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Divalent magnesium restores cytoskeletal storage lesions in cold-stored platelet concentrates
(2022)
Cold storage of platelet concentrates (PC) has become attractive due to the reduced risk of bacterial proliferation, but in vivo circulation time of cold-stored platelets is reduced. Ca2+ release from storage organelles and higher activity of Ca2+ pumps at temperatures < 15 °C triggers cytoskeleton changes. This is suppressed by Mg2+ addition, avoiding a shift in Ca2+ hemostasis and cytoskeletal alterations. We report on the impact of 2–10 mM Mg2+ on cytoskeleton alterations of platelets from PC stored at room temperature (RT) or 4 °C in additive solution (PAS), 30% plasma. Deformation of platelets was assessed by real-time deformability cytometry (RT-DC), a method for biomechanical cell characterization. Deformation was strongly affected by storage at 4 °C and preserved by Mg2+ addition ≥ 4 mM Mg2+ (mean ± SD of median deformation 4 °C vs. 4 °C + 10 mM Mg2+ 0.073 ± 0.021 vs. 0.118 ± 0.023, p < 0.01; n = 6, day 7). These results were confirmed by immunofluorescence microscopy, showing that Mg2+ ≥ 4 mM prevents 4 °C storage induced cytoskeletal structure lesion. Standard in vitro platelet function tests showed minor differences between RT and cold-stored platelets. Hypotonic shock response was not significantly different between RT stored (56.38 ± 29.36%) and cold-stored platelets with (55.22 ± 11.16%) or without magnesium (45.65 ± 11.59%; p = 0.042, all n = 6, day 1). CD62P expression and platelet aggregation response were similar between RT and 4 °C stored platelets, with minor changes in the presence of higher Mg2+ concentrations. In conclusion, increasing Mg2+ up to 10 mM in PAS counteracts 4 °C storage lesions in platelets, maintains platelet cytoskeletal integrity and biomechanical properties comparable to RT stored platelets.
Bis zu 5% der Patienten, welche unfraktioniertes Heparin erhalten, bilden eine immunogene Thrombozytopenie aus. Komplikationen dieser Heparin-induzierten Thrombozytopenie (HIT) können gliedmaßen- und lebensbedrohliche Thrombosen sein. Die HIT wird durch Antikörper ausgelöst, die an Komplexe aus dem körpereigenen Protein Plättchenfaktor 4 (PF4) und Heparin binden. Die Pathogenese der HIT ist weitestgehend aufgeklärt. Jedoch ist immer noch unklar, warum nicht alle Patienten mit anti-PF4/Heparin-Antikörpern eine klinische HIT entwickeln. Testverfahren, die zum Nachweis von anti-PF4/Heparin-Antikörpern aufgereinigte Thrombozyten verwenden sind sensitiver als solche, bei denen Vollblut oder Plättchen-reiches Plasma eingesetzt werden. Daraus ergab sich die Fragestellung, ob Faktoren im Plasma den Durchbruch einer HIT bei Anwesenheit von anti-PF4/Heparin Antikörpern inhibieren können. Ein wichtiger Mechanismus in der Pathogenese der HIT ist die Bindung von PF4 an die Thrombozytenoberfläche. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Plasmafaktoren die PF4-Bindung an Thrombozyten beeinflussen können. Da Blutfette und Zuckerstrukturen ausgeschlossen werden konnten, lag der Fokus auf Proteinen als mögliche Hemmfaktoren. Da nicht nur Plasma, sondern auch Serum die PF4-Bindung inhibieren konnte, kamen keine Gerinnungsfaktoren in Frage. Die gesuchten Faktoren waren auch nicht Hitze sensitiv, sodass es sich auch nicht um Komplementfaktoren handeln konnte. Bei einer Standardmethode zur Aufreinigung von IgG aus dem Serum fiel auf, dass das vom IgG befreite Serum keine hemmende Wirkung mehr auf die PF4-Bindung an Thrombozyten zeigte. Jedoch führte die Substitution mit IgG nicht zu dem erwarteten Hemmeffekt, so dass der gesuchte Faktor ebenfalls bei der Aufreinigung entfernt worden sein musste. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur Charakterisierung des Hemmfaktors bildeten eine wichtige Grundlage, um in weiterführenden Versuchen in der gleichen Arbeitsgruppe Fibronektin als möglichen Kandidaten zu identifizieren.
Für die Hemmung der plasmatischen Gerinnung kommen orale und parenterale Antikoagulantien in Betracht. Bei stationären Patienten spielt das parenteral verabreichte Heparin, vorkommend als höher- und niedermolekulares Heparin, die größte Rolle. Neben Blutungskomplikationen, kann Heparin auch die gefürchtete Nebenwirkung Heparin-induzierte Thrombozytopenie auslösen.
Aufgrund der Bildung von Immunkomplexen durch Bindung von Antikörpern an Komplexe aus PF4 und Heparin, kommt es zu einer Thrombozytenaggregation mit eventuell auftretenden Thromboembolien. Das Risiko für diese Entstehung erhöht sich mit steigender Kettenlänge des Heparins, mit einer zehnfach erhöhten Prävalenz bei UFH gegenüber LMWHs.
Das Protein PF4 ist ein tetrameres Protein aus der Familie der CXC-Chemokine und wird in den α-Granula der Thrombozyten gespeichert. Durch deren positive Ladung zeigt es eine hohe Affinität zu negativ geladenem Heparin, wodurch antigene Komplexe aufgrund der strukturellen Veränderung des PF4s formiert werden.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Heparine mit aufsteigender Kettenlänge auf die Struktur von PF4 getestet und untersucht, inwieweit ein Polysaccharid mit einem bestimmten Sulfatierungsgrad in Kombination mit einem Standardheparin die Antigen/Antikörper-Interaktion von PF4/Heparin-Antikörper verändern kann.
Hierfür kamen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Hauptaugenmerk wurde auf den Zirkulardichroismus gelegt, mit deren Hilfe die Sekundärstruktur und Konformationsänderung von PF4 im Zusammenspiel mit den Heparinen und Polysacchariden untersucht werden kann. Für den Nachweis von antigenen PF4/Heparin-Komplexen wurde der Enzym-gekoppelte Immunologische Test ELISA und der Heparin-induzierte Plättchenakivierungstest (HIPA) angewendet.
Die durch die Standardheparine ausgelöste Änderung der Konfirmation von PF4 lässt sich durch die Zugabe des synthetisch hergestellten Polysaccharids 12mer-3, das 12 Sulfatgruppen hat, hemmen. Dies war nicht mit den anderen synthetischen 12mer-Polysacchariden möglich. Auch zeigte sich keine Interaktion von 12mer-3 auf die Wechselwirkung von PF4 mit 12mer-6, welche durch die geringere Anzahl an Sulfatgruppen des 12mer-3 zu interpretieren ist. Die Bindung von humanen anti-PF4/Heparin-Antikörpern wurde mit ELISA und dem Funktionstest HIPA untersucht. Hier wurden sieben menschliche Seren mit enthaltenen Anti-PF4/Heparin-IgG-Ak verwendet und nach Hinzugabe der synthetischen Polysaccharide die Ak-Bindung an den antigenen PF4/Heparin-Komplexen und die nachfolgende Thrombozytenaggregation getestet.
Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit ist, dass das Polysaccharid 12mer-3die Struktur von PF4 in PF4/Heparin-Komplexen verändert und dadurch die Bindung von PF4/Heparin-Antikörper reduziert. Durch eine gleichzeitige Gabe von Heparin zusammen mit dem Polysaccharid 12mer-3, könnte das Risiko der unerwünschten Arzneimittelwirkung Heparin-induzierte Thrombozytopenie reduziert werden.
Neben der klinischen Wichtigkeit des Ergebnisses, bietet die hier vorliegende Dissertation auch eine Reihe von Ansatzpunkten für weitere Projekte. Zu nennen wäre hier beispielsweise die Testung der Reaktionen von 12mer-3 in Wechselwirkung mit den Standardheparinen UFH, Reviparin und Enoxaparin und 12mer-3 in Kombination mit 12mer-6 im ELISA und im HIPA, um eine Kongruenz hinsichtlich der bereits durchgeführten CD-Messungen zu liefern. Auch wäre es in klinischen Studien interessant herauszufinden, ob die Expression des Antigens auf PF4/Heparin-Komplexe auch in vivo gehemmt werden könnte.
Weiterhin kann unser Ansatz zur Synthese von sichereren Wirkstoffen führen, die an PF4 binden.
Die Neonatale Alloimmunthrombozytopenie (NAIT) ist eine erworbene hämorrhagische Diathese durch thrombozytäre Antikörper. Die Immunisierung der Mutter findet nach Übertritt von kindlichen Thrombozyten bereits während der ersten Schwangerschaft statt. Mütterliche Anti-Thrombozyten-IgG-Antikörper führen nach diaplazentarem Übertritt zu einem Abbau der kindlichen Plättchen im retikulo-endothelialen System. 75% aller Fälle von NAIT sind durch Anti-HPA1a-Antikörper verursacht (HPA1a/b-Polymorphismus). Dieser Polymorphismus wird durch das GPIIIa-Gen des thrombozytären GPIIb/IIIa-Rezeptors ausgebildet. Immunologische Toleranz ist die immunologische Hyposensibilität gegenüber einem Antigen. Eine Form ist die orale Toleranz (OT), bei der es durch orale Zufuhr eines Antigens zu einer spezifischen Suppression der zellulären und humoralen Immunantwort kommt. Denkbar wäre auch eine immunologische Toleranz gegenüber dem GPIIIa-Polymorphismus. Das Fernziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer transgenen zweikeimblättrigen Pflanze (Tabak/Karotte) zur oralen Toleranzinduktion im Menschen gegenüber dem HPA1a/b-Polymorphismus. Es wurde die Expression des humanen Glykoproteins GPIIIa in transgenem Tabak als Modellpflanzen systematisch untersucht. Die full-length cDNA von GPIIIa wurde schrittweise verändert und sowohl als native humane Form und als Konstrukt mit geändertem pflanzlichen Signalpeptid und einer Rückhaltesequenz in Pflanzenzellenassays getestet (Protoplastierung). Als subzelluläre Kompartimente der Versuche dienten je nach Konstrukt das Zytosol oder das Endoplasmatische Retikulum der Pflanzenzelle. Die Protoplastenassays erbrachten keinen Nachweis eines rekombinanten Proteins mit GPIIIa-spezifischen mono- und polyklonalen Antikörpern, ein RNA-Nachweis war methodisch nicht möglich. Allerdings konnte die erfolgreiche Transformation durch ein fluoreszierendes Kontrollprotein (GFP) bestätigt werden. Schließlich wurde der HPA1a-Polymorphismus in einem Proteinfragment mit einer Länge von 66 Aminosäuren in einem artifiziellen Gen rekonstruiert. Die Sequenz enthielt zusätzlich einen optimierten Pflanzenpromotor, spezifische sekretorische Signal-, tag- und Rückhaltepeptide und wurde in toto an die Pflanzenkodonusage angepasst. Mit dem Konstrukt wurde eine Tabakpflanzenlinie als Modell stabil transformiert. In den Pflanzen konnte die Integration und vollständige Transkription des synthetischen Gens mit der RT-PCR nachgewiesen werden. Die transgenen Pflanzen wurden mit GPIIIa- und tag-spezifischen Antikörpern mit unterschiedlichen Methoden (Western-Blot, ELISA) untersucht. Es wurden Versuchen zur Immunpräzipitation und Rekonstitution der Disulfidbrückenstruktur im Epitop durchgeführt. In keiner Pflanze konnte rekombinantes GPIIIa-Epitop detektiert werden. Auch der Nachweis eines unreifen Proteins anhand des c-terminalen tag-Peptides gelang nicht. Auffallend war in den Tabakzellen eine starke Kreuzreaktion eines inerten Proteins mit polyklonalen GPIIIa-Antikörpern auf Höhe der Bande des humanen GPIIIa. Es ist denkbar, daß Tabakpflanzen bereits ein GPIIIa-ähnliches Protein ausbilden und bei der Synthese von artfremden humanen GPIIIa das unreife Protein einer Degradation unterziehen oder es zu einem Gene-silencing kommt.
For the last two decades, heparins have been widely used as anticoagulants. Besides
numerous advantages, up to 5% patients with heparin administration suffer from a major adverse
drug effect known as heparin-induced thrombocytopenia (HIT). This typical HIT can result in deep
vein thrombosis, pulmonary embolism, occlusion of a limb artery, acute myocardial infarct, stroke, and
a systemic reaction or skin necrosis. The basis of HIT may lead to clinical insights. Recent studies using
single-molecule force spectroscopy (SMFS)-based atomic force microscopy revealed detailed binding
mechanisms of the interactions between platelet factor 4 (PF4) and heparins of different lengths in
typical HIT. Especially, SMFS results allowed identifying a new mechanism of the autoimmune HIT
caused by a subset of human-derived antibodies in patients without heparin exposure. The findings
proved that not only heparin but also a subset of antibodies induce thrombocytopenia. In this review,
the role of SMFS in unraveling a major adverse drug effect and insights into molecular mechanisms
inducing thrombocytopenia by both heparins and antibodies will be discussed.
Background: Hyperthyroidism is known to induce a hypercoagulable state. It stimulates plasma levels of procoagulative factors and reduces fibrinolytic activity. So far most of the data have been derived from patients with endogenous hyperthyroidism with a wide variability in the underlying pathogenesis and severity of the disease. Objectives: In this study we experimentally induced thyrotoxicosis in healthy volunteers to explore the effects of thyroxine excess on the plasma proteome. Using a shotgun proteomics approach, the abundance of plasma proteins was monitored before, during and after thyrotoxicosis. Methods: Sixteen healthy male subjects were sampled at baseline, 4 and 8 weeks under 250 µg/day thyroxine p.o., as well as 4 and 8 weeks after stopping the application. Plasma proteins were analyzed after depletion of 6 high-abundance proteins (MARS6) by LC-ESI-MS/MS mass spectrometry. Mass spectrometric raw data were processed using a label-free, intensity-based workflow. Subsequently, the linear dependence between protein abundances and fT<sub>4</sub> levels were calculated using a Pearson correlation. Results: All subjects developed biochemical thyrotoxicosis, and this effect was reversed within the first 4 weeks of follow-up. None of the volunteers noticed any subjective symptoms. Levels of 10 proteins involved in the coagulation cascade specifically correlated with fT<sub>4</sub>, supporting an influence of thyroid hormone levels on blood coagulation even at nonpathological levels. Conclusions: The results suggest that experimental thyrotoxicosis exerts selective and specific thyroxine-induced effects on coagulation markers. Our study design allows assessment of thyroid hormone effects on plasma protein levels without secondary effects of other diseases or therapies.
Zusätzlich zu ihrer Zielstellung humane Thrombozyten auf das Vorkommen von NAP1L1 zu untersuchen, liefert diese Arbeit Anhalt für die potenzielle Funktion diese „nukleären“ Proteins in diesem anukleären Zelltyp. Eine Enflussnahme von NAP1L1 auf den Transport und ggf. Import eines Schlüsselenzyms des mitochondrialen Stoffwechsels (DLAT) erscheint als ein möglicher Mechanismus für die Einflussnahme auf systemische entzündliche Prozesse durch NAP1L1.
Für humane Thrombozyten sind die beschriebenen Veränderungen von DLAT eine der ersten Hinweise auf eine aktive Regulation der intramitochondrialen Proteinausstattung in Reaktion auf die systemische Infektion mit bakteriellen und viralen Erregern. Bislang existierten in dieser Situation nur Daten, welche z.B. die direkte Beeinflussung von Plättchen durch Erreger, z.B. durch induzierte Degradation des anti-apoptotischen BcL-x208, beschreiben.
In der Zukunft wird es wichtig sein zu ergründen, welche funktionellen Konsequenzen aus einer Mehr- oder Minderexpression von NAP1L1 im Bezug auf die thrombozytäre Mitochondrienfunktion entstehen, im Weiteren welchen pathophysiologischen Stellenwert diese Änderungen besitzen und wie man diese dann therapeutisch beeinflussen kann.
Fest steht, dass die in der Einleitung aufgeworfene Frage, ob die im Rahmen einer akuten, systemischen Entzündungsreaktion beobachteten metabolischen Veränderungen eher Ausdruck einer aktiven Regulation als eines pathologischen Defektes sind, auch auf die humanen Thrombozyten übertragen werden muss.
Since its introduction in 2006, the NOD/scid mouse model has greatly contributed to the understanding of the pathomechanisms of antibody-mediated thrombocytopenia. This progress has however been hampered by inter-laboratory differences. With this work, we make several suggestions to minimise these differences:
We suggest that human platelets (blood group 0) be injected into the mice (age- and sex-matched, 8-16 weeks) via the tail vein. For antibody injection, scientists may choose between intraperitoneal and tail vein injection, each of which has strengths and drawbacks. In case of low antibody titer or low avidity antibodies, preincubation of the platelets with the patient serum prior to injection promotes platelet elimination where standard protocols fail. For subsequent sample preparation, we found that newly-launched ready-to-use kits present a good alternative to classical density gradient centrifugation by reducing man-hours and turnover time without affecting the quality of flow cytometry analysis.
In a second part, we used the revised mouse model to study anti-CD36 mediated thrombocytopenia in vivo. Anti-CD36 antibodies have been suggested as frequent case for FNAIT in Asia. The mechanisms behind this remain partly unclear. After injecting anti-CD36 monoclonal antibody or anti-CD36 patient immunoglobulin into the system, circulating human platelets were rapidly cleared. Interestingly, the polyclonal patient immunoglobulins used were not uniform in their anti-platelet reactivity. On further examination, we found that the anti-CD36 antibodies induce platelet activation and aggregation, which we were able to inhibit by the addition of an Fcγ-receptor blocking agent. This suggests a possible role for Fcγ-receptor in the activation and elimination process.
As our results from the experiments on the role of complement in the elimination process are however ambiguous, further studies are needed. The clinical relevance of anti-CD36 antibody-mediated platelet activation and aggregation for the high abortion rates in affected women has yet to be evaluated.
Die Heparin-induzierte Thrombozytopenie (HIT) ist eine schwerwiegende Komplikation der Heparintherapie. Dabei erfolgt zwischen dem Protein Plättchenfaktor 4 (PF4) und Heparin eine Komplexbildung, welche wichtig für die krankheitsauslösende Bildung des Antigens ist. Von PF4 existiert eine beim Menschen vorkommende Variante, Plättchenfaktor 4 Variante 1 (PF4var1). Bei PF4 und PF4var1 handelt es sich um Proteine non-alleler Gene. Die Proteine unterscheiden sich an 3 Stellen ihrer Aminosäuresequenz. PF4var1 ist weniger positiv geladen, wodurch die Wechselwirkung mit Heparin beeinflusst wird. Die veränderte Sequenz beeinflusst die Eigenschaften der Proteine. So weist PF4var1 stärkere chemotaktische und anti-angiogenetische Eigenschaften auf als PF4. Auch bei den Signalpeptiden der beiden Proteine liegt eine Änderung vor. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst mit PF4 bzw. PF4var1 kodierendem Gen transformierte humane embryonale Nierenzellen in unterschiedlichen Nährmedien kultiviert. Die Zelllinien wurden hinsichtlich der Produktion, Expression und Sekretion der Proteine PF4 bzw. PF4var1 untersucht. Die angewendeten Untersuchungs¬methoden zur Expression (FACS) bzw. zur Sekretion (ELISA) ermöglichten den Nachweis der Proteine. Eine Differenzierung zwischen PF4 und PF4var1 ist hiermit nicht möglich. Allerdings zeigte die Sequenzierung der Aminosäurestrukturen und der DNA das spezifische Vorliegen von entweder PF4 oder PF4var1. Zur Herstellung von Antikörpern gegen PF4var1 werden große Mengen an PFvar1 benötigt. Da, auch nach Einsatz des Minifermenters, durch die humanen Zellen keine ausreichende Proteinproduktion möglich war, wurde E. coli mit der genetischen Information für PF4 transformiert. Gleiches wurde mit PF4var1 durchgeführt. Hierdurch ist eine Proteinproduktion in größerem Maßstab möglich. Zur Aufreinigung der Proteine mussten spezielle Pufferlösungen eingesetzt werden. Für PF4var1 wurden neu entwickelte Puffer eingesetzt. Derart aufgereinigte Proteine konnten in ESI-ToF-Experimenten erfolgreich unterschieden werden. Durch die hier vorgestellten methodischen Fortschritte dürfte es in nächster Zeit möglich sein neue Erkenntnisse des Zusammenspiels zwischen PF4var1 und HIT zu erlangen.