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Jedes Jahr werden alleine in Deutschland circa 2,6 Millionen viszeralchirugische Operationen
durchgeführt, die insgesamt gesehen eine Mortalität von fast 2 % aufweisen. Ein häufiges Problem
bei der Durchführung dieser Eingriffe ist, dass die Patienten eine Dysfunktion des Immunsystems
entwickeln, die die Anfälligkeit gegenüber infektiösen Komplikationen erhöht.
Die Faktoren der Immundysfunktion sind zwar in Teilen bekannt, aber die Pathophysiologie
dahinter bleibt unbekannt. Das Verständnis der Pathophysiologie ist unerlässlich, um gute
therapeutische Optionen zu finden. Überdies werden Tiermodelle benötigt, die die klinische
Situation wiederspiegeln.
Mit dem murinen Modell der surgically-induced immune dysfunction werden die Reaktionen des
humanen Immunsystems in weiten Teilen nachempfunden, wobei ein wesentliches Ziel der Arbeit
war, die Kinetik der Immunveränderungen über einen 72 h-Zeitraum zu untersuchen.
Die Operation löst deutlichen Stress bei den Tieren aus und führt von Beginn an sowohl zu pro –
als auch antiinflammatorischen Prozessen, die vor allem abakteriell ausgelöst werden.
Dennoch überwiegt in der frühen postoperativen Phase die proinflammatorische Reaktion mit
Anstieg der neutrophilen Granulozyten, Anstieg der Zellen des Monozyten-Makrophagen-Systems
und der Ausschüttung proinflammatorischer Zytokine. Zwischen dem 6 h- und 24 h-Zeitpunkt
gewinnt die antiinflammatorische Reaktion die Oberhand. Dieses zeigt sich durch eine
Lymphozytopenie mit Zunahme des Anteils der regulatorischen T-Zellen, durch eine verminderte
MHCII-Expression auf Antigen-präsentierenden Zellen, durch eine Zunahme der Aktivität des
Enzyms Indolamin-2,3-Dioxygenase, durch die Produktion von antiinflammatorischen Zytokinen
und durch eine verminderte Stimulierbarkeit von murinen Splenozyten.
Diese Immunreaktionen werden nicht nur durch die SID sondern auch durch eine einfache
Laparotomie ausgelöst, wobei sie dann weniger deutlich ausgeprägt sind und schneller ablaufen.
Von dieser Kinetik ausgehend, kann an diesem Modell der Nutzen von potentiellen Therapien
geprüft werden, wobei bis zum 6 h-Zeitpunkt antiinflammatorisch wirkende Substanzen vorteilhaft
sein könnten, die im Weiteren von immunstimulierenden Medikamente abgelöst werden.
Insgesamt weist dieses Modell viele Parallelen mit der humanen postoperativen
Immundysfunktion auf, sodass es der Grundlagenforschung viele Möglichkeiten eröffnet.
FTY720 ist ein Immunsuppressivum, das zur Behandlung der schubförmigen Multiplen Sklerose (MS) zugelassen ist. FTY720 dämpft das adaptive Immunsystem, indem es durch seinen funktionellen Antagonismus am Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor 1 zu einer Sequestration von T-Zellen in sekundär lymphatischen Organen führt. Bislang ist allerdings unklar, ob durch diese FTY720-induzierte Lymphopenie Patienten mit MS einem erhöhten Risiko für schwerere Verläufe postoperativer infektiöser Komplikationen, wie zum Beispiel einer abdominellen Sepsis, ausgesetzt sind. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es die Auswirkung einer FTY720-induzierten Lymphopenie auf den Verlauf einer postoperativen polymikrobiellen Sepsis im murinen colon ascendens stent peritonitis (CASP)-Modell zu untersuchen. Zunächst erfolgte eine ausführliche Charakterisierung verschiedener Leukozytenpopulationen und Zytokine im Verlauf der CASP, welche die Grundlage für die Untersuchung der FTY720-induzierten Veränderungen bildete. Anschließend erfolgte eine ausführliche Charakterisierung der Auswirkung von FTY720 auf Zellpopulationen und Zytokine in sekundär lymphatischen Organen nach Induktion einer CASP. Darüber hinaus wurde eine Überlebenskinetik mit FTY720- und Placebo behandelten Tieren im CASP-Modell durchgeführt. Hierbei wurde die Hälfte der Tiere der jeweiligen Gruppe mit einem Breitspektrumantibiotikum behandelt. Die Behandlung mit FTY720 nach CASP-Induktion bewirkte eine Umverteilung der Zellpopulationen im peripheren Blut, in der Peritonealhöhle und in der Milz. Sowohl die lymphoide als auch die myeloide Zellreihe waren hierbei betroffen. Allerdings gab es keinen Unterschied im Überleben zwischen FTY720- und Placebo behandelten Tieren nach CASP-Induktion. Die Behandlung mit einem Breitspektrumantibiotikum erhöhte das Überleben in FTY720- und Placebo behandelten Tieren gleichermaßen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Hemmung der T-Zellmigration sowie die Induktion einer peripheren Lymphopenie mit einer verminderten Anzahl an T- und B-Zellen das Überleben im CASP-Modell nicht beeinflusste. Es kann daher vermutet werden, dass die Behandlung mit FTY720 in Patienten mit MS, die an einer Sepsis leiden, wahrscheinlich mit keiner erhöhten Mortalität einhergeht.
TRAIL ist ein Mitglied der TNF-Familie und kann Apoptose in vielen Tumorzellen auslösen, ohne dabei nicht transformierte Zellen zu schädigen. Leider haben viele Tumorzellen Mechnismen entwickelt, sich der TRAIL induzierten Apoptose zu entziehen. Es war Gegenstand dieser Arbeit die Rolle von TRAIL, seinen Rezeptoren den Bindungspartnern OPG und RANKL, sowie innerhalb chronischer Inflammation und Stress zu untersuchen. Vier verschiedene Pankreaskarzinomzelllinien, MiaPaCa2, Panc1, BXPC3 und Colo357 wurden dabei in vitro auf die oben genannten Parameter untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass TRAIL Apoptose in MiaPaca2 um bis zu 27% steigert, Colo357 bis zu 35%. Panc1(<6%) und BXPC3(14%) zeigten sich nahezu resistent. Die Resistenz gegenüber TRAIL scheint mit der Abnahme funktioneller TRAIL-Rezeptoren DR4 und DR5 sowie der Zunahme nicht funktioneller Decoyrezeptoren DcR1/2 in Zusammenhang zu stehen. Interessanterweise zeigte sich keine Korrelation zwischen der Genexpression der TRAIL-Rezeptoren und der auf Proteinebene gemessenen TRAIL-Rezeptoren. OPG scheint ebenfalls die Resistenz gegenüber TRAIL zu fördern (BxPc3>Panc1>Colo357), es konnte bei MiaPaCa nicht gemessen werden. RANKL konnte nur in geringen Konzentrationen bei der Zelllinie Panc1 nachgewiesen werden. LPS, welches ein inflammatorisches Molekül darstellt zeigte insgesamt keinen Effekt, bzw. nur einen moderaten Anstieg von OPG bei Colo357. Chronischer Stress scheint ebenfalls keinen Effekt auf die TRAIL Wirkung zu haben.
Bei der Fokussanierung einer abdominellen Sepsis kommt meist eine Peritoneallavage mit physiologischer Kochsalzlösung zum Einsatz. Antibiotikahaltige Lösungen scheinen keinen Vorteil zu haben und der Zusatz von Antiseptika wie z. B. PHMB hat teils toxische Wirkungen. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass die Kombination aus PHMB und Lipofundin® gegenüber PHMB in wässriger Lösung eine geringere Zytotoxizität bei erhaltener antiseptischer Aktivität in-vitro besitzt.
Um die Hypothese zu bestätigen, dass eine Peritoneallavage mit dieser Emulsion einen Vorteil für das Überleben der abdominellen Sepsis bietet, wurde eine Überlebenskinetik am Sepsismodell CASPI durchgeführt. In weiteren Experimenten wurde die bakterielle Besiedlung 24 h nach Sepsisinduktion in Blut, Lavage und Organen ermittelt. Des Weiteren erfolgten die Bestimmung der Zytokinspiegel, die Erstellung eines Blutbildes sowie die laborchemische Bestimmung des Serumkreatinins.
Die höchste Überlebensrate mit signifikantem Unterschied zu allen Vergleichsgruppen zeigte sich in der PHMB + Lipofundin®-Gruppe mit 68,4 %, gefolgt von der mit NaCl lavagierten Gruppe mit 38,1 %. Die hohe Überlebensrate in der erstgenannten Gruppe korrelierte mit der niedrigsten bakteriellen Belastung in allen untersuchten Kompartimenten. PHMB in wässriger Lösung führte zu einer signifikant erhöhten Sterblichkeit mit einer Überlebensrate von nur 5,3 %. Im Gegensatz zu allen anderen Gruppen bestanden signifikant erhöhte Kreatininspiegel, die auf ein akutes Nierenversagen hindeuteten.
Die Kombination von PHMB und Lipofundin® könnte in Zukunft eine neue Therapieoption zur Behandlung der abdominellen Sepsis darstellen. Bis dato sind die Mechanismen in vivo, die den diametralen Unterschied im Überleben zwischen PHMB in Emulsion und in wässriger Lösung ausmachen, nicht geklärt. Auch In-vivo-Studien zur Toxizität stehen aus.
Gas plasma is an approved technology that generates a plethora of reactive oxygen species, which are actively applied for chronic wound healing. Its particular antimicrobial action has spurred interest in other medical fields, such as periodontitis in dentistry. Recent work has indicated the possibility of performing gas plasma-mediated biofilm removal on teeth. Teeth frequently contain restoration materials for filling cavities, e.g., resin-based composites. However, it is unknown if such materials are altered upon gas plasma exposure. To this end, we generated a new in-house workflow for three commonly used resin-based composites following gas plasma treatment and incubated the material with human HaCaT keratinocytes in vitro. Cytotoxicity was investigated by metabolic activity analysis, flow cytometry, and quantitative high-content fluorescence imaging. The inflammatory consequences were assessed using quantitative analysis of 13 different chemokines and cytokines in the culture supernatants. Hydrogen peroxide served as the control condition. A modest but significant cytotoxic effect was observed in the metabolic activity and viability after plasma treatment for all three composites. This was only partially treatment time-dependent and the composites alone affected the cells to some extent, as evident by differential secretion profiles of VEGF, for example. Gas plasma composite modification markedly elevated the secretion of IL6, IL8, IL18, and CCL2, with the latter showing the highest correlation with treatment time (Pearson’s r > 0.95). Cell culture media incubated with gas plasma-treated composite chips and added to cells thereafter could not replicate the effects, pointing to the potential that surface modifications elicited the findings. In conclusion, our data suggest that gas plasma treatment modifies composite material surfaces to a certain extent, leading to measurable but overall modest biological effects.
Pancreatic cancer is known for its tumor microenvironment (TME), which is rich in stromal and immune cells supporting cancer growth and therapy resistance. In particular, tumor-associated macrophages (TAMs) are known for their angiogenesis- and metastasis-promoting properties, which lead to the failure of conventional therapies for pancreatic cancer. Hence, treatment options targeting TAMs are needed. The C-C chemokine receptor type 4 (CCR4) is critical for immune cell recruitment into the TME, and in this paper we explore the effects of its genetic or immunotherapeutic blockade in pancreatic-cancer-bearing mice. Murine PDA6606 pancreatic cancer cells and murine peritoneal macrophages were used for in vitro migration assays. In vivo, a syngeneic, orthotropic pancreatic cancer model was established. Tumor growth and survival were monitored under prophylactic and therapeutic application of a CCR4 antagonist (AF-399/420/18025) in wildtype (CCR4wt) and CCR4-knockout (CCR4−/−) mice. Immune infiltration was monitored in tumor tissue sections and via flow cytometry of lysed tumors. PDA6606 cells induced less migration in CCR4−/− than in CCR4wt macrophages in vitro. Pancreatic TAM infiltration was higher, and survival was reduced in CCR4wt mice compared to CCR4−/− mice. Antagonizing CCR4 in wildtype mice revealed similar results as in CCR4−/− mice without antagonization. Prophylactic CCR4 antagonist application in wildtype mice was more efficient than therapeutic antagonization. CCR4 seems to be critically involved in TAM generation and tumor progression in pancreatic cancer. CCR4 blockade may help prolong the relapse-free period after curative surgery in pancreatic cancer and improve prognosis.
Die von uns erhobenen Daten belegen eine transiente Dysfunktion des angeborenen und des adaptiven Immunsystems nach chirurgischen Operationen. Übereinstimmend mit den Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen beobachteten wir eine Suppression des angeborenen Immunsystems mit einer reduzierten monozytären HLA– DR Expression im postoperativen Verlauf. Diese war abhängig von der Größe des Eingriffes. Die Intensität und Länge dieser postoperativen Immundysfunktion korrelierte mit der Schwere des chirurgischen Traumas. Patienten mit einer stärkeren und länger andauernden Immunsuppression haben dementsprechend ein erhöhtes Risiko für postoperative, infektiöse Komplikationen. Schwer septische Patienten zeigten unabhängig vom Outcome im Verlauf keinen Anstieg der Expressionsniveaus und verblieben in einem immunparalytischen Zustand. Im Gegensatz dazu stieg bei Patienten ohne postoperative Komplikationen die HLA– DR Expression zwischen dem ersten und dritten postoperativen Tag signifikant an. Ein Zusammenhang mit dem Auftreten einer postoperativen schweren Sepsis, in unserem Patientenkollektiv meist am 6 Tag postoperativ auftretend wird durch unsere Daten nahe gelegt. Die Einteilung der Sepsis in Typ A und Typ B verbindet die postoperativ vorhandene Immunsuppression chirurgischer Patienten mit dem dadurch gesteigerten Risiko einer schweren Sepsis. Bei Patienten mit einer Typ B Sepsis ist das Immunsystem aufgrund der vorhergehenden Operation wesentlich eingeschränkt. Insbesondere im Zusammenhang mit dem weitaus schlechteren Outcome bei Patienten mit Typ B Sepsis ist eine frühzeitige Bestimmung des Immunstatus postoperativ als präventive Maßnahme zur frühzeitigen Erkennung dieser Erkrankung sinnvoll. Eine präoperative Disposition für einen komplizierten Verlauf charakterisiert durch eine verminderte Oberflächenaktivität der Monozyten, wie sie von anderen Arbeitsgruppen bei Malignomen beobachtet wurde konnte nicht nachgewiesen werden. Ebenfalls veränderten neoadjuvante Therapieschemen weder die prä-, noch die postoperative Expression von HLADR Molekülen auf der Oberfläche von Monozyten. Neben dem angeborenen Immunsystem kam es nach großen chirurgischen Eingriffen zu einer Alteration der adaptiven Abwehr. Alle in unserer Studie eingeschlos- senen Patienten waren postoperativ von einer generalisierten Reduktion der transkriptionalen Aktivität der T– Zellen betroffen, diese war bei Patienten mit septischen Komplikationen stärker ausgeprägt. Die Ursachen für die schnelle Änderung des Phänotyps der Monozyten und T– Lymphozyten nach chirurgischen Eingriffen müssen in weiteren Untersuchungen genauer analysiert werden. Unsere Resultate belegen, dass die Determination von Monozyten und T– Zell Parametern zur frühzeitigen Identifikation von Hochri- sikopatienten nach chirurgischen Eingriffen sinnvoll ist. In weiteren prospektiven Studien muss geklärt werden, ob die Dynamik der HLA– DR Expression auf Monozyten auch bei größeren Patientenkollektiven eine Vorhersage für postoperative Komplikationen zulässt. Weiterhin ist fraglich ob mit der Microarray Technologie und der damit identifizierbaren Genexpression eine genaue Analyse der Abwehrlage des Patienten möglich ist. Der Vergleich der Komorbiditätsfaktoren Alter und BMI zeigte vermehrt Komplikationen und eine verminderte HLA– DR Expression in der Gruppe der übergewichtigen Patienten. Wir konnten in unserer Studie zeigen, dass Patienten mit einem erhöhten BMI ein höheres Risiko für postoperative Komplikationen haben. Insbesondere zeigte sich eine signifikant erhöhte Rate der schwereren Sepsis bei Patienten mit einem BMI >30. Die Nutzung des BMI zur Ergänzung bereits bestehender Risikostratifizierungssysteme scheint sinnvoll. Mit den unterschiedlichen Risikostratifizierungen konnten Patienten mit einer eingeschränkten postoperativen HLA- DR Expression identifiziert werden. Insbesondere bei Patienten, die mit der modifizierten Risikostratifizierung beurteilt wurden waren diese Unterschiede hochsignifikant.
Die postoperative Immundysfunktion ist ein bis heute noch nicht verstandenes Phänomen. Das Mausmodell der postoperativen Immundysfunktion (SID-Modell) leistet hierbei einen Beitrag zur Klärung der zugrunde liegenden Mechanismen. Diese Arbeit charakterisiert das SID-Modell und kombiniert es mit dem klinischen Modell des orthotopen Pankreaskarzinoms. Klinisch sichtbare und immunologisch nachweisbare Prozesse der postoperativen Immundysfunktion, wie sie am Menschen regelhaft beobachtet werden, sind auch im SID-Modell nachweisbar. Die Operation nach dem Modell der SID erzeugt einen postoperativen paralytischen Ileus, der bis zu einer Woche anhält. Begleitend zu dem paralytischen Ileus treten die charakteristischen Darmwandödeme und dilatierten Darmschlingen auf. Weiterhin kommt es zu einer Migration von neutrophilen Granulozyten in die Darmwand. Auch vom Aspekt des Traumas entspricht das Modell der SID einem großen chirurgischen Eingriff, was durch den Nachweis der erhöhten systemischen und lokalen HMGB1-Konzentrationen gezeigt wird. Die komplexen immunologischen Vorgänge im SID-Modell lassen sich anhand ausgewählter Zytokine und Stresshormone nachvollziehen und sind den immunologischen Prozessen nach großen chirurgischen Interventionen am Menschen sehr ähnlich. So führt das Modell der SID an mehreren Stellen zu einem ausgeprägten Eingriff in den Regelkreis der hypothalamo-hypophysär-adrenalen Achse und des Immunsystems. Der perioperative Stress aktiviert die hypothalamo-hypophysär-adrenale Achse, die wiederum durch Glukokortikoide die Konzentration pro-inflammatorischer Zytokine minimiert. Diese begünstigen ihrerseits die Freisetzung von Glukokortikoiden. Dem entgegen fördert das durch ein operatives Trauma freigesetzte HMGB1 die Sekretion pro-inflammatorischer Zytokine aus Immunzellen. Es steht somit nun ein Modell zur Verfügung, das das Phänomen der postoperativen Immundysfunktion der Grundlagenforschung zugänglich macht.
Zusätzlich zur erfolgreichen Charakterisierung zeigt sich ein interessanter klinischer Bezug zum orthotopen Pankreaskarzinom-Modell. Dabei löst das SID-Modell einen erheblichen negativen Einfluss auf das Überleben von Mäusen mit einem Pankreaskarziom aus. Das SID-Modell könnte eine häufig existierende Situation am Menschen, bei denen sich ein Karzinom oder Metastase chirurgisch nicht vollständig resezieren ließ, abbilden und der Entwicklung neuer Strategien, wie etwa einer perioperativen Immunmodulation, dienen.
Despite continuous advances in therapy, malignant melanoma is still among the deadliest
types of cancer. At the same time, owing to its high plasticity and immunogenicity, melanoma is
regarded as a model tumor entity when testing new treatment approaches. Cold physical plasma is a
novel anticancer tool that utilizes a plethora of reactive oxygen species (ROS) being deposited on the
target cells and tissues. To test whether plasma treatment would enhance the toxicity of an established
antitumor therapy, ionizing radiation, we combined both physical treatment modalities targeting
B16F10 murine melanoma cell in vitro. Repeated rather than single radiotherapy, in combination
with gas plasma-introduced ROS, induced apoptosis and cell cycle arrest in an additive fashion. In
tendency, gas plasma treatment sensitized the cells to subsequent radiotherapy rather than the other
way around. This was concomitant with increased levels of TNFα, IL6, and GM-CSF in supernatants.
Murine JAWS dendritic cells cultured in these supernatants showed an increased expression of cell
surface activation markers, such as MHCII and CD83. For PD-L1 and PD-L2, increased expression
was observed. Our results are the first to suggest an additive therapeutic effect of gas plasma and
radiotherapy, and translational tumor models are needed to develop this concept further.