Generation of danger signals by small molecular weight environmental compounds

The allergic contact dermatitis (ACD) to small molecular weight compounds is a common inflammatory skin reaction. ACD is restricted to industrialized countries, has an enormous sociomedical and socioeconomic impact. About 2,800 compounds from the six million chemicals known in our environment are believed to have allergic, and to a lesser degree also contact-sensitizing or immunogenic properties causing allergic contact dermatitis. ACD results from T cell responses to harmless, low molecular weight chemicals (haptens) applied to the skin. Haptens are not directly recognized by the cells of the immune system. They need to be presented by subsets of antigen presenting cells to the cells of the immune system. In this regard, epidermal Langerhans cells (LC) and the cells into which they mature (dendritic cells) are believed to play a pivotal role in the sensitization process for ACD. LC are able to bind the haptens, internalize them, and present them to naive T cells and induce thereby the development of effector T cells. They are so-called professional antigen presenting cells. This process is initiated and maintained by the release of several mediators, which are released by various cells after their contact with the haptens. One of the first proteins secreted into the environment is interleukin (IL)-1ß. This cytokine is produced and secreted minutes after an antigen enters the cell. It is commonly believed that the large amounts of this protein and other cytokines such as granulocyte-colony stimulation factor (GM-CSF) and tumor necrosis factor alpha (TNF-) needed for the initiation and activation of ACD are coming first from other cells residing in the skin, e.g., keratinocytes, monocytes and macrophages. These cytokines provide the danger signals needed for the activation of the Langerhans cell (LC), which then produce via a positive feedback loop various cytokines themselves. In addition, other proteins such as chemokines influence the generation of danger signals, migration, homing of T cells in the local lymph nodes as well as the recruitment of T cells into the skin. Thus, a small molecular compounds or hapten needs to be able to induce danger signals in order to become immunogenic. In this study, we investigated whether para-phenylenediamine (PPD), an arylamine and common contact allergen, is able to induce danger signals and likely provide the signals needed for an initiation of an immune response[162, 163]. PPD is used as an antioxidant, an ingredient of hair dyes, intermediate of dyestuff, and PPD is found in chemicals used for photographic processing. But up to date, it has not been clearly demonstrated if PPD itself is a sensitizing agent. Thus, this study aimed on the potential of PPD to provide the danger signals by studying IL-1β, TNF-, and monocyte chemoattractant proteins (MCP-1) in human monocytes, peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from healthy volunteers, and also in two human monocyte cell lines namely U937, and THP-1. This study found that PPD decreased dose- and time-dependently the expression and release of three relevant mediators involved in the generation of danger signals. Namely, PPD reduced the mRNA and protein levels for IL-1ß, TNF-, and MCP-1 in primary human monocytes from various donors. These findings were extended and validated by investigations using the cell line U937. The data were highly specific for PPD, and no such results were gained for its known auto oxidation product called Bandrowski- base or for meta-phenylenediamine (MPD), and ortho-phenylenediamine (OPD). Therefore, we can speculate that this effect is likely to be dependent on the para-substitution. Based on these results we conclude that PPD itself is not able to mount a cascade for the induction of danger signals. It should be mentioned that it is still possible that PPD induces danger signals for sensitization by other unknown processes. Therefore, more research is still needed focusing on this subject especially in professional antigen presenting cells in order to solve the still open question whether PPD itself sensitizes naive T cells or if PPD is solely an allergen. Independently we found unexpectedly that PPD as well as other haptens such as 2, 4-Dinitrochlorobenzene, nickelsulfate, as well as some terpenoide increased clearly the expression of CC chemokin receptor 2 (CCR2), the receptor for the chemokine MCP-1. Up to date, the main importance for the CCR2 receptor comes from results demonstrating that CCR2 is critical for the migration of monocytes after encounter with bacterial lipopolysaccharides. Under these circumstances the receptor disappears from the cell surface and is down regulated. An up regulation of CCR2 has not been reported for haptens, and deserves further investigations.
Die allergische Kontaktdermatitis (ACD) durch kleinmolekulare Umweltsubstanzen "sogenannte Haptene - ist sehr häufig in den westlichen Industrieländern. Man geht davon aus, dass von den ca. 8000 bekannten Umweltchemikalien annährend 2800 Allergene oder eventuell sogar immunogene Wirkungen hervorrufen können. Trotz intensiver Forschungsaktivitäten während der letzten 20 Jahre ist für viele Umweltchemikalien noch unklar, welche Molekülbestandteile oder Seitengruppen die immunogenen und/oder allergenen Effekte hervorrufen. Dies trifft sowohl für die Sensibilisierungsphase als auch für die Auslösephase der ACD zu. Beide Phasen werden durch eine Anzahl von Mediatoren wie verschiedene Zytokine und Chemokine ausgelöst und unterstützt. So ist bekannt, dass die notwendigen Interleukine (IL) wie beispielsweise IL-1ß, der Granulozyten-Makrophagen koloniestimulierende Faktor (GM"CSF), Tumor-Nekrose-Faktor Alpha (TNF-alpha) und Chemokine wie das Monozyten-chemotaktische Protein 1 (MCP-1) nach einem Antigenkontakt von Hautzellen wie Keratinozyten sowie Monozyten und Makrophagen ausgeschüttet werden. Diese Zytokine bilden die notwendigen Signale-danger signals- für die Aktivierung der beteiligten Zellen. Für die weitaus meisten Chemikalien ist bisher nicht bekannt, ob und inwieweit sie die erforderlichen Signale -danger signals- selbst auslösen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieser Frage anhand der Modellsubstanz para-Phenylendiamin (PPD), einem Arylamin, nachgegangen. PPD ist ein bekanntes und häufiges Kontaktallergen. Die Substanz wird vornehmlich als Koppler bei der Farbpigmentherstellung eingesetzt. Voruntersuchungen legten nahe, dass PPD die Signalwege für die Bildung von danger signals stimuliert und möglicherweise naive T-Zellen sensibilisieren kann. Die Induktion der Genexpression und Sekretion von IL-1β, TNF-alpha, und MCP-1 durch PPD wurde in vitro an primären humanen Monozyten verschiedener Spender untersucht. Die IL-1ß Sekretion wurde in Monozyten durch PPD bereits nach 30 Minuten gehemmt, während eine Hemmung der TNF-alpha Sekretion erst nach einer Stunde signifikant meßbar war. Des weiteren wurde eine signifikante Verringerung der IL-1ß und TNF-alpha mRNA Spiegel und der Proteinmenge nach zweistündigem PPD-Kontakt in peripheren mononukleären Zellen des Blutes verschiedener Spender nachgewiesen. Die MCP-1 mRNA Spiegel zeigten nach 45 Minuten eine eindeutige Verringerung, während die verminderte MCP-1 Ausschüttung nach zwei Stunden nachgewiesen wurde. Neben MCP-1 verringerte sich auch die Sekretion von MCP-3. Das Ausmaß der PPD-induzierten Effekte varierte zwischen den verschiedenen Zellspendern, sie konnten jedoch bei jedem Zelldonor signifikant nachgewiesen werden. Zur detaillierten Analyse der Wirkungen auf die Chemokine wurden Untersuchungen in zwei Monozytenzelllinien (U937, THP-1) durchgeführt. Zur Erfassung des Einflusses von PPD auf die Chemokin-induzierte Wanderung der Zellen wurde seine Wirkung auf den MCP-1 Rezeptor CCR2 (CC-Chemokinrezeptor 2) auf der Zelloberfläche ebenfalls analysiert. PPD hemmte in U937 Zellen, die den CCR2 Rezeptor nicht an der Zelloberfläche exprimieren, die MCP-1 mRNA Spiegel und die Sekretion von MCP-1 in die Umgebung. Somit waren die Effekte unabhängig von der Signalkette des CCR2 Rezeptors. In THP-1 Zellen, die den CCR2 Rezeptor an der Zelloberfläche exprimieren, regulierte PPD die Rezeptorexpression auf der Zelloberfläche dosis-und zeitabhängig hoch. Diese Untersuchungen deuten auf eine aktive Hochregulation des Rezeptors durch PPD hin. Zur Spezifitätsanalyse der gewonnenen Ergebnisse wurde neben PPD sein bekanntes Autooxidationsprodukt, die Bandrowski- Base, meta-Phenylendiamin und ortho-Phenylendiamin in die Untersuchungen einbezogen. Nur PPD konnte die bekannten Signalwege für die Induktion von danger signals hemmen. Aus diesen Analysen wurde ersichtlich, dass die para-Stellung der beiden NH2-Gruppen für die Effekte essentiell ist. Aufgrund der Ergebnisse kann geschlossen werden, dass PPD die Signalwege für die Induktion der danger signals nicht eigenständig induzieren kann.