V- SS .,ari .Q--

WORLD HEALTH ORGANIZATION

ORGANISATION MONDIALE DE LA SANTE

William R. Solomon,

F1.D.

Allergy Clinic

University of Michigan Medical Center Ann Arbor, Michigan 48109

September 1986

CONTENTS

W H O / O C H / ~ ~ . 3 ENGLISH ONLY

Page

L f

1. SUMMARY AND RECOMMENDATIONS FOR FURTHER RESEARCH ... ⁴

1.1 Summary ... ⁴

1.1.1 Pollen components and source characteristics ... ⁴

1.1.2 Dispersion and transport of pollens and pollen antigens ... ⁴

1.1.3 Phenomenology of pollen-induced human health effects ... ⁴

1.1.4 Approaches to control of pollens ... ⁵

1.2 Recommendations for further research ... ⁶

1.2.1 Nature and relationships of pollen allergens ...

⁶

1.2.2 Pollen allergen dispersion and exposure risks ... ⁶

1.2.3 Natural history of sensitization to pollen allergens ... ⁶

1.2.4 Dose-response relationships in pollinosis ... ⁶

1.2.5 Allergen avoidance and symptom suppression in pollinosis ...

⁷

1.2.6 Immunotherapy of pollinosis ...

⁷

2. SCOPE OF THIS DOCUMENT . . . .. . . . .. . . .. . . . ^{. . .} . ^{. . 8}

2.1 Definition ... . ⁸

2.2 Circumstances of exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ⁸

2.3 Nature of pollen-induced health problems . . . . . . . . . ^. . . . . . . . . ⁹

2.4 Management strategies

for

pollen-induced health effects ... ¹⁰

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of

Chemical Safety.

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\~0/0Ct$/86.3 page 2

3. POLLENS PROPERTIES AND SOURCES

. . . - . . . * . . . ~ - * ~ s = a * . . . .

3.1 Functional anatomy of pollen ...s~~s...

3.2 Properties of major pollen allergens ... ...ll..la....

3.3 Relationships among pollen allergens

3.3.1 Pollens of conifers and related

taxa ...e...,e*..,.

3.3.2 Pollens of grasses and their allies

...-.-e.ea.B..,.

3.3.3 The ragweeds and other members of Compositae . . . , . . . a s - . . 3.3.4 The chenopod-ainaranth complex

3.3.5 Additional pollen allergen relationships

...m..*se,..,

3.3.6 Allergens of cogeneric species

. . . ~ . ~ a s s m . a - ~ ~ ~ s .

3.4 Pollens of Compositae implicated in allergic contact dermatitis ...

3.5 Pollen sources and dispersion ...-e...e...*s.e.

3.5.1 Adaptations to anemophily ...

3.6 Pollen shedding and initial dispersion

...s-*.e.ese-

'...

4. CIRCLMSTANCES OF POLLEN EXPOSURE ...*.~..am~~s6....

4.1 General considerations ...a....+.~e~~~

* = .

4.2 Pollen allergens in microaerosols ...,.,,..,...*..

4.3 Prevalence of native pollens ...-e+-*.a.

4.3.1 Geographic considerations ...

4.3.2 Diurnal prevalence patterns

4.3.3 Spatial prevalence patterns . . . , . s . . . ~ . ~ e ~ ~ . . . 4.3.4 Additional determinants of pollen exposure ...*.

' - * . . .

5. ASSESSMENT OF EXPOSURE TO ALLERGENIC POLLENS

=

5.1 General considerations . . . , . . . , . . . a e . m m e - . . . 5.2 Non-volumetric options as prevalence estimators

. . . , . . . . e a e e s - .

5.3 Volumetric estimators of pollen prevalence ...e.e~..~~...

5-3.1 Suction devices ...e.eae--.',- 5.3.2 Rotating-arm impactors

5.4 Placement of pollen samplers ...,.a*sa...

6.

PATHOGENESIS OF POLLEN-INDUCED ILLNESS ...

^{. - * =}

6.1 Clinical patterns

of

pollinosis

6.1.1

Allergic rhinitis ...

6.1.2 Bronchial asthma . . . , . . . , * * - - - - a

6.1.3 Other manifestations . . . a . . . . - . a .

6.1.4 In vivo correlates of natural responses to allergens

Page

.

6.2 Bases of the immediate allergic response to pollens ... ²⁹

6.3 Late phase reactions to pollen allergens ... ³¹

6.4 Processing of pollen by exposed human beings ... ³²

7

. ASSESSMENT OF POLLEN-INDUCED HEALTH EFFECTS AND THEIR DETERMINANTS ... ³³

7.1 Overall impact of pollinosis ... ³³

7.2 Prevalence of clinical pollinosis ... ³³

7.3 The risk population for pollinosis ... ³⁴

7.3.1 Nature and determinants of atopy ... ³⁴

7.3.2 Implications of the reaginic response ... ³⁵

7.4 Determinants of clinical pollinosis ... ³⁷

7.4.1 The IgE connection ... ³⁷

7.4.2 Exposure as a determinant of symptoms ... ³⁷

... 7.4.3 Dose-response considerations in pollinosis 38 7.4.4 Non-allergenic factors in pollinosis severity ... ³⁸

8

. MODIFICATION OF POLLEN-INDUCED HEALTH EFFECTS ... ^{4 0} 8.1 Avoidance strategies for pollens ... ⁴⁰

8.1.1 Source modification ... ^{4 0}

REFERENCES ... ⁴³

WHO/OCH/86.3 page 4

l . SUXMARY AND KECOMMEEDATIONS FOR FUKTEER RESEARCH

1 . 1 Summary 1.1.1 P o l l e n c o m p o n e n t s and s o u r c e c h a r a c t e r i s t i c s

Approximately 1 0 % o f c o n t e m p o r a r y f l o w e r i n g p l a n t s s h e d w i n d - d i s p e r s e d p o l l e r i s b c , k r i z i g c o m p o n e n t s ( a n t i g e n s ) t h a t e l i c i t n o t a b l e human i m m u n o l o g i c a l r e s p o n s e s . S e n s i t i z * . , t i

i n d i v i d u a l s may s u f f e r r e s p i r a t o r y m o r b i d i t y ( p r i m a r i l y a l l e r g i c r h i n i t i s d l l d / o r ; i s i i i ; l l < j j

f o l l o w i n g n a t u r a l e x p o s u r e ; much more r a r e l y , s u b a c u t e s k i n e r u p t i o n s r e s u l t .

Most w l n d - d i s p e r s e d p o l l e n s a r e d i s t i n c t i v e p a r t i c l e s , 10-60 pm i n s l r e , ^{h i} i i i i ⁱ 1 1

o r n a m e n t a t i o n and s u r f a c e l i p i d . Components t h a t s e r v e a s a n t i g e n s t e n d t o be prr t ~i s , l o r l a r g e p o l y p e p t i d e s , g e n e r a l l y s i z e d f r o m l 0 0 0 0 t o 6 0 0 0 0 d a l t o n s , dnd r c a d i l q r t i c c ~ - i , ! iiilder m o i s t c o n d i t i o n s . P r e s e n t i n d i c a t i o n s s u g g e s t t h a t t h e s e s u b s t a n c e s may p r o v i d e rt ~j i i t l o n

" s i g n a l s " e s s e n t i a l t o p o l l e n - s t i g m a i n t e r a c t i o n s . P o l l e n a n t i g e n s d i f f e r among r l ~ c ~ c s o u r c e s , a l t h o u g h s i m i l a r i t i e s , r o u g h l y a c c o r d i n g w i t h t a x o n o m i c a f f i n i t i e s , a r e r e i , & : : l z i ~ , a n d s i n g l e s p e c i e s ( e . g . , r a g w e e d s ) may h a v e s e v e r a l d i s t i n c t c o m p o n e n t s .

A d a p t a t i o n s t o wind p o l l i n a t i o n a r e s i m i l a r i n b o t h gymnosperms a n d angrospt-.rrni, d i r h e v o l u t i o n o f n u m e r o u s , g r o u p e d , m i n u t e f l o w e r s ( " f l o r e t s " ) . B r i g h t c o l o u r s , s t r o n g , c r ,

.,

a n d n e c t a r i e s a r e g e n e r a l l y a b s e n t . P o l l e n p r o d u c t i o n p e r f l o r e t i s h i g h and d e v l i r 5 e n s u r i n g d i s p e r s i o n i n t o d r y , f r e e l y moving a i r a r e p r o m i n e n t .

1 . 1 . 2 D i s p e r s i o n a n d t r a n s p o r t o f p o l l e n s a n d p o l l e n a n t i g e n s

P o l l e n a n t i g e n s a r e c a r r i e d by i n t a c t g r a i n s and may b e t r a n s p o r t e d a l s o by smi: !cr a e r o s o l s i n c l u d i n g s u b m i c r o n i c f r a c t i o n s . However, t h e s o u r c e s , l e v e l s , d y n a m i c s , arid b i o l o g i c a l i m p a c t of t h e s e m i n u t e a g e n t s r e m a i n unknown.

I n t a c t g r a i n s g e n e r a l l y a r e r e l e a s e d p r e f e r e n t i a l l y i n f i n e w e a t h e r and u n d e r g o washout more o r l e s s s l o w l y w i t h r a i n f a l l . P a s s i v e t r a n s p o r t f r o m l a r g e o r s m a l l a r e a s o i ~ r i e s

p r o v i d e s downwind " p l u m e s " w h i c h a r e d i l u t e d by t u r b u l e n c e i n t h e a v a i l a b l e m i x i n g l a y e r . I n a d d i t i o n , p o l l e n i s t r a n s p o r t e d i n d i u r n a l l y c h a r a c t e r i s t i c p a t t e r n s by r i s i n g a n d t a l l i n g p a r c e l s o f a i r .

E f f o r t s t o q u a n t i t a t e a i r b o r n e p o l l e n s h i s t o r i c a l l y h a v e f o c u s e d o n i n t a c t g r a i n s e n u m e r a t e d o n t h e b a s i s o f m i c r o s c o p i c a p p e a r a n c e . C r i t i c a l a n a l y s e s o f s a m p l e s d e r i v e d by p a s s i v e f a l l o u t h a v e shown t h e s e t o b e i n f l u e n c e d s t r o n g l y by a t m o s p h e r i c m o t i o n a n d b i d s e d i n f a v o u r o f p r o g r e s s i v e l y l a r g e a e r o s o l u n i t s . T h e s e d e t r a c t i o n s h a v e l e d t o l i l c r c a i i n g use o f r o t a t i n g - a r m i m p a c t o r s ( e . g . , t h e r o t o r o d ) a n d s u c t i o n i m p i n g e r s p r i n c i p a l i y t i l e i i i r s t t r a p ) t o p r o v i d e v o l u m e t r i c d a t a i n terms o f " g r a i n s r e c o v e r e d p e r m

4

o f a i r s a n p l c d . "

W i d e l y a c k n o w l e d g e d a l l e r g e n i c p o l l e n s g e n e r a l l y h a v e shown p e a k r e c o v e r i e s ( b a s e d o n '$-h mean v a l u e s ) of f r o m l 0 0 t o 5 0 0 0 g r a i n s p e r m3.

Zmmunochemical a n a l y s e s of e l u a t e s f r o m f i l t e r c o l l e c t i o n s ( e f f i c i e n t e v e n f o r snulll s u b m i c r o n i c p a r t i c l e s ) h a v e b e e n u s e d t o a s s e s s " t o t a l a i r b o r n e a l l e r g e n " r e l a t e d s ~ > ~ i ' i f i c p o l l e n t y p e s . R e s u l t i n g v a l u e s p r o v i d e a more r e a l i s t i c e s t i m a t e o f e x p o s u r e ! ~ d z ~ d r d ~ tildll p o l l e n g r a i n - b a s e d d a t a a s w e l l a s a u n i q u e v i e w of " r e s p i r a b l e " a l l e r g e n ( i . e . , tk:;r: i ; ( l r t i o n c a p a b l e o f e n t e r i n g s u b g l o t t i c a i r w a y s ) . However, e v e n i n i t i a l e s t i m a t e s of r e i ~ i i i v e

a l l e r g e n c a r r i a g e by i n t a c t g r a i n s a n d by n o n - g r a i n a e r o s o l f r a c t i o n s a r e y e t ti, h c rf21-iorted.

1 . 1 . 3 - Pine~iomeilology of p o l l e n - i n d u c e d human h e a l t h e f f e c t s

At p r e s e n t , d i r e c t a d v e r s e e f f e c t s of p o l l e n o n n o n - s e n s i t i z e d human b e i n g s n ~ : i j ( ? t i l e r mammals a r e n o t r e c o g n i z e d . R a t h e r , h e a l t h c o n s e q u e n c e s a p p e a r t o be l a r g e l y , i f

e x c l u s i v e l y , i m m u n o l o g i c a l l y m e d i a t e d . R e a c t i o n s o f a n t i g e n ( a l l e r g e n ) - s p e c i f i c i m m u n o g l o b t ~ l i n E(LgE) m o l e c u l e s p r o v i d e a b a s i s f u r p o l l e n - i n d u c e d a l l e r g i c r i ~ i r : i t i ' - a s t h m a ; a l l e r g i c ( a t o p i c ) eczema may be p r o v o k e d s i m i l a r l y . I g E - m e d i a t e d e f f e c t s a r t , p o s s i b l e when a n t i b o d i e s of t h i s i s o t y p e a r e f i x e d t o t h e s u r f a c e r e c e p t o r s of most -:"is ( p r i n c i p a l l y ) and b l o o d b a s o p h i l s . A d j a c e n t m o l e c u l e s of l i k e s p e c i f i c i t y may t i ~ c ~ : i r c t * ~ : ~ w i t h a n a p p r o p r i a t e m u l t i v a l e n t a l l e r g e n ( e . g . , a p o l l e n c o m p o n e n t ) . Such " b r i d g i , : ~ " o f 'gE r e c e p t o r s p r o m o t e s a c a l c i u m - d e p e n d e n t , m u l t i s t a g e i n t r a c e l l u l a r p r o c e s s L e a d i n g i.hc

o f a v a r i e t y o f p r o - i n f l a m m a t o r y a g e n t s , i n c l u d i n g h i s t a m i n e , c h e m o t a c t i c L a c t o r s for n e u t r o p h i l s and e o s i n o p h i l s , a p l a t e l e t - a c t i v a t i n g f a c t o r , p r o s t a g l a n d i n s ( p r i m a r i l y ~ 2 1 , and l e u k o t r i e n e s . ^hang t h e v a r i e t y o f r e s u l t i n g a c t i v i t i e s , v a s o d i l a t i o n , enhancemerlt of vascular p e r m e a b i l i t y , a n d e v o c a t i o n o f p r u r i t u s a r e e s p e c i a l l y p r o m i n e n t .

T i s s u e s a f f e c t e d by % E - m e d i a t e d r e s p o n s e s ( e . g .

,

t o p o l l e n a l l e r g e n s ) e x p r e s s t h e s e a c t i v i t i e s r e c o g n i z a b l y . I r l j e c t i o n o f a n a q u e o u s p o l l e n e x t r a c t i n t o ttie s k i n o f a

s p e c i f i c a l l y s e n s i t i v e s u b j e c t i s to1lc;wed w i t h i n l 5 min by a n i t c h y ~ l . ~ e a l w i t i i s u r r o u n d i i l g erythaema. ^{A t} t i m e s , t h e s e r e s p o n s e s r e c e d e b u t a r e f o l l o w e d a f t e r 2-6 tl bp i t c h y ,

oedematous " l a t e p h a s e s r e s p o n s e s " . A l t h o u g h a p p a r e n t 1.y I g E - d e p e n d e n t

,

t h e t i s s u e has i s o f t h e s e l a t t e r c h a n g e s r e m a i n s u n c l e a r .

p o l l e n a l l e r g e n s , p r e s e n t o n n a t u r a l o r d e r i v e d a e r o s o l s , a r e b e l i e v e d t o c h a l l e n g e Biucosal mast c e l l s o r b a s o p h i l s d i r e c t l y f o l l o w i n g t h e i r e l u t i o n on m o i s t s u r f a c e s ; h o w e v e r , blood-borne a l l e r g e n m i g h t a l s o c o n t r i b u t e , e s p e c i a l l y t o b r o n c h i a l r e s p o n s e s . Where

p o l l i n o s i s p r e s e n t s a s n a s a l a l l e r g y , p r o m i n e n t f e a t u r e s i n c l u d e p r u r i t u s , s n e e z i n g , t r a n s u d a t i o n , and mucous h y p e r s e c r e t i o n , a s w e l l a s m u c o s d l s w e l l i n g d u e t o v a s c u l a r d i l a t a t i o n and i n c r e a s e d i n t e r s t i t i a l f l u i d . A s t h m a t i c r e s p o n s e s t o p o l l e n s m a n i f e s t

f i y p e r s e c r e t i o n and b r o n c h i a l n a r r o w i n g s e c o n d a r y t o m u s c l e c o n t r a c t i o n a n d m u c o s a l s w e l l i n g . b t e r e s p o n s e s t o p o l l e n a l l e r g e n s a r e r e c o g n i z e d i n b o t h t h e u p p e r and l o w e r a i r w a y s .

R e s p i r a t o r y p o l l e n a l l e r g y i s o b s e r v e d e s p e c i a l l y i n t e m p e r a t e r e g i o n s i n w h i c h wind-borne p o l l e n s a r e p r o m i n e n t b u t a p p e a r s t o a f f e c t a l l r a c i a l a n d e t h n i c g r o u p s . P o p u l a t i o n s u b s e t s a t r i s k f o r p o l l i n o s i s p r i m a r i l y a r e t h o s e " a t o p i c " p e r s o n s w i t h a

tendency ( a p p a r e n t l y f a m i l i a l ) t o f o r m IgE a n t i b o d i e s i n r e s p o n s e t o a l l e r g e n s e n c o u n t e r e d a t mucous s u r f a c e s . However, e v e n t h i s p r o p e n s i t y a p p e a r s t o b e m u l t i f a c t o r i a l l y c o n t r o l l e d , with s p e c i f i c a l l e r g e n r e a c t i v i t y and o v e r a l l I g E s y n t h e s i s p r e s e n t i n g a s d e f i n a b l e g e n e t i c d e t e r m i n a n t s . The e x p r e s s i o n o f s u c h t r a i t s i s , a l s o , q u i t e v a r i a b l e i n i n d i v i d u a l s ,

a p p e a r i n g t o r e f l e c t t h e t y p e , i n t e n s i t y , a n d t i m e of e x p o s u r e a s w e l l a s a d d i t i o n a l , i n c o m p l e t e l y u n d e r s t o o d f a c t o r s .

1.1.4 Approaches t o t h e c o n t r o l of p o l l e n s

E f f o r t s t o a l l a y a l l e r g i c d i s e a s e ( i n c l u d i n g p o l l i n o s i s ) h a v e c e n t r e d , h i s t o r i c a l l y , o n a l l e r g e n a v o i d a n c e , m e d i c a t i o n s t o s u p p r e s s symptoms, a n d a l l e r g e n - s p e c i f i c i m m u n o t h e r a p y . The p e r v a s i v e n a t u r e of common w i n d - b o r n e p o l l e n s l i m i t s t h e v a l u e o f a v o i d a n c e s t r a t e g i e s s h o r t of m a j o r g e o g r a p h i c moves ( w h i c h g e n e r a l l y a r e i m p r a c t i c a l ) , However, p e a k s of p o l l e n c h a l l e n g e may b e a v o i d e d b y a t t e n t i o n t o d e t a i l s o f e m i s s i o n a n d t r a n s p o r t . I n a d d i t i o n ,

" r e f u g e s " ( o f t e m p o r a r y v a l u e ) may be c r e a t e d by t h e u s e of i n d o o r a i r c o n d i t i o n i n g . H 1 r e c e p t o r - b l o c k i n g a n t i h i s t a m i n i c s h a v e w i d e v a l u e i n c o m b a t i n g n a s a l s y n p t o m s o f

~ o l l i n o s i s , H2 b l o c k e r s may h a v e a d d i t i v e v a l u e , and a l p h a a d r e n e r g i c a g 0 n i S t s a r e employed widely a s m u c o s a l d e c o n g e s t a n t s . A l t h o u g h a n t i h i s t a m i n i c s seem t o o f f e r l i t t l e a n t i a s t h m a t i c v a l u e , b r o n c h o d i l a t o r s , p r i m a r i l y o r a l t h e o p h y l l i n e a n d i n h a l e d b e t a a d r e n e r g i c a g o n i s t s , a r e m e d i c a t i o n s of c h o i c e . I n h a l e d c r o m o l y n s o d i u m o r t o p i c a l l y p o t e n t , r a p i d l y m e t a b o l i z e d c o r t i c o s t e r o i d s ( e . g . , b e c l o m e t h a s o n e ) p r o v i d e a d d i t i o n a l s a f e s u p p r e s s i o n o f I g E - m e d i a t e d sYaPtoms t h r o u g h o u t t h e a i r w a y .

I n c r e m e n t a l d o s e s o f p o l l e n e x t r a c t s i n j e c t e d s e r i a l l y o v e r many m o n t h s h a v e b e e n shown to r e s p i r a t o r y symptoms o f s e v e r a l s p e c i f i c p o l l e n s e n s i t i v i t i e s . However, t h i s 'ppr0ach i s r e s e r v e d l a r g e l y f o r s i t u a t i o n s w h e r e a v o i d a n c e m e a s u r e s and s a f e d r u g t r e a t m e n t 'lone a r e i n a d e q u a t e . T r e a t m e n t t e n d s t o i n d u c e o r a c c e l e r a t e a g e - d e p e n d e n t d e c r e m e n t s i n

a l l e r g e n - s p e c i f i c I g E and l e a d t o s y n t h e s i s of s p e c i f i c IgG, w h i c h may a c t a s a f a c t o r . However, t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e s e phenomena t o o b s e r v e d c l i n i c a l b e n e f i t not c l e a r , and t h e v a l u e of t h e r a p y w i t h many ~ o l l e n t y p e s r e m a i n s t o b e s t u d i e d . P r e s e n t e f f o r t s t o g e n e r a t e i n c r e a s i n g l y s a f e a n d e f f e c t i v e " l o n g - a c t i n g " p o l l e n e x t r a c t s w h i c h a r e Poimerized o r a d s o r b e d t o s p e c i f i c c a r r i e r s w i l l , d o u b t l e s s , d e t e r m i n e t h e u l t i m a t e v a l u e o f '"5 t r e a t m e n t a p p r o a c h .

WHO/OCH/8h. 7 p a g e b

1. L ~ e c o m m e n d ' ~ t i o i ~ s f o r F u r t i t e r R e s e a r c h

D e s p i t e i i l m o s t 23 c e n t u r y o f i n c r e a s i n g a t t e n t i o n , many a s p e c t s o f llumatt p o i i i i l . r s i ,

.,,J

i t s d e t e r ~ n i i l a i l t s i:ave r e c e i v e i f l i t t l e o r [to s t u d y ; d i : c o r d i i t g l y , b r o a d r c . s e < i r ~ , i i :ICY(?-, ~ , . i i l l e x i s t . t i o w e v e r , b e c a u s e p o l l e n c i i a r d c t e r i s i i c s , t r d i i s i i o r t , iind l l e a i t i i e f f e c t s f o r n , -111

i n t e g r a t e d c i i n t i n u u n ~ , i t i s somewhat a r b i t r i l r y t u i d e n t i f y r c s e a r c i i i i i i t i a t i v e s w i e i : s i x g l e , d i s c r e t e c a t e g o r i e s .

l . L . I h a t i t r e dnd r e 1 , r t i o i l s h i p s of p o l l e n d c i l l e r g e n s

-----p---p---

--

C o i n ~ ~ r e l i e n s i v e e f f o r t s t o i d e i ~ t i f y p o l l e n t y p e s p r c , d i i c i n g a c l i r r i c a l l y s i g n i f ii,,i;!r

e x p o s u r e s d e s e r v e t o be e x p a n d e d ( e s p e c i ~ i l y i n e m e r g i n g p o i ~ u l a ~ i o n c e n t r e s :ind o:i!<-r r e g i o n s p r e v i o u s l y w i t t i o u t c o r r e l a t i v e c l i n i c a l - a e r o i n e t r i c s t u d i e s ) . S u c h w o r k s h o i i l d foctc:; on major m o l e c u l a r s e n s i t i z e r s a n d t h e i r d i s t r i b u t i o n among n a t u r a l m a t e r i a l s , w i t h d i f f e r e z i - e s among s p e c i e s a n d among c o n s p e c i f i c r e g i o n a l p o p u l a t i o n s e m p h a s i z e d . S u c c e s s i n c ! ~ d r i i c t e r ; r i . ~ ~ tile m o l e c u l a r s e q u e n c e s r e s p o n s i b l e f o r a l l e r g e n s p e c i f i c i t y i s e s p e c i a l l y d e s i r a b l e since t h e s e n ~ n i e t i e s may p r o v i d e i m p o r t a n t p a t h o p h y s i o l o g i c a l p r o b e s a n d t r e a t m e n t a g e n t s .

1 . 2 . 2 P o l l e n a l l e r g e n d i s p e r s i o n a n d e x p o s u r e r i s k s

K e a l i s t i c a p p l i c a t i o n s o f ' o l u m e t r i c d e v i c e s c o n s t i t u t e a n e s s e t l t i d l a s p e c t o r

s u c c e s s f u l e f f o r t s t o "map" p o l l e n a l l e r g e n s i n t h e l o w e r a t m o s p h e r e . P r l o r i t l e s f ~ s : u d j r s h o u l d r n c l u d e l e v e l s c l o s e t o s i n g l e o r g r o u p e d a m p h i p h i l o u s s p e c i e s a s w e l l a s ~n d o m e s t i c a n d c o m e r c i a l i n t e r i o r s . The e f f e c t s o f i n d i v i d u a l human a c t i v i t y a n d o f t o o l s n i l d m ~ x c h i n e s o n s u r f a c e s o u r c e s a l s o d e s e r v e s c l o s e r e x a m i n a t i o n .

Mett:ods s e n s i t i v e t o i n t a c t p o l l e t ? g r a i r i s a s w e l l a s t o p o l l e n a l l e r g e n s i n s ~ z a i : ~ r ~

{ i n c l u d i n g s u b m i c r o n i c ) a e r o s o l f r a c t i o n s d e s e r v e s y s t e m a t i c a p p l i c a t i o n , a n d t h e

c o n t r i b u t i o n o f v a r i o u s l y s i z e d a g e n t s t o " t o t a l a i r b o r n e a l l e r g e n " c o n s i d e r e d a t a i l t i m e s . F a c t o r s s u c h a s s t a g e o f a n t h e s i s , d a t e , p r e c i p i t a t i o n , w i n d i t e i o c i t y , arid a i r rn,sst; mcivement i n v i t e i n i t i a l e v a l u a t i o n a s d e t e r m i n a n t s o f p o l l e n c o m p o n e i i t s i n a e r o s o l s s m a l l e r cildr:

i n t a c t g r a i n s , R e l a t e d q u e s t i o n s s u r r o u n d t h e f o r m a n d a l l e r g e n i c p o t e n c y o f p o l l c ~ ~ c o m p o n e n t s a s t h e y t r a v e l o u t w a r d f r o m a s o u r c e . The p o s s i b i l i t y t h a t f a c t o r s a s m o i s t u r e , s u n l i g h t , a n d g a s e s s u c h a s o z o n e may m o d i f y a c t i v i t y d u r i n g t r a n s p o r t r e i a t e s d i r e c t l y t o t h e r e l a t i v e i m p o r t a n c e o f n e a r a n d d i s t a n t s o u r c e s .

1 . 2 3 -- N a t u r a l h i s t o r y o f s s n s i t i z a t i o n t o p o l l e n a l l e r g e n s

B e c a u s e p o l l e n e x p o s u r e s a r e d i s c r e t e i n t i m e a n d , o f t e n , r e g i o n a l l y , p o l l e n a l l e r g e n s o f f e r r e a s o n a b l y t r a c t a b l e m o d e l s y s t e m s f o r t h e s t u d y o f s e n s i t i z a t i o n t a i n h a l a n t s . D e t e r m i n a n t s s u c h a s m o n t h o f b i r t h , a g e i t r e l a t e s t o e x p o s u r e h i s t o r y ) , mucosaJ i n m u n o g l o b u l i n r e s p o n s e , v i r a l i n f e c t i o n , a n d g e n e t i c c o n s t i t u t i o n a l l h a v e b e e n c o f i s i d e r e d i n t h i s c o n t e x t a n d i n v i t e f u r t h e r a n a l y s i s . A d d i t i o n a l p u t a t i v e f a c t o r s s u c h a s m u r o r a : p e r m e a b i l i t y a n d a n t e c e d e n t i n f l a m m a t i o n o f f e r e s p e c i d l l y i n t r i g u i n g o p t i o n s f o r n i i a ? ? ' s i s - I n a d d i t i o n , s e v e r i t y t r e n d s f o r p o l l i n o s i s i n l a t e a d u l t h o o d a n d s e n e s c e n c e rieed tu be d e f i ~ i r t l a n d t h e i r p a t h o p i i y s i o l o g i c a l c o r r e l a t e s e s t a b l i s h e d .

i 2 4 D o s e - r e s p o n s e r r l a t i o r ~ s l l i p s i n p o l l i n o s i s

A l t h o u g h p o l l i n o s i s s e v e r i t y i s a c k n c > w l e d g e d t o r i s e wit11 e x p o s u r e i n t e n s i i y , t i i r r s h \ ) i d s g e n e r a l l y a r e unknown; w h a t d a t a d o e x i s t d e s e r v e r e e v a l u a t i o n i n terms o f t h e a e r ~ ~ ~ y l ; ~ i m i C p l u r a l i t y o f a l l e r g e i i - c a r r y i n g a e r o s c t l s . L a b o r a t o r y a n d m o n i t o r e d f i e l d e x p o s u r e s of

r n o n c i s e i ~ s i t i v e p e r s o n s a l s o o f f e r i n s i g h t i n t o n o n - a l l e r g e n i c d c t e r m i n a i l t s o f p01 ! i i ~ c ~ ~ i ~

s e v e r i t y : b o d y p o s i t i o n , 3 n b i e i l t t e m p e r a t u r e , a n d o t h e r a i r q u a l i t y v a r i a b l e s , ? c l . ~ ; r l : l . e x p o s u r e s i r n i r l r i t i o n s a r e n e e d e d t o e v a l u a t e t h e p r i n c i p l e o f "priming" i n t h e ii;,;?rr . % i r " - ! Y a n d t o r e a s s e s s whet.her i t o c c u r s i n t h e l o w e r . The m u c o s a l p r o c e s s e s a n d k i n e r i z i :lf

a l l e r g e n e l u t i o n f r o m a e r o s o l s d e s e r v e i n i t i a l s t u d y w i t h a t t e n t i o n e s p e c i a l l y to i i l f ?

i f a n y , o f a l l e r g e n c a r r i a g e i n t i r e c i r c u l a t i o n . S i n c e u b i q u i t o u s p o l l e n s may c o i i t . i m i ~ : ; ? [ . ~ w a t e r s u p p l i e s a n d d o d e v o l v e i n t o t h e s t o m a c h , u p p e r g a s t r o i n t e s t i n a l h a n d l i n g n f z % i l e r L e n s a l s o h o l d s i n t e r e s t .

WHO/OCH/86.3 page 7

~ l l e r g e n a v o i d a n c e a n d symptom s u p p r e s s i o n i n p o l l i n o s i s _--

Among o t h e r d i v i d e n d s , d o s e - r e s p o n s e d a t a o f f e r g o a l s t o r a l l e r g e n a v o i d a n c e

s t r a t e g i e s . c o r r e l a t i v e s t u d i e s must e s t a b l i s h p r e v a i l i n g i n d o o r l e v e l s of p o l l e n a l l e r g e r i s the i m p a c t of a i r - m o d i f y i n g d e v i c e s on t h e s e . The p o t e n t i a l v a l u e of masks and o t h e r personal p r o t e c t i v e d e v i c e s i s a l s o a m a t t e r of i n t e r e s t , a i t h o u g t i d e s e r v i r i g a l o w e r p r i o r i r - y .

p o l l i n o s i s t h e r a p y i s bound t o s h a r e t h e b e n e f i t s of improved s u p p r e s s i v e a g e n t s f o r

~ ~ E - e d i a t e d r e a c t i o n s . R e c e n t e x p e r i e n c e s u g g e s t t o p i c a l l y a c t i v e c o r t i c o s t e r o i d s a n d

~1 r e c e p t o r - b l o c k i n g a n t i h i s t a m i n i c s ( w i t h o u t c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m p e n e t r a t i o n ) a s f r u i t f u l a r e a s f o r d e v e l o p i n g new a g e n t s . However, t o p i c a l and s y s t e m i c a g e n t s c a p a b l e o f b l o c k i n g m a s t c e l l s e c r e t i o n n o n s p e c i f i c a l l y s h o u l d n o t b e i g n o r e d . Compounds a c t i v e i n s u p p r e s s i n g l a t e p h a s e n a s a l o r l o w e r d i r w a y r e a c t i o n s t o a l l e r g e n would seem t o o f f e r s p e c i a l p r o m i s e a s a n t i a l l e r g i c s .

1 . 2 . 6 Immunotherapy of p o l l i n o s i s

H e r e t o f o r e , a p p r o a c h e s t o i m m u n o t h e r a p y h a v e b e e n , l a r g e l y , e m p i r i c a l . However, m i n u t e of t h e c e l l u l a r a n d h u m o r a l c o n t r o l of I g E - m e d i a t e d r e s p o n s e s a r e now p o s s i b l e , a n d f u n d a m e n t a l s t u d i e s o f t h e s e d e t e r m i n a n t s v i s - 2 - v i s i m m u n o t h e r a p y a r e n e e d e d . S u c c e s s f u l l y developed, t h e s e i n i t i a t i v e s s h o u l d p r o v i d e c l e a r l y - d e f i n e d g o a l s f o r p o t e n t i a l l y s u c c e s s f u l t r e a t m e n t m a t e r i a l s and r e g i m e n s ,

P r e s e n t i n d i c a t i o n s t h a t c a r r i e r - a d s o r b e d a n d c h e m i c a l l y c r o s s - l i n k e d a g e n t s o f f e r a d v a n t a g e s i n c o n v e n i e n c e , s a f e t y , and e f f i c a c y c e r t a i n l y s h o u l d b e p u r s u e d . However, o t h e r a p p r o a c h e s a l s o s h o u l d b e s o u g h t a c t i v e l y , a n d i m p r o v e d r e g i m e n s f o r c o n v e n t i o n a l a q u e o u s p r e p a r a t i o n s e x p l o r e d . The a v a i l a b i l i t y o f c h a r a c t e r i z e d a n d s e p a r a t e d m a j o r p o l l e n a l l e r g e n s f o r immunotherapy i s a v e r y f a v o u r a b l e d e v e l o p m e n t ; t h e s e s h o u l d b e a p p l i e d and compared w i t h "whole" p o l l e n e x t r a c t s w h e r e v e r p o s s i b l e .

2. SCOPE OF THIS DOCUMENT

2 . 1 D e f i n i t i o n

P o l l e n s c o m p r i s e a d i s t i n c t i v e c a t e g o r y of v e g e t a b l e d u s t s w i t h r e g a r d t o t h e i r fosm arid a d a p t i v e f u n c t i o n s a s w e l l a s t h e c i r c u m s t a n c e s o f human e x p o s u r e a n d r e s u l t i n g h e a l t h

i m p a c t . P o l l e n u n i t s ( g r a i n s ) a r e f o r m e d by e s s e n t i a l l y a l l n a t u r a l s p e c i e s o f f l o w e r i n g p l a n t s ( S p e r m a t o p h y t a ) , and t h i s d i v e r s i t y o f s o u r c e s p r o m o t e s c o m p l e x e x p o s u r e e f f e c t s . F u r t h e r m o r e , a l t h o u g h m i c r o s c o p i c , e a c h g r a i n i s a c o m p l e t e s i n g l e s t a g e ( t h e m a l e

g a m e t o p h y t e ) i n a p l a n t l i f e c y c l e , d i s p l a y i n g b o t h g r o w t h a n d r e p r o d u c t i v e p r o p e r t i e s . A s r e s u l t , p o l l e n s c a r r y a n a r r a y o f b i o c h e m i c a l s ; o n l y a f e w o f t h e s e c u r r e n t l y h a v e

r e c o g n i z e d h e a l t h e f f e c t s .

2 . 2 C i r c u m s t a n c e s o f E x p o s u r e

P o l l e n s may b e e n c o u n t e r e d by s u s c e p t i b l e human h o s t s o c c u p a t i o n a l l y ( a s by

h o r t i c u l t u r i s t s , g e n e t i c i s t s , p h a r m a c i s t s , e t c . ) o r t h r o u g h t h e u s e o f t h e s e p o w d e r s a s a f o o d s t u f f o r a r e l i g i o u s c e r e m o n i a l p h i l t r e . T h a t t h e s e e x p o s u r e s c a n i n d u c e i l l n e s s a n d p r o m o t e t h e r i s k o f l a t e r m o r b i d i t y h a s b e e n e m p h a s i z e d by K a n e l l a k e s & Matthews ( 1 9 7 5 ) . However, m o s t p o l l e n - r e l a t e d i l l n e s s r e f l e c t s r e s p i r a t o r y e x p o s u r e t o a i r b o r n e m a t e r i a l d e r i v e d f r o m n a t u r a l o r c u l t i v a t e d ( g e n e r a l l y o u t d o o r ) p l a n t s o u r c e s .

A p p r o x i m a t e l y 1 0 % o f p l a n t s p e c i e s e f f e c t d i s p e r s i o n o f p o l l e n ( a n d i t s c o n t a i n e d g e n e t i c m a t e r i a l ) by a t m o s p h e r i c m o t i o n . P l a n t s e x p l o i t i n g t h i s e s s e n t i a l l y random p r o c e s s a r e t e r m e d " a n e m o p h i l o u s " a n d i n c l u d e some o f t h e most s u c c e s s f u l c a n t e m p o r a r y t y p e s

( e . g . , t h e g r a s s e s ) . I n e x a m i n i n g human h e a l t h e f f e c t s , w i n d - b o r n e p o l l e n s d e s e r v e p r i m a r y a t t e n t i o n , a l t h o u g h e x p o s u r e i s p a s s i v e a n d r a n d o m l y d e t e r m i n e d . A m a j o r i t y of f l o w e r i n g p l a n t s a r e a d a p t e d t o p o l l e n d i s p e r s i o n by i n s e c t s , ( v i z . , " e n t e m o p h i l o u s " ) t y p e s , o r , r a r e l y , by o t h e r s e l f - p r o p e l l e d v e c t o r s . S t r i c t l y , e n t e m o p h i l o u s p o l l e n s h a v e n o t p o s e d e v i d e n t h e a l t h c o n c e r n s , However, many t y p e s w i t h c l e a r - c u t i n s e c t t r a n s p o r t a l s o a r e

p a r t i a l l y d i s p e r s e d by moving a i r , p e r h a p s d u e t o s p i l l a g e , i n c i d e n t t o e n e r g e t i c f o r a g i n g by a r t h r o p o d s , T h e s e t y p e s , t e r m e d " a m p h i p h i l o u s " , g e n e r a l l y a r e l e s s t h a n maximum s o u r c e s o t m o r b i d i t y a n d show s h a r p g r a d i e n t s o f p r e v a l e n c e n e a r s o u r c e g r o w t h . B e c a u s e o f t h e s e f a c t o r s , t h e h e a l t h i m p a c t o f m o s t a m p h i p h i l o u s p o l l e n s r e m a i n s s p e c u l a t i v e b u t w o r t h y o f s t u d y ( L e w i s & V i n a y , 1 9 7 9 ) .

The p r o d u c t i o n o f a b u n d a n t w i n d - b o r n e p o l l e n i s a r e q u i r e m e n t f o r s u c c e s s among

a n e m o p h i l o u s t y p e s . To a s s u r e t h i s , m o r p h o l o g i c a d a p t a t i o n s h a v e o c c u r r e d and t h e r e s u l t i n g p r o d u c t i v i t y o f many s p e c i e s i s t r u l y a s t o n i s h i n g ( P o h l , 1 9 3 7 ) . R e c e n t l y , E c h l i n ( 1 9 6 8 ) h a s e s t i m a t e d t h a t a s i n g l e m a l e i n d i v i d u a l o f hemp ( C a n n a b i s s a t i v a ) w i l l p r o d u c e e a s i l y o v e r

5 0 0 m i l l i o n p o l l e n g r a i n s . S u c h c o p i o u s e m i s s i o n f r o m p o p u l a t i o n s o f a n e m o p h i l o u s t r e e s , g r a s s e s , a n d f o r b s ( b r o a d - l e a f e d h e r b a c e o u s s p e c i e s ) p r o d u c e s w i d e s p r e a d a i r c o n t a m i n a t i o n , o f t e n w i t h marked c i r c a n n u a l p a t t e r n s . R e s u l t i n g human e x p o s u r e p r i m a r i l y i n v o l v e s

r e s p i r a t o r y c h a l l e n g e w i t h p o l l e n - a s s o c i a t e d a e r o s o l s and t h e i r d e p o s i t i o n on s k i n and a c c e s s i b l e mucous s u r f a c e s ( e . g . , o f t h e c o n j u n c t i v a e , v a g i n a , e t c ) . P a t t e r n s o f e x p o s u r e a r e d e t e r m i n e d by t h e i n t e r p l a y of p o l l e n t r a n s p o r t p r o c e s s e s a n d d e t a i l s o f i n d i v i d u a l human a c t i v i t y . Maximum e x p o s u r e t o w i n d - b o r n e p o l l e n s g e n e r a l l y o c c u r s o u t - o f - d o o r s i n k e e p i r r g w i t h t h e i r o r i g i n s i n n a t u r e . However, t h e s e p e r v a s i v e p a r t i c l e s r e a d i l y p e n e t r a t e c l o s e d c o n v e n t i o n a l s t r u c t u r e s ( D i n g l e , l 9 5 7 ) , b e s i d e s t h e i r " b u l k f l o w " t h r o u g h o p e n d o o r s a n d windows. E f f o r t s t o m o n i t o r p o l l e n s a n d t h e i r d e r i v a t i v e s must c o n s i d e r t h e d i f f e r e n t i a l e x p o s u r e r i s k s p r e v a i l i n g i n - a n d o u t - o f - d o o r s ; i n a d d i t i o n , e x t r a m u r a l , s i t e - t o - s i t e d i f f e r e n c e s a r e w e l l known. However, m o s t r e c o r d e d p r e v a l e n c e d a t a d e s c r i b e p o l l e n o n l y a t u r b a n r o o f t o p s t a t i o n s and r e q u i r e t e n u o u s i n f e r e n c e s f o r more r e g u l a r l y f r e q u e n t e d s i t e s n e a r t h e s u r f a c e . Methods o f s a m p l i n g p o l l e n a l s o c o n t i n u e t o a t t r a c t c r i t i c a l c o n c e r n , T r a d i t i o n a l a p p r o a c h e s , u t i l i z i n g f a l l o u t o n 1" x 3" m i c r o s l i d e s , h a v e b e e n shown t o i r i w u 2 * / ~ s e r i o u s q u a n t i t a t i v e d e f i c i e n c i e s a r i s i n g f r o m :

( a ) s y s t e m a t i c b i a s t o w a r d c o l l e c t i o n o f l a r g e r a e r o s o l s ;

( b ) l a c k o f a d e f i n a b l e u n i t volume t o w h i c h c o l l e c t i o n s m i g h t b e r e l a t e d ; and ( c ) r e l a t i v e l y s p a r s e r e c o v e r i e s t h a t i m p o s e h i g h d e g r e e s o f s a m p l i n g e r r o r .

W H 0 / 0 ~ ~ / 8 6 . 3 ^I page 9

T h e s e l i m i t a t i o n s h a v e been m i t i g a t e d s u b s t a n t i a l l y by u s i n g i m p a c t o r s ( e . g . , r o t o r o d s j a n d i m p i n g e r s ( e . g . , a u t o m a t i c v o l u m e t r i c s p o r e t r a p s ) t o r e l a t e p o l l e n r e c o v e r i e s t o i n d e x volumes o f a i r ( v i z . , g i v e " v o l u m e t r i c " s a m p l e s ) . However, r e c e n t e v i d e n c e t h a t

p a ~ c i m i c r o n i c u n i t s ( B u s s e e t a l . , 1 9 7 0 ; Solomon e t a l . , 1 9 8 3 ) a n d s u b m i c r o n i c f r a c t i o n s ( ~ a b e n i c h t e t a l . , 1 9 8 4 ) may c a r r y p o l l e n c o m p o n e n t s s u g g e s t s a n e e d t o m o n i t o r a r a n g e of p o t e n t i a l l y a c t i v e a e r o s o l s .

2 . 3 N a t u r e of P o l l e n - I n d u c e d H e a l t h P r o b l e m s

P o l l e n c o m p o n e n t s h a v e b e e n shown t o c o n t a i n h a e m o l y s i n s f o r a v i a n and mammalian r e d b l o o d c e l l s ( F r e e d e t a l . , 1 9 8 3 ) ; r e l a t e d f a c t o r s were t o x i c f o r c u l t u r e d c e l l l i n e s a n d , i n v i v o , o n i n j e c t i o n i n t o t h e s k i n of human v o l u n t e e r s . P r e v i o u s l y , Kind e t a l . ( 1 9 6 4 ) had shown r y e - g r a s s p o l l e n t o c o n t a i n a p e r m e a b i l i t y p r o d u c i n g f a c t o r a c t i v e i n m i c e . A l t h o u g h r a t ''models" of s a r c o i d o s i s b a s e d o n e x p o s u r e t o c r u s h e d p i n e p o l l e n ( G o t h e , 1 9 6 4 ) h a v e b e e n p r o p o s e d , r e l e v a n c e f o r human i l l n e s s s t i l l i s l a c k i n g . F u r t h e r s t u d y of t h e s e s y s t e m s may be p r o d u c t i v e . F o r t h e p r e s e n t , h o w e v e r , p o l l e n - i n d u c e d h e a l t h e f f e c t s a p p e a r t o r e f l e c t 2 m a j o r t y p e s of i m m u n o l o g i c a l l y - m e d i a t e d m o r b i d i t y i n s p e c i f i c a l l y s e n s i t i v e p e r s o n s . A f e w of s u c h " a l l e r g i c " r e s p o n s e s t o p o l l e n may m a n i f e s t a s e c z e m a t o u s c o n t a c t d e r m a t i t i s , m a r k e d by r e d d e n e d , t h i c k e n e d , p r u r i t i c ( i t c h y ) , s k i n , f o l l o w i n g d i r e c t c o n t a c t w i t h a s p e c i f i c o f f e n d e r . I n t e n s e e x p o s u r e s a l s o may p r o v o k e v e s i c l e s o r b u l l a e a n d r a s h l a s t i n g o n e o r more weeks. The " s e n s i t i z e d " s t a t e r e f l e c t s p r i o r e x p o s u r e t o a n " a l l e r g e n " , w h i c h l e a d s t o d e v e l o p m e n t o f a l y m p h o c y t e p o p u l a t i o n s p e c i f i c a l l y r e a c t i v e w i t h a c o m p l e x o f t h e o f f e n d e r and h o s t s k i n c o m p o n e n t s . I n a d d i t i o n , t h e d i f f e r e n t i a t i o n o f c e r t a i n l o n g - l i v e d l y m p h o c y t e s a s s u r e s t h a t t h i s c a p a c i t y w i l l be "remembered" f o r l o n g p e r i o d s b e t w e e n e x p o s u r e s . C o n t a c t s e n s i t i z e r s t e n d t o b e h i g h l y r e a c t i v e s m a l l m o l e c u l e s w i t h a c c e s s t o t h e s k i n .

The v a s t m a j o r i t y o f a l l e r g i c a d v e r s e r e a c t i o n s t o p o l l e n s ( t e r m e d " p o l l i n o s i s " )

m a n i f e s t a s r h i n i t i s a n d / o r b r o n c h i a l a s t h m a . R h i n i t i s c a s e s p r e s e n t w i t h n a s a l s t u f f i n e s s a l o n e o r , o f t e n , w i t h s n e e z i n g , n a s a l h y p e r s e c r e t i o n , a n d i t c h i n g a s w e l l . When symptoms

r e c u r a n n u a l l y a t s p e c i f i c p e r i o d s o f a n e m o p h i l o u s p o l l e n p r e v a l e n c e , s u c h s e a s o n a l a l l e r g i c r h i n i t i s i s o f t e n t e r m e d "hay f e v e r " . Commonly a s s o c i a t e d symptoms may i n c l u d e e y e i t c h i n g and s w e l l i n g , p h a r y n g e a l i t c h i n g a n d m i l d f a t i g u e ; b r o n c h i a l a s t h m a may accompany t h e s e c o m p l a i n t s o r o c c u r a l o n e . Asthma i s d e f i n e d e s s e n t i a l l y a s r e c u r r e n t , p o t e n t i a l l y r e v e r s i b l e o b s t r u c t i o n o f l a r g e a n d / o r s m a l l a i r w a y s c o u p l e d w i t h a n i n c r e a s e d a i r w a y l a b i l i t y i n r e s p o n s e t o d i v e r s e s p a s m o g e n i c s t i m u l i . A v a r i e t y o f a l l e r g e n s , d e r i v e d f r o m a r t h r o p o d s , f u n g i , f o o d s , e t c . , a s w e l l a s f r o m p o l l e n s , may p r o v o k e a s t h m a . I n a d d i t i o n , many a s t h m a t i c s l a c k d e f i n a b l e i n c i t i n g a l l e r g e n s of a n y t y p e , A d d i t i o n a l f a c t o r s a l s o e n g e n d e r a l l e r g i c r h i n i t i s , a l t h o u g h p o l l e n s most o f t e n p r o d u c e ( s e a s o n a l ) h a y f e v e r . E x c e p t f o r i t s i n d u c t i o n by s p e c i f i c a l l e r g e n e x p o s u r e s , n a s a l a l l e r g y i s mimicked by c h r o n i c n a s a l o b s t r u c t i o n a n d h y p e r s e c r e t i o n ( r h i n o r r h o e a ) .

P o l l i n o s i s a n d a d d i t i o n a l f o r m s o f a l l e r g i c a s t h m a and r h i n i t i s a r e a c k n o w l e d g e d w i d e l y a s humoral immune phenomena of G e l 1 & Coombs' ( 1 9 6 3 ) Type l , r e f l e c t i n g r e a c t i o n s o f

t i s s u e - f i x i n g , a l l e r g e n - s p e c i f i c a n t i b o d i e s , o f t e n termed " r e a g i n s " . T h e s e f a c t o r s , o f i s o t y p e s IgE a n d , p e r h a p s , IgGq ( P a r i s h , 1 9 7 0 ) , a r e known t o f i x t o s u r f a c e r e c e p t o r s i t e s On m a s t c e l l s , b a s o p h i l s , a n d , p o s s i b l y , o t h e r c e l l t y p e s . S p e c i f i c , m u l t i v a l e n t a l l e r g e n s Can b r i d g e a d j a c e n t a n t i b o d y m o l e c u l e s when t h e s e b e a r c o m p l e m e n t a r y a n t i g e n - r e a c t i v e s i t e s , P e r t u r b i n g t h e c e l l s u r f a c e r e c e p t o r s ( I s h i z a k a , 1 9 8 1 ) . The c y c l i c n u c l e o t i d e - d e p e n d e n t , m u l t i s t a g e , i n t r a c e l l u l a r p r o c e s s t h a t f o l l o w s r e s u l t s i n r e l e a s e o f a l a r g e v a r i e t y o f i n f l a m m a t o r y m e d i a t o r s i n t o t h e p e r i c e l l u l a r m i l i e u . The i n v o l v e d s u b s t a n c e s i n c l u d e h i s t a m i n e , p r o s t a g l a n d i n s ( e s p e c i a l l y D 2 )

,

l e u k o t r i e n e s , a c t i v a t e d o x y g e n d e r i v a t i v e s , a n d f a c t o r s c h e m o t a c t i c f o r e o s i n o p h i l s a n d n e u t r o p h i l s . T h e s e a n d o t h e r p r i m a r y a n d s e c o n d a r y i n f h D m a t o r y m e d i a t o r s a p p a r e n t l y p r o d u c e t i s s u e c h a n g e s w h i c h a r e r e c o g n i z e d u l t i m a t e l y a s

d i s e a s e . However, i n d i v i d u a l c l i n i c a l e x a m p l e s of p o l l i n o s i s a l s o must r e f l e c t d i s t i n c t i o n s i n a l l e r g e n e x p o s u r e h i s t o r y , o v e r a l l immune r e s p o n s e , h e a l t h s t a t u s , a n d

t r e a t m e n t a t t e m p t s a s w e l l a s a d d i t i o n a l m e d i a t o r s , t i s s u e e f f e c t s , arid a u t o n o m i c m e c h a n i s m s . Human a n t i b o d i e s t o p o l l e n c o m p o n e n t s a r e r e c o g n i z e d i n o t h e r i m m u n o g l o b u l i n c l a s s e s fO1lowing n a t u r a l e x p o s u r e ; h o w e v e r , p o s s i b l e r o l e s i n c a u s l n g I l l n e s s o r m i t i g a t i n g IgE-ediated r e s p o n s e s r e m a i n t o b e d e f i n e d , S p e c u l a t i o n h a s b e e n e s p e c i a l l y a c t i v e C o n c e r n i n g a l i n k b e t w e e n t h e s e f a c t o r s and r a r e i n s t a n c e s of s e a s o n a l l y e x a c e r b a t e d r e n a l d i s e a s e ( H a r d w i c k e e t a l . , 1 9 5 3 ; W l t t i g & Goldman, 1 9 7 0 ) . A f f e c t e d p e r s o n s h a v e h a d a

n e p h r o t i c s y n d r o m e , b u t p o l l e n - i n d u c e d irnaiiine r e n a l n u , p e r s e , h a s n o t bee11 d e m o n s t r a t e d , and p o l l i n o s i s may s e r v e a s a n o n s p e c ~ f i c s t r e s s f o r t h e s e p a t i e n t s .

WHo/OCH/86.3 page 1 0

B e s i d e s t h e s e v e r a l f o r m s of humoral r e s p o n s e r e c o g n i z e d , e v i d e n c e o f d e l a y e d - t y p e h y p e r s e n s i t i v i t y (DTH) t o p o l l e n a l l e r g e n s h a s been o b t a i n e d i n a p r o p o r t i o n o f s e n s i t i v e a t o p i c s u b j e c t s . The u s e of a n t i h i s t a m i n i c s t o b l o c k e a r l y wfieal a n d f l a r e r e s p o n s e s t o p o l l e n e x t r a c t s h a s p e r m i t t e d o b s e r v a t i o n of s u b s e q u e n t d e l a y e d s k i n r e a c t i o n s by some w o r k e r s ( B r o s t o f f & K o i t t , 1 9 6 9 ) , b u t n o t o t h e r s . I n a d d i t i o n , l y m p h o c y t e s from s e n s i t i v e a t o p i c p e r s o n s have shown, on i n v i t r o e x p o s u r e t o p o l l c n s , " b l a s t " ( m o r p h o l o g i c a l )

t r a i l s f o r m a t i o n , i n c r e a s e d i n c o r p o r a t i o n of t h y m i d i n e i n t o DNA, a n d r e l e a s e of lymphokines i n c l u d i n g macropl-tage i n h i b i t i n g f a c t o r (MLF) and m i t o g e n i c (lympilocy Le t r a n s f o r m i n g ) f a c t o r ( K o c k l i n e t a l . , 1 9 7 4 ) . Ia a t l e a s t one r e c e n t s t u d y , s u c h i n d i c e s o f DTH t o ragweed

a n t i g e n E were s t r o n g l y c o r r e l a t e d , f o r i n d i v i d u a l u n t r e a t e d p o l l i n o s i s p a t i e n t s , w i t h p a r a m e t e r s s u c h a s KAST t i t r e s and d o s e - r e s p o n s e l e v e l s of l e u k o c y t e h i s t a m i n e r e l e a s e

( R o c k l i n e t a l . , 1 9 7 4 ) . Lymphocytes from n o r m a l d o n o r s g e n e r a l l y h a v e f a i l e d t o t r a n s f o r m o r s e c r e t e lymphokines i n r e s p o n s e t o p o l l e n components. However, u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s of s h o r t - t e r m t i s s u e c u l t u r e ( e . g . , u s e of plasma r a t h e r t h a n s e r u m ) , c e l l s o f b o t h normal and a t o p i c d o n o r s may r e s p o n d t o numerous l o c a l and e x o t i c p o l l e n s (Mathews e t a l . , 1 9 7 7 ) . The s i g n i f i c a n c e of s u c h t r a n s f o r m a t i o n i s u n c e r t a i n , b u t i t may r e p r e s e n t n o n - s p e c i f i c

s t i m u l a t i o n a n a l o g o u s t o t h a t of known p l a n t m i t o g e n s ( e . g . , p h y t o h a e m a g g l u t i n i n ) . A l t h o u g h i n j e c t i o n s of a q u e o u s p o l l e n e x t r a c t s h a v e n o t i n d u c e d DTH, some r e c i p i e n t s o f s t a b l e ,

a q u e o u s e x t r a c t - i n - m i n e r a l o i l e m u l s i o n s h a v e d e v e l o p e d s p e c i f i c c e l l - m e d i a t e d s e n s i t i v i t i e s o f b r i e f d u r a t i o n ( S l a v i n e t a l . , 1 9 6 3 ) . The r o l e , i f a n y , o f DTH phenomena i n p o l l i n o s i s i s e n t i r e l y s p e c u l a t i v e a t p r e s e n t .

2 . 4 Management S t r a t e g i e s f o r P o l l e n - I n d u c e d H e a l t h E f f e c t s

E f f o r t s t o modify p h a r m a c o l o g i c a l l y and i m m u n o t h e r a p e u t i c a l l y h a v e f a r e x c e e d e d a t t e m p t s t o a n a l y s e p o l l e n e x p o s u r e s o r r e l a t e t h e s e m i n u t e l y t o o b s e r v e d d i s e a s e . S i n c e p o l l e t i s p r o d u c e w i d e s p r e a d a t m o s p h e r i c c o n t a m i n a t i o n f r o m b r o a d a r e a s o u r c e s , a v o i d a n c e s t r a t e g i e s o f f e r , a t b e s t , l i m i t e d b e n e f i t . A m a j o r g e o g r a p h i c move t o e s c a p e e x p o s u r e may b e

b e n e f i c i a l ( S m i t h , 1 9 7 1 ) , b u t i s a n a c c e p t a b l e o p t i o n o n l y r a r e l y ; h e l p from d e v i c e s worn t o i n t e r c e p t a i r b o r n e p o l l e n s s i m i l a r l y i s l i m i t e d by u s e r d i s c o m f o r t and u n f a v o u r a b l e p e e r r e s p o n s e s . E f f o r t s t o c r e a t e d i s c r e t e p o l l e n " r e f u g e s " i n s p e c i f i c , c l o s e d i n t e r i o r s , u s i n g f i l t e r s a n d / o r m e c h a n i c a l a i r c o o l i n g a r e f e a s i b l e b u t o f f e r n o p r o t e c t i o n o u t s i d e t h e

" p r i v i l e g e d " e n c l o s u r e .

S i n c e p r o s p e c t s f o r r e d u c i n g p o l l e n e x p o s u r e r e m a i n l i m i t e d , management o p t i o n s c o n t i n u e t o e m p h a s i z e n o n - s p e c i f i c symptom s u p p r e s s i o n w i t h d r u g s a n d immunotherapy t o modify

r e s p o n s e s t o u n a b a t e d c h a l l e n g e . H i s t a m i n e H 1 r e c e p t o r b l o c k e r s ( v i z . , c l a s s i c a l a n t i h i s t a m i n i c s ) r e m a i n t h e a g e n t s of c h o i c e f o r m i l d hay f e v e r symptoms, w i t h t o p i c a l

c o r t i c o s t e r o i d s f r e q u e n t l y e f f e c t i v e i n r e s i s t a n t n a s a l and o c u l a r d i s e a s e . T o p i c a l cromolyn sodium s o l u t i o n s a l s o p r o v i d e e s t a b l i s h e d a l t e r n a t i v e a g e n t s f o r p o l l e n - i n d u c e d r h i n i t i s and c o n j u n c t i v i t i s ; however, t h e v a l u e of a d d i t i o n a l p h a r m a c o t h e r a p e u t i c a g e n t s r e m a i n s t o be p r o v e n .

R e g i o n a l d i f f e r e n c e s a r e p r o m i n e n t i n t h e p r e f e r r e d a g e n t s f o r p r e v e n t i n g and r e v e r s i n g a s t h m a , and s e v e r a l new d r u g s have become a v a i l a b l e i n r e c e n t y e a r s , G l o b a l l y , most

p r - i c t i t i o n e r s a g r e e t h a t i n h a l e d ( c a t e c h o l and n o n - c a t e c h o l ) s y m p a t h o m i m e t i c a m i n e s , a t o p i n e c o r g e n e r s , and cromolyn sodium a r e h i g h l y e f f e c t i v e a g e n t s f o r a s t h m a u n l e s s accompanied by i n f e c t i o n a n d / o r i r r e v e r s i b l e l u n g damage. W i d e s p r e a d e n t h u s i a s m f o r o r a l t h e o p h y l l i n e i n N o r t h America i s n o t s o g e n e r a l l y s h a r e d . A l t h o u g h acknowledged a s e f f e c t i v e , t h e d r u g ' s p o t e n t i a l f o r t o x i c i t y h a s i n t i m i d a t e d many p r a c t i t i o n e r s . I n h a l e d c o r t i c o s t e r o i d s o f t e n b e n e f i t a s t h m a a n d , s y s t e m i c a l l y , t h e s e r e m a i n d r u g s of c h o i c e when o t h e r a g e n t s f a i l .

P o l l i n o s i s p r o v i d e d t h e f i r s t i n d i c a t i o n f o r t r i a l s of i n j e c t i o n immunotherapy and the f i r s t e v i d e n c e t h a t t h i s a p p r o a c h was e f f e c t i v e . P r o p e r l y c o n t r o l l e d t r i a l s h a v e e s t a b l i i ; l i + i l t h e v a l u e of i n j e c t e d p o l l e n e x t r a c t s f o r p o l l i n o s i s due t o g r a s s , r a g w e e d , and m o u n t a i n c e d a r ; o t h e r m a t e r i a l s r e m a i n t o be e v a l u a t e d . T r e a t m e n t i s n o t w i t h o u t i n c o n v e n i e n c e , m o d e r a t e c o s t and a r i s k of r a r e , a d v e r s e , a l l e r g i c r e a c t i o n s ( l o c a l . a n d / o r s y s t e m i c ) , b u t may be e s s e n t i a l when d r u g t h e r a p y f a l l s s h o r t . The p o t e n t i a l v a l u e of i n j e c t i o n

imm*lnotherapy h a s been e n h a n c e d by t h e e l u c i d a t i o n and p r e p a r a t i o n o f s e v e r a l m a j o r p o l l e n a l l e r g e n s which p r o v i d e b o t h t r e a t m e n t m a t e r i a l s and s t a n d a r d s of p o t e n c y . I n a d d i t i o n , c h e m i c a l l y and p h y s i c a l l y m o d i f i e d t r e a t m e n t m a t e r i a l s have been d e v e l o p e d which o f f e r i n c r e a s e d e f f e c t i v e n e s s and g r e a t e r s a f e t y .

WHO/OCH/86.3 page l l

3. POLLENS PKOPERTlES AKD SOURCES

3 . 1 F u n c t i o n a l Anatomy of P o l l e n

I n k e e p i n g w i t h t h e i r r e p r o d u c t i v e f u n c t i o n f o l l o w i n g d i s p e r s i o n , p o l l e n s , o f a n y s p e c i e s , show w e l l - d e f i n e d f o r m a n d b i o c h e m i c a l p r o p e r t i e s w h i c h a r e r e p l i c a t e d more o r l e s s f a i t h f u l l y f r o m g r a i n t o g r a i n . Almost a l l p o l l e n s w i t h human h e a l t t - i e f f e c t s a r e w i n d - b o r n e , q u a s i - s p h e r i c a l p a r t i c l e s , s i z e d from l 0 t o 60 p m ( t h e m a j o r i t y from 1 5 t o 4 5 ) . C e r t a i n of t h e l a r g e s t g r a i n s , n o t a b l y t h o s e o f p i n e s ( P i n u s ) , s p r u c e s ( P i c e a ) , f i r s ( A b i e s ) , a n d t h e i r a l l i e s h a v e p a i r e d a i r b l a d d e r s w h i c h c o n f e r b u o y a n c y on t h e t o t a l u n i t . E x t r e m e l y l a r g e wind-borne g r a i n s s u c h a s t h o s e of m a i z e ( Z e a j a n d t h e g r o i n a g g r e g a t e s of t h e b r o a d - l e a f e d c a t - t a i l (Typha l a t i f o l i a ) a n d t h e a c a c i a s ( A c a c i a s p p ) a p p e a r t o t r a v e l p r e d i c t a b l y s h o r i

P-

d i s t a n c e s .

The d i s t i n c t i v e m o r p h o l o g y o f p o l l e n t y p e s i s a c h i e v e d t h r o u g h v a r i a t i o n s on a b a s i c s t r u c t u r a l p a t t e r n . T h i s s u b j e c t h a s been monographed c o m p e t e n t l y ( F a e g r i & l v e r s e n , 1 9 6 & ; Erdtman, 1 9 6 9 ) and n e e d s o n l y b r i e f r e v i e w f a r p r e s e n t p u r p o s e s . A c e n t r a l p r o t o p l a s t , i n e a c h n o r m a l g r a i n , c o n t a i n s g e n e t i c m a t e r i a l a n d o r g a n e l l e s o f w h i c h s t a r c h g r a n u l e s o f t e r i a r e most e v i d e n t . The p r o t o p l a s t s e c r e t e s a n d i s e n c l o s e d by a c e l l u l o s i c , g e n e r a l l y

f e a t u r e l e s s , l a y e r , t h e i n t i n e . A complex o u t e r w a l i , t h e e x i n e , l i e s e x t e r n a l t o t h e i n t i n e and i s r e s p o n s i b l e l a r g e l y f o r t h e d i s t i n c t i v e f o r m of s p e c i f i c g r a i n t y p e s . U n l i k e t h e i n t i n e , e x i n e i s p r o d u c e d by t h e " t a p e t a l " l i n i n g o f t h e a n t h e r s a c i n w h i c h p o l l e n s f o r m , The e x i n e i s composed o f " s p o r o p o l l e n i n " , a n o r g a n i c polymer w h i c h h a s r e m a r k a b l e s t a b i l i t y and r e s i s t a n c e t o d e g r a d a t i o n . The s t r u c t u r a l i n t e g r i t y of e x i n e i n l a k e s e d i m e n t s f o r t h o u s a n d s o f y e a r s i s w e l l known, a n d p r o v i d e s a b a s i s f o r e s t a b l i s h e d s t u d y m e t h o d s i n g e o c h r o n o l o g y . The a v i d i t y o f s p o r o p o l l e n i r , f o r c e r t a i n b a s i c d y e s ( e . g . , f u c h s i n a n d p h e n o s a f f r a n i n ) a l s o i s u t i l i z e d i n s u r v e y s o f c o n t e m p o r a r y a i r b o r n e p o l l e n s .

The e x i n e ' s s e v e r a l l a y e r s d e t e r m i n e t h e g r d i n q s m i c r o s c o p i c a p p e a r a n c e i n b o t h s u r f a c e and o p t i c a l s e c t i o n s . Wind-borne p a l l e n s t e n d t o b e r e l a t i v e l y s m o o t h ( c o m p a r e d t o

e n t e m o p h i l o u s t y p e s ) , b u t show s u r f a c e s t h a t a r e commonly g r a n u l a r o r c o v e r e d w i t h 10%

p r o j e c t i o n s ( v e r r u c a e o r s p i n e s ) . Most g r a i n s h a v e o n e o r more a p e r t u r e s i n t h e e x i n e w h i c h may b e r o u n d e d " p o r e s " , e l o n g a t e d " f u r r o w s " , o r b o t h i n c o m b i n a t i o n . W h i l e p o l l e n t u b e s mdy emerge t h r o u g h t h e s e a p e r t u r e s d u r i n g g e r m i n a t i o n , t h e y o f t e n d o n o t ; f u r t h e r m o r e ,

i n a p e r t u r a t e g r a i n s ( e . g . , t h o s e of P o p u l u s a n d J u n i p e r u s ) a p p e a r t o be e q u a l l y e f f e c t i v e r e p r o d u c t i v e u n i t s . Many p o l l e n s !rave a l i p i d s u r f a c e c o a t i n g w h i c h p r o m o t e s a d h e r e n c e a n d , g e n e r a l l y , i s b e t t e r d e v e l o p e d on e n t e m o p h i i o u s t y p e s , G r s i n s u r f a c e s a l s o may show

f r a g m e n t s of t a p e t a l t i s s u e a n d d r i e d r e s i d u e s o f t a p e t a l f l u i d d e r i v e d f r o m t h e a n t h e r s a c s i n w h i c h t h e y d e v e l o p e d . How t h e s e " p a s s e n g e r " m a t e r i a l s may c o n t r i b u t e t o t h e h e a l t h e f f e c t s o f p o l l e n s i s unknown; h o w e v e r , t h e i r s u r f a c e p o s i t i o n may b e s i g n i f i c a n t i n P r e s e n t i n g them t o human t i s s u e s o r f a c i l i t a t i n g t h e i r e s c a p e and d i s p e r s i o n a s s m a l l P a r t i c l e s . P a u c i m i c r o n i c s p h e r u l e s o f e x i n e s u b s t a n c e , t e r m e d " U b i s c h b o d i e s " , a l s o a r e formed i n t h e a n t h e r s o f some s p e c i e s and may a d h e r e t o o r accompany n e w l y d e v e l o p e d g r a i n s d u r i n g a n t h e s i s ( p o l l e n s h e d d i n g j ( E c h l i n , 1 9 7 1 j

.

A f t e r t r a n s f e r t o a ( " f e m a l e " ) s t i g m a , a ( " m a l e " ) p o l l e n g r a i n m u s t p e r f o r m a c o m p l e x Sequence of f u n c t i o n s d u r i n g i t s l i m i t e d p e r i o d o f v i a b i l i t y , The r e p r o d u c t i v e c o m p a t i b i l i t y of p o l l e n a n d s t i g m a f i r s t m u s t b e a s s u r e d by a p r e s e n t a t i o n ( o r e x c h a n g e ) o f r e c o g n i t i o n m a r k e r s . The r e s u l t s of t h i s i n t e r c h a n g e r e s t o n p o o r l y u n d e r s t o o d f a c t o r s b u t a r e l i m i t e d by i n t e r ~ p e c i f i ~ e x c l u s i o n a n d w h e t h e r a giver1 s p e c i e s o r s t r a i n i s s e l f - f e r t i l e G r r e q u i r e s c r o s s - p o l l i n a t i o n . With a p o t e n t i a l l y c o m p a t i b l e m a t i n g , t h e " c h o s e n " g r a i n u n d e r g o e s h y d r a t i o n and g e r m i n a t e s , p r o d u c i n g a p o l l e n t u b e , s h e a t h e d i n a t h i n l a y e r of i n t i n e . The growing t u b e t r a v e r s e s t h e e n t i r e e x t e n t of .the p i s t i l ( v i z , , tile s t i g m a , s t y l e , a n d o v a r y w a l l ) d i g e s t i n g t h e i n t e r v e n i n g t i s s u e s e n z y n a t i c a l i y . D ~ l r i n g t h i s p r o c e s s , n u c l e d r d i v i s i o n Occurs w i t h i 1 1 t h e p r o t o p l a s t . Tlie r e s u l t i n g d a t l g h t e r n u c l e i c o m b i n e w i t h t h e i r c o u n t e r p a r t s in t h e o v a r y t o f o r m a z y g o t e a n d a s e p a r a t e f u s i o n p r o d u c t f r o m w h i c i i t h e n u t r i t i v e e n d o s p e r m

A l t h o u g h t h e s e p r o c e s s e s a r e o n l y p a r t i < i l l y c h a r a c t e r i z e d , p i r l l r n g r a i n s a r e known t o P o s s e s s a p r o m i n e n t a n d v a r i e d a r r a y of e n z y m e s , Bclusijurt e t a l . ( 1 9 7 8 ) showed t h a t t h e

c o n t e n t and a l l e r g e n i c a c t i v i t y o f c e r t a i n p o i l e i ~ e:xtrdcts w e r e c o n c o r d a n t , p e r m i t t i n g S t a n d a r d i z a t i o n by e i t h e r means. The v a r i e t y o f i d e n t i f i a b l e e n z y m a t i c a c t i v i t i e s h a s b e e n

( K i n g e t a l . , 1 9 6 4 ; Knox & H e s l o p - i t a r r i s o n , L 9 6 9 j , a s w e i ? a s t l r r i r p r e d o m i i ~ a n t . l o c a l i z a t i o n ( i n p r o t o p l a s t , p l a s m a l e m ~ n a a n d , e s p e c i a l i y , i n t i n e ) i n t e r n a l t o t h e e x i n e l a y e r . However, King e t a l . ( 1 9 6 4 ) n o t e d t h a t enzymatic and a l l e r g e n i c a ~ t i v i t i c s o f t h e i r