Doctoral Thesis
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Patienten mit Sepsis haben eine schlechte Mikrozirkulation sowie kardiovaskuläre Depression. Zur Therapie müssen unbedingt und schnellstmöglich Antibiotika gegeben werden, die oft kombiniert wird mit Antikoagulantien-Therapie. Nun stellt sich die Frage, welchen direkten Effekt Antibiotika und Antikoagulantien auf den Gefäßtonus beim septischen Patienten haben. Als ersten Schritt dieser Forschung wurden an gesunden Ratten-Aortenringen Antibiotika und Antikoagulantien durch Messung der isometrischen Kontraktion in vitro getestet. Alle Medikamente wurden hinsichtlich ihrer Relaxationsfähigkeit bei Vorkontraktion mit 20/40 mM KCl oder Phenylephrin (5x10-7M oder 5x10-8M) getestet, sowie die Phenylephrin Dosis-Wirkungs-Kurve nach 30 Minuten bzw. 20 Stunden Inkubation (bei 37°C) konstruiert. Zudem wurde die Wirkung des Medikaments in hohen Konzentrationen auf den Ruhezustand der Ringe erprobt. Bei den Antibiotika konnte festgestellt werden, dass Linezolid möglicherweise ein K+-Kanal Aktivator ist, da es bei einer Präkontraktion von 40mM KCl und darauffolgender kumulativer Gabe von Linezolid signifikant weniger stark relaxiert, als bei 20mM KCl Vorkontraktion (P=0,02). Weiterhin könnten sowohl Linezolid als auch Daptomycin intrazelluläre Mechanismen beeinflussen, da sie bei der Inkubation von 30 Minuten (pEC50: 7.47±0.06(Lin)/7.45±0.08(Dap) vs 6.96±0.05(Kon)) und 20 Stunden (pEC50: 7.2±0.04 (Lin)/ 7.45±0.04 (Dap) vs 6.89±0.05(Kon)) und folgender Phenylephrin-Dosis-Wirkungs-Kurve beide eine Linksverschiebung der Kurve im Vergleich zur Kontrolle bewirken (P<0,05). Zudem ist ihre erreichte Maximalspannung in beiden Versuchsreihen signifikant höher als die der Kontrolle. Bei den Antikoagulantien wurde ermittelt, dass bei Enoxaparin (P=0,00002), Tinzaparin (P=0,0002) und Danaparoid (P=0,005) möglicherweise eine K+-Kanal Aktivierung vorliegen könnte, da sie alle bei 20mM KCl Vorkontraktion stärker relaxieren als bei 40mM KCl Präkontraktion. Zudem konnte bei Tinzaparin (P=0,002) und Enoxaparin (P=0,01) nach Vorkontraktion mit Phenylephrin eine signifikante Relaxation im Vergleich zur Kontrolle festgestellt werden, was eventuell hinweist auf eine α-adrenerge Stimulation. Nach 30 Minuten Inkubation fanden wir heraus, dass Argatroban und Danaparoid eine Linksverschiebung der Phenylephrin-Dosis-Wirkungs-Kurve gegenüber der Kontrolle bewirken (pEC50: 7.17±0.08(Arg)/7.12±0.05(Dan) vs 6.96±0.05(Kon)), während Enoxaparin (pEC50: 6.77±0.03) eine Rechtsverschiebung zeigte (bei allen P<0,05). Bei der 20-stündigen Inkubation hingegen zeigten alle Antikoagulantien im Vergleich zur Kontrolle eine erhöhte Sensitivität gegenüber Phenylephrin (pEC50: 7.37±0.05(Arg)/7.13±0.04(Dan)/7.1±0.05(Eno)/ 7.06±0.04(Tin) vs 6.89±0.05(Kon)). Möglicherweise beeinflussen sie also intrazelluläre Mechanismen. Die Maximalspannung war, im Vergleich zur Kontrolle, bei Enoxaparin und Argatroban erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige der getesteten Substanzen möglicherweise eine K+-Kanal Aktivierung, eine α-adrenerge Stimulation oder eine intrazelluläre Modulation bewirken. Ob diese Ergebnisse eine Bedeutung für den Menschen haben und ob sie bedeutsam bei Sepsis sind, muss noch untersucht werden.
This thesis contains results from transcriptome studies on different aspects of host-pathogen interactions. First, liver gene expression profiles from a murine chronic stress model served to elucidate aspects of the influence of stress on metabolism and immune response state. Chronic stress in female BALB/c mice was shown to lead to a hypermetabolic syndrome including induction of gluconeogenesis, hypercholesteremia, and loss of essential amino acids, to the induction of the acute phase response, but also of immune suppressive pathways and to the repression of hepatic antigen presentation. Increased leukocyte trafficking, increased oxidative stress together with counter-regulatory gene expression changes, and an induction of apoptosis were detected. The influence of intra-venous infection on the host kidney gene expression was analyzed in another murine model using the wild type strain Staphylococcus aureus RN1HG and its isogenic sigB mutant. Gene expression profiling indicated a highly reproducible host kidney response to infection. The comparison of infected with non-infected samples revealed a strong inflammatory reaction of kidney tissue, e. g. Toll-like receptor signaling, complement system, antigen presentation, interferon and IL-6 signaling. However, the results of this study did not provide any hints for differences in the pathomechanism of the S. aureus strains RN1HG and ΔsigB, since the host response did not differ between infections with the two strains analyzed. Effects of SigB might be transient, only apparent at earlier time points, or might also be compensated for in the in vivo infection by the interlaced pattern of other regulators. SigB might possess only to a lesser extent characteristics attributed to virulence factors and might act in vivo more like a virulence modulator and fine tune bacterial reactions. In addition to the analysis of tissue samples, different in vitro models were furthermore studied. The third part of this thesis focuses on bone-marrow derived macrophages (BMM) of the two mouse strains BALB/c and C57BL/6, which are described in literature to exhibit genetically determined differences in their reaction to infection. Expression profiling was performed on control and IFN-γ treated samples from a serum-free cultivation system and revealed mainly induction of gene expression after treatment of BMM with IFN-γ. Gene expression changes confirmed known IFN-γ effects like induction of immunoproteasome, antigen presentation, interferon signaling related genes, GTPase/GBPs, and inducible NO synthase. IFN-γ dependent gene expression changes were highly similar in BALB/c and C57BL/6 BMM. Considering gene expression differences between BMM of both strains, a similar expression trend was visible on the level of untreated controls as well as after IFN-γ treatment. Differentially expressed genes between BMM of both strains included immune-relevant genes as well as genes linked to cell death, but the coverage of functional groups was limited. The bronchial epithelial cell line S9 was used as an in vitro model system for the infection with S. aureus RN1HG. The fourth chapter in this thesis includes S9 cell gene expression signatures 2.5 h and 6.5 h after start of infection. At the early time point, only 40 genes were differentially expressed, which nevertheless indicated a beginning pro-inflammatory response, e. g. induction of cytokines (IL-6, IFN-β, LIF) or prostaglandin-endoperoxide synthase 2 (PTGS2), but also counter-regulatory processes, e. g. induction of CD274. The host cell response was dramatically aggravated at the later 6.5 h time point. Differential expression was detected for 1196 genes. These included induced cytokines, pattern recognition receptor signaling, antigen presentation, and genes involved in immune defense (e. g. GBPs, MX, APOL). Negative effects on growth and proliferation were even more enhanced in comparison to the early time point, and signs for apoptotic processes were revealed. Finally, the last chapter addresses amongst others the pathogen’s expression profile in the S9 cell in vitro infection model at the two time points 2.5 h and 6.5 h after start of infection by tiling array gene expression analysis. The pathogen expression profiling revealed the activity of the SaeRS two-component system in internalized staphylococci. Partly dependent on SaeRS, the induction of adhesins (e. g. fnbAB, clfAB), toxins (hlgBC, lukDE, hla), and immune evasion genes (e. g. chp, eap) was observed. Furthermore, expression changes of metabolic genes were recorded (gene induction of amino acid biosynthesis, TCA cycle, gluconeogenesis; gene repression of glycolysis, purine biosynthesis, tRNA synthetases). Expression analysis recorded a distinct bacterial expression program, which supported literature results of a specific, bacterial strain and host cell line dependent transcriptional adaptation of the pathogen.