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Sepsis und septischer Schock sind trotz aller Fortschritte in der Intensivmedizin eine der Haupttodesursachen auf den nichtkardiologischen Intensivstationen. Ein häufiger Fokus stellt die Peritonitis bzw. intaabdominelle Infektionen dar. Es hat sich gezeigt, dass Veränderungen in der Perfusion des Darmes und eine gestörte Barrierefunktion eine entscheidene Rolle in der Entwicklung und Aufrechterhaltung der Sepsis und des Multiorganversagens spielen. Bereits in der Initialphase einer Endotoxämie oder Sepsis wird die Pefusion der Splanchnikusregion drastisch reduziert. Es droht dadurch ein Verlust der Barrierefunktion der Mukosa mit der Gefahr des Übertritts von Bakterien und Toxinen aus dem Darmlumen in die Darmwand oder die Zirkulation, was zur Propagation des klinischen Verlaufes der Sepsis führt. Als primäres Therapikonzept gilt die chirurgische Fokussanierung, gefolgt von supportiven Maßnahmen, wie die Durchführung einer peritonealen Lavage oder Instillation mit antiseptischen Spüllösungen. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen einer peritonealen Instillation von Taurolidin und Polyhexanid auf die intestinale Mikrozirkulation und dem mittleren arteriellen Blutdruck im endotoxämischen Tiermodell unter der Verwendung der Intravitalmikroskopie untersucht.
Ziel dieser tierexperimentellen Studie war es, die Auswirkungen der häufig verwendeten Anästhetika Ketamin und Propofol auf die intestinale Mikrozirkulation während Endotoxinämie zu untersuchen. Endotoxinämie bewirkt Abfall des mittleren arteriellen Blutdrucks, induziert permanente Leukozytenadhärenz (Sticking) und bewirkt die Ausschüttung von Zytokinen (TNF-a, IL-1ß, IL-6 und IL-10). Diese endotoxinämietypischen Veränderungen werden weder von Ketamin noch von Propofol beeinflusst.
Die Evaluation des Einflusses der Antibiotika Linezolid und Tigecyclin auf die Mikrozirkulation im Rahmen einer akuten experimentellen Endotoxinämie war Ziel unserer Arbeit. Das Monitoring der Vitalparameter erfasste Herzfrequenz, mittleren arteriellen Blutdruck, Atemfrequenz und Körpertemperatur über die gesamte Dauer des Experiments. Mit Hilfe der Intravitalmikroskopie ermittelten wir in postkapillären mesenterialen Venolen die temporäre und permanente Leukozyten-Adhärenz nach Anfärben mit Rhodamin sowie das Ausmaß der Plasmaextravasation aus dem Gefäß in das Interstitium mittels FITC-markiertem Albumin. Zudem wurden die Konzentrationen pro- und antiinflammatorischer Zytokine aus Serumproben zu Beginn und am Ende des Versuches ermittelt. Durch die experimentelle Endotoxinämie kam es tendenziell zu einem Blutdruckabfall in den LPS-belasteten Gruppen, durch hämodynamische Stabilisierung mit Hilfe von Volumentherapie wurde dieser allerdings begrenzt. An den drei Mikroskopierzeitpunkten befanden sich alle Gruppen auf etwa gleichem Blutdruck-Niveau. Des Weiteren führte die LPS-Applikation zu einem Anstieg der Herz- und Atemfrequenz. Die Körpertemperatur wurde auf konstant 36°C gehalten. Aus den Untersuchungsergebnissen ist abzuleiten, dass die beiden Antibiotika keinen Einfluss auf die Makrohämodynamik haben. Zudem zeigte sich in unseren Messungen unter Endotoxinämie ein erwarteter Anstieg aller gemessenen Zytokinspiegel (TNF-α, IL-1β, IL-4, IL-6 und IFN-γ), welche weder von Linezolid noch von Tigecyclin beeinflusst wurden. Die endotoxämischen Bedingungen erzeugten typische pathophysiologische Veränderungen im Gebiet des Mesenteriums: eine gesteigerte Leukozytenaktivierung und Adhäsivität am Endothel sowie die daraus bedingte Reduktion des Rollerflows. Die Therapie mit Tigecyclin konnte eine signifikante Zunahme der adhärenten Leukozyten im Vergleich zur Kontrollgruppe nicht verhindern, erzielte allerdings eine signifikante Abnahme der Anzahl der „Sticker“ im Vergleich zur LPS-Gruppe. Dementsprechend konnte die Tigecyclin-Applikation den Roller-Flow signifikant verbessern, erreichte aber nicht das statistische Niveau der Kontrollgruppe. Linezolid konnte hatte ebenfalls die Leukozytenaktivierung vermindern, jedoch ohne eine statistische Signifikanz zu erzielen. Zusammenfassend bewirkte der Einsatz des Antibiotikums Tigecyclin eine signifikante Verminderung der Leukozytenaktivierung in der intestinalen Mikrozirkulation, was die Evaluation dieses Medikamentes für die eine immunmodulatorische Therapie der Sepsis in weiterführenden tierexperimentellen und klinischen Studien sinnvoll erscheinen lässt. Linezolid zeigte eine nur tendenzielle Abnahme der Leukozyten-Endothel-Interaktion, was jedoch in weiteren Studienmodellen evaluiert werden sollte.
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.
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
Trotz aller Fortschritte der modernen Medizin ist die Letalität der Sepsis nahezu unverändert hoch. Immer noch handelt es sich um die häufigste Todesursache bei Patienten auf operativen Intensivstationen. Als ein kardinaler Mechanismus für die Entwicklung des Multiorganversagens gilt die Störung der intestinalen Mikrozirkulation. In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass GLN zu einer signifikanten Verbesserung der intestinalen Mikrozirkulation unter experimenteller Endotoxinämie führt. So konnten wir eine signifikante Verbesserung der funktionellen Kapillardichte (FCD) im Stratum circulare und Stratum longitudinale der Tunica muscularis sowie in der Tunica mucosa durch GLN nachweisen. Außerdem konnten wir zeigen, dass GLN eine Verminderung der Leukozyten-Endothelzell-Interaktion bewirkt. Die Zahl der permanent adhärenten Leukozyten war in den mit GLN behandelten Gruppen deutlich geringer als in der LPS-Gruppe. Einen Einfluss auf die Plasmaspiegel des Tumor Nekrose Faktors α (TNFα) und der Interleukine-1β, -6, -10 fanden wir nicht. Im Bereich der Makrozirkulation war unter GLN-Therapie eine signifikant geringere Herzfrequenz zu messen, als in der LPS-Gruppe. Die Differenzen im Bereich des mittleren arteriellen Druckes waren statistisch nicht signifikant. Darüber hinaus haben wir nachgewiesen, dass GLN der Entstehung einer Hyperthermie deutlich entgegenwirkt. Die Temperaturen der Tiere in den mit GLN behandelten Gruppen unterschieden sich kaum von den Kontrolltieren, aber signifikant von denen der LPS-Gruppe. Auch die Laktatspiegel und die Hypokapnie waren in den Glutamin Gruppen deutlich geringer ausgeprägt als in der LPS-Gruppe. Dahingegen konnten wir im Bereich des pH-Wertes, der Bikarbonatkonzentration und des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes keine signifikanten Unterschiede ermitteln. Die hier geschilderten positiven Effekte des Glutamins waren sowohl im pre-, als auch im post-treatment Teil des Versuchs zu finden. Die hier gewonnenen Daten entstammen einem Tiermodell. Daher ist eine direkte Übertragung der Befunde auf den Menschen nicht gerechtfertigt. Aufgrund der entscheidenden Rolle, die das Intestinum in der Pathogenese der Sepsis spielt, können diese Ergebnisse allerdings von klinischer Bedeutung sein und es sollten sich klinische Studien mit GLN anschließen.
Die Störungen des Sauerstofftransports und die daraus resultierenden Oxygenierungsstörungen der Gewebe mit Entwicklung von Organdysfunktionen bis hin zum Organversagen sind in der Sepsis die Hauptursachen für die hohe Mortalität. Zum Therapieziel gehört daher die Stabilisierung der Hämodynamik und das Aufrechterhalten bzw. Wiederherstellen eines suffizienten Sauerstofftransports. In diesem Behandlungsregime nimmt die Bluttransfusion einen festen Platz ein. Ihre Effektivität wird jedoch möglicherweise stark von der Qualität der Erythrozyten beeinflusst. Die Ursache liegt in der Abnahme der Funktionsfähigkeit der Erythrozyten im Laufe der Lagerung der Blutkonserven. Ziel der vorliegenden Pilotstudie war es daher, den Effekt der Lagerungsdauer von Erythrozytenkonzentraten anhand der Messung systemischer Sauerstofftransport-parameter als auch regionaler Parameter der Gewebeoxygenierung zu beurteilen. Zu diesem Zweck wurden 13 Patienten doppelblind in zwei Behandlungsgruppen randomisiert. Den Patienten der Gruppe 1 wurden lang gelagerte Erythrozyten-konzentraten (> 28 – 35 Tage), den Patienten der Gruppe 2 kurz gelagerte Erythrozyten-konzentrate (< 5 Tage) ab einem Hämoglobinwert von 7,0 mmol/l (11,3 g/dl) transfundiert. Vor Beginn der Transfusion, unmittelbar nach deren Beendigung und bis 7 Stunden danach wurden zu festgelegten Messpunkten Hämoglobin und Hämatokrit, hämodynamische Parameter (HF, MAP, CI, ZVD, PCWP), systemische Sauerstofftransportparameter (DO2, VO2, SmvO2), die Laktatkonzentration und tonometrische Daten (pHi, CO2gap) bestimmt. Die Bluttransfusion erreichte eine Steigerung der Hämoglobinkonzentration, des Hämatokrits und der DO2 in beiden Behandlungsgruppen. Der Verlauf des VO2 konnte jedoch nicht beeinflusst werden. Dies scheint Indiz dafür, dass sich die Patienten trotz erhöhter Laktatwerte und eines hohen SOFAscores nicht in einer oxygen-supply-dependency befanden. Das Alter der transfundierten Erythrozyten-konzentrate kann möglicherweise einen Einfluß auf die Oxygenierung im Splanchnikusgebiet ausüben. Diese Hypothese konnte die vorliegende Pilotstudie aufgrund der stark streuenden Werte des kleinen Patientenkollektivs jedoch nicht bestätigen.
Obwohl große Fortschritte in der experimentellen und klinischen Intensivmedizin bezüglich Pathophysiologie und Diagnose der Sepsis erzielt wurden, bleibt die Letalität weiter nahezu unverändert hoch. Aufgrund einer immer länger lebenden, multimorbiden Bevölkerung, ist damit zu rechnen, dass sich die Inzidenz immer weiter erhöht. Eine der Hauptursachen für die Entwicklung einer Sepsis und eines Multiorganversagens ist das Versagen der Mikrozirkulation, der Hauptort für den Gas- und Nährstoffaustausch. Die Ursachen die zum Versagen der Mikrozirkulation führen sind vielfältig und umfassen das dysfunktionale Endothel, die vermehrte Leukozyten-Endothel-Interaktion, Gerinnungsstörungen und die Ausbildung von mikrovaskulären Shunts. Eine Verbesserung der Mikrozirkulation scheint deshalb ein wichtiger therapeutischer Ansatz zu sein. Aktiviertes Protein C hat neben seiner anti-koagulatorischen Funktion anti-inflammatorische, anti-apoptotische und barrierestabilisierende Eigenschaften, die während einer Sepsis positiv auf die Mikrozirkulation wirken. Wir untersuchten welche Wirkung aPC auf die mesenteriale Mikrozirkulation hat, indem wir die Plasmaextravasation und die Leukozyten-Endothel-Interaktionen beobachteten. In unserem Versuch stellten wir fest, dass aPC die Anzahl temporärer und fest adhärenter Leukozyten, sowie die Plasmaextravasation bei Endotoxinämie signifikant verringerte. Durch die Gabe von aPC konnte die Freisetzung von IL-1β signifikant reduziert werden, während wir eine Erhöhung der TNF-α Konzentration und keinen Einfluss auf die IL-6 und IL-10 Konzentration feststellen konnte. Unsere Ergebnisse zeigen, dass aktiviertes Protein C die Mikrozirkulation im Mesenterium verbessert hat. Da die Mikrozirkulation in der Pathogenese der Sepsis eine wesentliche Rolle spielt, lässt sich vermuten, dass aPC den Verlauf einer Sepsis positiv beeinflussen und somit von Vorteil für die Patienten sein könnte.
Tobramycin und Imipenem sind zwei im klinischen Alltag häufig eingesetzte Medikamente, insbesondere in der Therapie einer Sepsis. Antibiotika können neben der antimikrobiellen Wirkung, anti-/proinflammatorische Effekte haben. Die klinische Relevanz dieser Studie besteht darin, einen Beitrag zum weiteren Verständnis der Wirkungen einer antibiotischen Therapie zu leisten. Potentielle Nebenwirkungen bei der Auswahl einer Antibiose mit dem Wissen, dass die intestinale Mikrozirkulation die wichtigste Rolle bei der Entwicklung eines septischen Organversagens spielt, sollten gezielt untersucht werden. Dazu wurden intravitalmikroskopische Untersuchungen der Darmwand am terminalen Ileum der gesunden Ratte durchgeführt. Die Vitalparameter wurden erfasst, der intestinale mikrovaskuläre Blutfluss gemessen. Zu Beginn und zum Abschluß des Experimentes wurden die Zytokinspiegel bestimmt. Imipenem in Kombination mit Cilastatin verminderte die funktionelle Kapillardichte und den intestinalen mikrovaskulären Blutfluss in der gesunden Ratte, die Leukozyten–Endothel-Interaktion war vermindert. Tobramycin hatte keine Auswirkungen auf die funktionelle Kapillardichte. In den postkapillären Venolen waren vermehrt aktivierte Leukozyten nachweisbar. Weder Imipenem noch Tobramycin hatten Auswirkungen auf die Makrohämodynamik. Die Zytokinspiegel blieben, mit Ausnahme von erniedrigten IL-10-Spiegeln nach Tobramycingabe, unbeeinflusst. Es ist bekannt, dass Imipenem und Tobramycin neben ihren antibiotischen Wirkungen auch immunmodulatorische Fähigkeiten haben. Die reduzierte Kapillardichte in der gesunden Ratte nach Zienamgabe könnte durch die Auswirkungen des obligat mit Imipenem kombinierten Zusatzstoffs Cilastatin erklärt werden. Der erhöhte Anteil an fest adhärenten Leukozyten nach Tobramycingabe stützt die bekannten, teils kontrovers diskutierten, Einflüsse von Aminoglykosiden direkt auf Leukozyten. Inwiefern diese Effekte durch die Antibiose auf die kommensale Besiedlung verursacht werden, lässt sich durch die vorliegende Arbeit nicht klären. Weitere tierexperimentelle Arbeiten sollten die kombinierten Stoffe Imipenem und Cilastatin getrennt untersuchen.
Die Frage der effizienten Behandlung von Sepsis und septischem Schock sind von großer Bedeutung, da die Letalität dieses Krankheitsbildes auch noch trotz der heutigen modernen intensivmedizinischer Maßnahmen sehr hoch ist. Gefährdet sind vor allem polytraumatisierte Patienten, Verbrennungspatienten und Patienten nach großen operativen Eingriffen. Mitverantwortlich für die steigende Inzidenz der Sepsis ist ein ansteigendes Durchschnittsalter der Patienten mit zunehmender Zahl an Begleiterkrankungen. Dem Gastrointestinaltrakt wird bei der Entstehung und Aufrecherhaltung von Sepsis und septischen Schock eine besondere Bedeutung zugeschrieben. Schon Meakins und Marschall beschrieben 1986 den Gastrointestinaltrakt als „Motor des Multiorganversagens“. Die Darmmukosa trennt die intestinale Mikroflora vom systemischen Blutkreislauf. Die Integrität der intestinalen Mukosa hängt aufgrund besonderer anatomischer Verhältnisse in den Darmvilli entscheidend von einer stabilen Perfusion der Mikrozirkulation ab. Unter bestimmten Umständen (Trauma, Schock, Endotoxinämie, etc.) kommt es zu einer Minderperfusion der Zottenspitzen in den Darmvilli und zur Störung der intestinalen Barrierefunktion. Eine Translokation von Bakterien und bakteriellen Produkten in die Mikrozirkulation über das physiologische Maß hinaus mit der Aktivierung der systemischen Immunantwort durch inflammatorische Zytokine ist die Folge. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Gabe von APC bei experimenteller Endotoxinämie die funktionelle Kapillardichte, als ein Maß der mikrozellulären Perfusion, signifikant verbessert. Darüber hinaus wirkt APC antiinflammatorisch, indem es die Leukozytenadhärenz am Endothel submuköser intestinaler Venolen reduziert. Diese Effekte von APC, die in anderen Arbeiten ebenfalls beobachtet werden konnten, sind nun in dieser Arbeit zum ersten Mal auch an der Darmwand festgestellt worden].