ArchivDeutsches Ärzteblatt22/1997Molekulare Allergologie: Struktur und klinische Relevanz des Naturlatex-Hauptallergens Hevein

MEDIZIN: Kurzberichte

Molekulare Allergologie: Struktur und klinische Relevanz des Naturlatex-Hauptallergens Hevein

Baur, Xaver; Allmers, Henning; Raulf-Heimsoth, Monika; Chen, Zhipping; Posch, Anton; Rihs, Hans-Peter

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LNSLNS In den letzten Jahren kam es zu einem drastischen Anstieg von Soforttypallergien gegen Naturlatexprodukte, vor allem verursacht durch Handschuhe. Besonders betroffen sind hiervon Beschäftigte im Gesundheitswesen und mehrfach operierte Patienten (4, 9, 13, 14, 15, 19). Nach einer kürzlich publizierten Querschnittsstudie sind heute sechs bis elf Prozent des Krankenpflegepersonals gegen Latex sensibilisiert (8). Zirka 60 Prozent dieser Personen zeigen Überempfindlichkeitsreaktionen. Dabei steht die Kontakturtikaria im Vordergrund. Aber auch Rhinokonjunktivitis und Asthma bronchiale sind infolge der oft anhaltenden aerogenen Belastung häufig zu beobachten (5). Intensiver Latexallergenkontakt, zum Beispiel im Rahmen eines großflächigen Wund- beziehungsweise Schleimhautkontakts, ist für den Latexallergiker mit dem Risiko eines anaphylaktischen Schocks verbunden. Als Auslöser dieser allergischen Reaktionen konnten Proteine, die aus der Latexmilch stammen und sich in Gummiartikeln und im Handschuhpuder wiederfinden, identifiziert werden (10). Wie die im folgenden dargestellten eigenen Untersuchungen zeigen, sind die dominierenden Proteine in der Latexmilch das Hevein und seine Vorläufer. Das hier näher charakterisierte Hevein entsteht durch Abspaltung aus dem 20 kDa großen Prohevein. Es ist aus 43 Aminosäuren aufgebaut, wovon acht Aminosäuren Cysteine sind, die alle Disulfidbrücken ausbilden (Grafik 1). Die Reste des Proheveins werden abgebaut.


Eigene klinische und immunbiologische Untersuchungen


Allergie-Hauttest
81 Prozent der 21 Personen mit Soforttypreaktionen auf den Latexextrakt weisen auch auf das gereinigte Hevein einen positiven Hauttestbefund auf. Im allgemeinen war die Reaktion auf Hevein im Pricktest stärker ausgeprägt als jene auf den Latexextrakt mit der gleichen Proteinkonzentration.


Heveininduzierte Histaminfreisetzung in vitro
Von fünf Personen mit positiven Hauttestbefunden auf Hevein wurde heparinisiertes Vollblut gewonnen, und nach In-vitro-Stimulation der Basophilen mit Hevein in unterschiedlichen Konzentrationen wurde die Histaminfreisetzung überprüft. In allen Fällen induzierte Hevein Histaminfreisetzung. Diese war vergleichbar mit jener von Latexgesamtextrakt. Hingegen bewirkte die Inkubation der Basophilen mit einer Kontrollsubstanz (Weizenkeim-Agglutinin) in vergleichbaren Konzentrationen keine signifikante Histaminfreisetzung (Grafik 2).


Bestimmung spezifischer IgE-Antikörper gegen das gereinigte Hevein
Hierfür wurden Serumproben von Latexallergikern verwendet. In der Gruppe 1 zeigten 74 Prozent dieser Patienten aus dem Gesundheitswesen im Enzyme-allergosorbent-Test (EAST) hevein-spezifische IgEAntikörper. In der Gruppe 2 haben nur 27 Prozent der latexsensibilisierten Spina-bifida-Kinder heveinspezifisches IgE. In der Kontrollgruppe hatte keine der sechs Personen ohne Latexsensibilisierung (vier aus dem Gesundheitswesen, zwei Spina-bifida-Kinder) IgE-Antikörper gegen Hevein.
In der Gruppe 1 war auffällig, daß die IgE-Antikörperkonzentration gegen Hevein etwa gleich hoch war wie jene gegen Latexgesamtallergen. Um genauer zu quantifizieren, welchen Anteil Hevein an der Gesamtallergenaktivität hat, führten wir Präinkubationen der Serumproben mit Hevein vor der Serumantikörperbestimmung mit Latexgesamtallergen durch. Fünf µg Hevein, das in Vorversuchen eine vollständige Autoinhibition gezeigt hatte, wurden hierbei als Inhibitor mit dem Patientenserum inkubiert. Die IgE-Bindung an Gesamtlatexallergenen konnte auf diese Weise je nach Patientenserum zu 65 Prozent bis 100 Prozent blockiert werden (6). Dies belegt die ganz im Vordergrund stehende Allergenwirkung des Hevein.


Immunoblot-Inhibition
Die Latexproteine wurden zunächst elektrophoretisch aufgetrennt und dann auf eine PVDF-Membran übertragen. Anschließend erfolgte eine Inkubation mit Seren, die spezifische IgE-Antikörper gegen Latexgesamtallergen aufwiesen. Es zeigt sich eine IgE-Bindung an ein 20 kDa-Protein, in einigen Fällen auch an weitere Proteine (14 kDa, 43 kDa, > 94 kDa). Nach Präinkubation mit Hevein fand sich in keinem der Seren noch eine Reaktion mit der 20 kDa-Komponente, während die IgE-Bindung an die anderen Proteine nicht beeinträchtigt war. Diese Befunde belegen, daß Hevein der IgE-bindende Teil des 20 kDa-Proteins (offensichtlich das Prohevein) ist. Ebenfalls untersuchte Kontrollseren zeigten keine Aktivität (6).


IgE-bindende submolekulare Abschnitte des Hevein
Orientierende eigene Untersuchungen weisen auf eine Dominanz von Konformationsepitopen hin, das heißt mit Veränderung der Tertiärstruktur des Hevein geht die Antikörperbindung verloren (Chen et al., in Vorbereitung).


Genetische Assoziationen
Die Tatsache, daß 74 Prozent des Personals aus dem Gesundheitswesen und 27 Prozent der Spina-bifidaPatienten mit latexspezifischen IgE-Antikörpern eine Hevein-Überempfindlichkeit aufweisen, veranlaßte uns zu überprüfen, ob ein Zusammenhang zwischen HLA-Klasse II und der Hevein-Sensibilisierung besteht. Die Analyse der HLA-Daten ergab eine Frequenz des Phänotyps DR4 von 63 Prozent und des Phänotyps DQ8 von 51 Prozent. Beide HLA-Typen waren im untersuchten Kollektiv sowohl im Vergleich zu Personen mit Latex, aber ohne Heveinsensibilisierung (n=16; DR4: 13 Prozent, DQ8: 0 Prozent) als auch zu nichtexponierten Kontrollen (n=90; DR4: 24 Prozent, DQ8: 18 Prozent) signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten somit darauf hin, daß die beiden oben genannten HLA-Allele in die Regulation der IgE-vermittelten Heveinüberempfindlichkeiten involviert sind.


3D-Struktur des Hevein
Die Tertiär-Struktur des Hevein wurde zunächst von Rodriguez et al. (12) mittels Röntgenstrukturanalyse bei 2,8 Ångström Auflösung ermittelt. NMR-Untersuchungen von Anderson et al. (3) ermöglichten kürzlich die Darstellung der Hevein-Struktur in Lösung. Es fällt eine starke Ähnlichkeit mit der C-Domäne des Weizenkeim-Agglutinins (18) und der Röntgenstruktur dieses Weizenkeim-Proteins auf. Hevein enthält eine Konformation, die dem "Toxin-Agglutinin-Faltungsmotiv" entspricht, bestehend aus einem Muster von "räumlich eng angeordneten Disulfidbindungen" ("closely spaced disulfid linkages"), was nach dem Weizenkeim- Agglutinin (wheat germ agglutinin) auch als WGA-Disulfidbrücken bezeichnet wird (Grafik 3) und zählt damit zu der Gruppe der chitinbindenden Abwehrproteine wie beispielsweise auch das Lectin und die Endochitinasen von Pflanzen.
Weitere Strukturelemente im Lösungszustand sind (a) ein antiparalleles b-Faltblatt (Leu16-Ser26), (b) eine kurze Helix von Asp28b bis Cys31 sowie (c) eine kurze Helix von Pro33 bis His35. In der Grafik 3 ist die dreidimensionale Struktur des Heveins, basierend auf den NMR-Daten, wiedergegeben. In der Banddarstellung der Grafik 3 sind die strukturbestimmenden Disulfidbindungen sowie die Faltblattstruktur und die beiden kurzen Helices zu sehen.


Diskussion
In den letzten Jahren wurden mehrere Proteine des Naturlatex als Allergene identifiziert (10). Unter anderem erwies sich der an den Latexpartikeln haftende "rubber elongation factor" (Hev b 1) als ein klinisch wichtiges Allergen (7). Kürzlich hatten Alenius et al. (2) IgE-Antikörperbindungen an das 20 kDa große Latexprotein Prohevein nachgewiesen. Unsere Untersuchungen mit Hevein, das aus frischer, mit Ammoniak versetzter Latexmilch gewonnen worden war, konkretisieren und ergänzen die letzteren Ergebnisse. Mittels HPLCgekoppelter Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS), matrixassoziierter LaserdesorptionsMassenspektrometrie (MALDI-MS) und N-terminaler Sequenzierung gelang eine weitergehende Charakterisierung. Hevein, ein Schutzprotein des Gummibaumes mit chitinbindenden Eigenschaften, ist das erste Latexprotein, dessen Allergenität sowohl in vivo als auch in vitro an einem größeren Kollektiv latexsensibilisierter Patienten untersucht wurde. Im EAST zeigten etwa 74 Prozent der latexallergischen Personen aus dem Gesundheitswesen heveinspezifische IgE-Antikörper, im Hauttest reagierten 81 Prozent. Dagegen waren nur 27 Prozent der latexsensibilisierten Spina-bifida-Kinder
heveinpositiv. Die Ergebnisse belegen ein unterschiedliches Spektrum der IgE-Antikörper in verschiedenen Patientengruppen. Dies ist offensichtlich durch unterschiedliche qualitative oder auch quantitative Expositionen bedingt.
Die 3D-Struktur des Heveins ist stabilisiert durch vier Disulfidbrücken und enthält sowohl helikale als auch bFaltblattstrukturen. Mit der Lösung der Disulfidbrücken und der damit verbundenen Änderung der räumlichen Struktur geht die Fähigkeit der Antikörperbindung verloren. Das heißt, die IgE-Bindung findet an Konformationsepitopen des Heveins statt. Wir haben hier das erste Latexallergen und eines der wenigen klinisch relevanten Allergene überhaupt vor uns, dessen/deren Struktur vollständig aufgeklärt ist.
Unsere HLA-Typisierungen belegen, daß die Heveinsensibilisierung mit den Allelen DRB1*04 (DR4) und DB1*0302 (DQ8) hochsignifikant assoziiert ist (11). Beide Allele kodieren für zwei definierte MHC-IIMoleküle, welche von antigenpräsentierenden Zellen exprimiert werden. Ihre Aufgabe ist es, Antigenepitope dem T-Zellrezeptor zuzuführen. Letzterer entscheidet, ob die präsentierten Antigenfragmente vom Körper als fremd oder nicht fremd eingestuft werden und in der Nachfolge eine spezifische Immunantwort resultiert.


Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1997; 94: A-1499-1501
[Heft 22]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis im Sonderdruck, anzufordern über die Verfasser.


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Xaver Baur
Berufsgenossenschaftliches Forschungsinstitut für Arbeitsmedizin
Bürkle-de-la-Camp-Platz 1
44789 Bochum

1. Acher BL: The proteins of Hevea brasiliensis. 4: Isolation and characterization of crystalline hevein. Biochem J 1960; 75: 236¿270
2. Alenius H, Kalkkinen N, Lukka M et al.: Prohevein from the rubber tree (Hevea brasiliensis) is a major latex allergen. Clin Exp Allergy 1995; 24: 659¿665
3. Andersen NH, Cao B, Rodriguez-Romero A, Arreguin B: Hevein: NMR assignment and assessment of solution-state folding for the agglutinin-toxin motif. Biochemistry 1993; 32: 1407¿1422
4. Baur X, Ammon J, Chen Z, Beckmann U, Czuppon AB: Health risk in hospitals trough airborne allergens for patients presentized to latex. Lancet 1993; 342: 1148¿1149
5. Baur X, Chen Z, Allmers H, Beckmann U, Walther JW: Revelance of latex aeroallergen for healthcare workers. Allergology Intern 1996; 20: 105¿111
6. Chen Z, Posch A, Lohaus C, Raulf-Heimsoth M, Meyer HE, Baur X: Isolation and identification of hevein as a major IgE-binding polypeptide in hevea latex. J Allergy Clin Immunol (im Druck)
7. Czuppon AB, Chen Z, Rennert S et al.: The rubber elongation factor of rubber trees (Helvea brasiliensis) is the major allergen in latex. J Allergy Clin Immunol 1993; 92: 690¿697
8. Grzybowski M, Ownby DR, Peyser PA, Johnson CC, Schork MA: The prevalence of anti-latex IgE-antibodies among registered nurses. J Allergy Clin Immunol 1996; 98: 535¿544
9. Kell JK et al.: A cluster of anaphylactic reactions in children with spina bifida during general anesthesia: epidemiologic features, risk factors, and latex hypersensivity. J Allergy Clin Immunol 1994; 94: 53¿61
10. Posch A, Chen Z, Wheeler C, Dunn MJ, Raulf-Heimsoth M, Baur X: Characterization and identification of latex allergens by two-dimensional electrophoresis and protein microsequencing. J Allergy Clin Immunol (im Druck)
11. Rihs HP, Chen Z, Cremer R, Baur X: HLA class II antigens DR4 and DQ8 are associated with allergy to hevein, a major allergen of hevea latex. Tissue Antigens 1997; 49: 92¿95
12. Rodriguez-Romero A, Ravichandran KG, Soriano-Garcia M: Crystal structure of hevein at 2.8 A resolution. FEBS Lett 1991; 291: 307¿309
13. Slater JE: Latex allergy. J Allergy Clin Immunol 1994; 94: 139¿149
14. Turjanmaa K: Incidence of immediate allergy to latex gloves in hospital personnel. Contact Dermatitis 1987; 17: 270¿275
15. Vandenplas O, Delwiche JP, Evrard G et al.: Prevalence of occupational asthma due to latex among hospital personnel. Am J Respir Crit Care Med 1995; 151: 54¿60
16. Walujono L, Sholma RA, Beintema JJ, Mariono A, Hahn AM: Amino acid sequence of hevein. In: Proseedings of the International Rubber Conference. Rubber Research Institute of Malaysia, Kuala Lumpur, 1975; 2: 518¿531
17. Woulfe SE, Bono CP, Zacheis ML et al.: Negatively charged residues interacting with p4 pocket confer binding specifity to DRB1* 0401. Arthritis Rheum 1995; 38: 1744¿1753
18. Wright CS: Refinement of the crystal structure of wheat germ agglutinin isolectin 2 at 1.8 A resolution. J Mol Biol 1987; 194: 501¿502
19. Wyss M, Wüthrich B, Huwyler T, Elsner P: Latexallergie ¿ ein zunehmendes Problem in der Praxis. Schweiz med Wschr 1993; 123: 113¿119

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