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Title

Milk and egg allergies in children. Immunological changes and mechanisms underlaying oral immunotherapy

Other TitlesAlergia a la leche y al huevo en niños. Cambios inmunológicos y mecanismos asociados al tratamiento con inmunoterapia oral
AuthorsPerezábad, Laura
AdvisorMolina, Elena ; Correa-Rocha, Rafael
Issue Date2017
PublisherCSIC-UAM - Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación (CIAL)
Abstract[EN]: Food allergy is a major health problem in the Western countries, notably in children, with an estimated prevalence of 2-8%, and is the most frequent reason for anaphylactic reactions at this age. Between the food allergies, Immunoglobulin E (IgE)-mediated cow's milk protein allergy (CMPA) and egg allergy are the most common in infants, affecting approximately 1-3% of children. Although these allergies are associated with a high rate of natural tolerance, the mechanisms of tolerance acquisition are not well understood. Moreover, about 50% of children do not overcome their allergy within the first years of life, which rekindle in the increasing incidence of the clinical disorder in adults. These foodallergic processes may endanger children's health causing reactions from mild atopic dermatitis to severe systemic anaphylaxis, which can be life-threatening. Unfortunately, at present, the only treatment for cow's milk (CM) and egg allergies is a complete dietary restriction of implicated foods. Because of milk and egg protein is included in a wide range of cooked and manufactured foods, avoidance involves a wide dietary restriction, which leads to negative nutritional, social, psychological and economic consequences. However, and despite its importance, little information is known about which specific immune mechanisms constitute differential factors for the development of allergy or for the maintenance of tolerance. Consequently, new studies to clarify these important issues and novel strategies for immune intervention are currently pursued. Given this scenario, the first research conducted in this thesis compiled an extensive analysis of immune cell subsets and cytokine secreting cells in infants with symptoms compatible with CMPA, which is the first allergy to appear in children. Samples were collecting in the 1-4 days after the first adverse reaction, to decipher the immune alterations related with the establishment of this allergy. Interestingly, results revealed that children who developed CMPA had decreased regulatory T cell (Treg) counts and lower serum vitamin D levels. Furthermore, these parameters were statistically correlated and constituted good predictors to distinguish between healthy controls and CM allergic infants. Therefore, they could be crucial factors behind the onset of the allergic process in infants and a therapeutic target for the treatment of this food allergy. Because of oral immunotherapy (OIT) is nowadays one of the most promising approaches toward a treatment for food allergy, further studies to lend more scientific evidence about such treatment are demanded. OIT involves giving regular, gradually increased dosages of the allergenic protein under medical supervision. The goal is induce desensitization firstly, defined as an increase in the threshold for reactivity but requiring a continued consumption of the allergen to prevent the reappearance of reactivity; and a later induction of oral tolerance, which means a long-lasting unresponsiveness against the food allergen. Pilot studies have yielded promising results, with success ratios frequently higher to 70%. However, differences between protocols employed, and the lack of knowledge about the specific immune mechanisms responsible of the desensitization and tolerance acquisition, prevent from drawing robust conclusion and make difficult the improvement and further development of this therapeutic strategy. Moreover, there is no yet evidence enough in the biomarkers that reflect the success of the intervention, as well as which children could be good candidates for treatment and have a reduced risk of adverse reactions. In this Thesis, the clinical efficacy and immunologic changes associated with OIT for IgE-mediated CMPA and egg allergy in infants were evaluated. The basal immunologic status of the allergic children enrolled was assessed through comparison with those of a non-allergic group of the same age range and sex. Three different OIT schedules were evaluated: i) a rush protocol for egg desensitization based on a first 5-days rapid up dosing, with a rate of success (defined as the ability to eat one undercooked egg) of 93.8% of patients in 5 months of intervention; ii) a long-course regimen for egg desensitization, which allowed 60% children to eat the equivalent to a full egg (≥ 32 mL of pasteurized egg white) in an average period of 11.75 months; iii) a long-course OIT protocol for CM desensitization with 70% success (≥ 200 ml of CM) and, an average duration of 18.9 months. A distinct feature of the long protocols is the progressive introduction of egg or milk-containing foods into the patient’s diet. Moreover, the long-term efficacy of desensitization of these protocols was evaluated 24-48 months after being completed, reporting that 70-75% of the allergic children participants were consuming egg or CM as a part of their diet. Analysis of immunological outcomes underlying OIT studies showed a decrease in serum allergen-specific IgE levels along the therapy, accompanied by a rise in the allergenspecific IgG4. Because the mechanisms by which OIT acts include modulation of T-cell responses, peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from blood samples and stimulated with ovalbumin (OVA) or β-casein (β-CN) for measuring T helper 2 (Th2), T helper 1 (Th1) and regulatory T (Treg) cells cytokine profile, as well as the expression of the master transcription factors of the corresponding T-cell differentiation (GATA3, T-bet and FoxP3). Results revealed a diminished allergic Th2 response in children successfully desensitized, with lower specific interleukin (IL)-13 and IL-5 production. Gene expression differences were not large enough to consider a significant change in either of the transcription factors studied. Higher baseline antigen-specific IgE levels are proposed predictors of a negative clinical response to OIT. In summary, main findings in this thesis highlighted that circulating Treg cells and serum vitamin D levels could be crucial factors behind the establishment of CMPA in infants. Oral rush immunotherapy protocols could be highly effective in inducing desensitization to egg proteins in few days with a long-term protection. Successful desensitization resulted in significant reductions in antigen-specific IgE with increases in antigen-specific IgG4 and a drop in Th2 cytokines associated with allergic processes.
[ES]: La alergia alimentaria es un grave problema de salud en Occidente, especialmente en niños. Con una prevalencia estimada del 2-8%, es la causa más frecuentemente de las reacciones anafilácticas a dicha edad. La alergia a la proteína de la leche de vaca (APLV) y la alergia al huevo mediadas por inmunoglobulina E (IgE), son las alergias alimentarias más frecuentes en la edad infantil, afectando aproximadamente al 1-3% de los niños. Aunque estas alergias presentan una elevada tasa de resolución o tolerancia espontánea, cómo se produce este fenómeno no se conoce en profundidad. Además, alrededor del 50% de los niños no revierten su alergia durante los primeros años de vida, lo cual repercute en una creciente incidencia de la enfermedad en la edad adulta. Los procesos alérgicos implicados pueden poner en peligro la salud de los niños, causando reacciones que van desde la dermatitis atópica leve a la anafilaxia sistémica grave, condición que pone en peligro la vida del paciente. Desafortunadamente, en la actualidad el único tratamiento para la APLV y la alergia al huevo es la total restricción en la dieta de los alimentos implicados y, puesto que las proteínas de la leche y del huevo se incluyen en una extensa gama de alimentos cocinados y manufacturados, su eliminación implica una amplia restricción dietética, con consecuencias nutricionales, sociales, psicológicas y económicas adversas. Sin embargo, y a pesar de su importancia, poco se sabe acerca de los mecanismos inmunológicos específicos que conducen al desarrollo de alergia o a la preservación de la tolerancia. Por ello, es importante realizar estudios que permitan aclarar estas cuestiones, así como plantear estrategias innovadoras de intervención en dicha respuesta inmune. Para intentar dar respuesta a estas interrogantes, la primera investigación realizada en la tesis doctoral consiste en un análisis exhaustivo de subpoblaciones celulares del sistema inmune y células secretoras de citoquinas en niños con síntomas compatibles con la APLV. Las muestras se recolectaron entre 1 y 4 días tras la primera reacción adversa, para poder estudiar las alteraciones inmunológicas relacionadas con el establecimiento de esta alergia. Los resultados revelaron que los niños que desarrollaron APLV tenían menores recuentos de células T reguladoras, así como niveles más bajos de vitamina D en suero. Además, estos parámetros estaban estadísticamente correlacionados y eran buenos predictores para distinguir entre controles sanos y niños alérgicos. Por lo tanto, estos factores podrían tener una implicación crucial en el inicio del proceso alérgico en los niños y ser una diana terapéutica para el tratamiento de esta alergia alimentaria. La inmunoterapia oral (ITO) es una de las estrategias actuales más prometedores para el tratamiento de la alergia alimentaria, por ello es prioritario que se realicen más estudios que arrojen una mayor evidencia científica sobre este tipo de tratamiento. La ITO implica la administración de dosis regulares, gradualmente crecientes de la proteína alergénica bajo supervisión médica. El objetivo es inducir un primer estado de desensibilización, definido como un aumento del umbral de reactividad, pero que requiere el consumo continuo del alérgeno para evitar la reaparición de la alergia; y una posterior inducción de la tolerancia oral, que significa la falta de respuesta duradera contra el alérgeno alimentario. Los estudios piloto han arrojado resultados prometedores, con tasas de éxito que superan el 70%. Sin embargo, las diferencias entre los protocolos empleados, y la falta de conocimiento sobre los mecanismos inmunológicos responsables de la adquisición del estado de desensibilización y de la tolerancia, impiden sacar conclusiones definitivas y dificultan la implementación de mejoras para el desarrollo de esta estrategia terapéutica. Por otra parte, todavía no hay suficiente evidencia en los biomarcadores que reflejen el éxito de la intervención, así como en los que indiquen qué niños podrían ser buenos candidatos para el tratamiento y cuáles tienen un riesgo menor de sufrir reacciones adversas. Durante la realización de esta tesis doctoral se ha evaluado la eficacia clínica y los cambios inmunológicos asociados con la ITO para la APLV y la alergia al huevo mediadas por IgE en lactantes. El estado inmunológico basal de los niños alérgicos reclutados fue comparado con el de una población sana de igual rango de edad y sexo. Se evaluaron 3 protocolos diferentes de ITO: i) un protocolo rápido de desensibilización al huevo basado en una fase rápida de 5 días de duración, con una tasa de éxito (definida como la capacidad de consumir un huevo poco cocido) del 93,8% de los pacientes a los 5 meses de intervención; ii) un régimen de larga duración para la desensibilización al huevo que permitó que el 60% de los niños comieran el equivalente a un huevo completo (≥ 32 mL de clara de huevo pasterizada) en un periodo medio de 11,75 meses; iii) un protocolo de desensibilización a la leche de vaca de larga duración que alcanzó un 70% de éxito (≥ 200 mL de CM) en un tiempo promedio de 18,9 meses. Una característica distintiva que fue estudiada en los protocolos de larga duración, es la introducción progresiva en la dieta del paciente de alimentos que contenían leche/huevo. Por otra parte, la eficacia de desensibilización a largo plazo fue evaluada a los 24-48 meses tras completar el protocolo, reflejando que un 70-75% de los niños alérgicos participantes mantenían el consumo de huevo o leche de vaca como parte normal de su dieta. Tras el análisis de los resultados inmunológicos subyacentes a los estudios de ITO, se observó una disminución en los niveles séricos de IgE alérgeno-específica a lo largo de la terapia, acompañada de un aumento en la IgG4 específica a alérgenos. Dado que los mecanismos sobre los cuales actúa la ITO incluyen la modulación de respuestas de las células T, las células mononucleares de sangre periférica de las muestras de sangre fueron aisladas y estimuladas con ovoalbúmina (OVA) o β-caseína (β-CN) para medir la secreción de citoquinas asociada a la respuesta de linfocitos T colaboradores Th2, Th1 y células T reguladoras (Treg), así como la expresión de los genes maestros controladores de las correspondientes diferenciaciones de dichas células T (GATA3, T-bet y FoxP3). Los resultados obtenidos mostraron una disminución de la respuesta alérgica Th2 en niños desensibilizados satisfactoriamente, con una menor producción de interleucina (IL)-13 e IL5. No se observaron cambios significativos en la expresión génica en ninguno de los genes estudiados. Los resultados indican que, niveles más elevados de IgE específica a alérgenos al inicio podrían servir para predecir una respuesta clínica negativa al tratamiento. En resumen, los principales hallazgos de esta tesis señalan que la cantidad de células Treg circulantes y los niveles séricos de vitamina D podrían tener un papel crucial en el establecimiento de la APLV en los niños. El protocolo rápido de inmunoterapia oral se mostró muy eficaz a la hora de inducir la desensibilización a las proteínas del huevo en pocos días, con una protección que se mantuvo a largo plazo. El éxito en la desensibilización se asoció con reducciones significativas de IgE específica a alérgenos, con aumentos de la IgG4 específica y con una disminución en las citoquinas Th2 asociadas con los procesos alérgicos.
DescriptionMemoria presentada por Laura Perezábad García para optar al grado de Doctora con mención de “Doctorado Internacional” por la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias: Departamento de Química Agrícola y Bromatología. Trabajo realizado en el Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación (CIAL).
URIhttp://hdl.handle.net/10261/196106
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