Klinik und Poliklinik für Chirurgie Abt. für Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie
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Modulation der Immunantwort durch Vagotomie im Mausmodell der postoperativen Immundysfunktion
(2024)
Die postoperative Immunsuppression ist ein häufiges Problem nach großen abdominalchirurgischen Eingriffen und geht mit einer erhöhten Mortalität insbesondere durch septische Komplikationen einher. Eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Immunsuppression spielt der Nervus vagus, dies ist schon lange als cholinerger antiinflammatorischer Signalweg (engl. CAP) bekannt, wobei weder die Signalkaskaden auf zellulärer Ebene noch die Effekte des Nervus vagus hinreichend verstanden sind und kontrovers diskutiert werden.
Anhand der vorliegenden Ergebnisse dieser Arbeit lässt sich feststellen, dass das Traumamodell der surgically-induced immune dysfunction (SID) weitreichende Auswirkungen auf das Immunsystem hat. So konnten in-vivo signifikant veränderte Serumspiegel von IFN-γ, IL-2 und IL-6 gemessen und somit vorherige Ergebnisse anderer Arbeiten unserer Forschungsabteilung bestätigt werden. Außerdem führte die SID zu deutlichen Veränderungen hinsichtlich der Abwehrlage des angeborenen Immunsystems: wir fanden erniedrigte CD4+/CD8+-Relationen innerhalb der T-Zell-Population sowie insbesondere in der Spätphase ein erhöhtes Ly6Chigh/Ly6Clow-Verhältnis als Ausdruck einer gestörten angeborenen Immunabwehr durch patrolling macrophages, welche sich zusätzlich durch eine Abnahme der MHCII-Expression auf den Makrophagen unter Vagotomie äußerte.
Bei der ex-vivo-Betrachtung des Immunsystems unter Hinzunahme von Funktionstests mit Lipopolysaccharid (LPS) konnten wir beobachten, dass der Ablauf der Immunreaktion anhand der TNF-α-Ausschüttung von Makrophagen interessante Ähnlichkeiten mit dem bekannten SIRS-CARS-Modell der Sepsis aufweist. Wir konnten zeigen, dass die Vagotomie insbesondere in der Frühphase nach SID die hyperinflammatorische Reaktion der Milzmakrophagen noch weiter verstärkt. In der Spätphase 72 Stunden nach Trauma hat die Vagotomie einen geringeren Einfluss auf die Immunantwort und führt zu einer verstärkten Suppression, die allerdings nicht so stark ausgeprägt ist wie die Hyperinflammation in der Frühphase. Die Ausschaltung des N. vagus führt also in beiden Phasen zu einer Abweichung zu den Extremen hin und bedingt eine nachhaltige Störung des immunologischen Gleichgewichts.
Mit der vorliegenden Arbeit konnte ein wichtiger Beitrag zur Grundlagenforschung dieses klinisch so bedeutsamen Problems geleistet werden. Weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet sind notwendig, um in Zukunft nach operativem Trauma z.B. in Form von spezifischen Agonisten am alpha7-Rezeptor eine wirksame Therapie oder besser eine Prophylaxe zur Vermeidung anbieten zu können.
Introduction: Adiposity and excessive weight are on the rise in western industrialized countries. In cases where conservative measures fail and surgical interventions are not (yet) desired, gastric balloon therapy has proven to be a safe and reversible endoscopic method. Methods: Aside from weight progression under gastric balloon therapy and by using MRI, our research paper describes the behavior of different abdominal body fat compartments at the beginning and at the end of the gastric balloon therapy. Additionally, the volume of the left liver lobe as well as the fill volume and performance of the gastric balloon were analyzed over the duration of treatment. For assessing potential impacts of weight reduction on the muscle mass, we determined the area of the m. psoas on a comparable cross-sectional area at the beginning and at the end of the therapy. Results: We were able to verify a significant reduction of the layer of subcutaneous fat, adipose capsule of the kidney, and intra-abdominal fatty tissue during the therapy. The volume of the left liver lobe was shrinking in addition to a muscle loss during the balloon therapy. The volume of the gastric balloon remained stable (not hyperinflation). There were variable gas bubbles in the gastric balloon. Conclusion: The gastric balloon is a temporary and successful option for weight reduction by reducing body fat, liver volume, but also muscle mass.
Zusammenfassung
Die Verordnung einer Stressulkusprophylaxe im Rahmen stationärer Aufenthalte ist im medizinischen Alltag weit verbreitet. Die Verschreibungspraxis einer SUP wurde bisher vor allem im Bereich der Intensivmedizin und der Inneren Medizin untersucht [33, 40, 42, 45, 46]. Allerdings konnte gezeigt werden, dass eine stressulkusbedingte gastrointestinale Blutung unter stationären Bedingungen ein sehr seltenes Ereignis darstellt [12,17]. Im Bereich chirurgischer, nicht kritisch erkrankter Patienten gibt es bislang nur wenige Studien zur aktuellen Praxis der Verschreibung einer SUP [16, 46].
Um die aktuelle Verschreibungspraxis einer SUP in einem chirurgischen Patientenkollektiv beschreiben und bezüglich des Vorliegens einer Indikation nach aktuellen Leitlinien charakterisieren zu können, wurden retrospektiv von Januar bis Juni 2016 Patientendaten an der Universitätsmedizin Greifswald erhoben und ausgewertet [49]. Des Weiteren erfolgte eine Untersuchung der landesweiten Verschreibungspraxis einer SUP auf der Basis einer Befragung der Abteilungsleiter und Mitarbeiter chirurgischer Abteilungen der Akutkliniken in Mecklenburg-Vorpommern [50].
Die Auswertung der retrospektiv erhobenen Patientendaten zeigte eindeutig, dass im weit überwiegenden Anteil der Patienten mit neu verordneter SUP keine Risikofaktoren für die Ausbildung von Stressulzera und stressulkusbedingten Blutungen vorlagen [49]. In 85.7-99.6 % der Patienten mit SUP konnte die Indikation für die Gabe nicht nachvollzogen werden [49].
Die Befragung chirurgisch tätiger Ärzte in Mecklenburg-Vorpommern zeigte, dass die Verschreibung der SUP nur in einer Minderzahl der Kliniken durch eine SOP geregelt war [50]. In den Kliniken mit vorhandener SUP war deren Inhalt nur einer Minderheit der klinisch tätigen Ärzte inhaltlich bekannt [50]. Eine kritische Reevaluation der Indikation einer SUP erfolgte nicht regelhaft bei Verlegung von Intensiv- auf die Normalstation oder bei Entlassung [50].
Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass bei chirurgischen Patienten auch heute noch eine massive Überverschreibung einer medikamentösen Stressulkusprophylaxe zur medizinischen Routine gehört [49, 50]. Dabei scheint von den behandelnden Ärzten das Risiko eines Auftretens stressulkusbedingter Blutungen massiv überschätzt beziehungsweise den Patientengruppen nicht regelrecht zugeordnet werden zu können [49, 50]. Angesichts der Tatsache, dass den zur SUP verwendeten Medikamente eine zunehmend größere Zahl unerwünschter Nebenwirkungen (bakterielle Gastroenteritis, akute interstitielle Nephritis, Vitamin-B12-Mangel, ein erhöhtes Risiko für eine Covid-19-Infektion, ambulant und nosokomial erworbene Pneumonien, Demenzerkrankungen, Osteoporose sowie Elektrolytstörungen) zugeordnet werden kann, sollte die Verschreibung der SUP nach einem festen Indikationsschemas erfolgen und im Laufe des stationären Aufenthaltes wiederholt kritisch hinterfragt werden [23-27].
Die Entwicklung einheitlicher Empfehlungen und Richtlinien zur Handhabung von SUP und die Sensibilisierung chirurgisch tätiger Ärzte im Rahmen von Fort- und Weiterbildungen erscheint somit, angesichts der erarbeiteten Daten, dringend notwendig zu sein.
Die immunologische Dysfunktion nach operativem Trauma und der Einfluss des N. vagus im Mausmodell
(2024)
Trotz aller medizinischen Fortschritte der letzten Jahrzehnte ist der Einfluss operativer Trauen auf die Immunhomöostase noch weitgehend unklar. Im Falle septischer Komplikationen sind postoperative Patienten meist mit einer noch höheren Mortalität assoziiert als septische Patienten ohne ein vorhergehendes operatives Trauma. Einen Grund dafür stellt die postoperative Immundysfunktion dar, welche von Länge und Ausmaß der Operation abhängt. Die pathophysiologischen Hintergründe sind noch unbekannt und erscheinen traumaspezifisch. Um diese einer näheren Betrachtung unterziehen zu können, wurde in unserer Arbeitsgruppe das Tiermodell der Surgically induced Immune Dysfunction (SID) etabliert. Dafür wird zur Simulation eines abdominalchirurgischen Eingriffs der Dünndarm nach einer medianen Laparotomie dreimal antegrad ausgestrichen. Einen möglichen Baustein zum Verständnis dieser Immundysfunktion stellt die Entdeckung des cholinergen antiinflammatorischen Signalweges (CAIP) dar. Über diesen ist das Zentralnervensystem via den Nervus vagus in der Lage, immunmodulatorisch einzuwirken. Ziel der Arbeit war es, aufgrund dessen unter anderem den systemischen Einfluss des CAIP auf die postoperative Immundysfunktion zuuntersuchen. Dafür wurden einige Versuchstiere sechs Tage vor SID einer Vagotomie unterzogen. Die Analysen erfolgten nach sechs Stunden und drei Tagen.
Zusammenfassend konnte sechs Stunden nach SID eine Akut-Phase-Reaktion beobachtet werden, die durch eine Neutrophilie, Lymphopenie, erhöhte IL-6-Konzentrationen und komplett aktivierte T-Lymphozyten gekennzeichnet war. Gleichzeitig zeigten sich aber auch eine erhöhte IDO-Aktivität und eine reduzierte LPS-Stimulierbarkeit von Blut- und Milzzellen. Diese gedämpfte Immunreaktion auf den in-vitro second hit schlug bemerkenswerterweise nach drei Tagen in eine Hyperreagibilität und damit in einen hyperinflammatorischen Phänotyp um. Gleichzeitig reduzierte sich die Anzahl von Teff- und B-Lymphozyten, während zeitgleich eine relative Treg-Expansion mit gesteigerter CTLA-4-Expression nachweisbar war. Diese Steigerung immunsuppressiver Mechanismen und dergleichzeitige Verlust an Effektorzellen könnte im Falle eines nachfolgenden second hit zu der beobachteten gesteigerten Mortalität postoperativer Patienten beitragen. Wurde vor der SID eine Vagotomie durchgeführt, fiel die Inflammation sechs Stunden später noch intensiver aus: Die Neutrophilie war stärker ausgeprägt und die Konzentration von proinflammatorischen Zytokinen im Plasma war erhöht. Die reduzierte LPS-Stimulierbarkeit von Blut- und Immunzellen wurde im Wesentlichen aufgehoben. Nach drei Tagen verstärkte eine Vagotomie die bereits nach SID beobachtete Hyperreagibilität auf den LPS-Stimulus noch weiter.
Somit lassen diese Ergebnisse auf einen wichtigen immunsuppressiv wirkenden vagalen Einfluss auf die postoperative Immundysfunktion schließen und zeigen einen vielschichtigen zeitlichen Verlauf von Anti- und Hyperinflammation nach operativem Trauma auf. Eine nähere Erforschung dieses multiphasischen Verlaufs kann Implikationen für die klinische Praxis, insbesondere im Bezug auf Re-Operationen geben. Auch eröffnet es die spannende Frage, ob das Immunsystem auf einen postoperativen septischen Fokus in Abhängigkeit vom zeitlichen Abstand zur Operation unterschiedlich reagiert. Nicht zuletzt wird durch die Ergebnisse auch ein wichtiges Schlaglicht auf die Bedeutung von traumareduzierenden Operationsverfahren wie der minimal-invasiven laparoskopischen Chirurgie für das postoperative Outcome geworfen.
Pancreatic cancer is known for its tumor microenvironment (TME), which is rich in stromal and immune cells supporting cancer growth and therapy resistance. In particular, tumor-associated macrophages (TAMs) are known for their angiogenesis- and metastasis-promoting properties, which lead to the failure of conventional therapies for pancreatic cancer. Hence, treatment options targeting TAMs are needed. The C-C chemokine receptor type 4 (CCR4) is critical for immune cell recruitment into the TME, and in this paper we explore the effects of its genetic or immunotherapeutic blockade in pancreatic-cancer-bearing mice. Murine PDA6606 pancreatic cancer cells and murine peritoneal macrophages were used for in vitro migration assays. In vivo, a syngeneic, orthotropic pancreatic cancer model was established. Tumor growth and survival were monitored under prophylactic and therapeutic application of a CCR4 antagonist (AF-399/420/18025) in wildtype (CCR4wt) and CCR4-knockout (CCR4−/−) mice. Immune infiltration was monitored in tumor tissue sections and via flow cytometry of lysed tumors. PDA6606 cells induced less migration in CCR4−/− than in CCR4wt macrophages in vitro. Pancreatic TAM infiltration was higher, and survival was reduced in CCR4wt mice compared to CCR4−/− mice. Antagonizing CCR4 in wildtype mice revealed similar results as in CCR4−/− mice without antagonization. Prophylactic CCR4 antagonist application in wildtype mice was more efficient than therapeutic antagonization. CCR4 seems to be critically involved in TAM generation and tumor progression in pancreatic cancer. CCR4 blockade may help prolong the relapse-free period after curative surgery in pancreatic cancer and improve prognosis.
Background: General clinical perception suggests a decline in the diagnosis and treatment of lung cancer during the SARS-CoV-2 pandemic. Early diagnosis of non-small cell lung cancer (NSCLC) is crucial in therapeutic regimes as early stages are potentially curable by operation alone or with combined therapy. Pandemic-triggered overload of the healthcare system may have prolonged the diagnosis of NSCLC, possibly leading to higher tumor stages at first diagnosis. This study aims to identify how COVID-19 affected the distribution of the Union for International Cancer Control (UICC) stage in NSCLC at first diagnosis.
Methods: A retrospective case-control study was conducted, including all patients receiving their first diagnosis of NSCLC in the regions of Leipzig and Mecklenburg-Vorpommern (MV) between January 2019 and March 2021. Patient data were retrieved from the clinical cancer registries of the city of Leipzig and the federal state of MV. Ethical approval for this retrospective evaluation of archived, anonymized patient data was waived by the Scientific Ethical Committee at the Medical Faculty, Leipzig University. Three investigation periods were defined to study the effects of high incidences of SARS-COV-2: the curfew period as an enacted security measure, the period of high incidence rates and the period of the aftermath of high incidences. Differences in the UICC stages between these pandemic periods were studied by Mann-Whitney-U-Test. Pearson’s correlation was calculated to examine changes in operability.
Results: The number of patients diagnosed with NSCLC dropped substantially during investigation periods. There was a significant difference in the UICC status in the aftermath of high incidences and imposed security measures in Leipzig (P=0.016). N-status differed significantly in the aftermath of high incidences and imposed security measures (P=0.022) with a decrease of N0- and an increase of N3-status, respectively, while N1- and N2-status remained relatively unaffected. No pandemic phase showed a significant difference in operability.
Conclusions: The pandemic led to a delay in the diagnosis of NSCLC in the two examined regions. This resulted in higher UICC stages upon diagnosis. However, no increase in inoperable stages was shown. It remains to be seen, how this will affect the overall prognosis of the involved patients.
Introduction: Splenic B cells exhibit a high expression of the G protein-coupled sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor type 4 (S1PR4). Little is known about the functional relevance of S1PR4 expression on those cells.
Methods: In this study, S1PR4-deficient mice were used to study the role of S1PR4-mediated S1P signaling in B cell motility in vitro and for the maintenance of the splenic architecture under steady state conditions as well as in polymicrobial abdominal sepsis in vivo. Finally, the impact of S1PR4 deficiency on antibody production after immunization with T cell dependent antigens was assessed.
Results: Loss of S1PR4 resulted in minor alterations of the splenic architecture concerning the presence of B cell follicles. After sepsis induction, the germinal center response was severely impaired in S1PR4-deficient animals. Splenic B cells showed reduced motility in the absence of S1PR4. However, titres of specific antibodies showed only minor reductions in S1PR4-deficient animals.
Discussion: These observations suggest that S1P signaling mediated by S1PR4 modifies chemokine-induced splenic B cell chemotaxis, thus modulating splenic microarchitecture, GC formation and T-cell dependent antibody production.
Introduction
Medical gas plasma therapy has been successfully applied to several types of cancer in preclinical models. First palliative tumor patients suffering from advanced head and neck cancer benefited from this novel therapeutic modality. The gas plasma-induced biological effects of reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) generated in the plasma gas phase result in oxidation-induced lethal damage to tumor cells.
Objectives
This study aimed to verify these anti-tumor effects of gas plasma exposure on urinary bladder cancer.
Methods
2D cell culture models, 3D tumor spheroids, 3D vascularized tumors grown on the chicken chorion-allantois-membrane (CAM) in ovo, and patient-derived primary cancer tissue gas plasma-treated ex vivo were used.
Results
Gas plasma treatment led to oxidation, growth retardation, motility inhibition, and cell death in 2D and 3D tumor models. A marked decline in tumor growth was also observed in the tumors grown in ovo. In addition, results of gas plasma treatment on primary urothelial carcinoma tissues ex vivo highlighted the selective tumor-toxic effects as non-malignant tissue exposed to gas plasma was less affected. Whole-transcriptome gene expression analysis revealed downregulation of tumor-promoting fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) accompanied by upregulation of apoptosis-inducing factor 2 (AIFm2), which plays a central role in caspase-independent cell death signaling.
Conclusion
Gas plasma treatment induced cytotoxicity in patient-derived cancer tissue and slowed tumor growth in an organoid model of urinary bladder carcinoma, along with less severe effects in non-malignant tissues. Studies on the potential clinical benefits of this local and safe ROS therapy are awaited.
Background
Disseminated Intravascular Coagulation (DIC) is a life-threatening complication of sepsis. In surgical ICUs, DIC is frequently caused by abdominal sepsis, and the disarranged coagulation and complications often lead to death. The severity of sepsis is associated with a higher DIC score according to the parameters proposed by the International Society of Hemostasis and Thrombosis (ISTH) in 2001: platelet count, bleeding time (Quick), D-dimer, and fibrinogen. One problem in studying DIC is finding an adequate animal model that reflects the clinical situation of polymicrobial overwhelming infection.
Aims and methods
We investigated whether a well-established polymicrobial sepsis model of colon ascendens stent peritonitis (CASP) is suited to investigate the complexity of DIC. For this purpose, CASP-operated mice were examined 20 h after the operation with regard to coagulation parameters using cell counts, bleeding times, rotational thromboelastometry (ROTEM), ELISAs for D-dimer and fibrinogen, and platelet accumulation in affected organs via immunohistochemistry to see if the mice develop a coagulation disorder that meets the definition of DIC proposed by the ISTH 2001 consensus conference.
Results
Herein, we showed that the CASP model is an all-encompassing animal model to analyze the complexity of systemic DIC in murine abdominal sepsis. There is highly reproducible thrombocytopenia, a significant prolongation of the bleeding time, and a loss of fibrinogen in plasma. We also observed microvascular thrombosis due to platelet accumulation in the microcirculation of the liver.
Conclusion
The CASP model seems superior to other artificial models, e.g., injecting substances, for inducing DIC. CASP is one of the best true-to-life models for analyzing the complexity of disseminated intravascular coagulation in polymicrobial sepsis.
Trotz allen wissenschaftlichen Fortschritts und verbesserter Therapien bleibt das Pankreaskarzinom
eine äußerst schwerwiegende Erkrankung und ist gekennzeichnet durch eine späte Diagnosestellung,
eine - sofern noch möglich - anspruchsvolle und risikoreiche Operation zur Resektion und eine trotz
aller Bemühungen niedrige Überlebensrate.
Die körpereigene Tumorabwehr umfasst eine Vielzahl an ineinandergreifenden immunologischen
Prozessen und unterliegt der Beeinflussung durch zahlreiche Faktoren. Gerade für den Verlauf nach
einer ausgedehnten Operation ist ein intaktes Immunsystem von ganz besonderer Bedeutung.
So ist es unabdingbar, die Kenntnisse über den Einfluss einer operativ ausgelösten Immundysfunktion
auf den Verlauf des Pankreaskarzinoms zu erweitern und die Mechanismen dezidiert zu untersuchen.
Die Kombination beider Mausmodelle stellt dafür eine ausgezeichnete Möglichkeit dar.
Die Kombination von Tumor und SID löst eine starke Aktivierung des Immunsystems aus. In Blut und
Milz konnte eine ausgeprägte Verschiebung der zellulären Zusammensetzung zugunsten der
Neutrophilen Granulozyten und der Monozyten beobachtet werden. T-Helfer- und Zytotoxische TZellen
zeigten eine verstärkte Aktivierung. Sowohl pro- (z.B. IL-6, IL-1β, TNF) als auch
antiinflammatorische (z.B. IL-10) Zytokine waren im Serum bzw. im Splenozytenüberstand in
erhöhter Konzentration messbar. Dies unterstreicht die Vermutung, dass die Kombination beider
Stressoren (Tumor + SID) zu einer verstärkten und möglicherweise prolongierten sowie
dysregulierten Aktivierung des Immunsystems führt. Wesentliche Ergebnisse dieses Teils der Arbeit
wurden im August 2022 im Cancers (Basel) veröffentlicht.
Zusätzlich konnte durch die Bestimmung verschiedenster Metabolite gezeigt werden, dass die
Kombination von Tumor und SID einen katabolen Stoffwechsel hervorruft. Viele Metabolite, wie
Spermin, Spermidin oder Carnosin, die das Tumorwachstum beeinflussende Eigenschaften
aufweisen, zeigten sich durch die Kombination der beiden Stressoren signifikant verändert. Nicht
zuletzt wurde der Einfluss von Tumor und SID sogar auf den Stoffwechsel von
Plasmamembranbestandteilen sichtbar.
Die Kombination dieser beiden Modelle bietet viel Potential für wichtige Erkenntnisse in Bezug auf
den Einfluss der postoperativen Immundysfunktion auf den Verlauf des Pankreaskarzinoms und kann
einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der immunologischen wie metabolischen Mechanismen
leisten. Nur so besteht die Möglichkeit, in Zukunft vielversprechende Therapieansätze entwickeln zu
können.