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Although antigen-specific priming of antibody responses is impaired during sepsis, there is nevertheless a strong increase in IgM and IgG serum concentrations. Using colon ascendens stent peritonitis (CASP), a mouse model of polymicrobial abdominal sepsis, we observed substantial increases in IgM as well as IgG of all subclasses, starting at day 3 and peaking 2 weeks after sepsis induction. The dominant source of antibody-secreting cells was by far the spleen, with a minor contribution of the mesenteric lymph nodes. Remarkably, sepsis induction in splenectomized mice did not change the dynamics of the serum IgM/IgG reaction, indicating that the marginal zone B cells, which almost exclusively reside in the spleen, are dispensable in such a setting. Hence, in systemic bacterial infection, the function of the spleen as dominant niche of antibody-producing cells can be compensated by extra-splenic B cell populations as well as other lymphoid organs. Depletion of CD4+ T cells did not affect the IgM response, while it impaired IgG generation of all subclasses with the exception of IgG3. Taken together, our data demonstrate that the robust class-switched antibody response in sepsis encompasses both T cell-dependent and -independent components.
Im Rahmen einer Sepsis oder experimentellen Endotoxinämie zeigt sich eine Aktivierung des Gerinnungs-Fibrinolyse-Systems, des Kontakt- und Komplementsystems. Es kommt es zu einer erhöhten Leukozyten-Endothelinteraktion, einer endothelialen Dysfunktion und einem Capillary-leakage-Syndrom. Bei Sepsis-Patienten kann eine verminderte Konzentration des funktionellen C1-Esterase-Inhibitors festgestellt werden. Durch exogene Zufuhr konnte in klinischen und tierexperimentellen Untersuchungen eine Verminderung des capillary leakage und eine hämodynamische Stabilisierung erreicht werden. Ziel unserer Untersuchungen war die Bestimmung des Einflusses des C1-INH auf hämodynamische, biochemische und intravitalmikroskopische Parameter der Mikrozirkulation unter Endotoxinämie. Die Untersuchungen wurden an der Darmwand (Submukosa-Muskularis-Mukosa)und am Mesenterium durchgeführt. Die Hämodynamik blieb durch den C1-INH im Wesentlichen unbeeinflusst. Es zeigte sich eine Reduktion der funktionellen Kapillardichte der Mukosa des Darmes durch die Endotoxinämie. Die funktionelle Kapillardichte war in der Tunica muscularis circularis im Sinne eines „mismatch“ erhöht. Somit zeigte sich eine typische septische Mikrozirkulationsstörung. Die Gabe von C1-INH konnte die Mukosadurchblutung ohne Einfluss auf dieses „mismatch“ signifikant erhöhen. Die Endotoxinämie führte zu einer vermehrten Leukozytenadhärenz. C1-INH konnte diese Endotoxinwirkung signifikant vermindern. Nach unseren Erkenntnissen ist dies der erste intravitalmikroskopische Nachweis einer verminderten Leukoyzten-Endothel-Interaktion durch C1-INH in postkapillären Venolen der Darmwand. Die zur Quantifizierung des Capillary-leakage-Syndroms gemessene Plasmaextravasation konnte durch C1-INH ebenfalls reduziert werden. Als biochemischen Parameter einer proinflammatorischen Immunantwort zeigte sich ein erhöhter TNF-alpha-Spiegel in beiden Verumgruppen. Im Gegensatz dazu ergab sich durch die Applikation von C1-INH ein Anstieg der Konzentration des antiinflammatorischen Interleukin-10. Zusammenschauend könnten diese C1-INH-Wirkungen, insbesondere eines verminderten capillary leakage, entweder auf die verminderte Leukozytenadhärenz oder die beobachtete Immunmodulation zurückzuführen sein. Nach Analyse der Literatur scheint der von uns gefundene erhöhte Interleukin-10-Spiegel in der Frühphase der Sepsis einen positiven Einfluss aufzuweisen. Weitere tierexperimentelle Arbeiten sollten Adhäsionsmoleküle sowie Parameter des Kontakt- und Komplementsystems erfassen.
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.
Dynamics of Vascular Protective and Immune Supportive Sphingosine-1-Phosphate During Cardiac Surgery
(2021)
Introduction
Sphingosine-1-phosphate (S1P) is a signaling lipid and crucial in vascular protection and immune response. S1P mediated processes involve regulation of the endothelial barrier, blood pressure and S1P is the only known inducer of lymphocyte migration. Low levels of circulatory S1P correlate with severe systemic inflammatory syndromes such as sepsis and shock states, which are associated with endothelial barrier breakdown and immunosuppression. We investigated whether S1P levels are affected by sterile inflammation induced by cardiac surgery.
Materials and Methods
In this prospective observational study we included 46 cardiac surgery patients, with cardiopulmonary bypass (CPB, n=31) and without CPB (off-pump, n=15). Serum-S1P, S1P-sources and carriers, von-Willebrand factor (vWF), C-reactive protein (CRP), procalcitonin (PCT) and interleukin-6 (IL-6) were measured at baseline, post-surgery and at day 1 (POD 1) and day 4 (POD 4) after surgical stimulus.
Results
Median S1P levels at baseline were 0.77 nmol/mL (IQR 0.61-0.99) and dropped significantly post-surgery. S1P was lowest post-surgery with median levels of 0.37 nmol/mL (IQR 0.31-0.47) after CPB and 0.46 nmol/mL (IQR 0.36-0.51) after off-pump procedures (P<0.001). The decrease of S1P was independent of surgical technique and observed in all individuals. In patients, in which S1P levels did not recover to preoperative baseline ICU stay was longer and postoperative inflammation was more severe. S1P levels are associated with its sources and carriers and vWF, as a more specific endothelial injury marker, in different phases of the postoperative course. Determination of S1P levels during surgery suggested that also the anticoagulative effect of heparin might influence systemic S1P.
Discussion
In summary, serum-S1P levels are disrupted by major cardiac surgery. Low S1P levels post-surgery may play a role as a new marker for severity of cardiac surgery induced inflammation. Due to well-known protective effects of S1P, low S1P levels may further contribute to the observed prolonged ICU stay and worse clinical status. Moreover, we cannot exclude a potential inhibitory effect on circulating S1P levels by heparin anticoagulation during surgery, which would be a new pro-inflammatory pleiotropic effect of high dose heparin in patients undergoing cardiac surgery.
(1) Background: Sepsis is a leading cause of death and a global public health problem. Accordingly, deciphering the underlying molecular mechanisms of this disease and the determinants of its morbidity and mortality is pivotal. This study examined the effect of the rs951818 SNP of the negative costimulatory lymphocyte-activation gene 3 (LAG-3) on sepsis mortality and disease severity. (2) Methods: 707 consecutive patients with sepsis were prospectively enrolled into the present study from three surgical ICUs at University Medical Center Goettingen. Both 28- and 90-day mortality were analyzed as the primary outcome, while parameters of disease severity served as secondary endpoints. (3) Results: In the Kaplan–Meier analysis LAG-3 rs951818 AA-homozygote patients showed a significantly lower 28-day mortality (17.3%) compared to carriers of the C-allele (23.7%, p = 0.0476). In addition, these patients more often received invasive mechanical ventilation (96%) during the course of disease than C-allele carriers (92%, p = 0.0466). (4) Conclusions: Genetic profiling of LAG-3 genetic variants alone or in combination with other genetic biomarkers may represent a promising approach for risk stratification of patients with sepsis. Patient-individual therapeutic targeting of immune checkpoints, such as LAG-3, may be a future component of sepsis therapy. Further detailed investigations in clinically relevant sepsis models are necessary.
Although the benefit of expedient antibiotic therapy remains unquestioned, little is known about the effects that are unrelated to their antimicrobial property but which the antibiotics may exert upon the septic microcirculation. Impairment of intestinal microcirculation has been recognized as an important factor in the pathogenesis of the septic syndrome (intestine = ¡°motor¡± of multiple organ failure). To examine the effects of various antibiotics on microcirculation is justified by the fact that one of major features of sepsis is disturbance of microcirculation. However, monitoring of pharmacological effects on intestinal blood flow is nearly impossible during acute therapy in humans and requires sophisticated equipment when applied to experimental animals. Therefore, the aim of this study was to evaluate the effects of common antibiotics on intestinal microcirculation using intravital microscopy (IVM) and on the release of the cytokines in septic and endotoxemic rats. In a first series of experiments we induced sepsis by using colon ascendens stent peritonitis (CASP) model in the rat (16 hours prior microscopy). We evaluated the effects of common antibiotics on intestinal microcirculation using intravital microscopy (functional capillary density (FCD) and leukocyte-endothelial interactions) and on the release of the cytokines TNF-¥á, IL-1©¬, IL-6 and IL-10. Metronidazole (MET) (10 mg/kg); imipenem (IMI) (20 mg/kg); tobramycin (TOB) (25 mg/kg); vancomycin (VAN) (70 mg/kg); and erythromycin (ERY) (5 mg/kg) were given intravenously 16 hours following sepsis induction. To differentiate antimicrobial from anti-inflammatory effects we performed a second series of experiments using endotoxin (LPS, i. v.) and intravital microscopic examination was performed 2 hours later. Cytokine release was estimated at the end of the experiments. In the CASP model, acute administration of metronidazole was associated with an improvement of markers of the intestinal microcirculation in septic rats (CASP). Our study showed that vancomycin stimulated leukocyte rolling, while erythromycin prevented the activation of leukocyte-endothelial interaction in postcapillary intestinal venules (V1) that occurred within 16 hours after CASP. TNF-¥á release in untreated CASP rats was twice as high in comparison to all antibiotic-treated CASP rats, except in CASP rats treated with tobramycin. Key findings of the present study are that MET and ERY were more potent than other antibiotics in improving the intestinal microcirculation in the CASP model. Protective effects of metronidazole, erythromycin and vancomycin upon the microcirculation were found in LPS model. The administration of MET or VAN or ERY led to significantly higher FCD values within the longitudinal muscular layers. Metronidazole and erythromycin significantly reduced the n umber of sticking leukocytes within the V1-venules of LPS-challenged animals. Leukocyte rolling flux was significant increased within the V1- and V3-venules of the endotoxemic rats treated with VAN. Some antibiotics showed immuno-modulatory effects: MET or IMI or VAN treated LPS rats showed increased IL-10 levels; while ERY treated LPS rats showed decreased IL-1©¬ and increased IL-6 concentrations. In conclusion, metronidazole and erythromycin exerted a positive influence upon the intestinal perfusion not only within septic microcirculation (anti-bacterial effect) but also in a pathogenically independent manner (anti-inflammatory effect); vancomycin had only anti-inflammatory actions in the endotoxin model without bacterial infection. Imipenem and tobramycin had no effect on intestinal microcirculation in septic and endotoxemic rats. The clinical usefulness of studies such as this is that they could provide important information about possible side effects or indicate some potential beneficial effects of the antibiotics. They can influence not only microcirculation but also inflammatory processes by some mechanisms that are probably unrelated to their antibiotic effect. However, these effects may be particularly relevant to the intestinal microcirculation which plays an essential role in the development of multi-organ failure in the instance of sepsis.
Die Sepsis ist trotz Einführung neuer diagnostischer und therapeutischer Prinzipien nach wie vor ein Krankheitsbild mit sehr hoher Letalität. Eine hämodynamische Stabilisierung mit Hilfe adäquater Volumengabe und des Einsatzes potenter Vasokonstriktoren gilt als Basistherapie von Patienten mit septischem Schock. Letzteres birgt jedoch die Gefahr einer weiteren Verschlechterung der intestinalen Mikrozirkulation, deren Störung als ein kardinaler Mechanismus für die Entwicklung eines Multiorganversagens gilt. Ziel der Arbeit war es, im Rahmen einer experimentellen Endotoxinämie den Einfluss des synthetischen Vasopressin - Analogons Desmopressin, selektiver Agonist des Vasopressin V2-Rezeptors mit vasodilatatorischen Eigenschaften, auf die intestinale Mikrozirkulation mittels Intravitalmikroskopie zu evaluieren. Hierzu untersuchten wir in den submukösen Venolen der Darmwand von Ratten die Leukozytenadhärenz sowie die Dichten funktioneller, dysfunktioneller und nicht-funktioneller Kapillaren in der Lamina muscularis longitudinalis et circularis und im Stratum mucosae. Zusätzlich wurden pro- und antiinflammatorische Zytokine aus Serumproben mittels Durchflusszytometrie (FACS) bestimmt sowie die Auswirkungen der Therapie auf Körpertemperatur, Blutgase und Laktatkonzentration untersucht. Während der Versuche erfolgte eine konstante Messung des mittleren arteriellen Blutdrucks und der Herzfrequenz als makrohämodynamische Parameter. Die Desmopressin-Applikation führte zu einer signifikanten Verbesserung der Mikrozirkulation in allen untersuchten Darmschichten. In der Lamina muscularis longitudinalis verdreifachte sich die Dichte funktionell perfundierter Kapillaren im Vergleich zu den unbehandelten septischen Tieren (Kapillardichte 35.5 ± 4.81 cm-1 in der LPS-Gruppe vs. 105 ± 4.8 cm-1 in der mit Desmopressin behandelten septischen Gruppe; Mittelwerte ± SEM, je Gruppe n=10, P<0.001). Die Zahl adhärenter Leukozyten konnte in den submukösen Venolen 1. Ordnung signifikant um 22% reduziert werden (259 ± 26 n/mm2 in der LPS-Gruppe vs. 203 ± 17 n/mm2 in der Therapiegruppe; Mittelwerte ± SEM, je Gruppe n=10, P<0.05). Die Serumspiegel der proinflammatorischen Zytokine sanken unter der Therapie mit Desmopressin ebenfalls signifikant. Es konnte beispielsweise eine 39-prozentige Reduktion der TNF-α-Konzentration erreicht werden (429 ± 119 pg/ml in der LPS-Gruppe vs. 262 ± 69 pg/ml in der Therapiegruppe; Mittelwert ± SEM, je Gruppe n=10, P<0.05). Die makrohämodynamischen Parameter wurden von der Substanz nicht beeinflusst. Aufgrund der positiven Effekte des Desmopressins auf intestinale Mikrozirkulation, Leukozytenadhärenz und systemische Inflammation und der fehlenden negativen Beeinflussung der systemischen Hämodynamik erscheint es sinnvoll, in weiterführenden tierexperimentellen und klinischen Studien den Nutzen des Medikamentes in der Sepsistherapie, z.B. als möglicher Kombinationspartner bekannter Vasokonstriktoren, zu evaluieren.
Unabhängig vom medizinischen Fortschritt stellt die Sepsis auch im 21. Jahrhundert ein Krankheitsbild mit hoher Mortalitätsrate, progredienter Inzidenz und zunehmender volkswirtschaftlicher Bedeutung dar. Ein zentraler therapeutischer Faktor ist der Erhalt mikro- und makrozirkulatorischer Hämodynamik. In vorangegangenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Modulation von Tyrosinkinasen und Tyrosin-Phosphatasen die Mikrozirkulation in septischen Zuständen positiv beeinflussen kann.
Wir untersuchten die Auswirkungen des Tyrosine receptor kinase B -Agonisten Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) auf die intestinale Mikrozirkulation und Leukozyten-Endothel-Interaktion unter experimenteller Endotoxinämie mittels intravitaler Fluoreszenzmikroskopie. Hierzu wurden die funktionelle, dysfunktionelle und nicht-funktionelle Kapillardichte der Lamina muscularis longitudinalis, circularis und des Stratums mucosae sowie die Leukozytenadhärenz der Venolen der submukösen Darmwand bestimmt. Ergänzend erfolgte eine Messung der hämodynamischen Parameter Herzfrequenz und mittlerer arterieller Blutdruck, sowie von Körpertemperatur, Blutgasen und Laktatkonzentration. Eine Bestimmung von Zyto- bzw. Chemokinen erfolgte mittels Fluorescent Bead Immunoassay.
Die intravenöse Applikation von BDNF führte unter Endotoxinämie zu einer signifikant erhöhten konstanten Leukozytenadhärenz in den Venolen dritten Grades der Darmwand und zu einer tendenziellen Zunahme um ca. 33 % in den Venolen ersten Grades. Die funktionelle Kapillardichte zeigte sich hingegen nach Behandlung der Endotoxinämie in den Laminae musculares longitudinalis und circularis tendenziell reduziert. Die Dichte nicht-funktioneller Kapillaren verhielt sich konkordant nach Behandlung mit BDNF tendenziell erhöht. Die Behandlung mit BDNF führte zu keiner Beeinträchtigung der Hämodynamik, jedoch zu einer signifikanten Basenabweichung unter Endotoxinämie. Eine Veränderung der Zytokinspiegel wurde nach BDNF-Applikation nicht verzeichnet.
Die Hinweise auf eine Verschlechterung der intestinalen Kapillarperfusion und der Nachweis einer verstärkten Leukozytenaktivierung nach BDNF-Applikation in systemischer Inflammation identifizieren die Blockade der durch endogenem BDNF vermittelten Kaskaden als mögliches therapeutisches Ziel. Es scheint daher sinnvoll, in weiterführenden tierexperimentellen und ggf. klinischen Studien den Nutzen von BDNF-Antagonisten in der Therapie systemisch-inflammatorischer Zustände wie der Sepsis zu evaluieren
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.