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Postoperative Immune Suppression in Visceral Surgery: Characterisation of an Intestinal Mouse Model
(2011)
Background: Postoperatively acquired immune dysfunction is associated with a higher mortality rate in case of septic complications. As details of this severe clinical problem are still unknown, animal models are essential to characterise the mechanisms involved. Methods: Mice were laparotomised and the small intestine was pressed smoothly in antegrade direction. For extension of trauma, the intestine was manipulated three times consecutively. Following this, the ex vivo cytokine release of splenocytes was determined. The degree of surgical trauma was analysed by detection of HMGB1 and IL-6 in serum and by neutrophil staining in the muscularis mucosae. Results: We adapted the previously described animal model of intestinal manipulation to provide a model of surgically induced immune dysfunction. Following intestinal manipulation, the mice showed elevated serum levels of HMGB1 and IL-6 and increased infiltration of granulocytes into the muscularis mucosae. Ex vivo cytokine release by splenocytes was suppressed in the postoperative period. The degree of suppression correlated with the extent of surgical trauma. Conclusions: In this study, we describe a surgically induced immune dysfunction animal model, in which a significant surgical trauma is followed by an immune dysfunction. This model may be ideal for the characterisation of the postoperative immune dysfunction syndrome.
Staphylococcus (S.) aureus besiedelt bei 30 % der gesunden Bevölkerung den Nasenraum, meist ohne Symptome zu verursachen (sog. Carrier). Die Bakterienspezies ist aber auch eine der häufigsten Ursachen für nosokomiale Infektionen mit zum Teil hoher Letalität, wie z. B. bei einer S. aureus-Sepsis. In den letzen Jahrzehnten haben sich multiresistente S. aureus-Isolate in und außerhalb der Krankenhäuser stark ausgebreitet. Dies lässt befürchten, dass eine erfolgreiche antibiotische Behandlung schwerer S. aureus-Infektionen in der Zukunft immer seltener möglich sein wird. Deshalb werden andere präventive und therapeutische Strategien wie Impfstoffe benötigt. Die Impfstoffentwicklung gestaltet sich jedoch schwierig. Zum einen ist die Variabilität der Spezies S. aureus sehr groß: Zwei Isolate können sich in bis zu 20 % ihres Genoms unterscheiden. Zum anderen ist auch die Immunantwort des Wirts sehr komplex. Die Mechanismen der angeborenen Immunabwehr sind bereits gut untersucht, das Zusammenspiel von S. aureus mit dem adaptiven Immunsystem dagegen weniger umfassend charakterisiert. Dabei ist gerade dies für die Vakzineentwicklung bedeutsam, denn jede erfolgreiche Vakzinierung beruht auf der Bildung eines Immungedächtnisses, der Kernkompetenz des adaptiven Immunsystems. Da sich die gegen S. aureus gerichtete adaptive Immunantwort von Individuum zu Individuum stark unterscheidet, ist die Entschlüsselung der zugrunde liegenden Mechanismen eine besondere Herausforderung. Die rasche Entwicklung von OMICs-Techniken ermöglicht nun erstmals eine umfassende Charakterisierung des Immunoms von S. aureus; der Gesamtheit der von B-Zellen (und Antikörpern) und T-Zellen erkannten bakteriellen Antigene. In dieser Arbeit sollten diese modernen Methoden eingesetzt werden, um einen Beitrag zum Verständnis der vielfältigen Interaktionen zwischen S. aureus und dem adaptiven Immunsystem zu leisten; mittelfristig soll dieses Projekt zur Entwicklung wirksamer Impfstoffe gegen S. aureus beitragen. Informativ erschien ein Vergleich der adaptiven Immunantwort bei S. aureus-Carriern und Patienten, weil er Aufschluss darüber verspricht, wie die Interaktion zwischen Erreger und Wirt in der Balance gehalten wird und was dieses Gleichgewicht stört. Weil die individuelle Antiköperantwort (IgG, IgA und IgM) in ihrer Komplexität und Variabilität erfasst werden sollte, wurde ein personalisierter Ansatz gewählt, d.h. mittels zweidimensionaler Immunoblots (2D-IB) wurde bei jedem S. aureus-Carrier oder Patienten die Antikörperantwort auf den eigenen kolonisierenden bzw. invasiven S. aureus-Stamm untersucht. Durch die Kombination mit massenspektrometrischen Analysen ließ sich das S. aureus-Immunom der Kolonisierung und der Bakteriämie herauskristallisieren. Um in der Zukunft auch S. aureus-spezifische T-Zellen charakterisieren zu können, wurde ein Verfahren für die Herstellung von humanen T-Zellbanken entwickelt, das die funktionelle Analyse von T-Lymphozyten auf Einzelzellebene ermöglicht.
Die Rolle von Foxp3-positiven regulatorischen T-Zellen in der polymikrobiellen murinen Sepsis
(2011)
Trotz moderner intensivmedizinischer Behandlung bleibt die Sepsis eine bedrohliche Komplikation operativer Eingriffe. Welche Rolle regulatorische T-Zellen (Tregs) bei ihrer Pathogenese spielen, wird kontrovers diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wurden DEREG-Mäuse verwendet, um die Funktion von Foxp3+ Tregs im murinen Sepsismodell der cecal ligation and puncture (CLP) zu untersuchen. Der Transkriptionsfaktor Foxp3 ist aktuell der beste Marker für Tregs. DEREG-Mäuse exprimieren unter der Kontrolle des foxp3-Lokus ein enhanced green fluorescent protein und Diphtherietoxin-Rezeptoren, sodass endogene Tregs ex vivo einfach visualisiert und in vivo selektiv depletiert werden können. Sepsis führte zu einer schnellen systemischen Aktivierung von Foxp3+ Tregs. 24 h nach CLP waren ihr suppressorisches Potential und die Expression von Aktivierungsmarkern stark erhöht. Zudem wurde das Verhältnis zwischen Tregs und T-Effektorzellen (Teffs) zu Gunsten der Tregs verschoben. Die Depletion endogener Foxp3+ Tregs vor Sepsisinduktion zeigte, dass diese Zellen das Überleben verbessern: Drei Tage nach CLP lebten noch 25 % der Treg-kompetenten Tiere, jedoch nur 5 % der Treg-depletierten Tiere. Dieser Effekt der Treg-Depletion war statistisch signifikant, wurde aber erst mit einer Latenz von 30 h nach CLP sichtbar. Vorher erschien der Verlauf der Überlebenskurve unabhängig von der Kontrolle durch Tregs. Durch einen adoptiven Transfer von präaktivierten Tregs konnte der protektive Effekt von endogenen Tregs bei einer Sepsis nicht vergrößert werden.
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.
1 Akuter kombinierter akustischer und Immobilisationsstress führt im Mausmodell zu einer HPA-Achsenaktivierung mit Anstieg von Corticosteron im Plasma und transienter Leuko- und Lymphozytopenie, zur Aktivierung des sympathischen Nervensystems und zu Apoptosen des Epithels im terminalen Abschnitt des Ileums, mit vermutlich konsekutiver, bakterieller Translokation in die Blutbahn, die zu Veränderungen im Tryptophanmetabolismus, im Sinne einer Aktivierung der Indolamin-2,3-Dioxygenase führt. 2. Der Sympathikus interagiert bei der Reaktion des Organismus auf Stress eng mit der HPA-Achse und dem Magen-Darm-Trakt. Die HPA-Achse wiederum hat über CRF Einfluss auf die Integrität der Darmbarriere. Zusätzlich reguliert der Sympathikus direkt die Durchblutung und den Tonus des Darmes und hat Einfluss auf die lokale Immunität des Darmes. 3. Mit Hilfe des Ergotaminderivates Reserpin, das 24 Stunden nach subkutaner Applikation zu einem signifikanten und langanhaltenden Abfall des Noradrenalinspiegels im Plasma von sowohl gestressten als auch ungestressten BALB/c Mäusen führte, wurde der Einfluss des Sympathikus auf die stressinduzierten Veränderungen der HPA-Achse und Darmbarriere bewertet. 4. Ein Einfluss der Sympathikolyse auf die HPA-Achse konnte hierbei nicht gezeigt werden, da weder der stressinduzierte Anstieg des Corticosterons noch die Leuko- und Lymphozytopenie durch Reserpin verhindert werden konnten. 5. Einen weiteren, so vorher nicht bekannten, Corticosteron-Anstieg 8 Stunden nach Stressbeginn deuteten wir als durch bakterielle Translokation hervorgerufen. Da sich dieser Peak durch Reserpinbehandlung nicht aufheben ließ, scheint die stressinduzierte bakterielle Translokation durch Sympathikolyse nicht verhinderbar zu sein. Bei genauerer Untersuchung der stressinduzierten Darmbarrierestörung anhand der fluoreszenzmikroskopischen Darstellung der Transsudation von Evans Blue in die Submukosa des Ileums und der durch mikrobielle Produkte hervorgerufenen systemischen Aktivierung der Indolamin-2,3-Dioxygenase, zeigte sich ebenfalls kein protektiver Effekt der Sympathikolyse. 6) Durch einen Zufallsbefund zeigte sich, dass weibliche BALB/c Mäuse, die 4 Wochen zuvor Transportstress ausgesetzt wurden, auf die akute Stresssitzung mit einer verminderten HPA-Achsenantwort und damit assoziierten fehlenden Darmbarrierestörung reagierten, obwohl sie am Ende der Adaptationsphase nur unwesentliche Unterschiede in den untersuchten Stressparametern Gewicht, Plasmacorticosteronkonzentration und Leuko- und Lymophozytenzahl aufwiesen. Diese langanhaltende, zentrale Abschwächung der HPA-Achsensensibilität wird vermutlich über adaptive, inhibitorische monoaminerge Signalwege reguliert, da bei fehlender Sympathikusaktivierung eine HPA-Achsenantwort zu beobachten ist. 7. Zusätzlich lassen die Ergebnisse einen Zusammenhang zwischen HPA-Achsenaktivierung und Darmbarrierestörung vermuten. Als Ursache hierfür erscheint ein CRF- und Mastzell-vermittleter Mechanismus wahrscheinlich. 8. Bereits Routinetätigkeiten wie der Transport von Labortieren beeinflussen basale Stressparameter langfristig und können dadurch die Vergleichbarkeit von Experimentalergebnissen kommerziell erworbener und selbst gezüchteter Mäuse stark einschränken.