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- Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie (1)
- Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin (1)
Hintergrund: Die Peritonitistherapie beinhaltet häufig die Abdominallavage mit dem lokalen Antiinfektivum Polyhexanid, als 0,05% Lösung, die häufig zu einer Hypotension führt. Methode: Wir untersuchten in gesunden Ratten die Auswirkungen einer Peritoneallavage mit Polyhexanid oder NaCl (je 10ml über 10min; Polyhexanid n=5, NaCl n=5) auf den Blutdruck und registrierten bei 7 weiteren Tieren die Durchmesser submukosaler Blutgefäße einer Ileumschlinge vor und nach lokaler Superfusion mit Polyhexanid mittels intravitaler Fluoreszenzmikroskopie. In isometrischen Präparationen der thorakalen Rattenaorta mit und ohne Endothel, die mit Phenylephrin(PE) oder KCl 20 oder 40 mmol kontrahiert worden waren, wurden die Effekte von Polyhexanid auf den Gefäßtonus bestimmt. Resultate: Es wurde festgestellt, dass Peritoneallavage mit Polyhexanide zu einem Abfall des mittleren arteriellen Drucks führte, während Superfusion mit Polyhexanid eine lokaleVasodilatation der Gefäße der Darmwand bewirkte. In vitro relaxierte Polyhexanide Aortenringe, die mit Phenylephrin kontrahiert worden waren, Präparationen +End reagierten empfindlicher Inkubation mit dem NO-Synthetasehemmer N(G)-nitro-L-arginine methyl ester oder dem Guanylylcyclasehemmer 1H-(1,2,4)Oxodiazolo-(4,3-a)quinoxalin-1-one führte jeweils zu einer partiellen Hemmung der relaxierenden Wirkung. Die relaxierenden Effekte von Polyhexanid konnten in Präparationen ohne Endothel durch keinen der Kaliumkanalblocker Charibdotoxin, Tetraäthylammoniumchlorid, Glibenclamid oder 4-Aminopyrridine verhindert werden. Polyhexanid zeigte keine Wirkung auf Aortenpräparate, die mit 40mmol KCl kontrahiert worden waren. Schlussfolgerung: Es ist zu folgern, dass Polyhexanid NO freisetzen, Kaliumkanäle aktivieren und darüber zu einer Vasodilatation führen kann, die dann eine Hypotension bewirkt.
Inhaltsverzeichnis 1. EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG 1.1. EINLEITUNG 1.1.1. Peritonitisformen / Ätiologie 1.2. PROBLEMSTELLUNG 1.3. NEUE ENTWICKLUNGEN ZUR BEEINFLUSSUNG DER CHRONISCHEN ABSZEDIERENDEN PERITONITIS IM TIERMODELL 1.4. ANMERKUNGEN ZUR ANTISEPTIK 1.4.1. Antiseptik - Begriff 1.4.3. Taurolidin 1.4.4. Lokalantibiotika 1.4.5. Antimikrobielle Chemotherapeutika 2. EIGENE UNTERSUCHUNGEN UND ERGEBNISSE 2.1. MATERIAL UND METHODEN 2.1.1. Versuchstierspezies 2.1.2. Tierhaltung 2.1.3. Genehmigung der Studie 2.1.4. Geplantes Peritonitismodell 2.1.5. Histologische Auswertung 2.1.6. Versuchsgruppen bildung 2.2. ERGEBNISSE 2.2.1. Makroskopische Ergebnisse Dosisoptimierungsversuche 2.2.2. Histologische Ergebnisse Dosisoptimierungsversuche 3. DISKUSSION 3.1. ANMERKUNGEN ZUM TIERMODELL 3.2. DISKUSSION DER VERSUCHSERGEBNISSE 4. ZUSAMMENFASSUNG 5. LITERATURVERZEICHNIS
Einfluss der subdiaphragmalen Vagotomie auf die Immunantwort in der murinen polymikrobiellen Sepsis
(2008)
Neben seiner bekannten Funktion im Autonomen Nervensystem zeigt der Nervus vagus bedeutende Einflüsse auf das Immunsystem. Bei diesem als „cholinergic anti-inflammatory pathway“ diskutierten Weg beeinflusst das Autonome Nervensystem über Efferenzen des Nervus vagus Zellen des Immunsystems. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss einer vollständigen subdiaphragmalen Vagotomie auf die Immunantwort in der akuten polymikrobiellen Peritonitis und Sepsis untersucht. Um das Überleben und den Verlauf einer Sepsis unter Vagotomie bei Mäusen zu betrachten, wurden die Tiere im ersten Teil der Arbeit gleichzeitig einer CASP und einer Vagotomie unterzogen. Zur Sepsisinduktion wurde das chirurgische Modell der Colon ascendens stent peritonitis (CASP) an Mäusen gewählt. Durch die CASP kann die Situation einer polymikrobiellen Sepsis realistisch nachgebildet werden. Die Durchtrennung des anterioren und posterioren Anteils des Nervus vagus erfolgte subdiaphragmal. Dieses Modell entspricht dem typischen Bild einer abdominellen Vagotomie, wie sie nach Magen- und Speiseröhrenresektion klinisch vorkommen kann. In der Überlebenskinetik zeigte sich, dass die Vagotomie allein keinen Einfluss auf das Überleben der Versuchstiere hat. In den septischen Tieren führte sie jedoch zu einer erhöhten Mortalität. In den darauffolgenden Ex-vivo-Experimenten wurde dieser Zusammenhang näher untersucht. Die bakterielle Belastung in verschiedenen Organen und Kompartimenten wurde gemessen. Dabei wurde ein massiver Bakterienbefall des gesamten Organismus nach CASP gesehen. Die Vagotomie zeigte dabei keinen zusätzlichen Einfluss auf die Beseitigung der Bakterien. Eine veränderte Immunantwort nach Vagotomie in septischen Tieren konnte anhand der Konzentration diverser Zytokine im Serum und im Leberüberstand gesehen werden. Wobei die Vagotomie einen Anstieg von pro- und antiinflammatorischen Zytokinen bewirkte. Die Leber wurde mittels Bestimmung der Leberenzyme im Serum und histologischer Färbung eingehend untersucht. Hierbei sah man einen Anstieg der Leberenzyme und einen histopathologischen Leberschaden in den septischen Tieren. Die Vagotomie allein führte ebenfalls zu höheren Leberenzymen im Serum der Mäuse. Histopathologisch zeigten die vagotomierten Tiere in der Leber keine Auffälligkeiten. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass der Nervus vagus ein wichtiger Immunmodulator in der murinen polymikrobiellen Sepsis ist. Eine alleinige Vagotomie zeigte dabei keinen Einfluss auf das Immunsystem. Allerdings wirkte sie sich in Kombination mit einer septischen Komplikation negativ auf das Überleben aus. Bei einer Vielzahl bauchchirurgischer Eingriffe ist der Erhalt des Nervus vagus schwierig oder nicht möglich. So unterliegen Patienten nach Magen- und Speiseröhrenresektionen einer erhöhten perioperativen Mortalität. Hierbei stellt der „cholinergic anti-inflammatory pathway“ einen möglichen Angriffspunkt für eine effektive Therapie septischer Patienten nach Oberbauchchirurgie dar.
IL-10 drives the re-establishment of peritoneal macrophage populations in bacterial peritonitis
(2011)
The aim of this thesis work was to explore the physiological and functional properties of peritoneal macrophage populations in both the steady state and in inflammatory conditions. In the steady state there are two populations of macrophages in the peritoneum which I refer to as the R1 and R2 populations. The R1 cells are a rapidly turning over population which constitute around 20% of the peritoneal macrophages. I show that these cells have the capacity to efficiently present peptides on MHC-II to CD4+ T cells but that they are poor at phagocytosis. Monocytes transferred into the un-infected peritoneum give rise almost exclusively to this R1 population, suggesting that the R1 fate is the default pathway of monocyte development under steady state conditions. In contrast, the R2 population in the peritoneum turns over very slowly in the steady state and is composed of cells which are poor at the presentation of peptide to T cells but which are efficient at phagocytosis. Both of these populations are lost from the peritoneum within an hour of the induction of a poly-microbial peritonitis. A large fraction of the R2 population relocates from the peritoneal wash fraction to the omentum, the fate of the R1 population is less clear. Over the course of the next three days, the macrophage populations in the peritoneum are re-established. Transfer experiments using genetically marked cell populations demonstrated that neither the R1 nor the R2 populations which “disappeared” one hour after infection contributes to the re-established peritoneal wash fraction macrophage pool at day 3. While the re-established R1 population retains the functional properties and the FACS phenotype of the steady state R1 cells, the re-established R2-like population is clearly not identical to the R2 cells present in the pre-infection environment. In particular, this R2-like population can be split into two sub-populations which have non-identical functional properties. In this inflammatory situation monocytes transferred into the peritoneum now acquire the capacity to differentiate not only into R1-like cells but also into R2-like macrophages. I looked for the molecular basis driving this change of monocyte differentiation in the infected peritoneum by using a solid phase cytometry based ELISA procedure to examine the spectrum of cytokines produced in the peritoneum in response to poly-microbial infection. One of the most prominent cytokines produced early in infection is IL-10. To determine whether IL-10 is directly involved in assigning monocyte fate in the peritoneum I looked at the ability of mice carrying a targeted deficiency of either the IL-10 gene or of the IL-10 receptor gene to form the R2-like cells after infection. Neither mouse strain efficiently generates the R2-like population after infection. Adoptive transfer of genetically marked wild type or mutant monocytes into appropriate hosts demonstrated that the effect of IL-10 is not direct. Rather, the IL-10 responding cell produces a mediator which then directs monocyte fate. Thus, the bystander IL-10R deficient monocytes are driven by the mediator produced by wild type monocytes to generate R2 cells with high efficiency. The crucial role of this IL-10 dependent pathway was underscored by supplementation experiments. Mice carrying a targeted deficiency of the IL-10 gene fail to generate the R2 population during peritonitis. However, injection of IL-10 into these animals rescues the capacity to form the R2 population. In addition the normal default pathway of monocyte development in un-infected animals which leads to the R1 population is modulated by injection of IL-10 so that the monocytes can now differentiate into the R2 population. The work presented in this thesis describes the steady state populations of phagocytes in the un-infected peritoneum and the dynamics of these populations during the induction of peritonitis. It also uncovers an IL-10 dependent pathway which regulates the choice of monocyte developmental fate within the peritoneum.
Rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) represents the third most produced species of diadromous fish, with the total production of 0,732 million tonnes in 2009. More than one third of this production comes from Europe, where it is dominated by Norway, Italy and France. Germany is the fifth biggest producer in Europe, producing 21 thousand tonnes of rainbow trout in the value of 6,1 million Euro. However, the conditions in the intensive aquaculture often increase the disease susceptibility to many pathogens. One of the highest economic threats for a salmonids aquaculture is the causative agent of furunculosis, Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida. Several strategies have been developed to protect the fish, but the traditional methods are either laborious or represent a potential risk for the environment. The selective breeding established more than 35 years ago in the brackish waters of Baltic Sea represent a attractive alternative, delivering a novel strain of rainbow trout better adapted to the brackish environment and exhibiting reduced mortality in the infection with A.salmonicida. Nevertheless, no information was available about the fundaments of this phenomenon. Thus, the aim of presented study was the identification of immune adaptations, which occurred during the 30 years of selection and favoured increased survival of “born” trout to the bacterial diseas es. In the presented work, the peritoneal cavity of rainbow trout has been used as a model for the investigation of disease resistance in fish. In the first chapter, the peritoneal cavity has been described as a unique niche of teleost immune system and the kinetic of peritoneal leukocytes induced by the stimulation has been analysed. Furthermore, a unique set of monoclonal antibodies has been used to evaluate the contribution of distinct cell populations on the inflammation and its resolution. In the second part of the study, the transcriptional changes of peritoneal leukocytes have been evaluated using the GRASP microarray. The following analysis provided unique insights into the local immune response in rainbow trout. The unprecedented combination of both data sets offers an unparalleled description of the local immune response in teleost fish and can be summarized into following facts. In general, the obtained results revealed, that the unstimulated peritoneal cavity is populated predominantly by lymphocytes with IgM+ Bcells being the major cells type. The rapid changes in the composition induced by the stimulation were underlined by the upregulation of major proinflammatory molecules such as IL1β, IL8 and TNFα within 12hpi. Although the initial phase of the reaction was dominated by myeloid cells, the cavity underwent within 72 hours two complete changes in the composition corresponding with the massive changes in the transcriptome. Eventually, the resolution of inflammation was marked by an increasing number of lymphocytes and correlated with the downregulation of pro-inflammatory genes to the initial level and upregulation of anti-inflammatory cytokines IL10 and TGFβ. Besides the general observations common to all treatments and both strains, our experiments revealed also remarkable differences between the antigenic stimulation and reaction towards pathogen. From these differences following conclusions can be drawn; the infection induces comparable reaction pattern as the stimulation, although the intensity of the reaction and number of cells is higher. These observations correlated with the higher expression of inflammatory molecules after the infection. Viable bacteria also prolong the myeloid phase of the reaction and delay the resolution of inflammation. Finally, model of peritoneal inflammation caused by A. salmonicida has been applied also to the second strain of rainbow trout, known for its higher resistance to infection. The comparison of obtained data suggested that resistant trout reacted to the antigenic stimulation and infection with a lower number of cells despite minor differences in the expression level of major pro-inflammatory molecules during early stages of the infection. Eventually, the resolution of inflammation and onset of adaptive immune response occurred in resistant trout almost 24 hours earlier and was correlating with an increased expression of anti-inflammatory cytokines IL10 and TGFβ. Notably, the increased survival of resistant strain correlates with the increased expression of antibacterial proteins such as NRAMP and hepcidin. Taken together, obtained data provided unprecedented insights into the local immune response in teleost fish and identified features conserved during the selection breeding in the brackish water of Baltic Sea. Additionally, combination of cellular and molecular data elucidates the peritoneal inflammation in fish and suggested high conservation of the immune response in the evolution.
Mit dem cholinergen antiinflammatorischen Signalweg (CAP) konnte in den letzten Jahren eine vielversprechende Therapieoption identifiziert werden, um die unverändert hohe Letalität der klinischen Sepsis entscheidend zu senken. Die Untersuchung des therapeutischen Nutzens einer pharmakologischen Parasympathikusstimulation in der murinen polymikrobiellen Sepsis der Colon Ascendens Stent Peritonitis (CASP) war eine Hauptfragestellung dieser Arbeit. Untersucht wurden die Auswirkungen von Nikotin auf das Überleben und die Zytokinspiegel in der CASP. Es konnte gezeigt werden, dass die Effektstärke des CAP im Vollbild der polymikrobiellen Sepsis ihre Limitation erfährt. Hierdurch wurde die Hypothese gefestigt, dass eine Stimulation des CAP vornehmlich in Hyperinflammationsmodellen protektiv wirkt, aber keine oder sogar eine nachteilige Wirkung in Sepsismodellen mit wesentlicher Infektionskomponente besitzt. Der CAP wirkt folglich antiinflammatorisch, aber nicht antiinfektiös. Chirurgische Eingriffe besitzen eine immunmodulierende Wirkung. Kleine chirurgische Eingriffe können immunaktivierend wirken, größere Operationen hingegen das Immunsystem paralysieren. Diese beiden diametralen Verläufe könnten einen entscheidenden Einfluss auf das Outcome einer postoperativen Sepsis haben. Ein regelrecht konditioniertes Immunsystem könnte eine Schutzwirkung entfalten und die Sepsismorbidität und -mortalität senken. Diese Arbeit hat gezeigt, dass kleinere, sterile periphere Eingriffe eine Art „operative Impfwirkung“ besitzen. Erkenntnisse über die Reaktions- und Regulationsmechanismen nähren die Hoffnung, durch geeignete Anpassung des operativen Behandlungsregimes eine immunologische Alteration herbeiführen zu können und so den Ausgang großer chirurgischer Eingriffe in Zukunft entscheidend verbessern zu können.
Die Sepsis ist die Haupttodesursache auf nicht kardiologischen Intensivstationen mit einer Mortalität zwischen 30-50%. Auf Grund der epidemiologischen Entwicklung unserer Gesellschaft, einer Indikationsausweitung invasiver und operativer Verfahren sowie steigender Antibiotikaresistenzen und immunsuppressiver Therapien ist die Inzidenz der Sepsis steigend. Forschungsbemühungen zur Verbesserung der Sepsistherapie haben in den letzten Jahrzehnten immer wieder erfolgsversprechende präklinische Ergebnisse in in vitro und in vivo Modellen aufzeigen können. Die Translation in den klinischen Alltag ist dabei jedoch zumeist gescheitert. Die aktuelle Sepsistherapie basiert somit nach wie vor auf den kausalen Säulen der Fokuskontrolle und antimikrobiellen Therapie. Intensivmedizinische Maßnahmen wie die hämodynamische Stabilisierung oder die Durchführung von Organersatzverfahren können definitionsgemäß nicht mehr der kausalen, sondern nur noch der supportiven oder gar adjunktiven Therapie zugeordnet werden. In den letzten Jahren ist die Alteration der endothelialen Barriere im Rahmen systemisch entzündlicher Prozesse mit der Ausbildung eines sogenannten „Capillary leakage syndrome“ mit konsekutiver Ausbildung eines Multiorganversagens auf Grund einer Organminderperfusion zunehmend in den Fokus der Grundlagenwissenschaft gerückt. Trotz dieser enormen pathophysiologischen Bedeutung ist bis heute noch keine Therapieform zur Stabilisierung der Endothelbarriere in septischen Patienten etabliert. Der parazelluläre Spalt der endothelialen Barriere wird durch Adherens- und Tight Junctions abgedichtet, wobei das Adhäsionsprotein Ve-cadherin die Hauptkomponente darstellt und somit die entscheidende Rolle in der endothelialen Integrität einnimmt. Darüberhinaus ist Ve-cadherin in die Endothel-Leukozyten-Interaktion, sowie der makromolekularen Permeabilität partizipiert und kann zusätzlich als Rezeptor für das Fibrinspaltprodukt Bbeta 15-42 dienen. Petzelbauer et al. konnten zeigen, dass eine synthetisch hergestellte Bbeta 15-42 Sequenz (FX06) den Reperfusionsschaden in einem Tiermodell des Herzinfarktes durch eine verminderte leukozytäre Transmigration als Resultat der kompetitiven Interaktion mit Ve-cadherin signifikant reduzieren konnte. In der hier vorliegenden Arbeit wurde der Hypothese nachgegangen, ob FX06 das Überleben in einem Modell der murinen polymikrobillen Sepsis, Colon ascendens Stent Peritonitis, durch eine Stabilisierung der endothelialen Barriere verbessern kann. Des Weiteren wurde der Einfluss von FX06 auf die systemische Zytokinfreisetzung untersucht. Die gewonnen Daten zeigen, dass es durch die Applikation von FX06 zu einer Stabilisierung der Endothelbarriere, vor allem in der Lunge, kommt und somit auch das Überleben signifikant verbessert ist. Das Zytokin- und Chemokinprofil wird dabei nicht durch FX06 beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass FX06 einen möglichen neuen therapeutischen Ansatz zur Stabilisierung der Endothelbarriere darstellt und somit das Überleben in der polymikrobiellen Sepsis verbessern könnte. Zu Evaluierung des genauen Wirkmechanismus von FX06, sowie möglichen Nebenwirkungen und Dosisfindungskurven bedarf es weiterer intensiver Forschungsanstrengungen.