Anti-neuronal autoimmunity in Lyme disease

Anti-neuronal autoimmunity in Lyme disease

Introduction

Neurological sequelae of chronic Lyme disease include encephalopathy, myelopathy and peripheral neuropathy. These have generally been attributed to either persistent infection or pathogen-induced autoimmunity (IOM, Institute of Medicine, 2011).

Anti-HSP60 antibodies

In 1988, Sigal et al. found that sera from patients with neurological manifestations of Lyme disease had IgM antibodies that bound to normal human axons, whereas binding was absent or weak in patients without neurologic findings (Sigal, et al., 1988). In 1993, Dai et al. proved that a monoclonal antibody (H9724) specific for the 41-kDa flagellar protein of Borrelia burgdorferi, cross-reacted with human axons. The cross-reacting protein was identified as chaperonin-HSP60 (Dai, et al., 1993). It was also proven in the same year, that human sera from Lyme patients which bound to human axons, also bound to HSP60 (Sigal, 1993). In 2001, evidence was provided that addition of H9724 to neuroblastoma cell cultures blocks in vitro spontaneous and peptide growth-factor-stimulated neuritogenesis. It was reported that H9724 bound to an intracellular target in cultured cells with negligible, if any, surface binding (Sigal, et al., 2001).

Neuroborreliosis Garia-Monco et al, October 1995 (Garcia-Monco, et al., 1995)
Method Antigen Standard. Primary and secondary Ab Secondary antibody,

substrate

Results
ELISA

indirect

Gangliosides (CM, asialo-GM1, GM1) Rabit antisera to asialo-GM1 and GM1,

Horseradish peroxidase-conjugated anti-rabit Ig (polyvalent)

Horseradish peroxidase-conjugated anti-rat IgM Rats immunized with borrelia non-protein antigens showed sera reactivity against gangliosides, and rats immunized with gangliosides showed reactivity against borrelia antigens. Borrelia antigens elicited mainly an IgM response.
Horseradish peroxidase-conjugated anti-rat IgG

Anti-ganglioside antibodies

In European studies, a marked IgM reactivity to ganglioside GM1 in the cerebrospinal fluid of neuroborreliosis patients has been reported  (Weller, et al., 1992). In a 1993 study, 29% of patients with neuroborreliosis and 59% of patients with syphilis had IgM reactivity to gangliosides with a Gal (beta 1-3) GalNac terminal sequence (GM1, GD1b, and asialo-GM1). Given the clinical associations of patients with neuroborreliosis and syphilis with IgM reactivity to gangliosides sharing the Gal (beta 1-3) GalNac terminus, the authors suggested that these antibodies could represent a response to injury in neurological disease or a cross reactive event caused by spirochetes (García-Moncó, et al., 1993). In 1995, the molecular mimicry hypothesis was investigated by the same research group. They found that immunization of mice with nonprotein Borrelia burgdorferi antigens induced high levels of IgM antibodies to asialo-GM1 and GM1. Moreover, immunization with asialo-GM1 cross-reacted with antigenic determinants present in B. burgdorferi. These experimental results are consistent with the hypothesis of a microbial origin for some of these potentially autoreactive antibodies. This situation is analogous to the induction of antibodies to GM1 after infection with Campylobacter jejuni, where the origin of cross-reactivity has been attributed to the LPS of this bacterium, which carries sugar sequences similar or identical to those in ganglioside GM1. The predominance of IgM antibodies in rats immunized with nonprotein Borrelia burgdorferi antigens in the recognition of asialo-GM1 and GM1 suggests a T-cell-indipendent mechanism for development of these antibodies. This would be consistent with the T-cell-indipendent genesis of antibodies to LPS and to carbohydrates in general (Garcia-Monco, et al., 1995). In Table 1 I have reported some experimental settings for this study.

Anti-cardiolipine antibodies

Anti-cardiolipin antibodies may occur in patients with Lyme disease, particularly in those with neurologic abnormalities. The IgM serotype was found in 7/28 serum samples while the IgG serotype was found to be positive in 4/28 serum samples. Higher IgM anti-CA positivity tended to be associated with neurologic diseases (Mackworth-Young, et al., 1988). In another study, anti-CA antibodies of the IgG serotype were found in 50% of patients with neuroborreliosis (García-Moncó, et al., 1993). On anti-cardiolipin antibodies please see also this post.

Anti-neuronal antibodies

In 2005, antibodies against two of the OspA peptides were found to react with neurons in human brain, spinal cord and dorsal root ganglia (DRG) by immunohistochemistry (Alaedini, et al., 2005). In 2010 anti-neural antibodies reactivity was seen in serum specimens from 41 of 83 (49,4%) Lyme patients with chronic complaints, both seropositive and seronegative. Serum antibodies from those patients were found to be positive for anti-neuronal antibody reactivity by immunoblotting stained cortical pyramidal neurons, as well as neurons of DRG. Antibody binding to some glial cells of the brain and DRG was also observed (Chandra, et al., 2010). The same test was performed on 51 ME/CFS patients and no significant difference in the prevalence of anti-neuronal antibody reactivity was found, in comparison with healthy controls (Ajamian, et al., 2015). In a 2013 study, it was observed that nearly half of the patients enrolled, who had a history of Lyme disease and persistent cognitive symptoms, showed increased serum antibody reactivity to neuronal antigens (Jacek, et al., 2013).

Autoimmunità nella malattia di Lyme

Autoimmunità nella malattia di Lyme

Introduzione

Le sequele neurologiche della malattia di Lyme includono deficit cognitivi più o meno severi (che complessivamente prendono il nome di encefalopatia di Lyme) e varie forme di mielopatie e/o neuropatie periferiche. Nel complesso questi disturbi non rispondono alle cure antibiotiche attualmente in uso e non è chiaro se siano da attribuire a una persistenza dell’agente infettivo, a danni al tessuto nervoso, oppure a patologie immunitarie indotte dalla infezione (IOM, Institute of Medicine, 2011). In quello che segue propongo una mia revisione della letteratura (sicuramente incompleta) sulla autoimmunità nella malattia di Lyme.

La saga degli anticorpi anti-HSP60

Nel 1988, Sigal e colleghi trovarono che i sieri dei pazienti Lyme con sintomi neurologici presentavano IgM che si legavano ad assoni umani. Questo tipo di cross reattività era assente nel siero di pazienti Lyme privi di sintomi neurologici (Sigal, et al., 1988). Nel 1993, Dai et al. dimostrarono che un anticorpo monoclonale (H9724) specifico per la flagellina p-41 di Borrelia burgdorferi, cross-reagiva con assoni umani. In particolare, fu possibile identificare l’autoantigene che risultò essere la proteina HSP60 (Dai, et al., 1993). Nel medesimo anno fu verificato che il siero di pazienti con malattia di Lyme che cross-reagiva con gli assoni umani, si legava proprio alla proteina HSP60 (Sigal, 1993). Alcuni anni dopo, lo stesso gruppo di ricerca fu in grado di provare che l’anticorpo H9724 veniva di fatto internalizzato dalle cellule bersaglio, finendo per legarsi a un antigene intracellulare (Sigal, et al., 2001). Gli autori suggerirono che gli anti-HSP60 indotti dalla risposta immunitaria conto la flagellina p-41 – per mimetismo molecolare – abbiano un ruolo causale nella neuropatia periferica della malattia di Lyme.

Gli anti-gangliosidi

Nel liquido spinale di pazienti europei con neuroborreliosi è stata riportata una marcata risposta umorale contro il ganglioside GM1, tanto in IgM che in IgG (Weller, et al., 1992). In uno studio del 1993, il 29% dei pazienti con neuroborreliosi e il 59% dei pazienti con sifilide presentava una reattività in IgM contro i gangliosidi GM1, GD1b, e asialo-GM1. Questi autoanticorpi furono interpretati dagli autori o come una risposta a un danno del sistema nervoso prodotto dalla infezione, oppure come autoanticorpi prodotti per mimetismo molecolare a partire dalla risposta immunitaria sviluppata in origine contro l’agente patogeno (García-Moncó, et al., 1993). Nel 1995 lo stesso gruppo di ricerca fece un esperimento: indusse una risposta immunitaria contro antigeni non proteici di B. burgdorferi nei topi, e verificò che si sviluppavano IgM contro gli auto-antigeni asialo-GM1 e GM1. Viceversa, immunizzando i topi contro l’antigene asialo-GM1, induceva anticorpi contro B. burgdorferi. Questi risultati sperimentali furono interpretati come coerenti con una ipotesi di autoimmunità contro i gangliosidi indotta per mimetismo molecolare da antigeni non proteici di B. burgdorferi (Garcia-Monco, et al., 1995). Questa situazione è analoga a quella degli anticorpi anti-GM1 indotti da infezione da Campylobacter jejuni, dove l’origine della cross-reattività è stata ricondotta ai lipopolisaccaridi (LPS) del battere, i quali presentano porzioni molecolari simili o identiche a quelle del ganglioside GM1. Si può osservare che la predominanza di anticorpi del tipo IgM suggerisce una loro sintesi indipendente dale cellule T, la qual cosa è del tutto coerente con il fatto che anticorpi contro antigeni non proteici sono spesso generati senza l’intervento delle cellule T. Gli anticorpi anti-gangliosidi sono comunemente associati a danni al sistema nervoso periferico.

Gli anti-cardiolipina

Anticorpi anti-cardiolipina sono stati riscontrati nei pazienti con malattia di Lyme, in particolar modo in quelli con problemi neurologici. In uno studio del 1988, 7/28 pazienti presentavano anti-cardiolipina del sierotipo IgM, mentre 4/28 presentavano anticorpi conto la cardiolipina del sierotipo IgG. I titoli più alti erano associati a sofferenze neurologiche maggiori (Mackworth-Young, et al., 1988). In un altro studio il 50% dei pazienti con neuroborreliosi presentava anticorpi del sierotipo IgG contro la cardiolipina (García-Moncó, et al., 1993). Gli anticorpi anti-cardiolipina reagiscono contro antigeni del sistema nervoso centrale (i fosfolipidi cefalina e sfingomielina) (Harris, EN, et al. 1984) e quindi – teoricamente – potrebbero essere legati causalmente ai disturbi cognitivi della encefalopatia di Lyme.

Gli anti-OspA e l’autoimmunità contro il cervello

Nel 2005, anticorpi contro la proteina di superficie A (OspA) di B. burgdorferi risultarono cross-reattivi con neuroni umani del cervello, del midollo spinale e dei gangli dorsali (Alaedini, et al., 2005). Nel 2010, anticorpi contro il sistema nervoso centrale furono rilevati in 41 su 83 (49,4%) pazienti Lyme con sintomi cronici, tanto sieropositivi che sieronegativi. Il siero dei pazienti conteneva anticorpi che attaccavano neuroni piramidali corticali  e neuroni dei gangli dorsali (Chandra, et al., 2010). Nel 2013 fu osservato che circa metà dei pazienti con sintomi cronici della malattia di Lyme e disfunzioni cognitive, presentavano anticorpi reattivi contro tessuti del sistema nervoso centrale (Jacek, et al., 2013).

La ME/CFS è diversa

Vale la pena osservare che il gruppo di Chandra ripetè lo stesso tipo di esame – per la ricerca di anticorpi anti-SNC – anche in 51 pazienti ME/CFS e scoprì che in questo caso non si riscontrava la presenza di attività del sistema immunitario contro il cervello (Ajamian, et al., 2015). Veniva così confermata una osservazione analoga di decenni addietro (Buchward D et al. 1991). Questo risultato potrebbe giustificare l’osservazione di alcuni autori secondo i quali le disfunzioni cognitive dei pazienti post-Lyme siano mediamente peggiori di quelle dei pazienti ME/CFS (Gaudino, 1997).

E le cellule T?

L’autoimmunità da autoanticorpi è solo metà della mela, quando si parla di autoimmunità. L’altra metà è rappresentata dalle cellule T autoreattive. Vale la pena osservare qui che in presenza di autoanticorpi è bene sospettare anche la presenza di cellule Th autoreattive, questo in virtù del meccanismo di attivazione delle cellule B. Ciò detto, alcuni studi suggeriscono la presenza di cellule T CD4+ che attaccano il sistema nervoso centrale, tanto nella Lyme acuta (Lünemann, et al., 2007), che in quela cronica (Martin, et al., 1988).

E allora?

Così come gli anticorpi contro un agente infettivo possono rimanare per anni o decenni, dopo che l’agente infettivo è stato sconfitto, allo stesso modo eventuali autoanticorpi indotti per errore durante la risposta immunitaria alla malattia di Lyme, potrebbero durare per alcuni anni (o per sempre) dopo che l’agente infettivo è scomparso. E’ difficile dire quale ruolo abbiano gli autoanticorpi e le cellule T autoreattive nella malattia di Lyme, ma è plausibile che siano responsabili – almeno in alcuni casi – dei sintomi cronici della malattia, e della mancata risposta agli antibiotici.

Casi di coinvolgimento del tronco encefalico nella malattia di Lyme

Questo articolo è una parte di un articolo più grande (vedi qui) da cui ho estrapolato solo le sezioni che riguardano la Lyme.

Una malattia della materia bianca?

E’ interessante notare che le alterazioni al livello del tronco encefalico descritte nella ME/CFS (vedi qui) in generale non si ritrovano nella post-treatment Lyme disease syndrome (PTLDS), una condizione spesso assimilata alla ME/CFS (vedi questo post). In effetti uno studio SPECT del 1997 su 13 pazienti con sintomi cronici della malattia di Lyme, rivelò ipoperfusione principalmente in regioni fontali (corticali e sub-corticali) (Logigian EL et al. 1997). Alcuni anni dopo, Fallon e colleghi riportarono (metodo SPECT) ipoperfusione nella materia bianca dei lobi parietali e temporali in 11 pazienti con PTLDS (Fallon B et al. 2003), e osservarono che la patologia si configurava come un disturbo della materia bianca. Anche Donta  e colleghi riportarono – in uno studio SPECT su 183 pazienti Lyme con sintomi cronici – ipoperfusione nei lobi frontali, parietali e temporali (Donta ST et al. 2012). Uno studio PET del 2002 evidenziò la presenza di ipometabolismo nei lobi temporali, parietali e frontali (Newberg A et. al. 2002) e uno studio analogo del 2009 confermò l’ipometabolismo nei lobi temporali e parietali, e anche nelle più profonde aree limbiche (Fallon BA et al. 2009). Coerentemente, l’uso della risonanza magnetica spettroscopica nella neuroboreliosi, ha rilevato un incremento significativo del rapporto Cho/Cr nella materia bianca dei lobi frontali, in assenza di lesioni apprezzabili del parenchima (Ustymowicz A et al. 2004) e un caso analogo è stato descritto nel presente sito (vedi qui). Emerge dunque una differenza sostanziale tra le anomalie della ME/CFS – che riguardano il tronco encefalico – e quelle della PTLDS, che invece incidono essenzialmente su materia bianca e grigia dei lobi temporali e parietali. Questa differenza probabilmente è dovuta al fatto che, sebbene la PTLDS venga spesso superficialmente accostata alla ME/CFS, di fatto solo una piccola percentuale dei pazienti PTLDS soddisfa i criteri per la ME/CFS (il 13%, secondo una stima, Bujak DI, 1996).

Infezione diretta del tronco encefalico

Detto questo, è possibile però rintracciare in letteratura descrizioni di malattia di Lyme con un coinvolgimento del tronco encefalico in almeno cinque casi, che riporto nel seguito.

  1. L’autopsia di un uomo (NY, USA) con demenza progressiva e fatale a seguito di esposizione a B. burgdorferi, rivelò gliosi nella substantia nigra (mesencefalo), oltre che nel talamo. Il trattamento antibiotico portò a un miglioramento temporaneo, ma la malattia recidivò dopo la fine del trattamento e il paziente è deceduto (Waniek C et al. 1995).
  2. La risonanza encefalica di un uomo di 28 anni (NY, USA) dimostrò zone iperintense al livello dei peduncoli cerebellari e della regione dorsale del pons (i peduncoli cerebellari collegano il cervelletto al tronco encefalico). Le medesime regioni erano sede di ipermetabolismo (PET). L’uomo aveva sierologia positiva per B. burgdorferi, e l’esame del liquor dimostrò la produzione intratecale di anticorpi per il medesimo battere, oltre che bande oligoclonali e aumento delle proteine. Si decise di somministrare ceftriaxone in vena per 1.5 mesi. Inizialmente le lesioni progredirono, per risolversi un mese dopo. La sierologia rimase positiva, sebbene attenuata (Kalina P. et al. 2005). Interessante notare che i sintomi prominenti del paziente – prima dell’intervento – erano movimenti non coordinati (atassia) e fatica.
  3. Una donna di 64 annia si presenta all’osservazione dello specialista  (Arau, Svizzera) dopo due mesi di dolore nucale, disartria (difficoltà nell’articolare le parole), dismetria (difficoltà nell’eseguire i movimenti fini), fatica e disbasia (disturbi dell’andatura). La risonanza magnetica evidenziava zone iperintense al livello del mesencefalo, del cervelletto, dell’ipotalamo e del talamo. Il trattamento con ceftriaxone in vena risolse i sintomi e le lesioni cerebrali (Haene A 2009).
  4. Una donna di 28 anni si presentò all’ospeale di Zurigo (Svizzera) con una storia di febbre, fatica, mal di testa, dolore nucale, vertigini, perdita di peso e un episodio recente di morso di zecca (8 settimane prima). Gli esami rivelarono la sintesi di anticorpi conto proteine di B. burgdorferi nel siero (IgM per OspC e IgG per OspC, p18, VlsE) e nel liquor (IgM per OspC, p39, VlsE e IgG per VlsE e p41). La risonanza magnetica evidenziò regioni iperintense al livello del tronco encefalico (pons) e nei nervi vestibolari. Gli esami liquorali per virus neurotropici (EBV, CMV, HIV, HSV, VZV) erano negativi. I sintomi si risolsero dopo 3 settimane di ceftriaxone in vena (Farsha-Amacker NA et al. 2013).
  5. Una donna di 54 anni si presenta nel 2009 in un ospedale olandese per problemi di vertigini, di coordinamento nell’andatura (andatura atassica), perdita di udito, dimagrimento eccessivo. La risonanza magnetica dimostrò diverse aree iperintense nella materia bianca di ambo gli emisferi. Gli esami del sangue risultarono normali. In seguito la donna si trasferì negli Stati Uniti e nel 2011 fu esaminata da degli specialisti della Università di Pittsburg i quali evidenziarono una condizione di fatica e debolezza associati a nistagmo, problemi cognitivi, dismetria, deambulazione atassica, Babinski positivo bilateralmente. Una nuova risonanza magnetica (2011) confermava la presenza di lesioni nella materia bianca periventricolare di ambo gli emisferi, ma anche nel pons e nel cervelletto. Un esame del liquor rivelò un elevato livello di proteine (324 mg/dl, rif. 15-45), elevato livello di IgG (65.6, rif 0.8-7.7), bande oligoclnali (IgG index = 0.89, rif. <0.6), produzione intratecale di anticorpi contro B. burgdorferi, in particolare per  p18 (DbpA), p23 (OspC), p41 (flagellina), p58 (?). Tuttavia la PCR risultava negativa per questo battere, nel liquor. Esami infettivi per virus neurotropici tutti negativi. Negativi anche tutti gli anticorpi anti-neuronali testati. Sulla base di questi dati, e sentito il parere di un infettivologo, si decise di intraprendere un trattamento di un mese con ceftriaxone IV (2 g/die) che portò a risoluzione della atassia e della sordità, con un miglioramento nella fatica. Nel 2012 la paziente esegue una risonanza di controllo in cui risultano ancora presenti le lesioni evidenziate nel 2011, ma leggermente ridotte quelle del mesencefalo. La paziente risulta migliorata nei suoi sintomi neurologici, ma permane una condizione di fatica cronica e di deficit nella memoria breve (Verma V et al. 2014).

Nei casi 2, 3, 5 esiste una relativa sicurezza che le lesioni mesencefaliche fossero dovute a infezione diretta da parte di B. burgdorferi, infatti le stesse sono regredite (casi 2 e 3) o migliorate (caso 5), dopo somministrazione di ceftriaxone in vena. Il caso 1 è anomalo – in quanto il paziente è deceduto – e non è stato possibile confrontare le lesioni prima e dopo il trattamento. Nel caso 3 non è stata fatta una risonanza di controllo dopo il trattamento. Possiamo tuttavia concludere che:

  • l’infezione diretta del tronco encefalico da parte di B. burgdorferi è possibile, anche se altri studi sono necessari per confermare questa affermazione, e per indicare la prevalenza del fenomeno.

Ovviamente non è possibile escludere che le lesioni siano un prodotto indiretto della infezione, come per esempio l’effetto di autoanticorpi contro il tronco encefalico, o fenomeni infiammatori dovuti a citochine contenute nel flusso sanguigno e penetrate attraverso la barriera emato-encefalica. Se consideriamo gli studi SPECT (Logigian EL et al. 1997), (Fallon B et al. 2003), (Donta ST et al. 2012) e PET (Newberg A et. al. 2002), (Fallon BA et al. 2009) già citati, dovremmo dedurre che un interessamento del mesencefalo nella fase cronica della malattia di Lyme non sembra probabile. Eppure questa conclusione è affrettata, infatti tutti questi studi sono su popolazione USA, e noi sappiamo che l’interessamento del parenchima cerebrale è raro in caso di B. burgdorferi sensu stricto (la specie diffusa in USA), ed è invece più frequente nel caso della specie europea B. garinii (Ogrinc K et Maraspin V, 2015). Coerentemente, i casi 3, 4, 5 riguardano infezioni europee (Svizzera nei casi 2 e 3, Olanda nel caso 5). Per questi pazienti non abbiamo un follow-up negli anni successivi, ad eccezione del caso 5, in cui si riporta fatica cronica e deficit di memoria, insieme alla persistenza delle lesioni, quantunque parzialmente regredite dopo antibiotico. Il mio interesse per danni nel tronco encefalico in caso di malattia di Lyme nasce dal fatto che questo genere di danni è stato riscontrato nella ME/CFS (vedi qui) ed è associato a disfunzione dei gangli della base.

basal ganglia 3.png
Figura 1. Sezione coronale del cervello, all’altezza dei gangli della base. Ho evidenziato il putamen e il globo pallido, che compongono il nucleo lenticolare. Ho indicato altresì il talamo, il mesencefalo e il pons, già trattati in precedenza. Mesencefalo e midbrain sono sinonimi.

Il tronco encefalico

Il tronco encefalico è costituito essenzialemnte da tre strutture, il mesencefalo e il pons, che descrivo nel seguito (vedi figura 1), oltre che dalla medulla.

  • Mesencefalo, una struttura anatomica da cui partono importanti vie dopaminergiche, in contiguità spaziale con l’ipotalamo, che costituisce la centralina del sistema nervoso autonomo e del sistema endocrino. Dal mesencefalo si dirama il nervo cranico III, che controlla il movimento dei bulbi oculari, la apertura dell’iride, e le palpebre (Johns P 2014).
  • Pons, appena sotto il mesencefalo, raccoglie una enorme quantità di fasci nervosi ascendenti e discendenti. E’ l’origine di fasci ascendenti di neuroni colinergici, e di neuroni noradrenergici. Dal pons emergono il nervo craniale VII, coinvolto nei muscoli facciali e nella sensazione del gusto (Johns P 2014).