Influence of climate changes on cross allergies: possible involvement of pollen transglutaminase

Allergies are a complex of symptoms derived from altered IgE-mediated reactions of the immune system towards substances known as allergens. Allergic sensibilization can be of food or respiratory origin and, in particular, apple and hazelnut allergens have been identified in pollens or fruits. Allergic cross-reactivity can occur in a patient reacting to similar allergens from different origins, justifying the research in both systems as in Europe a greater number of people suffers from apple fruit allergy, but little evidence exists about pollen. Apple fruit allergies are due to four different classes of allergens (Mal d 1, 2, 3, 4), whose allergenicity is related both to genotype and tissue specificity; therefore I have investigated their presence also in pollen at different time of germination to clarify the apple pollen allergenic potential. I have observed that the same four classes of allergens found in fruit are expressed at different levels also in pollen, and their presence might support that the apple pollen can be considered allergenic as the fruit, deducing that apple allergy could also be indirectly caused by sensitization to pollen. Climate changes resulting from increases in temperature and air pollution influence pollen allergenicity, responsible for the dramatic raise in respiratory allergies (hay fever, bronchial asthma, conjunctivitis). Although the link between climate change and pollen allergenicity is proven, the underlying mechanism is little understood. Transglutaminases (TGases), a class of enzymes able to post-translationally modify proteins, are activated under stress and involved in some inflammatory responses, enhancing the activity of pro-inflammatory phospholipase A2, suggesting a role in allergies. Recently, a calcium-dependent TGase activity has been identified in the pollen cell wall, raising the possibility that pollen TGase may have a role in the modification of pollen allergens reported above, thus stabilizing them against proteases. This enzyme can be involved also in the transamidation of proteins present in the human mucosa interacting with surface pollen or, finally, the enzyme itself can represent an allergen, as suggested by studies on celiac desease. I have hypothesized that this pollen enzyme can be affected by climate changes and be involved in exhacerbating allergy response. The data presented in this thesis represent a scientific basis for future development of studies devoted to verify the hypothesis set out here. First, I have demonstrated the presence of an extracellular TGase on the surface of the grain observed either at the apical or the proximal parts of the pollen-tube by laser confocal microscopy (Iorio et al., 2008), that plays an essential role in apple pollen-tube growth, as suggested by the arrest of tube elongation by TGase inhibitors, such as EGTA or R281. Its involvement in pollen tube growth is mainly confirmed by the data of activity and gene expression, because TGase showed a peak between 15 min and 30 min of germination, when this process is well established, and an optimal pH around 6.5, which is close to that recorded for the germination medium. Moreover, data show that pollen TGase can be a glycoprotein as the glycosylation profile is linked both with the activation of the enzyme and with its localization at the pollen cell wall during germination, because from the data presented seems that the active form of TGase involved in pollen tube growth and pollen-stylar interaction is more exposed and more weakly bound to the cell wall. Interestingly, TGase interacts with fibronectin (FN), a putative SAMs or psECM component, inducing possibly intracellular signal transduction during the interaction between pollen-stylar occuring in the germination process, since a protein immunorecognised by anti-FN antibody is also present in pollen, in particular at the level of pollen grain cell wall in a punctuate pattern, but also along the shank of the pollen tube wall, in a similar pattern that recalls the signal obtained with the antibody anti TGase. FN represents a good substrate for the enzyme activity, better than DMC usually used as standard substrate for animal TGase. Thus, this pollen enzyme, necessary for its germination, is exposed on the pollen surface and consequently can easily interact with mucosal proteins, as it has been found germinated pollen in studies conducted on human mucus (Forlani, personal communication). I have obtained data that TGase activity increases in a very remarkable way when pollen is exposed to stressful conditions, such as climate changes and environmental pollution. I have used two different species of pollen, an aero allergenic (hazelnut, Corylus avellana) pollen, whose allergenicity is well documented, and an enthomophylus (apple, Malus domestica) pollen, which is not yet well characterized, to compare data on their mechanism of action in response to stressors. The two pollens have been exposed to climate changes (different temperatures, relative humidity (rH), acid rain at pH 5.6 and copper pollution (3.10 µg/l)) and showed an increase in pollen surface TGase activity that is not accompanied to an induced expression of TGase immunoreactive protein with AtPNG1p. Probably, climate change induce an alteration or damage to pollen cell wall that carries the pollen grains to release their content in the medium including TGase enzyme, that can be free to carry out its function as confirmed by the immunolocalisation and by the in situ TGase activity assay data; morphological examination indicated pollen damage, viability significantly reduced and in acid rain conditions an early germination of apple pollen, thus possibly enhancing the TGase exposure on pollen surface. Several pollen proteins were post-translationally modified, as well as mammalian sPLA2 especially with Corylus pollen, which results in its activation, potentially altering pollen allergenicity and inflammation. Pollen TGase activity mimicked the behaviour of gpl TGase and AtPNG1p in the stimulation of sPLA2, even if the regulatory mechanism seems different to gpl TGase, because pollen TGase favours an intermolecular cross-linking between various molecules of sPLA2, giving rise to high-molecular protein networks normally more stable. In general, pollens exhibited a significant endogenous phospholipase activity and it has been observed differences according to the allergenic (Corylus) or not-well characterized allergenic (Malus) attitude of the pollen. However, even if with a different intensity level in activation, pollen enzyme share the ability to activate the sPLA2, thus suggesting an important regulatory role for the activation of a key enzyme of the inflammatory response, among which my interest was addressed to pollen allergy. In conclusion, from all the data presented, mainly presence of allergens, presence of an extracellular TGase, increasing in its activity following exposure to environmental pollution and PLA2 activation, I can conclude that also Malus pollen can behave as potentially allergenic. The mechanisms described here that could affect the allergenicity of pollen, maybe could be the same occurring in fruit, paving the way for future studies in the identification of hyper- and hypo- allergenic cultivars, in preventing environmental stressor effects and, possibly, in the production of transgenic plants.

Esperienza all'interno di un progetto per la realizzazione di un sistema di sorveglianza della leishmaniosi canina in Emilia-Romagna

La leishmaniosi è una malattia protozoaria importante che interessa l’ambito della sanità animale e umana, in relazione al carattere zoonotico dell’infezione. In Italia l’infezione è sostenuta da Leishmania infantum, i cui ceppi viscerotropi sono responsabili della leishmaniosi canina (LCan) e della forma viscerale zoonotica (LVZ), ed i ceppi dermotropi della forma cutanea sporadica nell’uomo (LCS). La trasmissione dell’infezione è sostenuta da femmine ematofaghe di ditteri appartenenti al genere Phlebotomus, che hanno il ruolo di vettori biologici attivi. L’unico serbatoio domestico riconosciuto è il cane. In Italia la LCan è in forte espansione. Fino agli anni ottanta era presente in forma endemica nel centro-sud Italia e nelle isole mentre il nord Italia, fatta eccezione per la Liguria e una piccola parte dell’Emilia-Romagna risultava indenne. A partire dagli anni novanta, parallelamente ad un aumento della consistenza e del numero dei focolai nelle aree storicamente endemiche, sono iniziate, nelle regioni del Nord, le segnalazioni di focolai autoctoni stabili. Le attività del network scientifico LeishMap™, tra il 2002 e il 2005, hanno evidenziato un nuovo quadro epidemiologico in tutte le regioni del nord Italia, confermato anche da indagini successive. Alla riemergenza della leishmaniosi hanno concorso una serie di fattori ecologico-ambientali e umani. Tra i primi si ricorda il cambiamento climatico che ha influito sulla distribuzione e sulla densità della popolazione vettoriale; tra i secondi, ruolo fondamentale ha giocato la maggiore movimentazione di animali, provenienti da aree indenni, in zone interessate dalla malattia. La valutazione di tutti questi aspetti è stato il punto di partenza per la messa a punto di un progetto per la realizzazione della sorveglianza della leishmaniosi in Emilia-Romagna. Parte delle attività previste da tale progetto costituiscono la prima parte della presente tesi. Mediante la realizzazione di una banca dati e, la successiva georeferenziazione, dei casi di leishmaniosi canina (LCan) in cani di proprietà della regione e zone limitrofe (Pesaro-Urbino, Repubblica di San Marino), sono stati evidenziati 538 casi, la maggior parte dei quali nelle province di Bologna e Rimini (235 e 204, rispettivamente). Nelle due province sono stati individuati clusters di aggregazione importanti in base alla densità di casi registrati/km2 (4 nella provincia di Bologna e 3 in quella di Rimini). Nella seconda parte della presente tesi è stato approfondito l’aspetto diagnostico della malattia. Molte sono le metodiche applicabili alla diagnosi di LCan: da quelle dirette, come i metodi parassitologici e molecolari, a quelle indirette, come le tecniche sierologiche. Nella II parte sperimentale della presente tesi, 100 sieri di cane sono stati esaminati in Immunofluorescenza Indiretta (IFI), Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) e Western Blot (WB), al fine di valutare l’applicazione di queste metodiche a scopi diagnostici ed epidemiologici. L’elaborazione statistica dei risultati ottenuti conferma l’IFI metodica gold standard per la diagnosi della LCan. Inoltre, si è osservato che il grado di concordanza tra l’IFI e le altre due metodiche aumenta quando nell’animale si instaura una risposta anticorpale forte, che, corrisponderebbe ad uno stato di infezione in atto.

Genetic characterization, population history and evolutionary medicine perspective in two native south american populations: Yanesha and Wichi

Two Amerindian populations from the Peruvian Amazon (Yanesha) and from rural lowlands of the Argentinean Gran Chaco (Wichi) were analyzed. They represent two case study of the South American genetic variability. The Yanesha represent a model of population isolated for long-time in the Amazon rainforest, characterized by environmental and altitudinal stratifications. The Wichi represent a model of population living in an area recently colonized by European populations (the Criollos are the population of the admixed descendents), whose aim is to depict the native ancestral gene pool and the degree of admixture, in relation to the very high prevalence of Chagas disease. The methods used for the genotyping are common, concerning the Y chromosome markers (male lineage) and the mitochondrial markers (maternal lineage). The determination of the phylogeographic diagnostic polymorphisms was carried out by the classical techniques of PCR, restriction enzymes, sequencing and specific mini-sequencing. New method for the detection of the protozoa Trypanosoma cruzi was developed by means of the nested PCR. The main results show patterns of genetic stratification in Yanesha forest communities, referable to different migrations at different times, estimated by Bayesian analyses. In particular Yanesha were considered as a population of transition between the Amazon basin and the Andean Cordillera, evaluating the potential migration routes and the separation of clusters of community in relation to different genetic bio-ancestry. As the Wichi, the gene pool analyzed appears clearly differentiated by the admixed sympatric Criollos, due to strict social practices (deeply analyzed with the support of cultural anthropological tools) that have preserved the native identity at a diachronic level. A pattern of distribution of the seropositivity in relation to the different phylogenetic lineages (the adaptation in evolutionary terms) does not appear, neither Amerindian nor European, but in relation to environmental and living conditions of the two distinct subpopulations.

Valutazione clinica, clinicopatologica e quantificazione di IgG e IgM in corso di leishmaniosi canina: studio retrospettivo

La leishmaniosi canina (LCan) causata da Leishmania infantum rappresenta un’importante zoonosi in molte aree del mondo ed il cane rappresenta il principale reservoir del parassita per l’uomo. Il tipo di risposta immunitaria che i soggetti colpiti mettono in atto condiziona fortemente la progressione della malattia: animali che non sviluppano un’adeguata risposta immunitaria cellulo-mediata mostrano la sintomatologia clinica nonostante abbiano una forte ma inefficace risposta umorale che contribuisce al peggioramento della sintomatologia clinica. L’obbiettivo dello studio è stato quello valutare da un punto di vista descrittivo il segnalamento, i segni clinici e clinicopatologici dei pazienti affetti da leishmaniosi portati in visita presso il Dipartimento di Scienze Mediche Veterinarie nel periodo compreso da Gennaio 2002 a Marzo 2012 con particolare attenzione sull’impatto della patologia renale e dell’anemia nel quadro clinico della LCan. In base ai risultati ottenuti è stato possibile affermare che la leishmaniosi canina è una patologia relativamente frequente nella nostra realtà clinica universitaria e che presenta caratteristiche cliniche e clinicopatologiche simili a quelle riportate in letteratura. I nostri risultati preliminari suggeriscono che in questa malattia il coinvolgimento renale e le conseguenze sistemiche che ne derivano possono essere predominanti a livello clinico e laboratoristico. La gravità del quadro clinico appare associata in maniera significativa all’entità della risposta umorale e del successivo coinvolgimento glomerulare nel contesto di una risposta infiammatoria sistemica cronica. Successivamente, sono state misurate le concentrazioni di IgG ed IgM in corso di follow-up in alcuni dei soggetti inclusi nello studio e sottoposti a differenti trattamenti anti-leishmania. Dai risultati preliminari ottenuti nel nostro lavoro è stato possibile affermare che in corso di trattamento le concentrazioni di tali immunoglobuline subiscono una riduzione progressiva confermando pertanto l’efficacia del trattamento anti-leishmania non solo nella remissione della sintomatologia clinica ma anche nel ripristino della normale risposta umorale.

Valutazione della proteinuria e del follow-up clinico e clinicopatologico in cani affetti da Leishmaniosi canina

Introduzione: la leishmaniosi canina (CanL) è una malattia infettiva, trasmessa da vettore e sostenuta da un protozoo, la Leishmania infantum. La CanL ha assunto sempre più importanza sia in medicina veterinaria che in medicina umana. La leishmaniosi è fortemente associata allo sviluppo di una nefropatia cronica. Disegno dello studio: studio di coorte retrospettivo. Obiettivo: individuare le alterazioni clinico-patologiche prevalenti al momento dell’ammissione e durante il follow-up del paziente, per identificare quelle con un valore prognostico maggiore. Materiali e metodi: 167 cani, per un totale di 187 casi trattati, con diagnosi sierologica e/o citologica di Leishmaniosi e dati ematobiochimici completi, elettroforesi sierica, analisi delle urine e biochimica urinaria comprensiva di proteinuria (UPC) ed albuminuria (UAC), profilo coagulativo (ATIII, d-Dimeri, Fibrinogeno) e marker d’infiammazione (CRP). Dei pazienti inclusi è stato seguito il follow-up clinico e clinicopatologico per un periodo di tempo di due anni e sono stati considerati. Risultati: Le alterazione clinicopatologiche principali sono state anemia (41%), iperprotidemia (42%), iperglobulinemia (75%), ipoalbuminemia (66%), aumento della CRP (57%), incremento dell’UAC (78%), aumento dell’UPC (70%), peso specifico inadeguato (54%) e riduzione dell’ATIII (52%). Il 37% dei pazienti non era proteinurico e di questi il 27% aveva già un’albuminuria patologica. Il 38% dei pazienti aveva una proteinuria nefrosica (UPC>2,5) e il 22% era iperazotemico. I parametri clinicopatologici hanno mostrato una tendenza a rientrare nella normalità dopo il 90° giorno di follow-up. La creatinina sierica, tramite un analisi multivariata, è risultata essere il parametro correlato maggiormente con l’outcome del paziente. Conclusione: i risultati ottenuti in funzione dell’outcome dei pazienti hanno mostrato che i soggetti deceduti durante il follow-up, al momento dell’ammissione avevano valori di creatinina, UPC e UAC più elevati e ingravescenti. Inoltre l’UAC può venire considerato un marker precoce di nefropatia e la presenza di iperazotemia all’ammissione, in questi pazienti, ha un valore prognostico negativo.

Caratterizzazione clinica, eziopatogenetica e ricerca di marker diagnostici nella poliradicoloneurite acuta idiopatica del cane

La poliradicoloneurite acuta idiopatica (ACIP) è una patologia infiammatoria che interessa le radici di più nervi spinali, descritta soprattutto nel cane, più raramente nel gatto, caratterizzata da insorgenza acuta di paresi/paralisi flaccida. L’ACIP mostra notevoli similitudini con la sindrome di Guillan-Barrè dell’uomo (GBS), in cui la patogenesi è su base autoimmunitaria ed è stata correlata con la presenza di alcuni fattori scatenanti (trigger). Lo scopo di questo lavoro è stato quello di caratterizzare l’ACIP in 26 cani, descrivendone la sintomatologia, l’evoluzione clinica, i risultati degli esami diagnostici. La diagnosi si è basata sui riscontri dell’anamnesi, della visita neurologica e del decorso confermata, quando possibile, dai rilievi elettrodiagnostici. Su tutti i cani è stata valutata l’esposizione a specifici agenti infettivi (Toxoplasma gondii, Neospora canunim, Ehrlichia canis, Leishmania infantum), o altri fattori (come vaccinazioni) che potrebbero aver agito da “trigger” per l’instaurarsi della patologia; sull’intera popolazione e su 19 cani non neurologici (gruppo di controllo), si è proceduto alla ricerca degli anticorpi anti-gangliosidi. La sintomatologia di più frequente riscontro (25/26) ha coinvolto la funzione motoria (paresi/plegia) con prevalente interessamento dei 4 arti (24/25) . Sei cani hanno ricevuto una terapia farmacologica, che non ne ha influenzato il decorso, favorevole in 24/26 casi. In 9 pazienti è stata rilevata una precedente esposizione a potenziali trigger; in 10 casi si è riscontrato un titolo anticorpale positivo ad almeno un agente infettivo testato. In 17/26 cani si è ottenuto un titolo anticorpale anti-GM2 e anti-GA1; nella popolazione di controllo solo un caso è risultato positivo. Questi risultati hanno contribuito a consolidare le conoscenze di questa patologia, validando l’utilità della ricerca anticorpale anti-gangliosidica per la diagnosi di ACIP e facendo intravedere la possibilità che l’ACIP possa essere assimilate alla GBS anche dal punto di vista patogenetico, per la quale potrebbe essere considerata come modello animale spontaneo.

Preclinical development of anti-cancer strategies against human HER-2

HER-2 is a 185 kDa transmembrane receptor tyrosine kinase that belongs to the EGFR family. HER-2 is overexpressed in nearly 25% of human breast cancers and women with this subtype of breast cancer have a worse prognosis and frequently develop metastases. The progressive high number of HER-2-positive breast cancer patients with metastatic spread in the brain (up to half of women) has been attributed to the reduction in mortality, the effectiveness of Trastuzumab in killing metastatic cells in other organs and to its incapability to cross the blood-brain barrier. Apart from full-length-HER-2, a splice variant of HER-2 lacking exon 16 (here referred to as D16) was identified in human HER-2-positive breast cancers. Here, the contribution of HER-2 and D16 to mammary carcinogenesis was investigated in a model transgenic for both genes (F1 model). A dominant role of D16, especially in early stages of tumorigenesis, was suggested and the coexistence of heterogeneous levels of HER-2 and D16 in F1 tumors revealed the undeniable value of F1 strain as preclinical model of HER-2-positive breast cancer, closer resembling the human situation in respect to previous models. The therapeutical efficacy of anti-HER-2 agents, targeting HER-2 receptor (Trastuzumab, Lapatinib, R-LM249) or signaling effectors (Dasatinib, UO126, NVP-BKM120), was investigated in models of local or advanced HER-2-positive breast cancer. In contrast with early studies, data herein collected suggested that the presence of D16 can predict a better response to Trastuzumab and other agents targeting HER-2 receptor or Src activity. Using a multiorgan HER-2-positive metastatic model, the efficacy of NVP-BKM120 (PI3K inhibitor) in blocking the growth of brain metastases and the oncolytic ability of R-LM249 (HER-2-retargeted HSV) to reach and destroy metastatic HER-2-positive cancer cells were shown. Finally, exploiting the definition of “oncoantigen” given to HER-2, the immunopreventive activity of two vaccines on HER-2-positive mammary tumorigenesis was demonstrated.