Damp building moulds: Assessment of sensitization in patients and studies into mechanisms of airway inflammation using experimental models

Abstract

Exposure to water-damaged buildings and the associated health problems have evoked concern and created confusion during the past 20 years. Individuals exposed to moisture problem buildings report adverse health effects such as non-specific respiratory symptoms. Microbes, especially fungi, growing on the damp material have been considered as potential sources of the health problems encountered in these buildings. Fungi and their airborne fungal spores contain allergens and secondary metabolites which may trigger allergic as well as inflammatory types of responses in the eyes and airways. Although epidemiological studies have revealed an association between damp buildings and health problems, no direct cause-and-effect relationship has been established. Further knowledge is needed about the epidemiology and the mechanisms leading to the symptoms associated with exposure to fungi.

Two different approaches have been used in this thesis in order to investigate the diverse health effects associated with exposure to moulds. In the first part, sensitization to moulds was evaluated and potential cross-reactivity studied in patients attending a hospital for suspected allergy. In the second part, one typical mould known to be found in water-damaged buildings and to produce toxic secondary metabolites was used to study the airway responses in an experimental model. Exposure studies were performed on both naive and allergen sensitized mice.

The first part of the study showed that mould allergy is rare and highly dependent on the atopic status of the examined individual. The prevalence of sensitization was 2.7% to Cladosporium herbarum and 2.8% to Alternaria alternata in patients, the majority of whom were atopic subjects. Some of the patients sensitized to mould suffered from atopic eczema. Frequently the patients were observed to possess specific serum IgE antibodies to a yeast present in the normal skin flora, Pityrosporum ovale. In some of these patients, the IgE binding was partly found to be due to binding to shared glycoproteins in the mould and yeast allergen extracts. The second part of the study revealed that exposure to Stachybotrys chartarum spores induced an airway inflammation in the lungs of mice. The inflammation was characterized by an influx of inflammatory cells, mainly neutrophils and lymphocytes, into the lungs but with almost no differences in airway responses seen between the satratoxin producing and non-satratoxin producing strain. On the other hand, when mice were exposed to S. chartarum and sensitized/challenged with ovalbumin the extent of the inflammation was markedly enhanced. A synergistic increase in the numbers of inflammatory cells was seen in BAL and severe inflammation was observed in the histological lung sections.

In conclusion, the results in this thesis imply that exposure to moulds in water damaged buildings may trigger health effects in susceptible individuals. The symptoms can rarely be explained by IgE mediated allergy to moulds. Other non-allergic mechanisms seem to be involved. Stachybotrys chartarum is one of the moulds potentially responsible for health problems. In this thesis, new reaction models for the airway inflammation induced by S. chartarum have been found using experimental approaches. The immunological status played an important role in the airway inflammation, enhancing the effects of mould exposure. The results imply that sensitized individuals may be more susceptible to exposure to moulds than non-sensitized individuals.

Kosteusvauriomikrobit; Potilaiden IgE välitteinen allergia ja keuhkotulehdusvasteet kokeellisessa mallissa

Kosteusvauriorakennukset ja altistuminen niissä viihtyville homeille voivat aiheuttaa terveyshaittoja. Homeille altistuminen on yhdistetty erilaisiin ylä- ja ala- hengitystieoireisiin kuten astmaan ja allergiseen nuhaan. Kosteusvauriorakennuksille altistuneilla on myös havaittu muita oireita kuten päänsärkyä, pahoinvointia ja lihassärkyä.

Homeiden mahdollisia terveyshaittoja on tässä väitöskirjassa tarkasteltu kahdella eri lähestymistavalla. Tutkimuksen ensimmäisessä osiossa kartoitettiin homeille herkistymisen yleisyyttä allergiaepäilyn takia sairaalaan tulleilla potilailla ja havaittiin, että herkistyminen homeille on harvinaista. Herkistymistä osoittavia spesifisiä IgE vasta-aineita kahdelle eniten testatuille homeille (Cladosporium herbarum ja Alternaria alternata) löydettiin 2.7%:lla ja 2.8%:lla potilaista. Lisäksi tutkittiin ihotestissä käytettyjen homeuutteiden spesifisyyttä IgE välitteisen homeallergian osoittamisessa. Havaitsimme, että osa homeelle herkistyneiden potilaiden seerumin IgE vasta-aineista sitoutui ihon normaliflooraan kuuluvan Pityrosporum ovale (tai Malassezia sp.) hiivauutteen allergeeneihin. Näin ollen homeallergia näyttäisi olevan harvinaista ja osa reaktiosta saattaa johtua ristireaktiosta hiivan allergeeneja vastaan.

Toisessa osiossa Stachybotrys chartarum hometta käytettiin mallintamaan tulehdus vaikutuksia hengitysteissä. S. chartarum on kirjallisuuden mukaan hyvin potentiaalinen taudin aiheuttaja kosteusvauriotaloissa, koska se tuottaa hometoksiinia tietyissä olosuhteissa. Satratoksiinia tuottavaa sekä ei-tuottavaa S. chartarum kantaa käytettiin kokeellisessa hiirialtistusmallissa kahtena eri pitoisuutena (10^3 ja 10^5 itiötä). S. chartarum homeitiöt aiheuttivat isommalla pitoisuudella lievän tulehduksen keuhkoihin, mutta yllättäen satratoksiini ei näyttänyt vaikuttavan oleellisesti tutkittuun vasteeseen. Koska kosteusvauriorakennuksille altistuneilla on havaittu erilaisia oireita, tutkimme myös immunologisen yleistilan merkitystä homealtistumisessa. Teimme homeitiöaltistuksen yhdessä allergeeni herkistyksen kanssa (allerginen astmamalli). Homeitiöaltistus allergisessa astmamallissa aiheutti massiivisen tulehdusvasteen hiirten keuhkoihin.

Altistuminen homeille kosteusvauriotaloissa saattaa aiheuttaa terveyshaittoja. Tutkimus osoittaa, että IgE välitteisellä homeallergialla ei useinkaan pystytä selittämään oireita. Homeet voivat myös aiheuttaa muita, ei-allergisia immunologisia vasteita. Kokeelliset työt viittaavat siihen, että Stachybotrys chartarum home saattaa aiheuttaa terveyshaittoja. Tässä tutkimuksessa on saatu merkittävää uutta tietoa S. chartarum homeen mahdollisista vaikutuksista hengitysteissä kokeellisia malleja käyttäen. Näitä tulehdustekijöitä voidaan mahdollisesti käyttää potilasdiagnostiikassa keuhko- tai nenähuuhtelunäytteistä. Immunologisella yleistilalla oli merkittävä rooli keuhkotulehduksessa. Tulokset mallista viittaavat siihen, että atooppiset henkilöt saattavat olla alttiimpia homealtistuksen vaikutuksille kuin ei-atooppiset.

Väittelijä on syntynyt ja asuu Porvoossa, opiskellut biokemistiksi Åbo Akademissa ja toimii tällä hetkellä tutkijana Työterveyslaitoksella Helsingissä.

Mögelsvampar: Från förekomsten av IgE medierad allergi till karakterisering av inflammationen i luftvägarna med hjälp av en experimentell modell

Mikroorganismer i fuktskadat material som tex. mögelsvampar, anses ha en negativ inverkan på hälsan. Ett samband har kunnat påvisas mellan allergiliknande symtom i de övre och nedre luftvägarna och vistelse i fuktskadade byggnader i epidemiologisk-kliniska undersökningar. Trots ett samband finns det för tillfället mycket få medicinska bevis för att mögelsvamp orsakar besvär i luftvägarna.

I den här avhandlingen har vi gått tillväga på två olika sätt. I den första delen kartlades antalet positiva pricktest mot mögel hos patienter som undersöktes pga misstänkt allergi. Pricktest-resultaten tyder på att mögelallergi är sällsynt. 2.7% av patienterna reagerade positivt på Cladosporium herbarum och 2.8% på Alternaria alternata, som är de två vanligaste mögelarter som kan ge upphov till allergiska reaktioner. Därvid kan mögelallergin förklara endast en bråkdel av de symtom som förknippas med vistelse i fuktskadade hus. Dessutom observerade vi att de pricktest-positiva patienterna ofta också reagerade på jästextraktet Pityrosporum ovale. P. ovale (eller Malassezia sp.) är en vanlig jästsvamp som hör till hudens normalflora. Vi undersökte IgE antikroppsbindning i serum-proverna och upptäckte att mögelspecifikt IgE delvis binder till både mögel och jästallergenextrakt, vilket tyder på korsreaktivitet. Detta bör tagas i beaktande vid diagnostiseringen av mögelallergi för att undvika felaktiga positiva resultat.

I den andra delen av avhandlingen undersökte vi mögelsvampen Stachybotrys chartarum som förekommer i fuktskadade byggnader. Syftet var att studera mögelsporernas inverkan på slemhinnorna i luftvägarna i en experimentell musmodell. S. chartarum är en av de mögelsvampar som anses utgöra en potentiell hälsorisk i fuktskadade byggnader pga dess förmåga att producera toksiner så som satratoksiner, under gynnsamma förhållanden. Mössen i experimentet exponerades för en satratoksin-producerande och en icke satratoksin-producerande stam i två olika konsentrationer (10^3 och 10^5 sporer). Den högre koncentrationen S. chartarum-sporer framkallade en mild inflammation i lungorna. Den inflammatoriska responsen i lungorna var inte med de parametrar vi mätte, satratoksin-beroende. För att undersöka om mögelsporerna fungerar på annat sätt i luftvägarna i samband med en allergisk inflammation, kombinerade vi mögelexponeringsmodellen med en väl etablerad allergisk astmamodell. Då mössen exponerades för mögelsporer samtidigt som de immuniserades med allergen, uppstod en inflammatorisk reaktion i lungorna som var betydligt kraftigare än då dessa utfördes separat.

Fuktskademögel kan påverka luftvägarna och ge upphov till besvär i slemhinnorna. Forskningen påvisar att mögelallergi sällan kan förklara alla symtom. Mögelsporerna kan ha andra icke-allergiska immunologiska effekter. Resultaten från våra experiment tyder på att S. chartarum möjligen utgör en hälsorisk. De immunologiska processerna som mögelsporerna väcker och modulerar i vår experimentella musmodell, ger en bild av de mekanismer som mögelexponering kan inducera i lungorna. De inflammatoriska markörerna som inducerades i vår experimentella modell, kan användas inom diagnostiken av tex lung- eller nässköljningsprov från patienter som vistats i fuktskadade hus. Det immunologiska tillståndet är av stor betydelse. Våra resultat från mössförsöken tyder på att atopiker kan vara mer utsatta för mögelsporernas verkan än icke-atopiker.