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Einfluss der Kupfferzell-Depletion auf die hepatische Mikrozirkulation und die systemische Inflammation in der murinen polymikrobiellen Sepsis

  • Die abdominelle Sepsis ist nach wie vor mit einer erheblichen Mortalität verbunden. Häufig stellt eine sekundäre Peritonitis als Folge einer Hohlorganperforation oder Anastomoseninsuffizienz den Fokus dar, welcher sich rasch systemisch auswirkt. Durch den bakteriellen Abfluss der Bakterien über das portokavernöse System agiert die Leber als zentrale Filterstation und wird dabei gleichzeitig durch infiltrierende Leukozyten und schockbedingte Minderperfusion geschädigt. Verantwortlich für die bakterielle Clearance in der Leber sind die Kupfferzellen, die zudem durch Freisetzung pro- und antiinflammatorischer Mediatoren den systemischen Entzündungsverlauf entscheidend beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der selektiven Kupfferzell-Depletion mittels Dichloromethylen-Bisphosphonat (Cl2MBP-Clodronat) im murinen Sepsismodell der Colon Ascendens Stent Peritonitis (CASP) auf die Mikrozirkulation der Leber mit Hilfe der intravitalen Fluoreszenzmikroskopie sowie mit ex vivo Analysen untersucht. Zudem erfolgte die Beurteilung der systemischen Reaktion hinsichtlich der Mortalität sowie der veränderten Freisetzung von Entzündungsmediatoren in Serum, Milz, Leber und Lunge. Die polymikrobielle Sepsis führte in der Leber zu einer erheblichen Perfusionsstörung nach 12h sowie zu einer signifikanten sinusoidalen Leukozytenstase nach 3h Sepsis, die nach 12h rückläufig war. Des Weiteren konnte ein deutlicher Anstieg der hepatozellulären Apoptose 12h nach CASP nachgewiesen werden. Die Kupfferzell-Depletion verminderte sowohl die sinusoidale Leukozytenstase als auch die hepatozelluläre Apoptose signifikant und wirkte somit protektiv in der Ausbildung des Leberschadens. Erstmals konnte eine reduzierte Leukozytenstase nach Kupfferzell-Depletion bei gleichzeitigem lokalem Anstieg von TNF nachgewiesen werden. Bezüglich der Phagozytoserate zeigte sich in der polymikrobiellen Sepsis eine initiale Hyperaktivität mit nachfolgender Erschöpfung der Kupfferzellen. Nach Clodronat-Applikation war, wie erwartet, die Phagozytoseaktivität zu beiden Zeitpunkten deutlich eingeschränkt. Systemisch führte die Kupfferzell-Depletion zu einer signifikant erhöhten Sterblichkeit in der CASP. Zudem kam es zu einem massiven Anstieg des TNF sowie einer signifikanten Reduktion des antiinflammatorischen IL-10 in Serum und Leber. Die Depletion der Kupfferzellen vor Induktion der polymikrobiellen Sepsis führte somit zu einem vermindertem hepatozellulärem Leberschaden bei gleichzeitig erhöhter Mortalität durch die uneingeschränkte Hyperinflammation. Die Blockade der Kupfferzellen zu einem späteren Zeitpunkt, in der Phase der Immunparalyse, wäre jedoch eine neue Möglichkeit zur Therapie sekundärer Infektionen in der Sepsis.
  • Abdominal sepsis represents a persisting problem on surgical intensive care units. The liver as “first line” organ to be confronted with gut bacteria drained via the portal vein plays an important role during abdominal sepsis. Several local and systemic defence mechanisms of the innate immune system are initiated in the liver. Kupffer cells (KC) are critically involved in these processes by phagocytosis of bacteria, secretion of pro- and antiinflammatory cytokines as well as recruitment of other immune cells to the liver, e.g. neutrophils or monocytes. However, these mechanisms also provoke a progressive damage of the liver itself that may end up in fulminant hepatic failure. Intravenous or intraperitoneal administration of LPS caused significant sinusoidal perfusion failure in the liver. Additionally, increased leukocyte stasis within the sinusoids and consecutive parenchymatous infiltration of neutrophils were observed. These findings were associated with significant rates of hepatocellular apoptosis and increased plasma levels of ALT and AST demonstrating severe hepatic damage. In the past, KC have been extensively studied in the context of sepsis. However, many aspects of their function are still controversially discussed. This may be referred to the diversity of sepsis models but also to different used techniques of Kupffer cell depletion. Among them administration of Gadolinium chloride (GdCl3) impairs Ca2+ metabolism and therefore causes a reduced phagocytotic activity of KC obtaining depletion rates from 56 to 75%. However, contradictory results after treatment with GdCl3 in sepsis have been reported: improved hepatic microcirculation and survival benefit were observed but also increased mortality and elevated proinflammatory cytokines could be detected. Reduced leukocyte infiltration, decreased liver damage, and improved survival after GdCl3 treatment was mainly associated with significantly decreased TNF levels in models of LPS shock but also in polymicrobial cecal ligation and puncture. Therefore, TNF was thought to be a key player for the recruitment of inflammatory cells to the liver and for the initiation of hepatocellular apoptosis. In this study, the colon ascendens stent peritonitis (CASP) was used. In contrast to models of LPS shock, CASP is a model of polymicrobial abdominal sepsis that was shown to be clinically relevant as it mirrors a common course of systemic infection in surgical intensive care patients. Moreover, CASP is highly reproducible in comparison to CLP. For the first time, effects of CASP on hepatic microcirculation and hepatic failure were analyzed using intravital fluorescence microscopy. To address local and systemic functions of KC after CASP, KC were depleted by intravenous administration of liposome-encapsulated clodronate. In contrast to GdCl3 application, this method is nontoxic and allows a selective and complete depletion of KC without activation.

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Metadaten
Author: Marlene Mikulcak
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000584-8
Title Additional (English):Influence of kupffer cell depletion on hepatic microcirculation and systemic inflammation in polymicrobial sepsis
Advisor:Dr. Tobias Traeger, Prof. Dr. med. C.D. Heidecke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/04/02
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Medizinische Fakultät (bis 2010)
Date of final exam:2008/12/19
Release Date:2009/04/02
Tag:CASP, Kupfferzellen, Leber, Sepsis
CASP, apoptosis, bacterial infection, kupffer cells, liver
GND Keyword:Leberchirurgie, Mikrozirkulation, Sepsis
Faculties:Universitätsmedizin / Klinik und Poliklinik für Chirurgie Abt. für Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit