Komplementanalyser i teori och praktik Equalis användarmöte 14-15 april 2016 Lillemor Skattum Klinisk immunologi och transfusionsmedicin, Lund 1 The Complement System. Figure from: Trends Immunol 23:61-64. 2002. Mollnes TE, Song WC, Lambris JD. 2 Classical Lectin Alternative Amplification loop C3 C3b 3 Komplementsystemet Aktivering Hämning • Fördelar: Infektionsförsvar, reglering av adaptivt immunförsvar, hantering av apoptotiskt material, vävnadsregeneration m m • Risker: Inflammation och cellskada 4 Komplementsystemet • ~ 35 plasmaproteiner och membranbundna proteiner • Flera komplementproteiner cirkulerar som proenzymer • Kaskadsystem, aktivering via proteolytiska klyvningssteg • Tre huvudsakliga aktiveringsvägar 5 Complement protein synthesis • Hepatocytes in the liver produce the majority of the complement protein molecules found in serum (e. g. C4, C3, factor B and C1INH) • Monocytes are able to produce most (all) of the complement proteins • Epithelial cells and fibroblasts are able to produce several complement proteins e. g. C3 • C1q and properdin are produced by bone-marrow derived cells, not by hepatocytes • Factor D (adipsin) is produced by fat cells 6 Biological effects of complement • Scavenger effect Clearance of apoptotic cell material by binding to C1q • Lymphocyte activation Binding of antigen-bound C3d to CR2 on B cells enhance antibody production • Virus neutralisation Coating of virus with C3b prevents cell contact • Opsonization Coating of microbes with mainly C3b and/or iC3b increases phagocytosis • Elimination of immune complexes • Inflammatory response Anaphylatoxins (C5a, C3a), Chemotaxis (C5a, C3a). • Cytolysis Formation of the Membrane attack complex (MAC) Coating of IC with C3b and/or C4b, and binding to CR1 on erythrocytes and transport to the liver and the spleen 7 Komplementsystemet Lektinvägen Klassiska vägen C1q C1r C1s MBL/ficolin MASP Alternativa vägen C4 C2 C3b B D P C3 C4b2b C3bBb MAC C5b-C9n C5 Feedback loop (amplifiering) C3b C4b2a3b C3b2Bb 8 Lektinvägen Klassiska vägen C1q C1r C1s MBL/ficolin MASP Alternativa vägen C4 C2 C3b B D P C3 C4b2b C3bBb MAC C5b-C9n C5 Feedback loop (amplifiering) C3b C4b2a3b C3b2Bb 9 Klassiska vägen • Aktivatorer: immunkomplex m ffa IgM eller IgG, CRP, pentraxin 3 • Beroende av Ca++ och Mg++ • Faktorer: C1, C4, C2 • C3-konvertas: C4b2a 10 Lektinvägen Klassiska vägen C1q C1r C1s MBL/ficolin MASP Alternativa vägen C4 C2 C3b B D P C3 C4b2b C3bBb MAC C5b-C9n C5 Feedback loop (amplifiering) C3b C4b2a3b C3b2Bb 11 Lektinvägen • Aktivatorer: vissa sackarider (mannos, N-acetylglukosamin, fucos m fl) • Komplementfaktorer: – – – – mannos-bindande lektin (MBL)/ficolin 1, 2 resp. 3 MASP-1, -2, resp. -3 C4 C2 • Beroende av Ca++ och Mg++ • C3-konvertas: C4b2a Teizo Fujita, Nature Reviews Immunology 2, 346-353 (May 2002) 12 13 Lektinvägen Klassiska vägen C1q C1r C1s MBL/ficolin MASP Alternativa vägen C4 C2 C3b B D P C3 C4b2b C3bBb MAC C5b-C9n C5 Feedback loop (amplifiering) C3b C4b2a3b C3b2Bb 14 Alternativa vägen • Aktivatorer: ytor m vissa egenskaper, vissa polysackarider • Hydrolys av C3 + avsaknad av hämning • Faktorer: C3, faktor B, faktor D, properdin • Feedback och förstärkning av övriga aktiveringsvägar • Beroende av Mg++ • C3-konvertas: C3bBb 15 Lektinvägen Klassiska vägen C1q C1r C1s MBL/ficolin MASP Alternativa vägen C4 C2 C3b B D P C3 C4b2b C3bBb MAC C5b-C9n C5 Feedback loop (amplifiering) C3b C4b2a3b C3b2Bb 16 Terminala vägen C9 C9 • • • Startar med C5-aktivering (genererar C5a och C5b) Faktorer: C5, C6, C7, C8, C9 Cellytiskt komplex, MAC (C5b-C9) bildas C9 C5b-7 C8 C9 C7 C6 C5b C3b C5b-7 C5b-8 MAC 17 Komplementreglering Classical pathway MBL activation pathway Antigen/antibody complexes Microbes with mannose groups C1q-C1r2-C1s2 MBL-MASPs C1-INH (ficolins) Activating surfaces (bacteria, fungi, virus or tumor cells) C3b C4 C2 Factor I C4BP DAF MCP CR1 Alternative pathway B D P C3 C5 C6 C7 C8 C9 C5b-9n Factor I Factor H/HL-1 DAF MCP CR1 CD59 S-protein Clusterin 18 Reglering av klassiska vägen: C1-inhibitor 19 Reglering av alternativa vägen: faktor H 20 Faktor H C3b NH2 C3b/C3c SCR 1 C3b/C3d SCR 20 COOH Silalinsyra, sulfaterade polyanjoner (celler) SCR = short consensus repeat Faktor H-relaterade proteiner 1-5 NH2 SCR 1 SCR(n) 4-9 SCR SCR = short consensus repeat 21 Faktor H och CFRH 1-5 • • Faktor H:s funktioner: – Skyndar på sönderfall av C3-konvertaset – Hindrar bildning av C3-konvertas – Är kofaktor för faktor I vid nedbrytning av C3b Faktor H-relaterat protein 4 kan aktivera komplement (Hebecker M, Józsi M. Factor H-related protein 4 activates complement by serving as a platform for the assembly of alternative pathway C3 convertase via its interaction with C3b protein. J Biol Chem. 2012 Jun 1;287(23):19528-36). • Faktor H-relaterade proteiner 1, 2 och 5 kan bilda homo- och heterodimerer med ökad affinitet för ligander: konkurrerar med faktor H (Goicoechea de Jorge, E., Caesar, J.J., Malik, T.H., Patel, M., Colledge, M., Johnson, S., Hakobyan, S., Morgan, B.P., Harris, C.L., Pickering, M.C., Lea, S.M., 2013. Dimerization of complement factor H-related proteins modulates complement activation in vivo. PNAS, 2013). 22 Komplementanalyser • Funktion, respektive aktiveringsväg • Enskilda komplementfaktorer: koncentration, funktion • Aktiveringsprodukter: gemensamma för alla vägar eller specifika • Autoantikroppar mot komplement • Genetik: bristgenotyp/sjukdomsassocierad polymorfism eller mutation 23 Komplementanalyser • Alltid vid komplementanalyser: risk för in vitro-aktivering som leder till sänkt funktion och ökade aktiveringsprodukter • Provmaterial: minskad risk för in vitro-aktivering i plasma (EDTA) jämfört med serum • Provhantering viktigt, rekommendationer: < 1 dygn: 4°C, vissa analyser kortare tid. Längre tid: fryst till -80(70)°C. Lång transport: transport på torris. • Undvik upprepad frysning/upptining 24 Analys av komplementfunktion Kvantitativ funktionsanalys: ELISA eller hemolysmetoder Kvalitativ funktionsanalys: Hemolys i gel 25 Analys av enskilda komplementfaktorer Enskilda komplementproteiner m. avs. på: •Koncentration •Funktion (ffa. komplementhämmare) •Genetik Enzyme-linked immunoassay (ELISA) Immunelektrofores (”raket”) Automatiserad immunokemisk analys (ex nefelometri) 26 Analys av komplementaktiveringsprodukter C3-klyvning Exempel Komplementaktiveringsprodukt: C3d/C3dg fI Metod: T ex ELISA/nefelometri/ raketelektrofores Sequential digestion of C3, generating C3b, iC3b, C3c, C3dg, and C3d. Activation of C3 leads to disruption of the thiol ester (TE circular), which then establishes covalent bonds (TE linear). The interchain disulfide bonds are indicated (S S). Nilsson UR, Funke L, Nilsson B, Ekdahl KN. Two conformational forms of target-bound iC3b that distinctively bind complement receptors 1 and 2 and two specific monoclonal antibodies. Ups J Med Sci. 2011 Mar;116(1):26-33. 27 Kvalitetssäkring och standardisering av komplementanalyser • EQUALIS-utskick från Klinisk immunologi Uppsala (C3, C4, C3dg, C1INH, C1q, funktion klassiska och alternativa vägarna) • UKNeqas (C3, C4, C1INH konc. och funktion) • Europeiskt initiativ (Ungern): Standardization of complement measurements, samarbete för External quality assessment startat 2009 28 Standardization of complement measurements • 5 provutskick sedan 2010 • Administreras av Instand e.V. (Tyskland) • Senaste utskick (EQA5) 2015: 35 laboratorier, 20 parametrar • – Komplementfunktion klassiska, alternativa och lektinvägen – C3, C4 – C1q, C1INH (konc. och funktion), faktor H, faktor I – anti-C1q, anti-C1INH (IgG/A/M), anti-FH, C3NeF – aktiveringsprodukter C3dg, Bb, C3a, sC5b-C9 Laboratorierna i EQA5: blandning av små och stora laboratorier, kliniska resp. forskningslab • Ca 40 % av laboratorierna tar emot >200 komplementprov/månad 29 30 Varierande analysmetoder inom Standardization of complement measurements • Funktion klassiska vägen: olika typer hemolystest (17 lab), olika ELISA (9). Mer varierande resultat med hemolystester. • Funktion alternativa vägen: olika hemolystest (11), olika ELISA (11). Mer varierande resultat med hemolystester och stor skillnad mellan hemolys och ELISA. • Funktion lektinvägen: olika ELISA, (11), varierande resultat. • Funktion C1-inhibitor: olika kromogena metoder (13), ELISA (5). Stor variation för kromogena metoder. • Koncentration C1-inhibitor: nefelometri (13), RID (5), annat (3). Jämförelse svårt pga. små undergrupper och blandning av enheter (% av normalt, g/L). • C3 och C4: nefelometri vanligast. Mkt varierande referensintervall. Skillnad mellan Siemens och Beckman: för C3 ca 0,25 g/L • C3dg: raketelektrofores (4), ELISA (3). Jämförelser ej möjliga pga. olika enheter (g/L, % eller U/ml). Arbete pågår nu med att planera harmonisering med hjälp av rekommendationer 31 Kliniska komplementfrågeställningar 1. Misstänkt komplementbrist? Hereditär eller förvärvad? Vilken aktiveringsväg? 2. Ökad komplementaktivering? När är komplementutredning motiverad? •2 (1) el. fler invasiva bakteriella infektioner •Meningokocksjukdom •Misstänkt SLE/HUVS •Angioödem/urtikaria utan känd orsak •Atypiskt hemolytiskt uremiskt syndrom/C3-glomerulopati och membranproliferativ glomerulonefrit/poststreptokocknefrit •Paroxysmal nocturnal hemoglobinuri 32 Medfödd komplementbrist i Sverige Komponent C1q C4 C2 C3 C6 C7 C8 C9 Properdin MBL MASP-2 C1 inhibitor Faktor I Faktor H Antal kända fall 8 1 ca 70 2 3 18 3 1 9 >200 1 >140 3 1 Uppskattat antal 450 >500.000 ? 180 33 Brist i den klassiska vägen: risk för utveckling av SLE/SLE-liknande sjukdom • C1qD: >90 % Complement dysfunction and SLE – a vicious circle ? • C1r/sD: ~ 60 % • C4D: ~ 75 % • C2D: ~ 20 % • Ökad risk vid partiell brist (C4A0) Sturfelt & Truedsson, Nature Rev Rheumatol, 2012 34 C2-brist • Homozygot brist med total avsaknad av protein • Samma mutation hos ~ 95% av alla m C2-brist • Prevalens ca 1/20 000 • Associerade sjukdomar: invasiva infektioner 57%, SLE 25%, andra reumatologiska sjukdomar 17%, kardiovaskulär sjukdom 15% (Jönsson G et al 2005) 35 Brist i de alternativa och terminala vägarna • C3: infektioner med kapslade bakterier, glomerulonefrit, mer sällan SLE och andra autoimmuna sjukdomar • Properdin, faktor B och faktor D: invasiva neisseriainfektioner • Terminala vägen (C5-C9): upprepade invasiva infektioner med neisseria 36 Brist i övriga vägar Lektinvägen • MBL (<100µg/L): ökad infektionsbenägenhet hos små barn och i samband med annan samtidig immunbrist • MASP-2: första fall inflammatorisk tarmsjukdom, lungfibros, symtom från hud och leder, ytterligare enstaka fall varierande, oklart • Ficolin 3 (fåtal patienter): oklart, eventuellt ökad risk för infektioner? Övrigt • CD59/DAF: PNH vid förvärvad brist - tromboser, hemolys, medfödd brist – hemolys och varierande neurologiska symtom 37 Brist på /dysfunktion av komplementhämmare C1-Inhibitor •Hereditärt angioödem C4BP •? 1 fall beskrivet Faktor H •Dense deposit disease/membranproliferativ glomerulonefrit typ II •Atypiskt hemolytiskt uremiskt syndrom (aHUS) •Åldersrelaterad makuladegeneration Faktor I •Infektioner •SLE, immunkomplexnefrit •aHUS CD59, CD55 •Paroxysmal nocturnal hemoglobinuri (förvärvad) •Neurologiska symtom och hemolys (medfödd) 38 Bakgrund till defekt komplementreglering vid aHUS Mutationer i gener för komplementproteiner/hämmare: • Faktor H hos 20-30 % (funktion ↓), sämst prognos • MCP hos 5-15 % (försämrad funktion ↓) bäst prognos • Faktor I hos 4-10 % (försämrad funktion ↓) • Trombomodulin hos 3-5 % (funktion ↓) • C3 hos 2-10 % (ökad funktion ↑) • Faktor B hos 1-4 % (ökad funktion ↑) Autoantikroppar mot faktor H hos 6-10 % • Oftast associerat med deletion av CFHR1 och CFHR3 39 C1-inhibitorbrist, Hereditärt angioödem (HAE) • Prevalens ca 1/50 000 • Heterozygot brist symtomgivande • • C1-inhibitorn i kininsystemet Högmolekylärt kininogen (HK) FXIIa C1-INH Bristande kontroll av serinproteaser Symptom beror på: – Ökad bildning av bradykinin som ger vasodilation Prekallikrein Plasmakallikrein Bradykinin FXII 40 Polymorfism i komplementsystemet – sjukdomsrisk, exempel • Åldersrelaterad makuladegeneration (AMD): flera komplementfaktorer och hämmare framför allt allternativa vägen (McHarg S, Clark SJ, Day AJ, Bishop PN. Age-related macular degeneration and the role of the complement system. Mol Immunol. 2015 Sep;67(1):4350.) • Meningokockinfektion: polymorfa varianter av faktor H och C8B påverkar sjukdomsrisk (Bradley DT et al, Susceptibility to invasive meningococcal disease: polymorphism of complement system genes and Neisseria meningitidis factor H binding protein. PLoS One. 2015 Mar 23;10(3):e0120757) 41 Förvärvad komplementbrist • Partiell – orsak: minskad syntes eller ökad förlust (konsumtion) • Varierande grad av symtom motsvarande dem vid hereditär komplementbrist • Fluktuerande/tillfälliga symtom • I vissa fall diagnostiskt hjälpmedel/aktivitetsmarkör • Komplementfaktorer ↓, komplementfunktion ↓, aktiveringsprodukter ↑ (vid konsumtion) 42 Förvärvad komplementbrist Associerat tillstånd/orsak Påverkad aktiveringsväg/komplementfaktor SLE/annan immunkomplexsjukdom Klassiska vägen Infektion/sepsis Alternativa vägen C3 nephritic factors, akut poststreptokocknefrit C3, alternativa vägen Lymfoproliferativa sjukdomar, annan malignitet, autoimmun sjukdom C1-inhibitor (C4, C1q) Biomaterial (ex hjärt-lungmaskin) Alla komplementaktiveringsvägar (ffa. klassiska) Nedsatt leverfunktion De flesta faktorer utom C1q Hypogammaglobulinemi C1q Komplementhämmande läkemedel anti-C5 (eculizumab) C5 – ingen bildning av MAC 43 Komplementaktivering? Aktiveringsprodukter gemensamma för alla aktiveringsvägar • TCC (sC5b-C9), C3d, C3a, C5a Aktiveringsprodukter specifika för en viss aktiveringsväg • C1rs-C1 INH, C4d, C4a, Bb, C3bBbP 44 Autoantikroppar mot komplementproteiner Vanligt vid flera tillstånd med komplementaktivering/förvärvad komplementbrist Kliniskt relevanta autoantikroppar mot komplementproteiner • Antikroppar mot C1q • Antikroppar mot C1-inhibitor • ”C3 nephritic factors” - C3NeF • Antikroppar mot faktor H • (Antikroppar mot MBL) • (”C4 nephritic factors” – C4NeF) 45 Antikroppar mot C1q C1q: •kollagen-lik del; binder C1r/C1s och cC1qR •globulär del; binder Fc (IgG och IgM) och gC1qR • Anti-C1q: riktade mot den kollagenlika delen av C1q, ofta av subklass IgG2-typ • Förekommer hos ca 20-30 % av SLE-patienter, ffa patienter m njurengagemang • Även vid HUVS (ca 100 %), membranproliferativ glomerulonefrit m. m. 46 Analys av antikroppar mot C1q • ELISA 1. 2. • Automatiserad ELISA (Alegria) • Western blot (WB) av C1q-molekylens separerade kedjor (A, B och C) • Reaktivitet mot B och C-kedjor vanligare vid HUVS än vid SLE (Mårtensson U, Sjöholm AG, Sturfelt G, Truedsson L, Laurell AB. Western blot analysis of human IgG reactive with the collagenous portion of C1q: evidence of distinct binding specificities. Scand J Immunol. 1992 Jun;35(6):735-44.) 47 Antikroppar mot C1-inhibitor • Kan blockera C1-inhibitorns funktion eller öka konsumtionen av C1inhibitorn • Ofta riktade mot aktivt site i C1-INH • Alla isotyper IgG, IgA, IgM beskrivna (ofta samma isotyp som patientens ev. M-komponent) • Framför allt vid förvärvad brist på C1-inhbitor, AAE (prevalens okänd), även beskrivet vid HAE (enstaka) och SLE (17 % av 202 patienter) • Förekomst kan motivera behandling med rituximab (Bygum A & Vestergaard H, Int Arch Allergy Immunol 2013) 48 In-house ELISA för antikroppar mot C1INH • Alla isotyper IgG, IgA, IgM analyseras på alla patienter • Indikation: misstänkt förvärvad brist på C1-inhibitor • Tolkning: förekomst ökar sannolikheten för AAE relativt HAE men avsaknad utesluter inte AAE • Antigen: C1-inhibitor från Comptech® 49 C3 nephritic factors - C3NeF • Autoantikroppar mot den alternativa vägens C3 konvertas (C3bBb) • Förlänger halveringstid→ökad C3-nedbrytning • C3↓,C5↓ eller →, C3d↑, P→, funktion av alternativa vägen↓ • Kontinuerligt låg C3-halt • Heterogenitet avs. specificitet • Koppling mellan olika C3NeF och kliniska parametrar dåligt känd • Många tänkbara felkällor, framför allt för funktionstester • Flera analysmetoder i kombination rekommenderas C3NeF C3b Bb Alternative pathway C3 convertase (Paixão-Cavalcante D, López-Trascasa M, Skattum L, Giclas PC, Goodship TH, de Córdoba SR, Truedsson L, Morgan BP, Harris CL. Sensitive and specific assays for C3 nephritic factors clarify mechanisms underlying complement dysregulation. Kidney Int. 2012 Nov;82(10):1084-92.) 50 C3NeF Förekomst Vissa kroniska primära glomerulonefriter m dysreglering av den alternativa vägen: • – – – Dense deposit disease (tidigare: membranproliferativ glomerulonefrit, MPGN, typ II): >80 % C3 glomerulonefrit MPGN I/III 30-50 % • Partiell lipodystrofi (förvärvad form) • Enstaka fallbeskrivningar vid SLE och akut poststreptokocknefrit • Infektionsbenägenhet ffa meningokocker • Enstaka friska personer 51 C3NeF-analys: metoder Funktionstester • ”Klassisk” C3NeF hemolys: C3-konvertas byggs på cellytan med renade komplementfaktorer • Hemolys enl. Rother • Hemolys av ”innocent bystander”-cell • C3-nedbrytning i löslig fas • Funktions-ELISA: neoepitop (Bb) påvisas efter inkubation av serum med C3, fB och fD Antikroppspåvisning • ELISA 52 Analys av C3NeF ”Klassisk” C3NeF hemolys-assay: C3-konvertas byggs på cellytan med renade komplementfaktorer C3a D C3b C4C2 ShE C4 C2 C3NeF Ba C3 C3b B C3b Bb Bb ShE ShE ShE 53 Analys av C3NeF • Hemolytisk test osensibiliserade fårblodkroppar (Rother U, 1982) C3 NeF C3bBb ShE MAC ShE • Hemolys av ”innocent bystander”-cell efter elfores av patientprov 54 Analys av C3NeF • C3-nedbrytning i ”fluid phase” med korsad immunelektrofores 55 Analys av C3NeF med ELISA • Princip: alternativa vägens C3-konvertas byggs upp med renade komplementfaktorer i mikrotiterplatta • Ni2+ i buffert • Patientserum eller renat IgG binder till konvertas (Seino et al, J Immunol Meth 1993, Paixao-Cavalcante et al, Kidney Int 2012) C3 Faktor B, faktor D, patientprov Konjugat Substrat ELISA, Lund • 10 mM Mg2+ • Serum värmeinaktiverat • Stor variation mellan plattor vid högre absorbansnivåer → semikvantitativ analys • Bakgrundskontroll: bindning till C3 • Risk för falskt positivt resultat: 1 patient med faktor H-antikroppar är svagt positiv 56 Antikroppar mot faktor H vid aHUS • Binder C-terminala delen av faktor H • Stör faktor H:s funktion → sänkt C3-halt, ökad aktivering av komplement på cellytor • Utöver aHUS även beskrivet vid vissa reumatiska sjukdomar OCH DDD C3b NH2 SCR 1 C3b/C3c C3b/C3d SCR 20 SCR = short consensus repeat COOH Silalinsyra, sulfaterade polyanjoner (celler) 57 Analys av antikroppar mot faktor H (ELISA) • Harmonisering mot ”internationella enheter” (Watson R, Lindner S, Bordereau P, Hunze EM, Tak F, Ngo S, Zipfel PF, Skerka C, Dragon-Durey MA, Marchbank KJ. Standardisation of the factor H autoantibody assay. Immunobiology. 2014) • Ingår i ”Standardization of complement anlysis” (pos/neg) • Tycks kunna korsreagera i hemolystest för C3NeF (ökad hemolys) • Hos vissa aHUS-patienter med anti-faktor H är majoriteten av antikropparna i cirkulationen i komplex med faktor H – implikationer för analys? • Utöver aHUS även beskrivet vid vissa reumatiska sjukdomar och C3glomerulopati (binder N-terminala faktor H) 58 Till sist några nyheter • Lektinvägsaktivering: Komplex av MASP-1 resp. MASP-2 med C1INH eller FXII – MASP-1 och MASP-2 i komplex m C1INH eller FXII ökade hos hjärtinfarktpatienter och SLE-patienter med trombotisk/kardiovaskulär sjukdom (Kozarcanin H, Lood C, Munthe-Fog L, Sandholm K, Hamad OA, Bengtsson AA, Skjoedt MO, Huber-Lang M, Garred P, Ekdahl KN, Nilsson B. The lectin complement pathway serine proteases (MASPs) represent a possible crossroad between the coagulation and complement systems in thromboinflammation. J Thromb Haemost. 2016 Mar;14(3):531-45. ) • Microarray/screening (Hamsten C, Skattum L, Truedsson L, von Döbeln U, Uhlén M, Schwenk JM, Hammarström L, Nilsson P, Neiman M. Heat differentiated complement factor profiling. J Proteomics. 2015 Aug 3;126:155-62.) • Ny analysprincip för C1-inhibitorfunktion (Joseph K, et al, Allergy 2015) • Kurs: ”Komplementsystemet – biologisk funktion och klinisk diagnostik” 6-9 dec, Lund 59 Tack! 60