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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.
Late-onset Sepsis (LOS) betrifft bis zu 25% der Neugeborenen mit sehr niedrigem Geburtsgewicht (VLBWI; GG < 1500 Gramm) ab dem 4. Lebenstag. LOS ist eine häufige Ursache neonataler Morbidität und Mortalität sowie von verlängerten Krankenhausaufenthalten. Die frühe Diagnose und rechtzeitige Behandlung sind für die Vermeidung von schweren und lebensbedrohlichen Komplikationen entscheidend. Aufgrund der geringen Spezifität früher Sepsissymptome ist eine frühzeitige Diagnostik schwierig. Diese prospektive Studie untersuchte die Eignung pro- und antiinflammatorischer Zytokine ((Interleukin-(IL)-1-Rezeptorantagonist-(RA), IL-1α, IL-1β, IL-18, Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (M-CSF), IL-6, IL-8, IL-10, Interferon-gamma-induziertes Protein 10 (IP-10) und Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (GM-CSF)) im Urin von VLBWI (Gestationsalter < 32 Schwangerschaftswochen und/oder GG < 1500 g) für die frühzeitige Diagnostik einer LOS. Der verwendete Multiplex-Assay erlaubt die schnelle und sensitive Messung multipler Zytokine in einem geringen Probenvolumen. In die Studie wurden 165 VLBWI, die auf der Neugeborenenintensivstation in Greifswald oder Kaunas (Litauen) zwischen Oktober 2007 und September 2009 behandelt wurden, eingeschlossen. Vom 4. bis zum 18. Lebenstag wurden täglich Urinproben gesammelt. Anhand eines Sepsis-Scores wurden die Frühgeborenen in eine Sepsis-Gruppe (n = 39), Nicht-Sepsis-Gruppe (n = 86) und nicht-klassifizierte Gruppe (n = 40) eingeteilt. In die Analyse gingen die Daten von n = 32 Frühgeborenen der Sepsis-Gruppe und n = 8 Frühgeborenen der Nicht-Sepsis-Gruppe ein. Alle untersuchten Zytokine (außer IL-1α und GM-CSF) traten in der Sepsis-Gruppe in signifikant höherer Konzentration auf. Es gab eine deutliche Korrelation zwischen der I/T (Immature to Total Neutrophil) Ratio und der IL-1β-Konzentration im Urin. Weiter korrelierten IL-1β und IL-6 mit dem CRP-(C-reaktives Protein)-Wert. Für IL-1RA (p = 0,002) und IL-18 (p = 0,019) lagen signifikante Unterschiede zwischen der Basiskonzentration und der Konzentration am Sepsistag vor. IL-6 (p = 0,03) und IL-1RA (p = 0,03) zeigten signifikant höhere Konzentrationsanstiege in der Sepsis-Gruppe verglichen mit der Nicht-Sepsis-Gruppe. Die ROC-(Receiver Operating Characteristic)-Analyse identifizierte IL-6 (AUC-(Area under the ROC-curve)-Wert 0,72) als das Zytokin, das eine LOS in den drei Tagen vor und am Tag der klinischen Diagnosestellung am sichersten detektiert. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob eine kombinierte Bestimmung von Zytokinen im Urin Frühgeborener es ermöglicht, erstens eine LOS vor Beginn der klinischen Symptomatik zu identifizieren und zweitens somit eine frühere Antibiotikatherapie das Outcome von LOS bei VLBWI verbessern kann.
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.
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.
Critically ill patients at the intensive care unit (ICU) often develop a generalized weakness, called ICU-acquired weakness (ICUAW). A major contributor to ICUAW is muscle atrophy, a loss of skeletal muscle mass and function. Skeletal muscle assures almost all of the vital functions of our body. It adapts rapidly in response to physiological as well as pathological stress, such as inactivity, immobilization, and inflammation. In response to a reduced workload or inflammation muscle atrophy develops. Recent work suggests that adaptive or maladaptive processes in the endoplasmic reticulum (ER), also known as sarcoplasmic reticulum, contributes to this process. In muscle cells, the ER is a highly specialized cellular organelle that assures calcium homeostasis and therefore muscle contraction. The ER also assures correct folding of proteins that are secreted or localized to the cell membrane. Protein folding is a highly error prone process and accumulation of misfolded or unfolded proteins can cause ER stress, which is counteracted by the activation of a signaling network known as the unfolded protein response (UPR). Three ER membrane residing molecules, protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase (PERK), inositol requiring protein 1a (IRE1a), and activating transcription factor 6 (ATF6) initiate the UPR. The UPR aims to restore ER homeostasis by reducing overall protein synthesis and increasing gene expression of various ER chaperone proteins. If ER stress persists or cannot be resolved cell death pathways are activated. Although, ER stress-induced UPR pathways are known to be important for regulation of skeletal muscle mass and function as well as for inflammation and immune response its function in ICUAW is still elusive. Given recent advances in the development of ER stress modifying molecules for neurodegenerative diseases and cancer, it is important to know whether or not therapeutic interventions in ER stress pathways have favorable effects and these compounds can be used to prevent or treat ICUAW. In this review, we focus on the role of ER stress-induced UPR in skeletal muscle during critical illness and in response to predisposing risk factors such as immobilization, starvation and inflammation as well as ICUAW treatment to foster research for this devastating clinical problem.
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].
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.
(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.
Previous studies have reported the fundamental role of immunoregulatory
proteins in the clinical phenotype and outcome of sepsis. This study investigated two functional single
nucleotide polymorphisms (SNPs) of T cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3
(TIM-3), which has a negative stimulatory function in the T cell immune response. Methods: Patients
with sepsis (n = 712) were prospectively enrolled from three intensive care units (ICUs) at the University
Medical Center Goettingen since 2012. All patients were genotyped for the TIM-3 SNPs rs1036199 and
rs10515746. The primary outcome was 28-day mortality. Disease severity and microbiological findings
were secondary endpoints. Results: Kaplan–Meier survival analysis demonstrated a significantly
lower 28-day mortality for TIM-3 rs1036199 AA homozygous patients compared to C-allele carriers
(18% vs. 27%, p = 0.0099) and TIM-3 rs10515746 CC homozygous patients compared to A-allele
carriers (18% vs. 26%, p = 0.0202). The TIM-3 rs1036199 AA genotype and rs10515746 CC genotype
remained significant predictors for 28-day mortality in the multivariate Cox regression analysis after
adjustment for relevant confounders (adjusted hazard ratios: 0.67 and 0.70). Additionally, patients
carrying the rs1036199 AA genotype presented more Gram-positive and Staphylococcus epidermidis
infections, and rs10515746 CC homozygotes presented more Staphylococcus epidermidis infections.
Conclusion: The studied TIM-3 genetic variants are associated with altered 28-day mortality and
susceptibility to Gram-positive infections in sepsis.