittymisessä...21
2.3.4 Hygieniahypoteesi...21
2.4 MAATILAYMPÄRISTÖN VAIKUTUS ASTMAAN JA ALLERGIOIHIN...23
2.5 MAATILA-ALTISTUKSEN IMMUNOBIOLOGIA...25
2.5.1 Maatila-altistuksen aikaansaamat immuunivasteet...25
2.5.2 Maatila-altistuksen aikaansaamien immuunivasteiden solutason mekanismit...29
2.6 KAUPUNKI-ILMAN PIENHIUKKASET...32
2.7 KAUPUNKI-ILMAN PIENHIUKKASTEN TERVEYSVAIKUTUKSET...33
2.7.1 Epidemiologia...33
2.7.2 Lyhytaikaisvaikutukset...34
2.7.3 Pitkäaikaisvaikutukset...35
2.7.4 Kaupunki-ilman pienhiukkasten yhteys lasten allergioihin ja astmaan...36
2.7.5 Pienhiukkasten aiheuttamien terveysvaikutusten mekanismit...38
2.7.6 Pienhiukkasten arvioidut vaikutusmekanismit allergioiden ja astman kehittymisessä...39
3. TYÖN TAVOITTEET
...404. AINEISTO JA MENETELMÄT
...414.1 KÄYTETYT NÄYTTEET JA ALTISTEET...41
4.1.1 PBMC-solut...41
4.1.2 Altisteet...41
4.2 KÄYTETTY MITTAUSLAITTEISTO...42
4.2.1 Virtaussytometrian toimintaperiaate...42
4.2.2 Virtaussytometrinen data-analyysi...43
4.3 LABORATORIOKOKEET...45
4.3.1 Yleistä...45
4.3.2 PBMC-solujen sulatus...46
4.3.3 Solujen laskenta...46
4.3.4 Stimulaatiot...47
4.3.5 Näytteiden valmistus virtaussytometrianalyysia varten...47
4.3.6 Tulosten käsittely...48
5. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU
...505.1 MAATILAPÖLYALTISTETUT SOLUT...50
5.2 KAUPUNKI-ILMAN HIUKKASMAISILLE EPÄPUHTAUKSILLE ALTISTETUT SOLUT...52
5.3 PRO GRADU -TYÖN TULOKSIEN ARVIOINTI...54
6. JOHTOPÄÄTÖKSET
...567. LÄHTEET
...571. JOHDANTO
Allergioiden ja erilaisten allergisten sairauksien, kuten astman esiintyvyys on noussut erityisesti länsimaissa. Kehittyvissä maissa näitä sairauksia esiintyy huomattavasti vähemmän, mikä on johtanut suureen kiinnostukseen tutkia ympäristötekijöiden roolia allergioiden ja astman kehit- tymisessä. Alkusysäyksenä tutkimukselle toimi hygieniahypoteesi ja allergisten sairauksien pe- rustana olevan immunologisen tiedon parantuminen sekä lisääntyminen. Erityisesti kiinnostuk- sen kohteena on länsimaalaiseen elämäntapaan liittyvän urbanisaation ja maaseutuympäristön supistumisen merkitys astman ja muiden allergisten sairauksien esiintyvyyden nousulle. (Von Mutius ja Vercelli 2010, Eder et al. 2006.)
Samaan aikaan, kun länsimaalaisissa maissa on havaittu allergioiden ja erilaisten allergisten sairauksien esiintyvyyden nousevan, ovat monet epidemiologiset tutkimukset todistaneet, että perinteisillä maatiloilla kasvaneilla lapsilla esiintyy vähemmän astmaa, heinänuhaa ja muita allergisia sairauksia. Varhaisessa lapsuudessa tapahtunut altistuminen maatilalla kasvatetulle karjalle ja karjan ravinnoksi tarkoitetulle rehulle yhdistettynä prosessoimattoman maidon kulu- tukselle ovat osoitettu tarjoavan suurimman suojan astman ja allergisten sairauksien kehittymi- selle. (Von Mutius ja Vercelli 2010.) Tämän niin sanotun maatilaympäristön aikaansaaman im- munologisen suojavaikutuksen tarkkoja solutason mekanismeja ei kuitenkaan vielä tunneta tar- kasti (Schaub et al. 2009). Aihetta käsittelevät tutkimukset ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että erityisen tärkeää maatilaympäristön aikaansaaman suojavaikutuksen syntymisessä on altistu- misen ajoitus: raskaudenaikana ja varhaisessa lapsuudessa tapahtuva maatila-altistus on erityi- sen tehokas muovaamaan immuunijärjestelmän toimintaa allergioita ehkäisevällä tavalla (House et al. 2017, Von Mutius ja Vercelli 2010). Nämä löydökset ovat herättäneet tutkijat pohtimaan, mitkä tekijät maatilaympäristössä selittävät vähentynyttä allergioiden ja allergisten sairauksien esiintyvyyttä maatiloilla kasvaneilla ihmisillä.
Myös kaupunki-ilman hiukkasmaisten epäpuhtauksien osuutta allergioiden ja allergisten sai- rauksien kehittymiseen on tutkittu. Pienhiukkasten tiedetään useiden epidemiologisten kokei- den perusteella olevan suoraan yhteydessä väestön sairastavuuteen ja kuolleisuuteen (Guarnieri ja Balmes 2014, Künzli et al. 2000). Kaupunki-ilman hiukkasmaisten epäpuhtauksien on todis- tettu olevan yhteydessä allergisiin sairauksiin, mutta aiheeseen liittyy tieteellisessä kirjallisuu- dessa ristiriitaisuuksia. Tämä johtuu siitä, että osissa tutkimuksista on löydetty positiivinen yh- teys kaupunki-ilman hiukkasmaisten epäpuhtauksien ja allergisten sairauksien välille (Gehring
et al. 2010, Künzli et al. 2009, Jerrett et al. 2008), kun taas osissa tutkimuksia ei puolestaan ole löydetty minkäänlaista positiivista yhteyttä edellä mainittujen välille (Gruzieva et al. 2011, Ni- colai et al. 2003, Hirsch et al. 1999). Haasteita tutkimukselle tuo pienhiukkasten erilainen ke- miallinen koostumus ja useat eri kokoluokat. Lisäksi allergioihin vaikuttavat lukemattomat muut ympäristötekijät ja geneettiset tekijät.
Opinnäytetyön tavoitteena on selvittää, minkälaisia vaikutuksia altistuminen kaupunki-ilman hiukkasille ja maatilapölylle aiheuttaa immuunivasteen säätelymekanismeihin ja tarkastella näiden vasteiden eroja. Opinnäytetyössä käytettiin suomalaisten lasten verinäytteistä eristettyjä PBMC-soluja (perifeerisen veren mononukleaarisia soluja), joita altistettiin suomalaiselta maa- tilalta kerätyille maatilapölynäytteille ja Kiinan Nanjingin kaupunki-ilmasta kerätyille pien- hiukkasnäytteille. Tarkoituksena oli simuloida näiden kahden eri ympäristön vaikutusta im- muunivasteen säätelyyn osallistuvien immuunisolujen toimintaan tarkastelemalla immuuniso- lujen CD80- ja ILT4-reseptorien ilmentymistä.
2. KIRJALLISUUSKATSAUS
2.1 IHMISEN IMMUUNIJÄRJESTELMÄN PERUSJAOTTELU
Karkeasti ihmisen immuunijärjestelmä jaotellaan synnynnäiseen immuniteettiin ja hankittuun (adaptiiviseen) immuniteettiin. Synnynnäisen immuniteetin kokonaisuuteen luetaan kudosten yleisluonteiset puolustusmekanismit, joita ovat esimerkiksi kudoksia suojaavat pintarakenteet ja limakalvot, eritteet, erilaiset entsyymit sekä mikrobien elinkykyä haittaavat kemialliset teki- jät, kuten matala pH-arvo. Synnynnäiseen immuniteettiin luetaan myös molekyylit, jotka osal- listuvat immuunijärjestelmän toimintaan. Näitä molekyylejä ovat muun muassa mikrobeja tu- hoavat peptidit, erilaiset tunnistinmolekyylit, tulehduksen välittäjäaineet (sytokiinit) ja monet viestittäjämolekyylit. Synnynnäisen immuniteetin luonteenomaisena piirteenä on nopea rea- gointikyky mikrobialtistuksen sattuessa. Tämä on välttämätöntä, koska synnynnäinen immuni- teetti toimii elimistön ensimmäisenä puolustusjärjestelmänä. Toisaalta nopeasta reagointiky- vystään huolimatta synnynnäisellä immuniteetilla on vain rajallinen kyky tunnistaa elimistöön päätyneen vieraan mikrobin kohderakenteita. Kohderakenteiksi kutsutaan ihmisen elimistölle vieraita mikrobirakenteita, joita ovat esimerkiksi bakteerien soluseinärakenteet ja lipopolysak- karidit sekä tietyt sokerirakenteet (esimerkiksi mannaani). Tunnistaessaan elimistölle vieraat kohderakenteet, synnynnäinen immuunijärjestelmä pyrkii tuhoamaan taudinaiheuttajat nope- asti. Tunnistamistaan ja tuhoamistaan taudinaiheuttajista ei jää synnynnäisessä immuunijärjes- telmässä muistijälkeä ja näin immuunireaktiot tapahtuvat aina samalla tavalla uuden kohdera- kenteen tunnistamisen jälkeen. (Meri 2011, luku ”Johdanto immunologiaan”.)
Synnynnäisen immuunijärjestelmän lisäksi ihmisille ja muille selkärankaisille eläimille on ke- hittynyt patogeenispesifinen hankittu eli adaptiivinen immuunijärjestelmä. Adaptiivisen immu- niteetin muodostavat pääosin B-lymfosyyteistä muodostuneiden plasmasolujen tuottamat vasta-aineet sekä T-lymfosyytit. T-lymfosyyttien solukalvon pinnalla on T-solureseptoreita, jotka tunnistavat spesifisiä antigeenin peptidejä. Ensimmäisessä antigeenin kohtaamisessa tä- män immuunivasteen kehittyminen on suhteellisen hidasta ja saattaa kestää jopa 1-2 viikkoa.
Immuunivasteen reaktiot ovat kuitenkin huomattavasti nopeampia ja voimakkaampia ensim- mäisen antigeenikontaktin jälkeen. Tähän perustuu adaptiivinen immuniteetti ja sen aikaan- saama suojavaikutus saman antigeenin uudelleen aiheuttamaa infektiota vastaan. Antigeenit ja
T-solut muodostavat ajan kuluessa hyvin monimuotoisen ja yksilöllisen tunnistusverkoston.
Adaptiivinen immuunijärjestelmä on luonteeltaan monimuotoinen, spesifinen ja kykeneväinen muistamaan kohtaamansa antigeenit. (Meri 2011, luku ”Johdanto immunologiaan.)
Vaikka luontainen ja adaptiivinen immuunijärjestelmä eroavat toisistaan varsin suuresti, eivät ne kuitenkaan toimi toisistaan erillään. Luontainen immuniteetti toimii yleensä elimistön puo- lustusjärjestelmän ensimmäisenä osana, johon elimistöön tunkeutunut antigeeni törmää. Anti- geenirakenteet käsitellään soluissa ja kuljetetaan imusuoniston kautta imusolmukkeisiin, joissa tapahtuu antigeenin esittely lymfosyyteille. Adaptiivinen immuunijärjestelmä aktivoituu tun- nistaessaan niille esitellyt antigeenit. Tällöin syntyy antigeeneille spesifisiä vasta-aineita ja T- soluja sekä tapahtuu myös luontaisen immuunijärjestelmän aktivoituminen. Tulehdusreaktio kuuluu olennaisena osana immuunireaktioiden käynnistymiseen ja ylläpitoon. Luontaisen im- muunijärjestelmän aiheuttama nopeasti aktivoituva tulehdusreaktio vaaditaan immuunireaktion käynnistymiseen ja tulehdusreaktio on yksi immuunijärjestelmän aktivoitumisen tärkeimmistä seurauksista. (Meri 2011, luku ”Johdanto immunologiaan.)
2.2 IHMISEN IMMUUNIJÄRJESTELMÄN SOLUT
2.2.1 Perusjaottelu
Ihmisen immuunijärjestelmän ylläpitoon osallistuu useita erilaisia solutyyppejä kudoksissa ja verenkierrossa. Immuunijärjestelmän soluista tärkeimmät ovat valkosolut eli leukosyytit. Ne ovatkin immuunijärjestelmän tärkeimpiä ”puolustussoluja”. Valkosolut jaetaan yhteensä nel- jään pääryhmään, joilla kullakin on omat tärkeät tehtävänsä. Nämä pääryhmät ovat fagosyytit eli syöjäsolut, dendriittisolut, lymfosyytit eli imusolut ja tulehdusreaktioon osallistuvat solut (basofiilit ja syöttösolut) (Salmi ja Meri 2011, luku ” Immuunijärjestelmän solut ja niiden ke- hitys”.)
2.2.2 Dendriittisolu ja sen esiasteet
Dendriittisolut ovat ns. antigeeniä esitteleviä soluja (APC-soluja). Dendriittisolut eroavat toi- sistaan varsin paljon sekä ulkoisesti että toiminnallisesti ja ovatkin näin hyvin monimuotoinen soluryhmä. (Gaurav ja Agrawal 2013, Thomson 2009, Hänninen ja Vakkila 2003.)
Dendriittisolut tunnistavat elimistöön päässeen antigeenin ja esittelevät tunnistetun antigeenin T-lymfosyyteille (Gaurav ja Agrawal 2013). Dendriittisolut kehittyvät luuytimen myeloidisista ja lymfaattisista kantasoluista ja vaeltavat sieltä verenkiertoon, jossa ne esiintyvät usein ”kyp- symättöminä esiasteina”. Verenkierrosta dendriittisolut siirtyvät kudoksiin, joissa ne muuntuvat niin sanotuiksi epäkypsiksi dendriittisoluiksi ja aktivoituvat lopulta patogeenin (taudinaiheut- tajan) läsnä ollessa. (Hänninen ja Vakkila 2003, Liu 2001.) Immuunijärjestelmän ollessa nor- maalitilassa dendriittisolujen siirtymisnopeus verestä kudoksiin ja kudoksista imusolmukkei- siin on pieni, jolloin suurin osa dendriittisoluista pysyvät kudoksissa epäkypsässä olomuodossa odottaen patogeenin läsnäolon aiheuttamaa immuunijärjestelmän aktivaatiota (patogeeniakti- vaatio). (Lambrecht ja Hammad 2010, Lanzavecchia ja Sallusto 1999.)
Luuytimen lymfaattisesta ja myeloidisesta kantasolusta muodostuu dendriittisolujen esiasteet CLP (lymfaattinen prekursorisolu) ja CMP (myeloidinen prekursorisolu). CMP:stä muodostuu puolestaan veressä Langerhansin solun esiaste, interstitiaalisen dendriittisolun esiaste tai mo- nosyytti. Langerhansin solun esiasteesta kehittyy lopulta Langerhansin solu, jolla tarkoitetaan epidermiksen dendriittisolua. Interstitiaalisen dendriittisolun esiasteesta kehittyy interstitiaali- nen dendriittisolu, joka on kudoksissa normaali dendriittisolu. Monsoyytistä muodostuu mye- loidinen dendriittisolu (mDC), joka esiintyy imukudoksissa ilman immunisaatiota. CLP:stä ke- hittyy dendriittisolun esiasteeksi veressä ns. plasmasytoidinen solu, joka vastaa erityisesti in- terferonin tuotosta virusinfektion puhjetessa. Plasmasytoidisesta solusta kehittyy lopulta lym- foidinen dendriittisolu, joka esiintyy imukudoksissa. Dendriittisolun kypsyminen on seurausta patogeeniaktivaatiosta ja tulehdusvälittäjäaineista (kuva 1.). (Lambrecht ja Hammad 2010, Hänninen ja Vakkila 2003.)
Kuva 1. Dendriittisolujen kypsyminen ja erilaistuminen. Dendriittisolujen kypsyminen ja eri- laistuminen luuytimen lymfaattisesta ja myeloidisesta kantasolusta. Kuvassa on esitetty myös antigeeniriippuvainen dendriittisolun kypsyminen (Liu 2001, muokattu).
2.2.3 Dendriittisolujen tehtävät ihmisen immuunijärjestelmässä
Dendriittisoluilla on ihmisen immuunijärjestelmässä useita tehtäviä. Dendriittisolut toimivat keskeisessä roolissa adaptiivisen eli hankitun immuunivasteen kehittymisessä. Dendriittisolut antavat ohjeita adaptiivisesta immuunivasteesta vastaavien B- ja T-lymfosyyttien toiminnalle.
(Liu 2001, Hänninen ja Vakkila 2003.) Dendriittisolut ovat ensimmäisiä immuunijärjestelmän soluja, jotka ovat kosketuksissa ihon ja limakalvojen epiteelissä sekä näitä alempana olevissa kudoksissa elimistöön päässeiden patogeenien kanssa. Ensikosketuksen jälkeen dendriittisolut välittävät viestin pintareseptoreilla tunnistamastansa patogeenistä imusolmukkeisiin, joista im- muunivasteen kehittyminen alkaa. (Hänninen ja Vakkila 2003.)
2.2.4 Dendriittisolujen rooli T-solujen aktivaatiossa
Dendriittisolut vastaavat erityisesti T-solujen aktivaatiosta esittelemällä T-soluille elimistöön tunkeutuneen antigeenin. T-solujen aktivaatiossa antigeenin tunnistaneet ja tässä prosessissa aktiivisiksi muuttuneet dendriittisolut siirtyvät kudoksista imusuonia pitkin tai suoraan veren- kierrosta (erityisesti plasmasytoidit dendriittisolut) imusolmukkeisiin, jossa ne aktivoivat ky- seiselle antigeenille herkät T-solut (kuva 2.). T-solujen aktivaatiossa dendriittisolun esittele- mälle antigeenille spesifisesti herkät T-solut muodostavat ns. immunologisen synapsin kyseisen dendriittisolun kanssa. (Hänninen 2011, luku ”Lymfosyyttien aktivaatio”.) Immunologisella synapsilla tarkoitetaan tässä asiayhteydessä T-solun ja dendriittisolun kosketuspinnalle muo- dostuvaa aluetta, jonka reunaosissa sijaitsevat solujen adheesiosta (toisiinsa tarttumisesta) vas- taavat integriinireseptorit ja keskiosassa puolestaan solun aktivaatiosta ja spesifisyydestä huo- lehtivat antigeenireseptorit. Immunologinen synapsi toimii T-solussa aktivaatioon johtavien tapahtumien aktivaattorina. (Dustin ja Cooper 2000.) Antigeeniä esittelevät dendriittisolut käyt- tävät antigeenispesifisten T-solujen aktivointiin niin sanottuja kontaktivälitteisiä signaaleja. T- solureseptorin kautta välittyvässä antigeenin aikaansaamassa signaalissa MHC-molekyyliin (molekyyli, joka toimii alustana tunnistettavan antigeenin esittelemiselle) sitoutuu T-solun ko- reseptori CD4:ään tai CD8:aan riippuen MHC-molekyylin luokasta. Tämän solureseptorivälit- teisen signaalin lisäksi T-solujen aktivaatioon tarvitaan kostimulatoristen reseptorien välittä- mää signaalia. T-solussa kostimulatorisen signaalin vastaanottavina reseptoreina toimivat CD28, ICOS (inducible costimulator) ja CD40L (CD40:n ligandi). Jotta T-solun aktivoitumi- nen on mahdollista, tulee viimeksi mainittujen reseptorien ligandien (vastinparien) esiintyä an- tigeeniä esittelevän dendriittisolun pinnalla. Näitä antigeeniä esittelevän aktivoidun dendriitti- solun pinnalla esiintyviä ligandeja ovat mm. CD80, CD86, CD40, OX40L ja B7RP1. Lisäksi dendriittisolut erittävät sytokiineja, jotka osaltaan ohjaavat aktivoituneen T-solun erilaistu- mista. (Immunologia 2011f.) Dendriittisolun aktivoima T-solu erilaistuu dendriittisolun anta- mien signaalien mukaisesti joko CD4-auttaja-T-soluksi, CD8-tappaja-T-soluksi tai vaihtoeh- toisesti regulatoriseksi T-soluksi (kuva 3.). (Lanzavecchia ja Sallusto 2001.)
Kuva 2. Dendriittisolujen rooli ihmisen immuunijärjestelmässä. Kuvassa on esitetty yksin- kertaistetusti dendriittisolujen perustehtävät ihmisen immuunijärjestelmässä patogeenin tun- keutuessa kudokseen. Epäkypsä dendriittisolu saapuu verenkierrosta kudokseen, tunnistaa pa- togeenin sille ominaisten pintarakenteiden kautta ja aktivoituu. Samalla tapahtuu tulehdusreak- tio, jolloin vapautuu erilaisia välittäjäaineita (sytokiineja ja kemokiineja). Aktivoitunut antigee- niin sitoutunut dendriittisolu liikkuu imunesteen mukana imusolmukkeeseen, jossa tapahtuu T- lymfosyyttien aktivaatio antigeeniesittelyn kautta. Aktivoituneet T-solut synnyttävät immuu- nireaktion. (Hänninen ja Vakkila 2003.)
T-solujen aktivaation ja immuunivasteen käynnistäjän roolin lisäksi dendriittisoluilla on myös tärkeä tehtävä immunologisen toleranssin ylläpitäjänä (Hänninen ja Vakkila 2003). Immunolo- gisella toleranssilla tarkoitetaan elimistön immuunijärjestelmän kykyä tunnistaa elimistölle vaarattomat allergeenit ja omat rakenteet sekä olla reagoimatta niihin (Pekkarinen 2015).
Dendriittisolun ohjaamassa immunologisessa toleranssissa aktivoituneessa T-solussa tapahtuu ns. anergia, jolloin T-solu menettää toiminnallisuutensa tai ohjelmoituu kuolemaan. Vaihtoeh- toisesti dendriittisolun toimesta tapahtunut antigeenin esittely voi johtaa myös niin sanotun re- gulatorisen T-solun muodostumiseen. (Hänninen ja Vakkila 2003.) Nimensä mukaisesti regu- latoriset T-solut säätelevät aktiivisesti immuunivastetta ja osallistuvat näin immunologisen to- leranssin ylläpitämiseen. Regulatoristen T-solujen sääntelyvaikutus perustuu siihen, että ne hil- litsevät elimistön immuunivasteita ja näin vaimentavat immuunivasteen kehittymistä elimistön omia tai elimistölle vaarattomia rakenteita kohtaan. (Miyara ja Sakaguchi 2007.)
Antigeenin esittelystä syntyvät T-soluvasteet ovat erittäin monimutkaisia, eikä kaikkia näihin vasteisiin johtavia mekanismeja tunneta vielä tarkasti. Dendriittisolu vaatii kuitenkin patogee- niaktivaation ja sen aikaansaaman tulehdusprosessin välittäjäaineiden tuottamia signaaleja an- taakseen T-lymfosyyteille spesifisen aktivaation, mikä johtaa lopulta immuunivasteen kehitty- miseen. Ilman näitä aktivaatiotekijöitä dendriittisolu toimii todennäköisesti immuunivastetta hillitsevänä säätelijänä, jolloin T-lymfosyytit eivät saa täyttä aktivaatiota. Tämä johtaa T-lym- fosyyttien anergiaan tai muuntumiseen regulatoriseksi T-soluiksi ja näin immuunivasteen hei- kentymiseen. (Hänninen ja Vakkila 2003.)
Kuva 3. T-solujen kehitys kateenkorvassa. Kehittyvä T-solu (DP) sitoutuu T-solureseptoreil- laan (TCR) MHC-molekyyliin. Sitoutuminen MHC-1-molekyyliin ohjaa solun kehittymään CD8-positiiviseksi tappaja-T-soluksi, kun taas sitoutuminen MHC-2-molekyyliin ohjaa solun kehittymään CD4-positiiviseksi auttaja-T-soluksi. Osa CD4-positiivisista soluista ohjautuu tässä vaiheessa erilaistumaan regulatorisiksi-T-soluiksi (Treg). Erittäin voimakas sitoutuminen MHC-kompleksiin johtaa kehittyvän T-solun apoptoosiin ja negatiiviseen selektioon. Loppu- tuotteina ovat kypsät CD4-positiiviset auttaja-T-solut ja regulatoriset T-solut sekä CD8-positii- viset tappaja-T-solut. (Pekkarinen 2015.)
2.2.5 B-lymfosyytit, niiden tehtävät ja muodostuminen ihmisen immuunijärjestelmässä B-solut (B-lymfosyytit) kuuluvat lymfosyytteihin eli immuunijärjestelmän soluihin. B-lymfo- syytit määritellään solujen joukoksi, jotka ilmentävät solukalvollaan erilaisia immunoglobulii- nireseptoreita. Immunoglobuliinireseptorit eli antigeenireseptorit tunnistavat spesifisiä anti- geenejä näille antigeeneille tyypillisten pintarakenteiden kautta. B-lymfosyytit huolehtivat siis osana muuta immuunijärjestelmää humoraalisesta eli vasta-ainevälitteisestä immuniteetistä.
(LeBien ja Tedder 2008.)
B-solut jaetaan kehittymispaikkansa perusteella kahteen ryhmään. B1-tyypin solut kehittyvät sikiön maksassa tai sieltä peräisin olevista kantasoluista suolistossa, kun taas B2-tyypin solut kehittyvät luuytimen kantasoluista. B2-tyypin solut kehittyvät imukudosten follikkeleissa si- jaitsevista B-soluista (follikulaariset B-solut) tai pernan sinusten marginaalialueella kiertävistä B-soluista. Luuytimestä kehittyvien B2-tyypin solujen lopullinen maturaatio tapahtuu pernassa.
B-solut ovat antigeenispesifisiä, eli ne tunnistavat vain tiettyjä antigeenejä näille spesifisten antigeenireseptorien välityksellä. B-soluille ominainen antigeenispesifisyys kehittyy B-solure- septorin muodostuessa eri geenien vaikutuksesta. Tällöin syntyy suuri joukko erilaisia anti- geenejä tunnistavia B-soluja. (Jokiranta ja Seppälä 2011, luku ” Vasta-ainevälitteinen immuni- teetti”.)
B-solun muodostuminen alkaa antigeenispesifisen B-solureseptorin muodostumisesta. Tätä re- septoria koodaa ryhmä erilaisia geenisegmenttejä. Niin sanotussa raskaassa ketjussa (H-ketju) on neljä segmenttiä ja kevyessä ketjussa (L-ketju) on kolme segmenttiä. Niin sanotussa Pro-B -soluvaiheessa H-ketjua koodaavat V-, D-, ja J-alueiden segmentit uudelleenjärjestäytyvät VDJ-kompleksiksi. Seuraavassa vaiheessa, pre-B-soluvaiheessa, pre-B-solujen pinnalle muo- dostuu igM-molekyyli ja H-ketju muodostuu lopulliseen muotoonsa. Tässä vaiheessa solut, jotka ovat tuottaneet onnistuneet H-ketjun, kutsutaan epäkypsiksi B-soluiksi. Epäkypsät B-so- lut tuottavat L-ketjua. Lopulta kypsä B-solu saa vielä igM-tyypin reseptorin lisäksi igD-tyypin reseptorin, joka tunnistaa saman antigeenin kuin igM-tyypin reseptori. Tämän jälkeen kypsä B- solu siirtyy luuytimestä verenkierron mukana pernaan ja imusolmukkeisiin, joissa se antigeenin kohdatessaan aktivoituu. (Pieper et al. 2013, Jokiranta ja Seppälä 2011, luku ” Vasta-ainevälit- teinen immuniteetti”, Nagasawa 2006.)
2.2.6 B-solujen aktivaatio
Kuten aikaisemmin todettiin, B-solut huolehtivat osaltaan vasta-ainevälitteisestä immunitee- tistä (humoraalinen immuniteetti). B-solujen aktivaatio ja maturaatio vasta-aineita erittäväksi plasmasoluksi vaatii antigeenin läsnäolon. Yleensä B-solun aktivaatioon tarvitaan myös aut- taja-T-solun ohjausta (Th2-CD-4-T-solutyyppi tai jotkin Th1-T-solutyypit). (Swanson 2002, luku ”B-cell development”.) B-solujen aktivaation kannalta on siis olennaista, että B-solu koh- taa solukalvonsa pintareseptoreille spesifisen antigeenin ja sitoutuu tähän. Tämän vuoksi B- solut sijaitsevat imukudoksissa, joissa on suurin antigeenikonsentraatio. Antigeeni voi päätyä B-solun solureseptoriin imunesteen mukana tai dendriittisolun välityksellä. B-solun aktivoitu- minen voi tapahtua joko T-solujen avulla tai itsenäisesti ilman T-solujen kanssa tapahtuvaa vuorovaikutusta. Dendriittisolut ohjaavat täten välillisesti myös B-solujen aktivoitumista, koska B-solujen aktivaatioon tarvittavat T-solut ovat saaneet oman aktivaationsa dendriittiso- lujen kautta. (Jokiranta ja Seppälä 2011, luku ” Vasta-ainevälitteinen immuniteetti”.)
Antigeeni sitoutuu antigeenille spesifiseen B-solureseptoriin ja siirtyy käsiteltäväksi solun si- sään, jossa se hajoaa peptideiksi. Peptidit sitoutuvat MHC 2-molekyyliin (muodostuu MHC- kompleksi), josta se siirtyy takaisin B-solun pinnalle. Antigeenispesifinen auttaja-T-solu tun- nistaa MHC-kompleksin esittelemät antigeenistä peräisin olevat peptidit ja sitoutuu CD40L- reseptorilla B-solun CD40-reseptoriin. B-solu toimii täten antigeeniä esittelevänä APC-soluna T-soluille. Tämän vuorovaikutuksen seurauksena B-solu alkaa jakaantua ja sen jälkeläiset eri- koistuvat vasta-ainetta erittäviksi soluiksi. T-solun ja B-solun vuorovaikutuksessa syntyvät vasta-ainetta erittävät solut tuottavat vasta-aineita, jotka reagoivat tarkasti tietynlaisiin proteii- neihin ja tuottavat näin immuunivasteen monenlaisiin antigeeneihin. (Parker 1993).
B-solu voi reagoida joihinkin antigeeneihin myös suoraan B-solureseptorin kautta ilman aut- taja-T-solun apua. Tämä antaa nopean immuunivasteen monille antigeeneille. Vasta-aineet, jotka muodostuvat ilman T-solujen apua ovat kuitenkin vähemmän toiminnallisesti sekä raken- teellisesti monimuotoisia. (Swanson 2002, luku ”B-cell development”).
2.2.7. Monosyytit
2.2.7.1 Monosyyttien kehittyminen ja luokittelu
Monosyytit ovat ihmisen immuunijärjestelmän suurimpia valkosoluja, jotka kehittyvät punai- sessa luuytimessä myeloidisesta kantasolusta. Kypsät monosyytit siirtyvät luuytimestä
verenkiertoon, josta ne puolestaan siirtyvät kudoksiin eri puolille elimistöä muuntuen samalla makrofageiksi. Kudoksiin siirtyneet makrofagit ovat pitkäikäisiä, eivätkä ne pysty enää palau- tumaan verenkiertoon. Makrofageja pystytään erottelemaan ja nimeämään olinpaikkansa mu- kaan (esimerkiksi keuhkojen alveolaariset makrofagit, keskushermoston mikrogliasolut ja mak- san Kupfferrin solut). Monosyytit luokitellaankin usein eräänlaiseksi välimuodoksi luuytimen esivaiheen solujen ja loppuun asti kypsyneiden ja kudoksiin siirtyneiden makrofagien välillä.
(Saeed et al. 2014, Salmi ja Meri 2011, luku ” Immuunijärjestelmän solut ja niiden kehitys”.) Fenotyypiltään monosyytit ovat heterogeenisiä. Monosyyttien ilmentämät pintamarkkerit, me- tabolinen aktivaatio ja morfologia vaihtelevat. Monosyytit ilmentävät CD14 molekyyliä ja jot- kin solut monosyytti/makrofagipopulaatiosta ilmentävät CD16 molekyyliä. Monosyytit luoki- tellaankin kolmeen alaryhmään: klassisiin- (CD14++CD16−), ei-klassisiin- (CD14dimCD16++) ja välimuotoisiin (CD14++CD16+) monosyytteihin. Monosyyteillä on lisäksi tulehdusreaktioon osallistuvia igE-reseptoreita solukalvollaan. (Ziegler-Heitbrock et al. 2010.)
2.2.7.2 Monosyyttien tehtävät ihmisen immuunijärjestelmässä
Monosyytit ja makrofagit osallistuvat tulehdusreaktion säätelyyn ja omaavat tärkeän osan syn- nynnäisen immuunireaktion synnyssä. Patogeeniaktivaation aikaansaama tulehdusreaktio saa veressä kiertävät monosyytit aktivoitumaan. Osa monosyyteistä siirtyy tällöin tulehtuneeseen kudokseen ja kypsyvät makrofageiksi. Makrofagit tappavat solunsisäisiä mikrobeja ja osallis- tuvat soluvälitteiseen immuunipuolustukseen toimimalla antigeeneja esittelevinä soluina. Eli- mistölle haitallisten mikrobien tuhoamisen lisäksi makrofageilla on tärkeä rooli myös erinäi- sissä elimistön puhtaanapitotehtävissä (esimerkiksi poistamalla keuhkoihin ulkoilmasta kerty- neitä pienhiukkasia) ja elimistön omien vaurioituneiden solujen eliminaatiossa. (Geissmann et al. 2010.)
Verenkierrossa pysyvillä monosyyteillä on myös tärkeä rooli ihmisen immuunipuolustuksessa.
Monosyytit pystyvät erilaistumaan dendriittisoluiksi, joilla on keskeinen rooli immuunijärjes- telmän toiminnassa. Monosyyteillä osallistuvat täten välillisesti myös adaptatiivisen immuni- teetin säätelyyn muuntumalla T-solujen toimintaa sääteleviksi dendriittisoluiksi. (Serbina et al.
2008.)
2.3 ALLERGIA JA ASTMA
2.3.1 Allergia
Allergiassa elimistön immuunijärjestelmä on herkistynyt ympäristössä normaalisti esiintyvälle aineelle, jota kutsutaan antigeeniksi. Esimerkiksi ilmassa erityisesti keväisin esiintyvä koivun siitepöly ei itsessään ole kykeneväinen aiheuttamaan elimistössä minkäänlaista vauriota. Siite- pölylle herkistyneen immuunijärjestelmä kuitenkin aktivoituu ja käynnistyvät puolustusreaktiot aiheuttavat allergiaoireet. Ympäristössä esiintyvät yliherkkyysreaktioita aiheuttavat aineet ovat kooltaan pieniä, koska niiden tulee päästä kosketuksiin elimistön immuunijärjestelmän kanssa.
Yliherkkyysreaktion tyyppi puolestaan riippuu siitä, minkälaisia vasta-aineita immuunijärjes- telmän solut tuottavat antigeenille. Kaupunki-ilman pienhiukkaset (esimerkiksi katupölyhiuk- kaset) voivat toimia antigeeneinä ajautuessaan hengitysilman sisällä keuhkojen alempiin osiin, joissa esiintyy runsaasti immuunivastesoluja. Immuunijärjestelmä aktivoituu pölyn ollessa kos- ketuksissa immuunivastesolujen kanssa käynnistäen normaalin puolustusreaktion. (Nairn ja Helbert 2002, luku ”Hypersensitivity reactions”.)
Allergian kehittymisessä on erotettavissa kolme vaihetta. Ensimmäinen vaihe on allerginen her- kistyminen, jossa allergeenia kohtaan muodostuu solutason mekanismien kautta niin sanottu auttaja-T-solu-tyyppi 2 (Th2) – painotteinen immuunivaste. Tämä immuunivaste johtaa IgE- vasta-aineiden vapautumiseen allergeenia kohtaan. Toinen vaihe on allerginen reaktio, joka johtaa allergialle tyypillisiin oireisiin. Välitön allerginen reaktio syntyy minuuteissa allergisen henkilön altistuessa allergeenille esimerkiksi ruuan kautta. Tällöin basofiilisistä granulosyy- teistä ja syöttösoluista vapautuu erilaisia välittäjäaineita synnyttäen allergisen reaktion. Vii- meisenä vaiheena allergian kehittymisessä on altistuksen jatkuessa syntyvän allergisen tuleh- duksen kroonistuminen, joka johtaa yleensä kudostason muutoksiin kohde-elimissä. Esimer- kiksi astma on tällainen krooninen tulehdus. (Virtanen ja Savolainen 2011, luku ”Allergian me- kanismit”.)
2.3.2 Astma
Astmalla tarkoitetaan hengitysteissä esiintyvää kroonista tulehdusta, jolle on tyypillistä aller- gislähtöinen tulehdus, normaalia suurempi hengitysteiden limaneritys ja keuhkoputkien ärsy- tysoireet. Astman esiintyvyys on epidemiologisten tutkimusten mukaan maailmanlaajuisesti
nousussa. (Anandan et al. 2010.) Astmalle tyypilliset oireet johtuvat tulehduksesta hengitys- teissä. Tulehdusta ohjaavat Th 2-solut erittävät sytokiineja (interleukiini-4, interleukiini-5 ja interleukiini-13), jotka aktivoivat mm. kemokiinituotannon kautta tulehdusreaktion. Tulehdus- reaktio puolestaan aktivoi immuunijärjestelmän ja aiheuttaa esimerkiksi hengitysteiden sileiden lihasten reagoinnin epäspesifisiin stimulantteihin, kuten kylmään ilmaan. (Lambrecht ja Ham- mad 2003.)
2.3.3 Dendriittisolujen rooli astman ja allergioiden kehittymisessä
Dendriittisolut ovat astman kehittymisen kannalta tärkeän allergisen herkistymisen ja hengitys- tietulehduksen ohjaajia. Hengitysteissä sijaitsevat dendriittisolut, niin sanotut RDTC-solut (res- piratory tract dendritic cells) muodostavat tiheän verkoston hengitysteiden limakalvolle ja sen alapuoliseen kudokseen, jossa ne ovat vuorovaikutuksessa hengitysilman mukana hengitystei- hin saapuvien allergeenien ja pienhiukkasten kanssa. Esimerkiksi allergisessa keuhkotulehduk- sessa dendriittisolut ohjaavat allergisessa herkistymisessä muodostuvien auttaja-T-solu-tyyppi 2: ien (Th 2-solujen) muodostumista ja toimintoja. Th 2-solujen tuotanto tapahtuu imusolmuk- keissa naiviin T-solun ja tähän sitoutuneen antigeeniä esittelevän dendriittisolun vuorovaiku- tuksessa. (Ettmayer et al. 2006.) Astmaatikkojen hengitysteistä onkin löydetty suurempia mää- riä dendriittisoluja kuin ei-astmaatikkojen hengitysteistä (Lambrecht 2001). Dendriittisolut ei- vät täten ainoastaan ohjaa allergisen astman kehittymisen kannalta välttämätöntä herkistymistä hengitysilman mukana hengitysteihin ajautuneita allergeenejä kohtaan, vaan niillä on myös tär- keä rooli hengitysteissä tapahtuvan tulehduksen puhkeamisessa. Dendriittisoluilla on näin al- lergisen astman kehittymisessä suurempi rooli kuin klassisilla APC-soluilla, kuten alveorisilla makrofageilla ja B-soluilla. (Lambrecht ja Hammad 2003.)
2.3.4 Hygieniahypoteesi
Termi ”hygieniahypoteesi” esiteltiin ensimmäisen kerran tiedeyhteisölle vuonna 1989 ja sillä pyrittiin tarjoamaan selitys varsinkin länsimaalaisissa ja teollistuneissa maissa parantuneen yleisen hygieniatason ja astman sekä allergisten sairauksien esiintyvyyden nousun väliselle kor- relaatiolle (Strachen 1989). Strachenin mukaan teollistuneissa maissa hygieniatason nousu on johtanut astman ja allergisten sairauksien nousuun, kun elinympäristön sterilisoituminen on vä- hentänyt ihmisten altistumista erilaisille bakteeri-, virus- ja sieniyhdisteille (Strachen 1989).
Tällaisissa olosuhteissa vähentynyt altistuminen potentiaalisilta allergioilta suojaavilta mikro- biologisilta yhdisteiltä voi johtaa immuunijärjestelmän heikentymiseen ja tätä kautta allergisten sairauksien yleistymiseen väestössä (Clough 2011, Garn ja Renz 2007). Strachen tiivistääkin tutkimuksensa lopussa: ”Viime vuosisadan aikana pienentynyt perhekoko, parantunut kotita- loudenhoito ja korkeammat standardit henkilökohtaisessa siisteydessä ovat vähentäneet infek- tioiden leviämistä nuorissa perheissä. Tämä on voinut johtaa laajemmalle levinneeseen atoop- pisten sairauksien esiintyvyyteen erityisesti varakkaammilla ihmisillä, kuten heinänuhan koh- dalla on huomattu” (Strachen 1898).
Hygieniahypoteesi on siten innoittanut useita allergiatutkimuksia. Ensimmäisiä hygieniahypo- teesin innoittamia tutkimuksia oli tutkimus (Nowak et al. 1996), jossa vertailtiin allergioiden esiintyvyyksiä entisessä Itä- ja Länsi-Saksassa. Vaikka kummatkin populaatiot olivat muodos- tuneet vain 40 vuoden sisällä ja omasivat identtisen geenipohjan, löydettiin silti merkittäviä eroavaisuuksia allergisten sairauksien esiintyvyydessä. Itä-Saksassa astman, hengenahdistuk- sen ja allergisen nuhan esiintyvyys oli merkittävästi matalampi kuin Länsi-Saksassa. (Nowak et al. 1996.)
Hygieniahypoteesin esittämisen jälkeen ilmiötä on tutkittu laajasti erilaisissa epidemiologisissa ja kokeellisissa tutkimuksissa, ja niistä on saatu pääasiassa hypoteesia tukevia tuloksia. Tieteel- liseltä merkittävyydeltään suurimmat hygieniahypoteesia tukevat epidemiologiset tutkimukset käsittelivät allergisten sairauksien esiintyvyyttä maaseutualueilla syntyneillä ja kasvaneilla lap- silla verrattuna lapsiin, jotka olivat syntyneet ja varttuneet kaupunkialueilla. Useat tutkimukset (muun muassa sveitsiläinen SCARPOL-tutkimus ja saksalainen ALEX-tutkimus) osoittivat vahvan yhteyden maatiloilla monipuolisessa mikrobiympäristössä kasvaneiden lasten ja vähen- tyneiden allergiasairauksien välillä verrattuna lapsiin, jotka olivat kasvaneet suhteellisen mik- robiköyhässä kaupunkiympäristössä. (Garn ja Renz 2007.)
Maatila-altistuksen ja ympäristöerojen lisäksi myös elämäntavoilla on huomattu olevan merki- tystä allergisten sairauksien kehittymisen kannalta. Esimerkiksi lemmikeiden omistamisen on osoitettu olevan yhteydessä allergisten sairauksien pienempään esiintyvyyteen. Kouluikäisillä lapsilla tehdyn ruotsalaisen tutkimuksen mukaan lemmikeille (kissa tai koira) altistuminen en- simmäisten elinvuosien aikana vähentää astman ja allergisen nuhan esiintyvyyttä (Hesselmar et al. 1999). Lisäksi ruokavaliolla ja erilaisten antibioottien käytöllä on osoitettu olevan vaiku- tusta allergisten sairauksien kehittymiseen. Antroposofiseen elämäntapaan kuuluvat fermentoi- tuja vihanneksia runsaasti sisältävä ruokavalio ja antibioottien välttely tai jopa kokonaan
käyttämättä jättäminen on yhdistetty mahdollisesti atopian pienempään esiintyvyyteen. (Alm et al. 1999.)
2.4 MAATILAYMPÄRISTÖN VAIKUTUS ASTMAAN JA ALLERGIOIHIN
Astman ja muiden allergisten sairauksien esiintyvyys on noussut varsinkin länsimaissa. Kehit- tyvissä maissa näitä sairauksia esiintyy huomattavasti vähemmän, mikä on johtanut suureen kiinnostukseen tutkia ympäristötekijöiden roolia astman ja erilaisten allergisten sairauksien ke- hittymisessä. Alkusysäyksenä toimi erityisesti aikaisemmassa kappaleessa käsitelty hygienia- hypoteesi ja allergisten sairauksien perustana olevan immunologisen tiedon parantuminen sekä lisääntyminen. Erityisesti kiinnostuksen kohteena on länsimaalaiseen elämäntapaan liittyvän urbanisaation ja näin maaseutuympäristön supistumisen merkitys astman ja muiden allergisten sairauksien esiintyvyyden nousuun. (Von Mutius ja Vercelli 2010, Eder et al. 2006.)
Monet epidemiologiset tutkimukset ovat todistaneet, että perinteisillä maatiloilla kasvaneilla lapsilla on vähemmän astmaa, heinänuhaa ja muita allergisia sairauksia. Varhaisessa lapsuu- dessa tapahtunut altistuminen maatilalla kasvatetulla karjalle ja karjan ravinnoksi tarkoitetulle rehulle sekä prosessoimattoman maidon kulutus ovat osoitettu tarjoavan suurimman suojan ast- man ja allergisten sairauksien kehittymisessä. (Von Mutius ja Vercelli 2010.) Taulukkoon 1.
on koottu tutkimuksia, jotka käsittelevät lapsuusajan maatila-altistusta ja sen vaikutuksia ast- man, heinänuhan ja muiden allergisten sairauksien kehittymiseen länsimaalaisissa kehittyneissä maissa. Taulukosta 1. nähdään selvästi asuinmaasta riippumaton maatila-altistuksen aikaan- saama suojavaikutus, jossa lapsuudessa tapahtunut altistus suojaa astman ja allergioiden kehit- tymiseltä. Maatilaympäristöissä kasvaneilla lapsilla riski sairastua näihin sairauksiin on huo- mattavasti pienentynyt. (Von Mutius ja Vercelli 2010.)
Kiinnostavasti maatila-altistuksen astmalta ja allergioilta suojaava vaikutus vaihtelee huomat- tavasti jo suhteellisen pienellä alueella. Lapsuudessa puhkeavan astman, heinänuhan ja atoop- pisen herkistymisen esiintyvyyden on huomattu vaihtelevan merkittävästi jo maaseutualueiden sisällä. Useissa tutkimuksissa on huomattu, että maatiloilla kasvaneilla lapsilla on huomatta- vasti pienempi riski sairastua näihin sairauksiin kuin muualla maaseudulla kasvaneilla lapsilla.
(Riedler et al. 2001, Von Mutius ja Vercelli 2010.) Tämä maatila-altistuksen aikaansaaman
suojavaikutuksen astman ja allergioiden kehittymiseen on havaittu myös jatkuvan aikuisiällä (Lampi et al. 2015).
Varhaisessa lapsuudessa tapahtuvan maatila-altistuksen tarjoama suojaava vaikutus astmaan ja erilaisiin allergisiin sairauksiin sairastumisessa on siis yleisesti todistettu useissa tieteellisissä julkaisuissa. Suurin epävarmuus puolestaan liittyy yksittäisiin altisteisiin, jotka aikaansaavat tämän suojavaikutuksen ilmenemisen. Tutkimuksissa on huomattu, että varhaisessa lapsuu- dessa tai ennen syntymää äidin kautta tapahtunut altistuminen tiloilla kasvatetuille eläimille (pääasiassa karjalle, sioille ja siipikarjalle), eläimille tarkoitetulle ravinnolle (heinä, jyvät, säi- lörehu ja olki) sekä prosessoimattomalle maidolle tuottaa vahvimman suojavaikutuksen astman ja erilaisten allergisten sairauksien kehittymiselle. (Ege et al. 2007, Von Mutius ja Vercelli 2010.) Yksittäisen altisteen osuutta suojavaikutuksen kehittymisessä on vaikea määrittää tar- kasti. On kuitenkin huomattu, että suojavaikutus on sitä vahvempi mitä suuremmalle määrälle näitä maatilaympäristölle tyypillisiä altisteita lapsi altistuu. (Ege et al. 2007.) Lisäksi suojavai- kutuksen synnyssä altistumisen ajoitus on erittäin tärkeää. Suojavaikutus on suurin, kun altistus on tapahtunut ennen syntymää kohdussa tai lapsen ensimmäisten elinvuosien aikana (Riedler et al. 2001, Ege et al. 2006). Maatilaympäristön aikaansaamaa allergiasuojavaikutusta käsitte- levässä tutkimuksessa (House et al. 2017) huomattiin, että erityisesti äidin raskaudenaikainen altistuminen maatilaympäristölle tyypillisille antigeeneille oli yhteydessä lapsen vähentynee- seen riskiin sairastua allergisiin sairauksiin myöhemmässä elämässä.
Taulukko 1. Kokoomataulukko lapsuusajan maatila-altistuksen vaikutuksia käsittelevistä tut- kimuksista (Von Mutius ja Vercelli 2010, muokattu).
Maa Ikä Astma Hengityk-
sen vin- kuna
Diagnosoitu heinänuha
Heinänuhan oireet
Atooppinen ihottuma
Atooppinen herkistys
AHR Tutkimukset
Sveitsi 6–15 ↓ ⇓ ↓ ⇓ ↓ ⇓ - 5
Suomi 18-24 ↓ - ⇓ - - - - 59
Itävalta, Saksa, Hol- lanti, Ruotsi
ja Sveitsi 5–13 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ↓ ⇓ - 60
Etelä-Saksa 5–7 ↓ ⇓ ⇓ ↓ ↓ - - 8
Ruotsi 7–8 ⇓ - - ⇓ ↓ - - 61
Itävalta 8–11 - - - - - ⇓ - 62
Itävalta 8–10 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ↔ ⇓ - 6
Tanska 17–26 ↓ ↓ ↓ - - ⇓ ⇓ 63
Hollanti 20–70 ↓ - ⇓ - - - - 64
Saksa 18–44 ↓ ↓ ⇓ - - ⇓ ↓ 65
Suomi 20–44 - - - - - ↓ - 66
Iso-Britan-
nia 4–11 ⇓ - ⇓ - ↓ ↓ - 14
Pohjois-
Saksa 18–44 ⇓ - ⇓ - ↓ - - 67
Itä-Suomi 6–13 - - - - - ⇓ - 68
Ruotsi 17–20 ⇓ - ⇓ - ↓ - - 69
Itävalta, Saksa ja
Sveitsi 6–13 ⇓ - - ⇓ - ⇓ - 3
Tyroli, Itä-
valta 6–10 ⇓ - - - - - - 70
Göteborg,
Ruotsi 16–20 ⇓ ↑ - - - - - 71
Länsi-Got-
hia, Ruotsi 16–75 - - - ↓ - - - 72
Turku,
Suomi 18–25 ⇓ - - - - - ↓ 73
Belgia, Saksa, Hol- lanti, Ruotsi ja Uusi-See-
lanti 20–44 ↓ ↓ - ⇓ - ⇓ - 74
Australia 7–12 ↓tai ⇓ ↓tai ⇓ ↓ - ↓ - - 75
Uusi-See-
lanti 7–10 ↓ ↓ ↓ - ↓ ↓ - 15
Uusi-See-
lanti 5–17 ⇓ ⇓ ⇓ - ⇓ - - 9
Uusi-See-
lanti 25–49 ⇓ ⇓ - ⇓ ↓ - - 24
Kanada 0–11 ⇓ - - - - - - 76
British Co- lumbia, Ka-
nada 8–20 ⇓ ↓ ⇓ - ⇓ - - 77
USA 20–88 ⇓ - - - - - - 78
Quebeck,
Kanada 12–19 ⇓ ⇓ - - - ⇓ ⇓ 79
Wisonsin,
USA 4–17 ⇓ ⇓ ⇓ - - - - 80
Iowa, USA 0–17 ↓ ↓ - - - ↓ ↓ 81
Iowa, USA 6–14 ↓ ↓ - - - - - 82
↓: riskin vähenemä ilman tilastollista merkitsevyyttä, ⇓: riskin vähenemä, joka on tilastolli- sesti merkitsevä, -: ei määritetty, ↔: ei maatilan suojavaikutusta, AHR: hengitysteiden yliherkkyys (airway hyperresponsiveness).
# Ks. alkuperäisen kokooma-artikkelin viiteluettelo
2.5 MAATILA-ALTISTUKSEN IMMUNOBIOLOGIA
2.5.1 Maatila-altistuksen aikaansaamat immuunivasteet
Ennen syntymää tai varhaisessa lapsuudessa tapahtuvan maatila-altistuksen aikaansaaman suo- javaikutuksen tarkkoja immunologisia mekanismeja ei vielä tunneta tarkasti (Schaub et al.
2009). Kuitenkin maatilaympäristölle tyypillisen laajan mikrobialtistuksen aikaansaaman im- muunivasteen tiedetään suojaavan allergisten sairauksien ja astman kehittymiseltä. Suojavai- kutuksen syntymiseen osallistuu yhteistyössä sekä synnynnäinen että hankittu immuniteetti.
Tutkimusta synnynnäisen immuniteetin roolista maatila-altistuksen suojavaikutuksen syntymi- sessä vauhditti hypoteesi siitä, että synnynnäinen immuniteetti toimii korkean mikrobialtistuk- sen aikaansaaman signaalin välittäjänä hankitulle immuunijärjestelmälle. (Von Mutius ja Ver- celli 2010.) Tätä teoriaa tukee tutkimus, jossa saatiin selville, että maatiloilla kasvaneiden lasten perifeeriset verisolut ilmensivät enemmän CD14- ja TLR2-reseptoreita kuin muualla kasvanei- den lasten perifeeriset verisolut (Lauener et al. 2002). Lisää näyttöä saatiin tutkimuksesta, jossa tutkittiin äidin raskaudenaikaista maatila-altistusta ja sen vaikutusta lapsen allergioiden kehit- tymiseen. Tutkimuksessa huomattiin, että myöhemmin näillä lapsilla verisolut ilmensivät enemmän CD14- ja TLR2-reseptoreita kuin vertailuryhmän (ilman maatila-altistusta) lapsilla.
Lisäksi huomattiin, että myös TLR4-reseptoreiden määrä oli noussut vertailuryhmään nähden.
Samassa tutkimuksessa löydettiin myös annos-vaste-suhde eläinlajien määrän, joille äiti ras- kaudenaikanaan oli altistunut ja TLR2, TLR4 sekä CD14 mRNA reseptoreiden runsauden kou- luikäisten lasten perifeerisissä verisoluissa välillä. (Ege et al. 2006.) Vastasyntyneillä mitatut alhaiset interferoni-γ-tasot (IFNγ) ovat yhdistetty kohonneelle riskille sairastua allergisiin sai- rauksiin myöhemmässä elämässä. Ensimmäisen elinvuoden aikana mitatut alhaiset IFNγ-tasot ennustavatkin vahvasti hengitystieahtaumien kohonnutta riskiä myöhemmässä lapsuudessa. Äi- din raskaudenaikainen maatila-altistus nostaa lapsen IFNγ-tasoja, joka osaltaan vähentää lap- sella riskiä sairastua allergisiin sairauksiin myöhemmässä elämässä. (Vuillermin et al. 2009, Stern et al. 2007, Wright 2004.) Maanviljelijöiden lasten verisoluja tutkimalla on saatu lisäksi selville, että kyseisten lasten T-auttajasolut ovat yleisesti anergisempia (reagoimattomia) kuin vertailuryhmän (vanhemmat eivät olleet eläneet maatilalla) lasten T-auttajasolut. Tämä saattaa johtua aktivoituneen synnynnäisen immuniteetin erittämistä regulatorisista sytokiineista. (Frei et al. 2014.) Myös maatilaympäristöllä on vaikutusta immuunivasteen kehittymiseen: tutkimuk- sessa (Stein et al. 2016) huomattiin, että perinteisellä maatilalla (tutkimuksessa amish-maatila) synnynnäisen immuniteetin aktivoituminen on voimakkaampaa kuin nykyaikaisia maanviljely- tekniikoita käyttävillä maatiloilla. Nämä tutkimukset yhdessä viittaavat siihen, että ennen syn- tymää tai/ja ensimmäisten elinvuosien aikana tapahtuva altistuminen perinteisillä maatiloilla tyypillisesti esiintyvälle laajalle mikrobialtistukselle johtaa synnynnäisen immuniteetin aktivoi- tumiseen reseptorisääntelyn kautta (Stein et al. 2016, Frei et al. 2014, Von Mutius ja Vercelli 2010).
Maatila-altistuksen immunoregulatoriset vaikutukset eivät rajoitu vain synnynnäiseen immuni- teettiin. Myös hankitulla immuniteetilla on maatila-altistuksen suojavaikutuksen synnyssä kes- keinen rooli. Tutkimuksessa (Stern et al. 2007) arvioitiin niin sanotussa ALEX-tutkimuksessa mukana olleiden kouluikäisten lasten IgG ja IgE vasteita yleisimpiin hengitettäviin allergeenei- hin (ruoho, kissan karvat ja pölypunkit). Tutkimuksessa altistuminen kissoille ja ruoholle ei vaikuttanut IgG2 ja IgG3 vasta-aine isotyyppien esiintyvyyteen, mutta esti tehokkaasti IgG1, IgG4 ja IgGE vasta-aineiden (auttaja-T-solutyyppi 2 painoitteinen immuunivaste) tuotannon.
Pölypunkkialtistuksessa puolestaan IgE vasta-aineiden osuus oli maatiloilla kasvaneilla lapsilla hieman, mutta kuitenkin merkitsevästi noussut verrattuna vertailuryhmän altistumiseen kis- soille ja ruoholle. (Stern et al. 2007.) Tutkimuksessa havaittujen immuunivasteiden tarkkoja immunologisia mekanismeja ei tunneta tarkasti, mutta tuloksista voidaan vahvistaa päätelmän siitä, että maatila-altistuksen aikaansaama suojavaikutus on spesifinen tietyille allergeeneille.
Immunoglobuliinilöydökset puolestaan osoittavat, että eri allergeenit synnyttävät erilaisia im- muunivastesignaaleja. Nämä signaalit taas ovat vuorovaikutuksessa kukin omalla tavallaan maatilaympäristössä suojavaikutusta synnyttävien yhdisteiden kanssa muodostaen monimut- kaisen immuunivasteiden verkoston. (Von Mutius ja Vercelli 2010.)
Kouluikäisillä maatilalla kasvaneilla lapsilla tehtyjen tutkimusten lisäksi immunologisia ana- lyysejä on suoritettu myös vastasyntyneillä lapsilla, jotta voitaisiin arvioida ennen syntymää tapahtuvan maatila-altistuksen merkitystä erityisesti astman kehittymisen kannalta (Von Mu- tius ja Vercelli 2010). Pasture-tutkimuksessa (Pfefferle et al. 2008) tutkittiin vastasyntyneiden napanuoraveren IgE vasta-aineiden pitoisuuksia allergeenialtistuksen jälkeen. Kohonneiden IgE vasta-aineiden pitoisuus napanuoraveressä arvellaan olevan yhteydessä ennen syntymää tapahtuneelle allergeenialtistumiselle. Täyttä tarkkuutta ei kuitenkaan ole pystytty osoittamaan, johtuvatko napanuoraverestä mitatut IgE vasta-ainepitoisuudet raskaudenaikaisesta tilapäisestä äidin verenkierron mukana tapahtuvasta vasta-aineiden siirtymisestä, synnytyksessä tapahtu- vasta vasta-ainekontaminaatiosta vai todellisesta sikiön allergeenialtistumisesta. Tutkimuksen tuloksissa huomattiin, että tietyille allergeeneille spesifiset IgE-vasteet napanuoraveressä olivat korkeampia niillä vastasyntyneillä, joiden äidit eivät olleet altistuneet maatilaeläimille ja eläi- mien rehulle. (Pfefferle et al. 2008.) Huomattavaa oli myös se, että napanuoraveren mononuk- leaaristen solujen erittämä interferoni-γ (IFNγ) ja TNF-sytokiinien (sytokiinien joukko, jotka aiheuttavat solukuolemaa eli apoptoosia) tasot olivat huomattavasti korkeammat vastasynty- neillä, joiden äidit olivat eläneet maatilaympäristössä. Th 2-solujen erittämien sytokiinien IL-5 ja IL-10 ja Th 1-solujen erittämän sytokiinin IL-12 tasoihin vastasyntyneiden napanuoraveressä
maatila-altistus ei vaikuttanut. Äidin raskaudenaikainen altistuminen maatilan eläimille ja pro- sessoimattomasta maidosta valmistetun voin kulutus huomattiin lisäävän vastasyntyneen IFN γ ja TNF tuotantoa. (Pfefferle et al. 2008.) Tulokset viittaavat siihen, että äidin raskaudenaikainen maatila-altistus vaikuttaa vahvasti jälkeläisten sytokiinituotantokapasiteettiin syntymässä (Pfefferle et al. 2010 ja Pfefferle et al. 2008).
Viimeaikaisissa syntymäkohorttien immunologisissa analyyseissä on noussut esiin hypoteesi siitä, että regulatoristen T-solujen aktivoituminen voi liittyä raskaudenaikanaan maatila-altistu- neiden äitien lapsilla ilmenevän allergiasuojavaikutuksen syntymiseen. Hypoteesia tukevia tu- loksia saatiin äidin maatila-altistuksen ja vastasyntyneiden lasten immuunimekanismeja käsit- televässä tutkimuksessa. (Schaub et al. 2009.) Tutkimuksessa saatiin selville, että maatila-altis- tuneiden (tutkimuksessa erityisesti talli) äitien vastasyntyneiden lasten napanuoraveren CD4+CD25-Treg-solut olivat sekä runsaslukuisampia että tehokkaampia vaimentamaan T-so- lujen lisääntymisen. Huomattavinta oli kuitenkin se, että äidin altistuminen eri maatilaeläinla- jeille nosti regulatoristen T-solujen markkerina toimivan glukokortikoidin aiheuttaman TNF reseptorin (GITR-reseptori) ilmentymistä ja IFNγ:n eritystä napanuoraverisoluissa. (Schaub et al. 2009.) Saman tutkimusryhmän myöhemmin julkaisemassa tutkimuksessa regulatoristen T- solujen lisääntyminen selitti osittain sen, että maatilamaitoa juovilla lapsilla esiintyi vähemmän astmaa (Lluis et. al 2014).
Dendriittisolujen roolia maatilaympäristön aikaansaaman allergia- ja astmasuojavaikutuksen synnyssä ei tiedetä vielä tarkasti. Tutkimuksissa on kuitenkin havaittu dendriittisolujen luku- määriä vertailemalla eroavaisuuksia maatilalla kasvaneiden lasten ja ei-maatilaympäristössä kasvaneiden lasten välillä. Lipopolysakkaridilla (LPS) stimuloiduilla PBMC-soluilla havaittiin prosentuaalisesti vähemmän mDC-soluja, jos lapsi oli kasvanut maatilaympäristössä. Täten maatilaympäristölle tyypillisille allergeeneille altistuminen voi aiheuttaa erilaisia immunomo- dulaarisia vaikutuksia dendriittisolujen määrän muuttuessa. (Kääriö et al. 2015.) Tutkimuksessa (Martikainen et al. 2015) havaittiin samankaltaisia tuloksia: mDC-solujen osuus oli pienempi maatilalla asuvilla lapsilla kuin muualla kasvaneilla lapsilla.
Vaikka edellä käsitellyt tutkimukset eroavat tutkimusasetelmiltaan ja tuloksiltaan, pystytään niistä kuitenkin löytämään myös yhtäläisyyksiä. Altistumisen ajoituksella on erityisen tärkeä rooli maatilaympäristön aikaansaaman suojavaikutuksen syntymisessä: raskaudenaikana ja var- haisessa lapsuudessa tapahtuva maatila-altistus on erityisen tehokas muovaamaan immuunijär- jestelmän toimintaa. Lisäksi äidin raskaudenaikainen kontakti maatilalla kasvatettaviin eläinla- jeihin on positiivisesti yhteydessä regulatoristen T-solujen aktivoitumiseen ja IFNγ tuotantoon
syntymässä sekä synnynnäisen immuniteetin reseptorien ilmentymiseen lapsuudessa. (Von Mutius ja Vercelli 2010.)
Kuva 4. Yksinkertaistettu malli maatila-altistuksen immunobiologisista vaikutuksista. Äidin raskaudenaikainen altistus maatilatöissä erilaisille maatilalla kasvatetuille eläimille yhdistet- tynä prosessoimattoman maidon kulutukselle johtaa immuunijärjestelmän mukautumiseen vah- vaan mikrobiologiseen ja mahdollisesti ksenogeeniseen paineeseen. Tämä yhteisaltistuminen, joka tapahtuu ratkaisevassa vaiheessa immuunivasteiden kehittymisen kannalta, lisää vastasyn- tyneen reglatoristen T-solujen ja interferoni-γ:n (IFNγ) tuotantoa. Tämä parantaa hankitun im- muniteetin immuunivasteita (tiettyjen reseptoreiden lisääntyneen ilmentymisen kautta) ja vai- mentaa Th2-tappaja-T-solutyyppiriippuvaista allergista tulehdusta aikaisessa lapsuudessa. Al- tistuminen eläimille ja prosessoimattomalle maidolle varhaisessa lapsuudessa vahvistaa raskau- denaikaisen altistumisen aiheuttamaa suojavaikutusta. IFNγ suurentunut tuotanto syntymässä vahvistaa immuunivasteita astman kehittymisen riskiä lisääviä virusinfektioita vastaan (Von Mutius ja Vercelli 2010, muokattu).
2.5.2 Maatila-altistuksen aikaansaamien immuunivasteiden solutason mekanismit
Maatila-altistuksen aikaansaamien immuunivasteiden tarkkoja solutason mekanismeja ei vielä tiedetä tarkasti, mutta aikaisempaan tutkimustietoon tukeutuen maatila-altistuksen tarkoista so- lutason mekanismeista on tehty erilaisia todennäköisyysmalleja. Koontiartikkelissa (Von Mu- tius ja Vercelli 2010) maatila-altistuksen suojavaikutuksen syntyyn johtavien immuunivastei- den solutason mekanismit ovat selitetty mallilla, jossa maatilaympäristölle tyypillisessä mikro- birikkaassa ympäristössä mikrobialtistus aktivoi synnynnäisen immuunijärjestelmän. Tämä
johtaa TNF-sytokiinien erittymiseen, joka aktivoi regulatoriset T-solut ja saa ne jakautumaan.
Regulatoriset T-solut tasapainottavat hankitun immuunijärjestelmän immuunivasteita vaimen- tamalla allergeenien indusoimaa Th 2-soluihin yhteydessä olevaa sytokiinituotantoa ja Th 2- soluriippuvaista IgE tuotantoa. Mallissa maatila-altistuksen aikaansaamat immunoregulatoriset vaikutukset inhiboivat useita allergisen tulehdusreaktion syntyä ohjaavia solutason mekanis- meja, pääasiassa vaimentamalla Th 2-tyypin immuunivasteita (kuva 4). (Von Mutius ja Vercelli 2010.)
IFNγ on mallissa keskeisessä roolissa toimien allergia- ja astmariskin indikaattorina. IFNγ on valittu malliin allergia- ja astmariskin indikaattoriksi, koska alentuneen IFNγ-tasot syntymässä on yhdistetty suurentuneeseen riskiin sairastua myöhemmin elämässä allergisiin oireisiin ja atooppisiin sairauksiin. (Wright 2004, Vuillermin et al. 2009.) Lisäksi matalat IFNγ-tasot en- simmäisen elinvuoden aikana lisäävät hengitystien ahtaumien todennäköisyyttä myöhemmin lapsuudessa (Stern et al. 2007). Täten äidin maatila-altistuksen aikaansaama IFNγ-tasojen nousu voi olla olennainen osa maatila-altistumisen aikaansaaman allergiasuojavaikutuksen syn- nyssä lapsella. Äidin altistumisen tulee kuitenkin tapahtua siinä kriittisessä vaiheessa, jolloin lapsen immuunijärjestelmä on muokkautumassa. Tarkkoja mekanismeja, jotka selittävät ha- vaintoja maatilaeläimille altistuneiden äitien vastasyntyneiden lasten IFNγ-tasojen noususta ei vielä tiedetä. Olemassa olevan tiedon avulla voidaan havainnosta kuitenkin muodostaa useita hypoteeseja. (Von Mutius ja Vercelli 2010.) Useissa tutkimuksissa on todistettu, että ihmisen hankitun immuniteetin vasteet (sekä Th1 että Th 2 tyyppinen immuunivaste) ovat tyypillisesti kehittymättömiä syntymähetkellä johtuen muun muassa vähäisestä mikrobialtistuksesta (Halo- nen et al. 2009, Levy 2007). Siksi arvellaan, että maatilaeläimille altistuneiden äitien vastasyn- tyneiden lasten suurentunut IFNγ tuotanto onkin riippuvainen pääasiassa synnynnäisen immu- niteetin mekanismeista. (Von Mutius ja Vercelli 2010.) Äidin raskaudenaikainen altistuminen useille maatilalla kasvatetuille eläimille ja epätavallisen runsaalle mikrobiympäristölle voi käynnistää TLR-reseptoreita ilmentävien luonnollisten tappajasolujen IFNγ-vasta-aineen erit- tämisen (Von Mutius ja Vercelli 2010, Muzio et al. 2000). Vastasyntyneen korkeat IFNγ tasot voivat hidastaa allergeenin indusoimaa Th2-tappaja-T-solutyypin erilaistumista ja aktivoida dendriittisolujen IL-12 tuotantoa ja siten kiihdyttää Th1-tyypin immuunivasteita (Snijders et al.
1998, Von Mutius ja Vercelli 2010) (kuva 5). Nämä immuunivasteet tuottavat parantuneen suo- jan solunsisäisiä patogeenejä vastaan. Näistä suojavaikutuksen vaikutuspiiriin kuuluvista pato- geeneistä tärkeimpiä ovat erityisesti hengitystieinfektioita aiheuttavat virukset, jotka
vaikuttavat hengitysteiden toimintaan ja lisäävät riskiä astman kehittymiseen herkillä ihmisryh- millä kuten atooppisilla lapsilla. (Martinez 2009, Von Mutius ja Vercelli 2010.)
Kuva 5. Mallikuva mahdollisista maatila-altistuksen suojavaikutuksen syntyyn johtavista solu- tason mekanismeista. Mallissa maatila-altistuminen (erityisesti erilaisille maatilalla kasvate- tuille eläimille) johtaa synnynnäisen immuniteetin aktivoitumiseen suuren mikrobialtistuksen yhteydessä. Tämä johtaa voimakkaaseen sytokiinien ohjaamaan (TNF, IL-10) regulatoristen T- solujen aktivaatioon, joka tasapainottaa hankitun immuniteetin immuunivasteita ja vaimentaa allergisen tulehdusreaktion päämekanismeja (allergeenien indusoima Th2-auttaja-T-solutyypin sytokiinituotanto ja Th2-soluriippuvainen IgE-synteesi). Lisäksi vähentynyt IL-4 ja IL-13 tuo- tanto vähentää Th2 solutyyppiin yhdistettyä sytokiiniriippuvaista CD14-reseptorien inhibitiota.
Tämä lisää patogeenejä tunnistavien reseptorien (pattern-recognition receptors) ilmentymistä vahvistaen synnynnäisen immuniteetin immuunivastetta. Interferoni-γ (IFNγ) tuotannon nousu maatila-altistuneiden (pääasiassa altistuminen erilaisille maatilaeläimille) äitien lapsilla johtuu pääasiassa synnynnäisen immuniteetin aktivoitumisesta. Synnynnäisen immuniteetin aktivaati- osta huolehtivat dendriittisolut ja TLR-reseptoreita ilmentävät luonnolliset tappajasolut. Toi- saalta myös ksenogeeninen kuormitus jatkuvassa maatilaeläinaltistuksessa voi johtaa luonnol- listen tappajasolujen IFN γ tuotannon lisääntymiseen. Tämä vaimentaa Th2-solujen sytokii- nituotantoa ja nopeuttaa Th1-solutyypin vasteita aktivoimalla dendriittisolujen hallinnoimaa IL-12 tuotantoa. Kaikki nämä mekanismit toimivat yhdessä vähentäen Th2-tyypin allergista tulehdusreaktiota. (Von Mutius ja Vercelli 2010, muokattu.)
