Molekulare Allergiediagnostik

IgE-vermittelte Typ-I-Allergien und verantwortliche Allergene

Soforttyp (Typ-1)-Allergien und zugehörige Erkrankungen (z. B. allergische Rhinitis, allergisches Asthma, Nahrungsmittelallergien, Anaphylaxie) beruhen auf einer Sensibilisierung, d. h. Bildung allergenspezifischer Antikörper der Klasse E (Immunglobulin E = IgE) gegen definierte (Glyko)Proteine, eigentlich harmlose Umweltmoleküle. Letztere wurden mittlerweile größtenteils identifiziert und anhand einer internationalen Nomenklatur [1] mit Namen versehen (Allergen-Datenbanken: http://www.allergen.org/, http://www.allergome.org/ und http://www.allergenonline.org/). Sie kommen in pflanzlichen und tierischen Allergenquellen vor und lassen sich aufgrund ihrer Molekülstruktur einer begrenzten Zahl von Protein- bzw. Allergenfamilien zuordnen (Übersicht bei www.meduniwien.ac.at/allfam/) [2], die durch ihre physiko-chemischen Eigenschaften ([Tab. 1]) und Interaktion mit dem humanen Immunsystem (Definitionen in [Tab. 2]) die Bildung individueller, allergenspezifischer IgE-Repertoires veranlassen können.

Tab. 1 Eigenschaften und Merkmale von Soforttyp (Typ-I)-Allergenen

Physikalisch-chemische oder umweltbezogene Allergenmerkmale	Konsequenzen und Definitionen	Beispiele
Löslichkeit	bestimmt das Eindringen in Schleimhäute	Bet v 1-homologe Proteine in rohen pflanzlichen Lebensmitteln können sehr rasch Symptome hervorrufen
Stabilität	z. B. Thermostabilität entscheidet über Verträglichkeit gegarter Nahrungsmittel, Säurestabilität bestimmt Sensibilisierungsrisiko u. Reaktionsrisiko	Geringe Thermo- und Säurestabilität von Bet v 1-homologen Nahrungsmittel-Allergenen erklärt vorwiegend lokale oropharyngeale Reaktionen nur nach rohen pflanzlichen Lebensmitteln
Relativer Anteil an der Allergenquelle	bestimmt das Sensibilisierungsrisiko und das Risiko für Reaktionen	Speicherproteine (z. B. 2S-Albumine) mit hohem Anteil in Nüssen, Hülsenfrüchten u. Ölsaaten gelten als gefährliche Allergene
Natürliche/geografische Exposition	bestimmt die Wahrscheinlichkeit einer Sensibilisierung und das Risiko für Reaktionen (ohne Exposition keine Allergie!)	Baumpollenallergie durch Bet v 1-Sensibilisierungen sind in Nord- u. Mitteleuropa häufig, in Südeuropa eher Oliven- (Ole e 1), Eichen-, Cypressen- und Platanenpollenallergien

Tab. 2 Eigenschaften und Merkmale von Soforttyp-Allergenen bezogen auf das Immunsystem und betroffene Allergiker

Immunologisch-klinische Allergenmerkmale	Konsequenzen und Definitionen	Beispiele
Häufigkeit der IgE-Bindung (populationsbezogen)	Grundlage der Einteilung: Major-Allergen (> 50% Sensibilisierungen bei bestimmten Allergenquellen) Minor-Allergen (< 50% Sensibilisierungen bei bestimmten Allergenquellen)	Fel d 1 (> 90% Sensiblisierungen bei Katzenallergikern) Fel d 4 (< 25% Sensiblisierungen bei Katzenallergikern)
Anteil an der IgE-Bindung (individuell oder populationsbezogen)	Kriterium für ein dominantes (hoher Anteil) oder marginales Allergen (geringer Anteil a. d. IgE-Bindung gegen sämtliche Allergene einer Allergenquelle)	Bet v 1 (mehr als 90% der IgE-Bindung bezogen auf das gesamte birkenpollenspezifische IgE)
Charakteristisches Allergen für eine bestimmte Allergenquelle	Marker-Allergen (Definition), zum treffsicheren Nachweis einer Sensibilisierung gegen eine bestimmte Allergenquelle	Bet v 1 (bei Baumpollen-Sensibilisierung gegen Birken- u. Buchengewächse) Phl p 1 (bei Gräserpollen-Sensibilisierung) Fel d 1 (bei Katzensensibilisierung)
Komplettes/inkomplettes Allergen	Fähigkeit zur Sensibilisierung (komplettes Allergen) oder keine Sensibilisierung möglich (inkomplettes Allergen)	Bet v 1 (komplettes Allergen) als Ursache der Birkenpollen-Sensibilisierung mit häufigen Kreuzreaktionen gegen Kern- u. Steinobst, z. B. Äpfel); Mal d 1 (zu Bet v 1 kreuzreaktives Apfelallergen) ist nicht in der Lage zur primären Sensibilisierung (da instabil u. der Darm nicht erreicht wird)

Von der Extrakt- zur Molekül-basierten Allergiediagnostik

In der Vergangenheit wurden bei Verdacht von IgE-vermittelten Reaktionen und Erkrankungen fast ausschließlich Allergenextrakte zur Allergiediagnostik verwendet. Wichtige Verfahren sind Pricktests an der Haut, serologische, allergenspezifische IgE-Bestimmungen und Expositionstests mit Extrakten, d. h. heterogenen Proteinmischungen von Pollen, Milben, Säugetierbestandteilen, Schimmelpilzen oder Nahrungsmitteln (Übersicht in [3]). Inzwischen stehen immer mehr definierte Moleküle (ca. > 200 Einzelallergene, „Allergen-Komponenten“) in rekombinanter oder aufgereinigter Form für die IgE-Diagnostik kommerziell zur Verfügung (z. B. https://thermofisher.com/components).

Indikationen zur Molekularen Allergiediagnostik

Zunehmend eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Verwendung von Einzelallergenen in der Diagnostik von IgE-vermittelten Inhalations-, Nahrungsmittel- und Insektengift-Allergien ([Tab. 3]) (Übersicht in [4], [5], [6]).

Tab. 3 Testindikation für spezifische IgE-Bestimmung und diagnostische Vorteile bei Verwendung von Allergenmolekülen (Auswahl von Soforttyp-Allergenen mit Herkunft und Kurzbeschreibung).

	Test-Indikation	Allergene* (Art, Proteinfamilie)	Allergenquelle	Eigenschaften der Allergenmoleküle	Diagnostische Vorteile gegenüber der Allergenquelle
* Allergenbezeichnungen gemäß offizieller IUIS-WHO Allergendatenbank (http://allergen.org/)
I.	Unterrepräsentierte bzw. fehlende Allergene im Extrakt	Alpha-GAL (Glykolipid-CCD)*	z. B. rotes Fleisch	tierische kreuzreaktive Kohlenhydratdeterminante (CCD)	↑ Sensitivität
		Api m 10 (Icarapine)	Bienengift	Major-Allergen mit geringem Anteil am Bienengiftprotein
		Gly m 4 (PR10-Familie)	Sojabohne	thermo- und säurelabiles Bet v 1-homologes Protein mit geringem Anteil am Gesamtprotein
		Tri a 19 (Gliadine)	Weizen	Omega-5-Gliadin: schlecht wasserlösliches und daher schlecht extrahierbares Protein
II.	Risiko-assoziierte Allergene	Ana o 3 (2S-Albumin)	Cashewkerne	hohe Stabilität und großer Anteil am Gesamtprotein; assoziiert mit anaphylaktischen Reaktionen bei primärer Nahrungsmittelallergie	↑ Spezifität
		Ara h 2 (2S-Albumin)	Erdnuss
		Cor a 14 (2S-Albumin)	Haselnuss
		Jug r 1 (2S-Albumin)	Walnuss
		Ses i 1 (2S-Albumin)	Sesam
III.	Indikatoren für IgE-vermittelte Kreuzreaktionen	Bet v 2/Phl p 12 (Profiline)	Birken-/Gräserpollen	Ubiquitär vorkommende Minorallergene (Panallergene) in sämtlichen Pollen und vielen pflanzlichen Nahrungsmitteln	↑ Sensitivität u. ↑ Spezifität
		Bet v 4/Phl p 7 (Polcalcine)	Birken-/Gräserpollen	Ubiquitär vorkommende Minorallergene (Panallergene, Ca++-bindende Proteine) in sämtlichen Pollen
		Bet v 7 (Cyclophiline)	Birkenpollen	Ubiquitär vorkommende vorkommende Minorallergene (Panallergene) in allen Pollen, Nahrungsmitteln, Schimmelpilzen u. v. a. Organismen
		Fel d 2 (Serumalbumine)	Katze	Ubiquitär vorkommendes Transportprotein; in Säugetieren hohe strukturelle Ähnlichkeit
IV.	Marker-Allergene als Hinweis auf eine primäre Sensibilisierung	Amb a 1 (Pectatlyase)	Ambrosiapollen	Major-Allergen in Ambrosia	↑ Spezifität
		Art v 1 (Defensine)	Beifußpollen	Major-Allergen im Beifuß
		Bet v 1 (PR-10-Familie)	Birkenpollen	Major-Allergen in Buchengewächsen
		Ole e 1 (Olive Gruppe 1)	Olivenbaumpollen	Major-Allergen in Oliven- u. ähnlich in Eschenpollen
		Phl p 1 (Beta-Expansin)	Lieschgraspollen	Major-Allergen in Gräserpollen (Pooidae)
		Gad c 1 (Parvalbumine)	Dorsch	Major-Allergen in sämtlichen Fischen
		Pen a 1 (Tropomyosine)	Garnele	Major-Allergen in Krustentieren

In folgenden Situationen bietet die molekulare Allergiediagnostik Vorteile gegenüber der traditionellen Diagnostik mit Extrakten [7]:

• I. Unterrepräsentierte bzw. fehlende Einzelallergene im Extrakt

• II. Risiko-assoziierte Allergene (z. B. in Nahrungsmitteln)

• III. Einzelallergene als Indikatoren für IgE-vermittelte Kreuzreaktionen

• IV. Marker-Allergene als Hinweis auf eine primäre Sensibilisierung (spezifisches IgE)

Während bei I. die getesteten Einzelallergene die analytische Sensitivität gegenüber den Extrakten erhöhen, steigern bei II. – IV. definierte Allergene die analytische Spezifität (Selektivität) der allergenspezifischen IgE-Tests ([Tab. 3]).

Einzel- (Singleplex) und Parallelbestimmungen (Multiplex) für spezifisches IgE

Mittlerweile sind verschiedene methodische Varianten ([Abb. 1]) für die klinische Routine und wissenschaftliche Fragestellungen entwickelt worden. Sie gestatten entweder eine gezielte IgE-Bestimmung (Singleplex) oder parallele Messung spezifischer IgE-Antikörper gegen zahlreiche (100 – 200) Allergenmoleküle (Multiplex) auf der Basis von Mikroarray-Plattformen [6]. Letztere wurden erfolgreich in epidemiologischen Querschnitts- und Längsschnittstudien eingesetzt, um die Häufigkeit [8] und sequenzielle Entwicklung von Sensibilisierungen gegen definierte Allergiemoleküle (sog. „molecular spreading“ bei Heranwachsenden) [9] besser zu verstehen.

Abb. 1 Auswahl und Nutzung von Allergenmolekülen zur Diagnostik. a–d Varianten der Testsysteme zur IgE- Einzelbestimmung (Singleplex) unter Verwendung von aufgereinigten oder rekombinant hergestellten Einzelallergenen (CCD: kreuzreaktive Kohlenhydratepitope). a Allergenmoleküle werden einzeln als Reagenz zur spezifischen IgE-Bestimmung eingesetzt. b Ausgewählte Einzelallergene werden kombiniert als Reagenz zur spezifischen IgE-Bestimmung verwendet (z. B. Kombination von wichtigen Markerallergenen wie etwa Phl p 1 und Phl p 5 oder Kreuzallergene wie Phl p 7 und Phl p 12). c Sämtliche verfügbaren Einzelkomponenten einer Allergenquelle könnten als Mix anstatt eines komplexen Allergenextraktes verwendet werden (*theoretisch möglich, aber bisher nicht umgesetzt, da aufwendig, teuer und Nutzen fraglich). d Einzelkomponenten können Allergenextrakten zugesetzt werden („spiken“), um die Testempfindlichkeit zu erhöhen (z. B. bei unterrepräsentierten Allergenkomponenten). Hiervon abzugrenzen ist der Einsatz von 100 – 200 Einzelallergenen zur IgE-Diagnostik in Multiplex-Verfahren (li. unten).

Interpretation und klinische Konsequenzen

Bei der Interpretation diagnostischer Resultate gelten für die Einzelallergene die gleichen Regeln wie für die bisher übliche Extraktdiagnostik:

• Positives spezifisches IgE entspricht einer erhöhten Allergiebereitschaft (Sensibilisierung/Kreuzreaktion).

• Der Befund ist nur bei zugehörigen Symptomen klinisch relevant

• Negatives IgE schließt bei korrekter Allergenauswahl eine allergische Sensibilisierung/Kreuzreaktion weitgehend aus, allerdings nur, wenn

  • das Gesamt-IgE hoch genug ist

  • das Allergen intakt, ausreichend vorhanden u.

  • die analytische Testempfindlichkeit optimiert ist (für viele einfache IgE-Tests und manche Komponenten oder Extrakte bei semiquantiativen oder Multiplex-Tests bisher nicht sichergestellt)

• Der betreuende Arzt (z. B. Allergologe) interpretiert die Resultate anhand der Vorgeschichte und ermittelt die klinische Relevanz einer allergischen Sensibilisierung/Kreuzreaktion, nicht der Test.

Therapeutischer Einsatz molekularer Allergene zur Immuntherapie

Der potentielle Einsatz von definierten Molekülen zur Allergen-Immuntherapie ist bereits wiederholt in klinischen Entwicklungsprogrammen geprüft worden. Bisher haben die getesteten Varianten (nicht-modifizierte oder modifizierte, rekombinant hergestellte Allergene, Allergenfragmente oder -multimere, Allergenpeptide oder adjuventierte Allergenmutanten) (Übersicht bei [10]) keinen Durchbruch in der klinischen Anwendung erzielt. Eine potentielle Marktzulassung für eines dieser innovativen Produkte steht aktuell aus und ist derzeit aus der Sicht des Autors international noch nicht absehbar.

Fazit

Die Erkenntnisse der molekularen Allergologie werden schrittweise unser Verständnis hinsichtlich der verantwortlichen Soforttyp (Typ I)-Allergene, ihrer klinischen Bedeutung und ihres potentiellen Nutzen erweitern. Ihr diagnostischer Einsatz erlaubt den empfindlicheren Nachweis und die selektive Differenzierung von (insbesondere multiplen) IgE-vermittelten Sensibilisierungen durch

• Aufdecken unentdeckter Sensibilisierungen gegen unterrepräsentierte Einzelallergene

• Erkennen von Risiko-assoziierten Allergenen mit erhöhtem Gefährdungspotenzial

• Aufdecken von Kreuzallergien gegen ubiquitär vorkommende Moleküle sowie

• Identifikation Familien- oder Spezies-spezifischer, primärer Sensibilisierungen

Die Ergebnisse gestatten eine präzisere Diagnostik, z. B. bei der Auswahl geeigneter Allergenquellen (z. B. Pollenextrakte) für die Allergen-Immuntherapie polysensibilisierter Patienten, für die gezielte Abklärung von Nahrungsmittel- und Insektengiftallergien und andere komplexe klinische Fragestellungen. Bei molekularer Allergiediagnostik sind Interpretation der erzielten Resultate und die sich anschließende Relevanzprüfung anspruchsvoll und Aufgabe des behandelnden Arztes.

Für die Prävention oder Therapie IgE-vermittelter Reaktionen und Erkrankungen stehen bisher keine zugelassenen, molekular definierten, rekombinant hergestellten Allergenpräparate zur Verfügung. Aktuelle Entwicklungen verfolgen diverse Ansätze mit dem Ziel, im Menschen anhaltende Immuntoleranz gegenüber molekular definierten Allergenen zu erzeugen.

Autor

Jörg Kleine-Tebbe

Prof. Dr. med., Allergie- u. Asthma-Zentrum Westend, Praxis Hanf, Ackermann & Kleine-Tebbe, Berlin, www.allergie-experten.de

Interessenkonflikt

Jörg Kleine-Tebbe bezieht neben Einnahmen aus selbständiger Praxis- und klinischer Forschungstätigkeit Autorenhonorare (Allergopharma, Dustri-Verlag, Springer International, Springer Medizin, Thieme Verlag), Vortragshonorare (Allergopharma, Allergy Therapeutics, ALK-Abelló, AstraZeneca, Bencard, Dr. Pfleger, HAL Allergy, InfectoPharm, Leti, Lofarma, Novartis, Roxall, Sanofi, Stallergenes-Greer, ThermoFisher), institutionelle Forschungsmittel (Allergopharma, ALK-Abelló, HAL Allergy, Glaxo, LETI, Novartis, Paraxel International, Stallergenes-Greer) und Beratungshonorare (Allergen Online – Allergen-Datenbank, Allergy Therapeutics, Bencard, ALK-Abelló, Circassia, LETI, Lofarma, Merck (US), Novartis, Sanofi, Stallergenes-Greer, ThermoFisher

Danksagung

Das Manuskript ist meinen klinischen Mentoren – Prof. em. Dr. med. habil. Gert Kunkel (Berlin) und Prof. em. Dr. med. habil. Uwe-Frithjof Haustein (Markkleeberg bei Leipzig) – gewidmet.

• Literatur

• 1 Chan SK, Pomés A, Hilger C. et al. Keeping Allergen Names Clear and Defined. Front Immunol 2019; 10: 2600 doi:10.3389/fimmu.2019.02600
• 2 Radauer C. Navigating through the Jungle of Allergens: Features and Applications of Allergen Databases. Int Arch Allergy Immunol 2017; 173: 1-11 doi:10.1159/000471806
• 3 Trautmann A, Kleine-Tebbe J. Allergologie in Klinik und Praxis. Allergene – Diagnostik – Therapie. 3. Aufl.. Stuttgart: Thieme; 2017
• 4 Matricardi PM, Kleine-Tebbe J, Hoffmann HJ. et al. EAACI Molecular Allergology Userʼs Guide. Pediatr Allergy Immunol 2016; 27 (Suppl. 23) 1-250 doi:10.1111/pai.12563
• 5 Kleine-Tebbe J, Jakob T. Hrsg. Molekulare Allergiediagnostik. Berlin,-Heidelberg: Springer; 2015
• 6 Ansotegui IA, Giovanni Melioli G, Canonica GW. et al. A WAO – ARIA – GA²LEN consensus document on molecular-based allergy diagnosis (PAMD@): Update 2020. World Allergy Organ J 2020; 13: 100091 doi:10.1016/j.waojou.2019.100091
• 7 Kleine-Tebbe J, Jakob T. Molecular allergy diagnostics using IgE singleplex determinations: methodological and practical consideration for use in clinical routine – Part 18 of the Series Molecular Allergology. Allergo J Int 2015; 24: 185-197
• 8 Siroux V, Ballardini N, Soler M. et al. The asthma-rhinitis multimorbidity is associated with IgE polysensitization in adolescents and adults. Allergy 2018; 73: 1447-1458
• 9 Dramburg S, Matricardi PM. Molecular Diagnosis of Allergy: The Pediatric Perspective. Front Pediatr 2019; 7: 369 doi:10.3389/fped.2019.00369
• 10 Zhernov Y, Curin M, Khaitov M. et al. Recombinant allergens for immunotherapy: state of the art. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2019; 19: 402-414 doi:10.1097/ACI.0000000000000536

Publication History

Article published online:
17 November 2020