MULTIPLE SCLEROSIS AND THE “HYGIENE HYPOTHESIS”: FROM THE OUTDOOR EXPOSURE TO THE INDOOR EFFECTOR. EVIDENCE FROM EPIDEMIOLOGICAL SURVEYS AND AN EXPERIMENTAL STUDY ON THE GUT MICROBIOTA

Introduzione: Secondo l’Ipotesi Igienica” (II), l’esposizione a microorganismi patogeni e simbionti (“old friends”) durante le prime fasi di vita modula l’attività del sistema immunitario e la sua predisposizione a causare disordini di tipo infiammatorio come sclerosi multipla (SM) o allergico. Tra le ipotesi a supporto dell’II vi sono l’associazione inversa tra SM e allergie e l’effetto protettivo esercitato dalla fratria. Il microbiota intestinale con le sue proprietà immunomodulanti è considerato un ”old friend” poiché può influenzare lo sviluppo del sistema immunitario, la patogenesi della SM, e, attraverso l’interazione con fattori ambientali e trattamenti, probabilmente anche la sua prognosi. Obiettivi: contribuire allo studio dei meccanismi patogenetici della SM partendo dai 3 principali attori dell’II: microbiota intestinale, allergie e fratria. Abbiamo studiato i) l’associazione tra allergie e fratria nell’infanzia e rischio di SM; ii) l’effetto dei trattamenti modificanti il decorso di malattia (DMTs) orali sul microbiota considerando anche i fattori ambientali. Metodi: Sono stati usati 2 diversi approcci: i) tramite i dati raccolti con lo studio EnvIMS, ampio studio epidemiologico multinazionale caso-controllo, abbiamo valutato l’associazione tra SM e allergie e fratria in popolazioni Italiana e Norvegese; ii) abbiamo studiato longitudinalmente il microbiota di pazienti con SM prima e dopo l’avvio di dimetilfumarato (DMF) e teriflunomide (TFN). Diversi campioni fecali sono stati raccolti per ogni paziente nel corso di 6 mesi. Informazioni su fumo, dieta, stile di vita ed esposizioni precoci sono state raccolte per misurare l’effetto dell’ambiente sulla risposta del microbiota ai DMTs. Risultati: i) Le allergie avevano un’elevata prevalenza tra i casi in base a specifico range d’età di esordio e tipo di allergene, ma nessuna associazione significativa era presente tra allergia e SM. Nella popolazione italiana abbiamo identificato una tendenza verso un’elevata prevalenza di allergia al cibo e alla polvere tra i casi donna con esordio dell’allergia tra 0-10 anni. Al contrario, nella popolazione Norvegese la SM si associava a storia di allergia ai pollini con esordio tra 11-20 anni nelle donne e di allergia al pelo dell’animale con esordio tra 11-20 anni negli uomini. I casi con SM non dichiaravano di essere stati figli unici più frequentemente rispetto ai controlli in entrambe le popolazioni. Nella popolazione di studio Norvegese avere fratelli più giovani di 0-2 anni era inversamente associato alla diagnosi di SM. ii) In 24 pazienti con RRSM, candidati all’avvio di DMF (19) e TFN (5) non si osservavano modificazioni a carico della diversità α del microbiota intestinale. DMF era associato a riduzione dell’abbondanza relativa di Clostridium, che potrebbe avere un significato terapeutico. I pazienti in TFN hanno mostrato prevalentemente modificazioni transitorie del microbiota e riduzione di Bifidobacterium adolescentis. Gli effetti collaterali in corso di DMTs erano associati a modifiche transitorie, tra cui incremento di Streptococcus ed Haemophilus. Il trattamento con DMF era associato inoltre ad incremento di alcuni generi appartenenti al phylum Bacteroidetes che erano ridotti nella popolazione fumatrice. Conclusioni: I risultati dello studio consentono di ipotizzare che un’esposizione ambientale appartenente agli “old friends” influenzi il rischio per SM dipendentemente dall’età, la causa e la durata dell’esposizione. Al fine di caratterizzare al meglio i fattori di esposizione nelle fasi precoci di vita, proponiamo l’utilizzo di un framework concettuale “When-What-How much-Old Friends (WWHOLF)” e supportiamo l’II proponendo il microbiota intestinale come potenziale effettore indoor, agente come mediatore tra esposizione outdoor e sistema immunitario, e modulatore del rischio di SM nelle prime fasi di vita oltre che nella vita adulta.

Introduction: Based on the “hygiene hypothesis” (HH), the exposure to pathogenic and symbiotic microorganisms (“old friends”) during early stages of life modulates the immune system activity and its predisposition to cause autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS) or allergic disorders. Among supporting hypothesis to the HH are the suggested inverse association between MS and allergies and the protective effect of sibship. According to its immunomodulatory properties, the gut microbiota has been included in the “old friends” pool as capable of influencing the immune development and the pathogenesis of MS; its susceptibility to environmental factors and treatments makes wonder if capable of also affecting MS prognosis. Objective: To contribute to the knowledge of MS pathogenetic mechanisms focusing on the 3 main actors of the HH: the gut microbiota, allergy and sibship. We aimed to i) investigate the potential correlation between the exposure to allergies or sibship during childhood and the risk of MS; ii) evaluate the effect of oral disease modifying treatments (DMTs) on the gut microbiota accounting for environmental factors. Methods: We used 2 different approaches: i) through the data collected with the EnvIMS study, a large multinational case-control population-based study, we investigated the association between MS and the exposure to allergies and sibship during childhood in Italian and Norwegian populations; ii) we longitudinally analysed the gut microbiota of a cohort of MS patients before and after the start of dimethyl fumarate (DMF) and teriflunomide (TFN). Multiple samples of faeces have been collected for each patient over a period of 6 months. Environmental exposures including smoking, diet, lifestyle habit and early life exposures have been collected to measure the effect of the environment on the microbiota response to DMTs. Results: i) Allergies were not associated with MS but their prevalence was higher among cases when considering a specific age range of allergy onset and depending on the type of allergen. For the Italian study population we found a trend towards a higher prevalence of allergy to food and dust among female cases with allergy onset at 0-10 years. Conversely in the Norwegian study population, MS was associated with allergy to pollen with onset at 11-20 years in women and with allergy to animal hair with onset 11-20 years in men. Having siblings compared to being only child was not associated with MS in both populations. Among Norwegians, having younger siblings with interbirth interval of 0-2 years was inversely associated with MS. Among Italians, no such association was detected. ii) 24 RRMS patients, eligible to DMF (19) and TFN (5), were consecutively recruited. We found no modification of α diversity. DMF was associated with a decrease of the relative abundance of Clostridium suggesting a therapeutical meaning. TFN population showed mostly transient microbiota modification and a decrease of Bifidobacterium adolescentis. Side effects from DMTs were also associated with some transient modifications involving an increased level of Streptococcus and Haemophilus. The treatment with DMF was associated with increase in some genera belonging to Bacteroidetes phylum which were found reduced in smokers. Conclusions: Our study findings suggest that (an) environmental exposure(s), belonging to the “old friends” pool, act(s) influencing the risk for MS depending on age, cause and size of the exposure. We propose the “When-What-How much-Old Friends (WWHOLF)” conceptual framework to better address and characterize the early life exposures. In conclusion, we support the HH and propose the gut microbiota as a potential indoor effector which may act as a mediator between the outdoor exposure and the immune system, modulating the risk of MS during early phases of life and affecting the disease course during adulthood.