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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-43872

Erreger-spezifische Antikörpersignaturen bei Patienten mit bakterieller Sepsis

  • Sepsis ist die dritthäufigste Todesursache in Deutschland und verursacht jährliche Krankenhauskosten von mehr als 8 Mrd. €. Über die Pathophysiologie ist noch immer vieles unbekannt. Bei der Bekämpfung von extrazellulären Infektionserregern spielt vor allem das humorale Immunsystem eine wichtige Rolle, da die von B-Zellen/ Plasmazellen gebildeten Antikörper wichtige antiinfektive Agenzien darstellen. Dennoch ist die Rolle der B-Zellen bei einer Sepsis nicht gut verstanden. Ergebnisse aus Mausmodellen, aber auch aus klinischen Studien mit Sepsispatienten zeigen einerseits die vermehrte Apoptose von B-Zellen, anderseits wurde auch eine polyklonale B-Zellaktivierung beschrieben, die mit einem unspezifischen Anstieg der Antikörperkonzentrationen im Blut einhergeht. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob während einer systemischen bakteriellen Infektion, wie der Sepsis, auch eine Erreger-spezifische Antikörperantwort ausgebildet wird. Mit Hilfe von zwei serologischen Assays wurde die Antikörperantwort von Sepsispatienten gegen extrazelluläre Proteine von 16 typischen Sepsiserregern bestimmt. Anhand von Plasmaproben aus zwei prospektiven Studien konnte die Antikörperkinetik von einem Zeitpunkt vor der klinischen Diagnose bis maximal 16 Tage nach Diagnose ermittelt werden. Mittels eines Simple Western Assays - einem semi-quantitativen Immunoblot-Assay - wurde zunächst die Erreger-spezifische Antikörperantwort von Patienten mit einer vorliegenden mikrobiologischen Erregerdiagnose untersucht. 54 % der Patienten zeigten eine spezifische humorale Immunantwort gegen den mikrobiologisch diagnostizierten Erreger, wohingegen die Antikörperspiegel für das Kontrollantigen TT unverändert blieben. Zur Untersuchung der zweiten Patientenkohorte wurde ein Bead-basierter Suspensions-Array auf Grundlage der xMAP-Technologie (Luminex®) entwickelt. Der Infection Array ermöglichte die gleichzeitige Quantifizierung der spezifischen Antikörperantwort gegen 16 verschiedene Erreger. Bei 64 der 76 untersuchten Patienten wurden Anstiege der IgG-Antikörper gegen einen oder mehrere dieser Erreger beobachtet. In 62,5 % der Fälle stimmten diese Anstiege mit der mikrobiologischen Diagnose überein. Bei 20/64 Patienten wurden signifikante Anstiege der IgG-Spiegel spezifisch für einen oder zwei Erreger nachgewiesen, in 44/64 Fällen wurden Anstiege gegen mehr als zwei Erreger beobachtet. Bei Letzteren richtete sich die Antikörperantwort hauptsächlich gegen Enterokokken und Enterobacteriaceae, was primär auf zwei Ursachen zurückgeführt werden kann: (i) Ein Großteil dieser Patienten hatte einen intraabdominellen Infektionsfokus. Polymikrobielle Infektionen durch endogene Darmbakterien, typischerweise verursacht durch eine Darmruptur oder die Insuffizienz einer chirurgischen Darmnaht, sind hierbei ein plausibler Befund, der der mikrobiologischen Diagnostik offenbar häufig entgeht. (ii) Außerdem können Sepsis-bedingte Organstörungen zu einer gesteigerten Darmpermeabilität führen, die wiederum die Translokation intestinaler Bakterien erleichtert. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen den Schluss zu, dass die beobachteten Antikörperreaktionen auf eine Antigen-spezifische Memoryantwort zurückzuführen sind. In etwa 2/3 der Fälle wird eine Sepsis endogen durch Bakterien des eigenen Mikrobioms verursacht. Entsprechend war es nicht überraschend, dass gegen alle untersuchten Erreger bereits vor der Infektion und auch bei gesunden Kontrollpersonen basale antibakterielle IgG-Spiegel gemessen wurden. Zudem waren die IgG-Anstiege oft bereits zwischen Tag 0 und Tag 8 zu beobachten. Bei einer Primärantwort mit dem Erreger würde die Aktivierung der Zellen und der Klassenwechsel der Antikörper deutlich mehr Zeit erfordern. Die Untersuchung der Erreger-spezifischen Antikörperantwort hat gezeigt, dass ein serologischer Assay Rückschlüsse auf den Infektionserreger zulässt. Außerdem zeigen die Daten, dass auch Kommensale wie Darmbakterien das Immunsystem prägen, was wiederum Einfluss auf die humorale Immunantwort während einer Infektion haben kann. Dieser Aspekt wird bei Mausmodellen oft vernachlässigt, kann aber entscheidend für die Translation der Ergebnisse aus Tierversuchen auf den Menschen sein. Aber auch diagnostisch bietet der Infection Array Einsatzmöglichkeiten. Im Gegensatz zur konventionellen Erregerdiagnostik ist die Serologie robust gegenüber einer bereits begonnenen Antibiotikagabe, und sie könnte dabei helfen, zwischen einer Kontamination und dem Infektionserreger zu unterscheiden, z. B. im Fall von KNS wie S. epidermidis. Ebenso wäre der Einsatz bei Biofilm-assoziierten Infektionen wie z. B. Protheseninfektionen oder Endokarditis denkbar. Hier besteht die Infektion oft bereits lange asymptomatisch, bevor sie klinisch diagnostiziert wird. Bei Diagnose bestehen meist bereits erhöhte Antikörperspiegel, die sich von denen gesunder Individuen unterscheiden. Ein serologischer Test könnte hier invasive Eingriffe, um an Material für die mikrobiologische Diagnose heranzukommen, reduzieren und die Sensitivität der Erregerdiagnostik erhöhen. Durch den Einsatz rekombinanter Proteine kann die Spezifität des Assays in der Zukunft erhöht werden. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit bereits erste immunogene Proteine identifiziert. Durch die Verwendung rekombinanter Proteine wäre zudem zukünftig die Erweiterung des Erregerpanels um typische, aber womöglich schwerkultivierbare Erreger möglich. Damit könnte die Sepsisforschung Neuland betreten.
  • Sepsis is the third leading cause of death in Germany with annual hospital costs of more than 8 Billion Euros. However, much about the pathophysiology is still unknown. The humoral immune system plays an important role in the fight against extracellular infectious agents, as the antibodies produced by B-cells/plasma cells are important anti-infective agents. Nevertheless, the role of B cells in sepsis is not well understood. Results from mouse models and clinical studies with sepsis patients show on the one hand an increased apoptosis of B cells, on the other hand a polyclonal B cell activation has been described, which is accompanied by an unspecific increase of antibody concentrations in the blood. The aim of this study was to investigate whether during a systemic bacterial infection, such as sepsis, a pathogen-specific antibody response is also generated. Using two serological assays, the antibody response of sepsis patients against extracellular proteins of 16 typical sepsis pathogens was determined. Using plasma samples from two prospective studies, the antibody kinetics could be determined from a time prior to clinical diagnosis to a maximum of 16 days after diagnosis. Using a Simple Western Assay - a semi-quantitative immunoblot assay - the pathogenspecific antibody response of patients with a previous microbiological pathogen diagnosis was investigated. 54 % of the patients showed a specific humoral immune response against the microbiologically diagnosed pathogen, whereas the antibody levels for the control antigen TT remained unchanged. A bead-based suspensions array based on the xMAP technology (Luminex®) was developed to examine the second patient cohort. The Infection Array allowed the quantification of the specific antibody response against 16 different pathogens simultaneously. Increases in IgG antibodies against one or more of these pathogens were observed in 64 of the 76 patients examined. In 62.5 % of cases, these increases were consistent with the microbiological diagnosis. In 20/64 patients, significant increases in IgG levels were detected specifically for one or two pathogens, in 44/64 cases, increases against more than two pathogens were observed. In the latter, the antibody response was mainly directed against Enterococci and Enterobacteriaceae, which can be primarily explained by two reasons: (i) The majority of these patients had an intraabdominal infection focus. Polymicrobial infections caused by endogenous intestinal bacteria, typically caused by an intestinal rupture or the insufficiency of a surgical suture, are a plausible finding that often seems to be missed by microbiological diagnostics. (ii) In addition, sepsis-related organ dysfunction can lead to increased intestinal permeability, which in turn facilitates the translocation of intestinal bacteria. The results of this work suggest that the observed antibody reactions are due to an antigen-specific memory response. In about 2/3 of the cases sepsis is caused by endogenous bacteria of the own microbiome. Therefore, it was not surprising that basal anti-bacterial IgG levels were measured against all investigated pathogens before infection as well as in healthy controls. In addition, IgG increases were often observed between day 0 and day 8. In case of a primary response with the pathogen, the activation of the B cells and the class switch of the antibodies would require significantly more time. The examination of the pathogen-specific antibody response has shown that a serological assay can provide information about the infectious agent. In addition, the data show that commensals such as intestinal bacteria also shape the immune system, which in turn can influence the humoral immune response during an infection. This aspect is often neglected in mouse models, but can be crucial for the translation of the results from animal experiments to humans. In addition, the Infection Array offers diagnostic potential. In contrast to conventional pathogen diagnostics, serology is robust against antibiotic administration that has been already initiated, and it could help to differentiate between contamination and the infectious agent, e.g. in the case of CNS such as S. epidermidis. It could also be used for biofilm-associated infections such as prosthesis infections or endocarditis. In such cases, the infection is often asympto-matic long before it is clinically diagnosed. At the time of diagnosis, elevated antibody levels, which differ from those of healthy individuals, are usually already present. A serological test could reduce invasive procedures to obtain material for microbiological diagnosis and increase the sensitivity of pathogen diagnostics. By using recombinant proteins, the specificity of the assay can be increased in the future. For this purpose, first immunogenic proteins have already been identified in this thesis. Furthermore, the use of recombinant proteins would allow the extension of the pathogen panel by typical, but possibly difficult to cultivate pathogens. Thus, sepsis research could enter new territory.

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Metadaten
Author: Nicole NormannORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-43872
Title Additional (English):Pathogen-specific antibody signatures in patients with bacterial sepsis
Referee:Prof. Dr. med. Barbara Bröker, Prof. Dr. med. Michael Bauer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/03/11
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/02/10
Release Date:2021/03/11
GND Keyword:Antikörper, Immunreaktion, Sepsis
Pagenumber:175
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften