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Protamine (PRT) is a positively charged protein, which is widely used in medicine as an adjunct to certain preparations of insulin and as a rapidly-acting antidote for heparin, particularly to neutralize the effects of high heparin concentrations needed for anticoagulation during cardiac surgical procedures using cardiopulmonary bypass. It has been demonstrated that PRT and heparin form multimolecular complexes and that these complexes have high immunogenicity in a mouse model. Studies in this thesis provide new insights into the pathophysiology of anti-PRT/heparin antibodies. The results of study I showed that the administration of PRT combined with heparin is responsible for high immunoglobulin G (IgG) immunization after cardiac surgery. A subset of these antibodies was able to induce platelet activation in a way similar to that observed by heparin-induced thrombocytopenia (HIT). Using an animal model, we demonstrated that anti-PRT/heparin antibodies are capable of platelet destruction in the presence of PRT and heparin. Moreover, our data suggests that platelet-activating anti-PRT/heparin antibodies at surgery are potentially associated with postoperative thrombocytopenia and an increased risk for thromboembolic events. In study II, the immune response against PRT/heparin complexes was investigated. This study showed a relatively fast development of IgG with no general preceding IgM formation. In addition, patients undergoing liver transplantation developed anti-PRT/heparin antibodies without previous exposure to PRT. These results suggest that a previous contact with the antigen(s) itself or other antigens with molecular mimicry induced this immune response. In fact, we were able to identify Neutral Protamine Hagedorn (NPH) insulin and core histones (DNA-binding proteins) as potentially antigenic candidates for a previous immunization. Furthermore, the findings of study III demonstrate the ability of anti-PRT/heparin antibodies to activate platelets in the presence of NPH insulin in a heparin-dependent way suggesting that diabetic patients may have an enhanced risk for thromboembolic complications if treated with NPH insulin and possibly while receiving prophylactic heparin. These observations justify further clinical investigations to assess the impact of the interaction between anti-PRT/heparin antibodies and PRT-mimicking antigens, such as NPH insulin or histones.
Thrombozyten haben neben ihrer Funktion in der Hämostase eine wichtige Rolle in der Immunabwehr. Sie interagieren hierbei mit Komponenten des angeborenen und des adaptiven Immunsystems und sind in der Lage, direkte anti-mikrobielle Einflüsse zu vermitteln. Die Interaktion von Thrombozyten mit Gram-positiven Bakterien unterscheidet sich von jener mit Gram-negativen Erregern. Bei beiden Gruppen von Bakterien scheint die Aktivierung von Thrombozyten und Freisetzung anti-mikrobieller Peptiden aus den Granula ein wichtiger Bestandteil der direkten Pathogenabwehr durch Thrombozyten zu sein. Hierbei führt die Interaktion mit S. aureus direkt zu einer starken pathogen-induzierten Thrombozytenaktivierung, während bei Gram-negativen Organismen wie E. coli eine Verstärkung durch die Opsonierung mit PF4 und anti-PF4/H IgG notwendig scheint. Vermutlich ist die Bindung von PF4 und anti-PF4/H IgG an Gram-positive Bakterien von größerer Bedeutung für die Opsonierung für andere Immunzellen als für den direkten bakteriziden Effekt der Thrombozyten.
Der Gram-positive S. pneumoniae führt durch Funktionsstörung und Exposition von Phosphatidylserin zu einer Schädigung der Thrombozyten. Dieser schädigende Effekt auf Thrombozyten durch S. pneumoniae wird unter anderem durch Pneumolysin, ein porenbildendes Toxin der Pneumokokken, vermittelt. Dieses induziert bereits in geringen Konzentrationen die Porenbildung in der Thrombozytenmembran und führt zur Induktion von Apoptose.
In der Arbeit konnten die initialen Fragestellungen folgendermaßen beantwortet werden:
1.Thrombozyten können einen direkten schädigenden Effekt auf Gram-positive Bakterien vermitteln.
2.PF4 und anti-PF4/Polyanion IgG spielen in der direkten Thrombozyten-vermittelten Pathogenabwehr bei Gram-positiven Erregern, trotz der Bindung an Gram-positive Bakterien, eine untergeordnete Rolle. Sie verstärken weder die Thrombozyten-aktivierung noch den anti-bakteriellen Effekt.
3.Die Auswirkung der Co-Inkubation mit Bakterien auf die Thrombozyten ist heterogen und abhängig vom untersuchten Bakterienstamm. Es kommt zur Aktivierung der Thrombozyten durch S. aureus und zur Schädigung der Thrombozyten durch S. pneumoniae.
Platelets within one individual display heterogeneity in reactivity, size, age, and expression of surface receptors. To investigate the combined intraindividual contribution of platelet size, platelet age, and receptor expression levels on the reactivity of platelets, we studied fractions of large and small platelets from healthy donors separated by using differential centrifugation. Size-separated platelet fractions were perfused over a collagen-coated surface to assess thrombus formation. Multicolor flow cytometry was used to characterize resting and stimulated platelet subpopulations, and platelet age was determined based on RNA and HLA-I labeling. Signal transduction was analyzed by measuring consecutive phosphorylation of serine/threonine-protein kinase Akt. Compared with small platelets, large platelets adhered faster to collagen under flow and formed larger thrombi. Among the large platelets, a highly reactive juvenile platelet subpopulation was identified with high glycoprotein VI (GPVI) expression. Elevated GPVI expression correlated with high HLA-I expression, RNA content, and increased platelet reactivity. There was a stronger difference in Akt phosphorylation and activation upon collagen stimulation between juvenile and older platelets than between large and small platelets. GPVI expression and platelet reactivity decreased throughout platelet storage at 22°C and was better maintained throughout cold storage at 4°C. We further detected higher GPVI expression in platelets of patients with immune thrombocytopenia. Our findings show that high GPVI expression is a feature of highly reactive juvenile platelets, which are predominantly found among the large platelet population, explaining the better performance of large platelets during thrombus formation. These data are important for studies of thrombus formation, platelet storage, and immune thrombocytopenia.
Thrombozyten reagieren auf Infektionen, unter anderem auf die mit dem Humanen Immundefizienz-Virus (HIV). Dabei zeigt sich eine erhöhte Rate an kardiovaskulären und thrombotischen Ereignissen. Die medikamentöse Therapie hemmt unter anderem die reverse Transkriptase der HI-Viren. Allerdings wirken diese Arzneimittel auch auf die humanen Thrombozyten. Diese besitzen eine endogene reverse Transkriptase. Eine solche ist in den Blutplättchen in Form von Long Interspersed Nuclear Element 1 (LINE-1) Ribonukleinsäure (RNA) als Grundlage für die Translation vorhanden. Auch die entsprechenden Proteine sind als Open Reading Frame 1 (ORF1) und Open Reading Frame 2 (ORF2) - Proteine nachweisbar. Diese kodieren unter anderem für eine Endonuklease, Chaperone und reverse Transkriptase. Letztgenannte ist in den Blutplättchen auch aktiv. Folglich sind humane Thrombozyten in der Lage RNA in Desoxyribonukleinsäure (DNA) umzuschreiben. Dem Dogma der Molekularbiologie folgend, besitzen Zellen ohne Nucleus keine DNA. Auf Grund des Vorhandenseins einer endogenen reversen Transkriptase in humanen Thrombozyten konnte erstmals DNA in Form von Gewebsthromboplastin und Urokinase-Typ Plasminogen Aktivator Rezeptor (uPAR) nachgewiesen werden.
Aktivierung von humanen Thrombozyten durch Staphylococcus aureus und seine Sekretionsprodukte
(2008)
Die Ansichten über die Funktion der Thrombozyten unterliegen derzeit einem Wandel. Neben dem Verschluss von Endothelläsionen spielen sie eine Rolle in der Pathologie der Artherosklerose, der Endokarditis und weiterer Erkrankungen und es existieren Hinweise auf eine Beteiligung bei der Immunantwort über die Expression von CD40L (Elzey et al., 2003). Ihre übermäßige Aktivierung und damit ihr Verbrauch bei der DIC sind noch nicht endgültig aufgeklärt. Zu dieser schwerwiegenden Komplikation im Gerinnungssystem kann es unter anderem durch eine Bakteriämie bzw. Sepsis mit dem grampositiven Erreger Staphylococcus aureus kommen, der in jüngster Zeit durch eine weit reichende Resistenzentwicklung in den Mittelpunkt der Forschung gerückt ist. Die Sepsis ist mit einer Letalität von 30 – 50% trotz modernster Intensivmedizin weiter ein ernstes Problem und grampositive Erreger wie S. aureus verursachen einen großen Anteil der Fälle (Moerer et al., 2004). Die Interaktion von Thrombozyten und S. aureus wurde bisher immer unter dem Aspekt des direkten Kontakts dieser Zellen untersucht, jedoch scheint auch eine Betrachtung der Sekretionsprodukte und ihrer Auswirkungen auf Thrombozyten wegweisend, denn nicht immer ist bei Auftreten von septischen Gerinnungskomplikationen eine Bakteriämie nachweisbar. In dieser Arbeit sollte daher die thrombozytenaktivierende Wirkung von Sekretionsprodukten von S. aureus untersucht werden, es sollte eine Annäherung an die Identität dieser Substanzen erfolgen und es sollte geklärt werden, ob der menschliche Organismus Abwehrmechanismen gegen diesen spezifischen Angriffsweg besitzt. Dazu wurden 20 kommensale und 20 invasive (aus Blutkulturen gewonnene) Isolate von S. aureus sowie die Laborstämme RN6390, RN6911 (RN6390Δagr) und ALC136 (RN6390ΔsarA) bis zur stationären Wuchsphase kultiviert und ihr zellfreier Kulturüberstand untersucht. Das Sekretom von RN6390 und seiner regulatordefizienten Mutanten ist bekannt (Ziebandt et al., 2001). Die Thrombozytenaggregation wurde größtenteils in einem einfachen Funktionstest mit gewaschenen Thrombozyten gemessen. Weitere Tests wurden mit gewaschenen Erythrozyten durchgeführt. 60% der Isolate sezernieren thrombozytenaggregationsauslösende Substanzen, dabei ist die Herkunft des Isolats (kommensal oder invasiv) und die im Kulturüberstand enthaltene Gesamtproteinmenge nicht entscheidend. 35% der Isolate sezernieren ausreichend hämolysierende Substanzen, dies ist ebenfalls unabhängig von ihrer Herkunft. Die zellaktivierenden Substanzen waren hitzeempfindlich, daher konnten Zellwandbestandteile wie Lipoteichonsäure oder Peptidoglykane als Verursacher ausgeschlossen werden. Mittels PCR wurden die genetischen Anlagen der verschiedenen Hämolysine der Isolate untersucht. Die thrombozytenaggregierende und hämolysierende Wirkung von alpha-Toxin konnte in dieser Arbeit nachvollzogen werden (Bhakdi et al., 1991). Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass verschiedene Protease-Typen von S. aureus an der Thrombozytenaggregation beteiligt sind. Diese Ergebnisse konnten bei der Untersuchung von RN6390 und seiner Mutanten bestätigt werden. Die aggregationsauslösenden Substanzen sind positiv durch den globalen Genregulator agr reguliert. Eine Koinkubation mit Serum, aus Serum gewonnenen IgG und IgG-Präparationen führte zu einer konzentrationsabhängigen Hemmung der Aggregation ausgelöst durch bakterielle Kulturüberstände. Insgesamt handelt es sich bei der durch Sekretionsprodukte von S. aureus ausgelösten Thrombozytenaggregation um ein multifaktorielles Geschehen, welches zur Pathogenese der Gerinnungsstörungen bei einer Sepsis oder Infektion beitragen kann. Die Aggregation kann durch im Serum enthaltene IgG in vitro gehemmt werden. In weiteren Untersuchungen muss die genaue Identität dieser Antikörper gefunden werden. Dies kann als neuer Ansatzpunkt in der Behandlung der Gerinnungskomplikationen während eine S. aureus- Sepsis dienen, zusätzlich zu bisherigen Strategien der Substitution und medikamentösen Intensivtherapie.
‘Chameleonic' Serological Findings Leading to Life-Threatening Hemolytic Transfusion Reactions
(2015)
Background: The phenomena of co-incidence of transfusion-induced allo- and autoantibodies, blockage and/or loss of red blood cell (RBC) antigens are conspicuous and may result in confusion and misdiagnosis. Case Report: A 67-year-old female was transferred to the intensive care unit due to hemolysis which developed 2 days following transfusion of three Rh(D)-negative RBC units in the presence of strongly reactive autoantibodies. Standard serological testing and genotyping were performed. Upon arrival, the patient was typed as Ccddee. Her hemolysis was decompensated, and an immediate blood transfusion was required. In addition, direct and indirect antiglobulin tests (DAT and IAT) as well as the eluate were strongly positive. Emergency transfusion of Rh(D)-negative RBCs resulted in increased hemolysis and renal failure. An exhaustive testing revealed anti-D, anti-c, CCddee phenotype and CCD.ee genotype. Three units of cryopreserved CCddee RBCs were transfused, and the patient's condition immediately improved. The discrepancy between Rh-D phenotyping and genotyping was likely caused by masking of the D-epitopes by the autoantibodies. In fact, further enquiry revealed that the patient had been phenotyped as Rh(D)-positive 6 months ago and had been transfused at that time following hip surgery. Conclusion: The phenomena of transfusion-induced autoantibodies, masked alloantibodies, antigen blockage and/or loss are rare but important features which should be considered in patients presenting with autoimmune hemolytic anemia and/or hemolytic transfusion reactions.
Platelets transfusion is a safe process, but during or after the process, the recipient may experience an adverse reaction and occasionally a serious adverse reaction (SAR). In this review, we focus on the inflammatory potential of platelet components (PCs) and their involvement in SARs. Recent evidence has highlighted a central role for platelets in the host inflammatory and immune responses. Blood platelets are involved in inflammation and various other aspects of innate immunity through the release of a plethora of immunomodulatory cytokines, chemokines, and associated molecules, collectively termed biological response modifiers that behave like ligands for endothelial and leukocyte receptors and for platelets themselves. The involvement of PCs in SARs—particularly on a critically ill patient’s context—could be related, at least in part, to the inflammatory functions of platelets, acquired during storage lesions. Moreover, we focus on causal link between platelet activation and immune-mediated disorders (transfusion-associated immunomodulation, platelets, polyanions, and bacterial defense and alloimmunization). This is linked to the platelets’ propensity to be activated even in the absence of deliberate stimuli and to the occurrence of time-dependent storage lesions.
Background: Securing future blood supply is a major issue of transfusion safety. In this prospective 10-year longitudinal study we enrolled all blood donation services and hospitals of the federal state Mecklenburg-Western Pomerania. Methods and Results: From 2005 to 2015 (time period with major demographic effects), whole blood donation numbers declined by 18%. In male donors this paralleled the demographic change, while donation rates of females declined 12.4% more than expected from demography. In parallel, red cell transfusion rates/1,000 population decreased from 2005 to 2015 from 56 to 51 (-8.4%), primarily due to less transfusions in patients >60 years. However, the transfusion demand declined much less than blood donation numbers: -13.5% versus -18%, and the population >65 years (highest transfusion demand) will further increase. The key question is whether the decline in transfusion demand observed over the previous years will further continue, hereby compensating for reduced blood donation numbers due to the demographic change. The population structure of Mecklenburg-Western Pomerania reflects all Eastern German federal states, while the Western German federal states will reach similar ratios of age groups 18-64 years / ≥65 years about 10 years later. Conclusions: Regular monitoring of age- and sex-specific donation and transfusion data is urgently required to allow transfusion services strategic planning for securing future blood supply.