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Die Sepsis stellt ein hoch komplexes, klinisch heterogenes Krankheitsbild dar, das die Medizin und Wissenschaft auf der ganzen Welt vor große Herausforderungen stellt. Obwohl nahezu jeder erfahrene Intensivmediziner Unterschiede zwischen einem Patienten mit abdomineller Sepsis und einem Patienten mit Urosepsis benennen könnte, haben nur sehr wenige Forschungsgruppen diese Unterschiede
weiter untersucht und beschrieben. Jede Sepsis beginnt in einem anatomischen Fokus der Infektion, der sich fast überall im menschlichen Körper befinden kann. Existieren Unterschiede zwischen Patienten mit unterschiedlichem Sepsisfokus? Ist Sepsis vielleicht nicht gleich Sepsis? Um diese Fragen zu beantworten, hat unsere Arbeitsgruppe über einen Zeitraum von acht Jahren die Daten von 816 Sepsispatienten ausgewertet, deren Fokus ausschließlich im Abdomen, Respirationstrakt, Urogenitaltrakt oder den Knochen und Weichteilen lag. Die Patienten wurden über den gesamten Studienzeitraum konsekutiv eingeschlossen und prospektiv auf das Vorliegen einer Sepsis gescreent. Wir verglichen klinische, mikrobiologische und laborchemische Daten zum Sepsiszeitpunkt zwischen den Fokusgruppen und konnten signifikante Unterschiede in allen drei Bereichen beobachten. Beispielsweise war die Inzidenz für das Auftreten eines septischen Schocks bei Patienten mit abdominellem und urogenitalem Fokus signifikant höher als bei den anderen Gruppen. In Bezug auf die mikrobiologischen Unterschiede waren die Urosepsis und die Knochen- und Weichteilsepsis mit deutlich höheren Blutkulturpositivitäten assoziiert. Außerdem unterschied sich das Erregerspektrum zwischen den Gruppen. Des Weiteren konnten wir Unterschiede in den Laborergebnissen der Patienten zum Sepsiszeitpunkt feststellen. Fast die Hälfte der Patienten mit Urosepsis zeigte pathologisch erhöhte PCT-Werte im Vergleich zu nur 15 % der respiratorischen Gruppe. Weiterhin hatten dreimal so viele Patienten mit Fokus im Bereich Knochen/Weichteile eine Hypoalbuminämie wie Patienten der urogenitalen und pulmonalen Gruppe. Darüber hinaus waren die verschiedenen Sepsisfokusse mit Unterschieden in den SOFA-Scores, SIRS-Kriterien und dem Auftreten von Organdysfunktionen zum Sepsisbeginn assoziiert. Die vorliegende Dissertation liefert eindeutige Hinweise auf klinische, laborchemische und mikrobiologische Unterschiede zwischen Sepsispatienten mit verschiedenen Sepsisfokussen zum Beginn der Sepsis. In großen randomisierten Studien sollte den deutlichen Unterschieden zwischen den verschiedenen Sepsisfokussen möglicherweise mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden, damit therapeutische Ansätze, welche nur einer Subgruppe helfen, mit ausreichender Fallzahl herausgearbeitet werden können.
Schwere Sepsis und septischer Schock bleiben die führende Todesursache auf deutschen Intensivstationen. Mehrere Autoren haben gezeigt, dass die protokollgesteuerte Therapie der Sepsis einen signifikanten Überlebensvorteil bringt. Problematisch bleibt die Implementierung des Standards in die tägliche Routine. Das Ziel dieser Arbeit ist es nachzuweisen, dass die kontinuierliche Weiterbildung der Mitarbeiter auf mehreren Ebenen die Compliance mit dem 6-Stundensepsisbundle signifikant verbessert was folglich zur Senkung der Letalität führt. Als Intervention wurde ein kontinuierliches systematisches Weiterbildungsprogramm für Ärzte und Schwestern mit dem Schwerpunkt frühzeitige Erkennung und leitliniengemäße Behandlung der Sepsis nach den Empfehlungen der Surviving Sepsis Campaign eingeführt. Weiter wurden zum Thema Sepsis Plakate ausgehängt, Kitteltaschenkarten mit Diagnosekriterien und Therapieleitlinien verteilt und Intranetseiten neu eingerichtet. Patienten der Intensivstationen der Klinik für Anästhesie und Intensivmedizin wurden im Zeitraum von Januar 2006 bis Juni 2009 täglich auf SIRS Kriterien gescreent und bei Erfüllung der Sepsiskriterien in die Studie eingeschlossen. Mittels der SSC-Software wurde die Erfüllung der Kriterien des 6h-Bundles vor und nach der Intervention untersucht und die Krankenhausletalität berechnet. Insgesamt wurden 277 Patienten eingeschlossen. Davon 132 in die präinterventionelle und 145 in die postinterventionelle Kohorte. Folgende Änderungen der einzelnen Parameter wurden festgestellt. Häufigkeit der Blutkulturentnahme vor Antibiotikagabe 18,9% vs. 46,9%, Antibiotische Compliance 70,5% vs. 86,2%, Scv02>70% 19,1% vs. 45,9% sind im signifikanten Ausmaß gestiegen. Die Krankenhausletalität ist von 58,3% auf 40% statistisch signifikant gesunken. Anhand der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit kann zusammenfassend postuliert werden, dass kontinuierliche Weiterbildung der Mitarbeiter die Compliance mit Sepsisprotokollen verbessert und mit einer Senkung der Krankenhausletalität assoziiert ist.
Die Sepsis (Typ B) als Folge des regelhaft auftretenden postoperativen Immundysfunktions-syndroms ist prognostisch als besonders ungünstig einzustufen und ein immer noch schwer beherrschbares Problem auf chirurgischen Intensivstationen. Eine adäquate Therapie ist vor diesem Hintergrund unbedingt erforderlich. In diesem Kontext war es das Ziel, den Einfluss von R-848 als synthetischen TLR7-Agonisten in murinen Sepsismodellen zu untersuchen und nähere Aussagen über die Expression von TLR7 in der murinen Sepsis zu gewinnen. Methodisch wurde die 16G-CASP als endogenes und die i.v.-Infektion mit Burkholderia pseudomallei als exogenes Sepsismodell verwendet. Sowohl immunhistochemisch als auch auf molekularer Ebene (mRNA) konnte eine schwache Expression von TLR7 in nativen murinen Milzmakrophagen, B-Zellen und plasmazytoiden dendritischen Zellen und im Verlauf der Sepsis eine Hochregulation dieses Rezeptors gezeigt werden. Ex vivo wurde der Nachweis erbracht, dass R-848 in vergleichbarem Maße wie LPS pro- und antiinflammatorische Zytokine induziert. Eine immunstimulatorische Potenz des TLR7-Agonisten konnte in der nativen Maus anhand von Analysen der Zytokine nach Gabe von R-848 in vivo gezeigt werden. TLR7-Stimulation ändert den Ablauf der Sepsis in vivo, was zunächst im CASP-Modell untersucht wurde. Die Überlebenskinetik zeigte einen Trend zur Mortalitätsreduktion nach R-848-Vorbehandlung. Unter Burkholderieninfektion konnte eine signifikante Verlängerung des Überlebens ebenfalls ermittelt werden. Um diesen Unterschied erklären zu können, wurden als nächstes die bakterielle Belastung und Zytokinspiegel verschiedener Kompartimente unter TLR7-Stimulation 12 und 20 Stunden nach CASP analysiert. Bei tendentiell gegenläufigem Zytokinprofil zeigte sich die Bakterienzahl unter R-848-Stimulation sowohl im Peritoneum, als auch in der Milz signifikant gegenüber der Kontrolle abgesunken. R-848 konnte in vorinfizierten RAW-Makrophagen die Phagozytoserate gegenüber der physiologischen Kontrolle steigern, zeigte jedoch keinen Unterschied bei nicht-infizierten Makrophagen. In einem Replikations- und Invasionsassay fand sich die intrazelluläre Keimzahl unter R-848-Stimulation um 50 Prozent nicht signifikant abgesunken. Septische Apoptoseraten korrelieren mit dem Schweregrad des Sepsisverlaufs. Der protektive Einfluß von R-848 konnte anhand eines signifikanten Rückgangs der Apoptoserate in immunologisch bedeutenden Organen gezeigt werden. TLR7 als primär für die Virusabwehr bekannter Mustererkennungsrezeptor kann demnach auch in systemischen bakteriellen Infektionen ein mögliches Ziel immuntherapeutischer Interventionen sein, was weitergehend untersucht werden sollte.
Die Sepsis und der septische Schock stellen die häufigste Todesursache auf chirurgischen Intensivstationen dar. Viele Studien haben gezeigt, dass die Barriere-funktion in sekretorischen Organen, wie z. B. Leber, Gehirn und Darm, durch das septische Krankheitsbild beeinflusst wird. Wichtige Determinanten dieser Organbarrieren sind die Effluxtransporter multidrug resistance protein 1 (kodiert durch Mdr1) und das multidrug resistance-associated protein 2 (Mrp2). Sie haben großen Einfluss auf die Absorption und Verteilung sowie Ausscheidung von potentiell toxischen Xenobiotika, unter anderem auch Arzneimittel. Unser Ziel war es, mit der vorliegenden Arbeit einerseits die Expression, anderseits die Funktion der Membran-Transporter Mdr1 und Mrp2 in verschiedenen Organen mit und ohne Sepsis zu untersuchen. Des Weiteren sollte geklärt werden, inwieweit Talinolol als probe drug neben dem bereits gut charakterisierten Transport über Mdr1 auch ein Substrat für Mrp2 ist. Hierzu wurden jeweils 12 männliche Lew.1W-Ratten des Wildtyps und 12 des Mrp2-defizienten Stamms mit Talinolol vorbehandelt. Je sechs Tieren beider Rattenstämme wurde ein Röhrchen in die Darmwand implantiert (colon ascendens stent peritonitis – CASP), die Kontrolltiere wurden scheinoperiert. Nach drei Tagen wurde die Mdr1b- und Mrp2-mRNA-Expression über die real time reverse transcription- Polymerasekettenreaktion im Jejunum, Ileum, Leber, Niere, Gehirn und Hoden analysiert. Weiterhin bestimmten wir sowohl aus den oben genannten Organen als auch aus dem Blut sowie dem gesammelten Urin und Stuhl die Talinololkonzentrationen mittels high pressure liquid chromatography (HPLC) und Fluoreszenzdetektion. Septische Ratten des Wildtyps zeigten gegenüber ihrer Kontrolle eine nominal gesunkene jejunale Mdr1b-mRNA-Expression mit einer gleichzeitig um 20% verminderten Talinololausscheidung über den Stuhl als möglichen Ausdruck der gestörte Absorptionsbarriere des Darms. Weiterhin waren die Mdr1b-mRNA-Level in der Leber erhöht, jedoch ließ sich die zu erwartende Reduzierung der intrahepatische Talinololkonzentration nicht bestätigen. Die Konzentrationen von Talinolol im Gehirn sanken während der Sepsis auf fast ein Drittel der Kontrollgruppe bei unveränderter Mdr1-Expression. Mrp2 scheint hingegen keinen Einfluss auf die Talinololkinetik während der Sepsis zu haben.
Nosokomiale Infektionen, insbesondere die nosokomiale Sepsis, spielen auf der neonatologischen Intensivstation eine große Rolle, weil sie mit einer erhöhten Morbidität und Mortatlität verbunden sind. Da die Diagnosestellung bei Neonaten, insbesondere bei Frühgeborenen, schwierig ist, ist die Prävention der nosokomialen Sepsis äußerst wichtig. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Analyse, ob es Risikofaktoren für eine mikrobiologische Kolonisation und dem Auftreten einer neonatalen Sepsis gibt und ob eine bakterielle Besiedlung der Neonaten mit dem Entstehen einer neonatalen Sepsis einhergeht. Zu diesem Zweck wurden in einem Zeitraum von 32 Monaten (2003-2006) alle Neonaten auf der Neo-ITS der Universitätsmedizin Greifswald, die den Kriterien für eine nosokomiale Sepsis entsprachen, in dieser Arbeit eingeschlossen (n=68). Um die erhobenen Daten dieser Kinder vergleichen zu können, wurden ebenfalls 68 Kinder, die keine Sepsis hatten, aus diesem Zeitraum nach entsprechenden Kriterien als Kontrollgruppe berücksichtigt, so dass die Gesamtfallzahl für diese Arbeit 136 betrug. Von den 136 Säuglingen wurden verschiedene peripartale Faktoren, wie beispielsweise Liegedauer, Geburtsgewicht, Mutteralter bei der Geburt, Geburtsort etc. erfasst. Zusätzlich kamen Ergebnisse eines routinemäßigen mikrobiologischen Monitorings hinzu. Die erhobenen Daten wurden mit SPSS ausgewertet. Im Ergebnis zeigten sich eine lange Liegedauer, ein geringes Aufnahmegewicht, das Vorkommen einer NEC und der Geburtsort Greifswald als signifikante Risikofaktoren für eine neonatale Sepsis. Ein weiterer tendenziell begünstigender Faktor für des Entstehen einer Sepsis war das Vorkommen von Fehlbildungen (p=0,06). Für eine mikrobiologische Kolonisation sind ebenfalls eine lange Liegedauer, ein geringes Geburts- bzw. Aufnahmegewicht und das Vorkommen einer NEC Risikofaktoren. Zusätzlich konnten auch geringes Gestationsalter und längere Dauer der Muttermilchernährung als begünstigende Faktoren für eine Besiedlung der Neonaten bestimmt werden. Nach Unterteilung der Kolonisation in einzelne Bakterienspecies ergaben sich ähnliche Risikofaktoren. Es ergab sich kein Zusammenhang zwischen einer Kolonisation und einer neonatalen Sepsis, d. h. eine Kolonisation unabhängig von der Bakterienspecies stellt kein Risikofaktor für die Entwicklung einer Sepsis dar. In der vorliegenden Arbeit konnten verschiedene Risikofaktoren für das Auftreten einer neonatalen Sepsis und für die Besiedlung der Neonaten identifiziert werden, die bereits in der Literatur beschrieben wurden wie lange Liegedauer, geringes Geburtsgewicht, Fehlbildungen und NEC. Nach aktueller Studienlage korreliert auch ein geringes Gestationsalter mit dem Auftreten einer Sepsis, was in unserer Arbeit nicht bewiesen werden konnte. Da ebenfalls kein Zusammenhang zwischen einer bakteriellen Kolonisation und dem Entstehen einer neonatalen Sepsis gefunden wurde, bedeuten die in dieser Arbeit routinemäßig durchgeführten mikrobiologischen Abstriche keinen direkt-infektiologischen Vorteil.
Aufgrund der Erschöpfung des antioxidativen Abwehrsystems des Organismus entstehen während einer Sepsis schwere Zell- und Organschäden durch die unkontrollierte Freisetzung von ROS. Da bisher wenig über die Regulation und Funktion antioxidativer Enzyme bei mikrobiellen Infektionen bekannt ist, sollten die Stressproteine Peroxiredoxin 6 (Prx 6) und Hämoxygenase-1 (HO-1) sowie die Metabolite des Häm-Abbaus Kohlenstoffmonoxid (CO) und Eisen am Beispiel von Infektionen mit Burkholderia pseudomallei, dem fakultativ intrazellulär lebenden Gram negativen Erreger der Melioidose, charakterisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Genexpression von Prx 6 als Antwort auf eine Infektion mit B. pseudomallei in Knochenmarkmakrophagen (BMM) und Organen von C57BL/6-Mäusen differenziell reguliert wird. Obwohl weder der Knockout noch die Überexpression von Prx 6 einen Einfluss auf das intrazelluläre Überleben und die zytotoxische Wirkung von B. pseudomallei in BMM ausübte, deuten die Ergebnisse auf eine Beteiligung von Prx 6 bei der Regulation der Zytokinexpression nach der Infektion hin. In einem pulmonalen sowie systemischen Mausmodell konnte belegt werden, dass die Überexpression von Prx 6 einen Überlebensvorteil infizierter Mäuse darstellt, welcher mit reduzierten Keimlasten in Organen sowie Änderungen im Zytokinprofil einherging. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Überexpression von Prx 6 an der Eingrenzung der proinflammatorischen Antwort nach einer Infektion mit B. pseudomallei beteiligt ist und dadurch zum Schutz des Wirtes beitragen kann. Im zweiten Teil der Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Genexpression des ebenfalls häufig im Zusammenhang mit dem Zellschutz beschriebenen Enzyms HO-1 durch eine Infektion mit B. pseudomallei in BMM sowie Lunge, Leber und Milz von C57BL/6-Mäusen induziert wird. Die pharmakologische Induktion der HO-1 resultierte in einer Reduktion der proinflammatorischen Antwort von BMM, wodurch das intrazelluläre Überleben von B. pseudomallei und die damit verbundene Zellschädigung begünstigt wurden. In vivo führte die Induktion der HO-1 zur Einschränkung der Pathogenkontrolle, was sich in einem früheren Versterben, erhöhten Keimlasten am Infektionsherd und den peripheren Organen sowie einer erhöhten Zytokinfreisetzung und Zellschädigung infizierter Tiere äußerte. Auch der Einsatz eines CO-freisetzenden Moleküls schränkte die Abwehr gegenüber B. pseudomallei in BMM und in vivo ein. Im dritten Teil der Arbeit deuten die Ergebnisse zum Einfluss von Eisen, als weiteren Häm-Metaboliten, darauf hin, dass die Erhöhung der Verfügbarkeit des für den Wirt und das Pathogen essentiellen Metalls teilweise für die schädigende Wirkung der HO-1-Induktion bei muriner Melioidose verantwortlich gemacht werden kann. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Genexpression des Peptidhormons Hepcidin und des Eisenspeicherproteins Ferritin durch die Infektion von BMM mit B. pseudomallei, bei gleichzeitiger Reduktion der Transkription des Eisenexprotproteins Ferroportin, induziert wird. Die exogene Erhöhung der Eisenverfügbarkeit in BMM führte zu einer verstärkten intrazellulären Replikation, während die Depletion dieses Elements das Überleben von B. pseudomallei reduzierte. Infolge einer intranasalen Infektion mit B. pseudomallei war die Genexpression von Ferroportin in der Leber reduziert, was die Einlagerung von Eisen in die Leber erhöhte. Verursacht durch erhöhte Genexpressionsraten von Hepcidin stieg dessen systemische Konzentration, wodurch es zur Etablierung hypoferrämischer Bedingungen im Serum infizierter Mäuse kam. Auch im Mausmodell begünstigte die Erhöhung der Eisenverfügbarkeit das bakterielle Wachstum in Organen, die proinflammatorische Antwort des Wirtes sowie die Hepicidinkonzentration im Serum. Im Gegensatz dazu führte die Chelation von Eisen zur Reduktion der bakteriellen Ausbreitung und einem verbesserten Überleben infizierter Tiere. Die Verfügbarkeit von Eisen begünstigt demnach nicht nur das Überleben von B. pseudomallei in der Umwelt und die Bildung von Biofilmen, sondern ist auch im Rahmen muriner Melioidose ein kritischer Faktor für die Pathogenese.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von endogenem TNF-related apoptosis inducing ligand (Trail) auf die murine polymikrobielle Sepsis untersucht, weil Vorversuche ergeben hatten, dass die Applikation von exogenem Trail bei Sepsis zu einem Überlebensvorteil führt. Für die Untersuchungen wurden transgene Trail defiziente Tiere mit C57BL/6 Wildtyp Tieren verglichen. Die Colon ascendens stent peritonitis (CASP) diente als Modell für die polymikrobielle peritoneale Sepsis. Anders als nach den Ergebnissen der Vorversuche zu erwarten, konnte in der Überlebenskinetik kein Nachteil durch die endogene Trail-Defizienz festgestellt werden. Die bakterielle Clearance war durch den genetisch bedingten Mangel an Trail nicht eingeschränkt. Im Blut war die Elimination der Bakteriämie sogar effizienter. Durchflusszytometrisch wurden unterschiedliche Zellpopulationen identifiziert und verglichen, um die Auswirkungen der Trail-Defizienz auf Einzelzellebene zu beleuchten. GITR eignete sich im CASP-Modell nicht als Marker für regulatorische T-Zellen. Seine Expression stieg durch die Aktivierung der T-Zellen unabhängig von der Zugehörigkeit zu den Effektor T-Zellen oder den regulatorischen T-Zellen. Deshalb wurden die regulatorischen T-Zellen in dieser Arbeit durch den Transkriptionsfaktor Foxp3 und den Aktivierungsmarker CTLA-4 charakterisiert. Der Anteil der regulatorischen T-Zellen war in der transgenen Trail-/- Versuchsgruppe im Vergleich zu der Kontrollgruppe erhöht. Diese Beobachtung konnte durch die immunhistochemische Färbung von regulatorischen T-Zellen bestätigt werden. Die Expression des Trail-Rezeptors DR5 stieg bei CASP in der transgenen Trail-defizienten Versuchsgruppe an, wohingegen in der Wildtyp Gruppe keine Veränderungen beobachtet wurden. Allerdings besitzen die Trail-defizienten Tiere nach aktuellem Wissen keinen Liganden für diesen Todesrezeptor. Dennoch zeigten sie bei CASP einen höheren Anteil apoptotischer Zellen als Wildtyp-Tiere. Dies wurde sowohl mit Zellzyklusanalysen und TUNEL-Färbungen gezeigt. Da der Zelltod nicht durch Trail hervorgerufen sein konnte, wurde nach weiteren Apoptose-induzierenden Substanzen in diesem Sepsismodell gesucht. Weder die durchflusszytometrische Bestimmung von TNF-Rezeptoren noch die Bestimmung von Glukokortikoiden im Serum mittels ELISA zeigten bei CASP Anstiege in der Trail-/- Versuchsgruppe oder in Wildtyp-Tieren. Schließlich wurde die Reaktivität der Immunzellen bei CASP ex vivo untersucht. Dazu wurden die Zellen in vitro stimuliert und die Zytokinspiegel im Überstand bestimmt. In einigen Experimenten wurde Apoptose in vitro durch Applikation eines universellen Caspaseinhibitors unterbunden. Die überraschenden Ergebnisse zeigten eine Zunahme der proinflammatorischen Zytokine, vor allem TNF-α und INF γ und des antiinflammatorischen Zytokins Il-10. Insgesamt stützen die Ergebnisse die Arbeitshypothese, dass Trail-Defizienz bei Sepsis negative Auswirkungen hat, nicht. Die überraschende Beobachtung, dass der sepsisinduzierte Zelltod in Abwesenheit des „Todessignals“ Trail zunimmt, eröffnet interessante Perspektiven für die zukünftige Forschung.
Die schwere Sepsis und der septische Schock sind aufgrund ihrer Häufigkeit, ihrer hohen Sterblichkeit, der hohen direkten und indirekten Kosten und insbesondere ihrer einschneidenden Folgen für die Lebensqualität Betroffener und ihrer Angehörigen ein relevantes Thema auf Intensivstationen weltweit. Die große Heterogenität des Krankheitsbildes erschwert eine rasche Diagnosestellung und eine schnelle Therapieeinleitung. Als ursächlich für die Verzögerung sehen viele Autoren ein mangelndes Wissen und eine daraus resultierende Verkennung der Dringlichkeit einer zeitkritischen Behandlung. Zum jetzigen Zeitpunkt existieren zu wenig belastbare Studien, die verlässliche Aussagen über den optimalen Zeitpunkt und die notwendige Zeitspanne bis zur Diagnostik und Therapie treffen können. Ebenso fehlen insbesondere in dieser frühen Phase der Sepsis wichtige Strukturen und Algorithmen, wie sie bereits bei anderen Notfällen seit Jahren etabliert sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zunächst zu untersuchen, inwieweit eine mangelnde Priorisierung besteht und wie sich diese auf die viel diskutierte Forderung nach umgehender Diagnostik und Therapie überträgt. Dazu sollen die in Greifswald erhobenen Zeiten im Vergleich zu den Leitlinienempfehlungen und der aktuellen Studienlage diskutiert werden. Zur besseren Verdeutlichung wurden Daten von Polytraumapatienten aus Greifswald herangezogen. Darüber hinaus fand ein literaturbasierter Vergleich mit bereits etablierten Strukturen anerkannter Notfälle statt. Im Rahmen der vorliegen-den Arbeit wurden dazu retrospektiv 297 volljährige Patienten ausgewählt, die sich im Zeit-raum vom 4. Januar 2010 bis 24. Dezember 2015 mit schwerer Sepsis und septischem Schock auf den Intensivstationen ITS 1 und ITS 2 der Universitätsmedizin Greifswald befanden und die im Anschluss an eine radiologische Fokussuche eine operativ/interventionelle Herdsanierung erhalten haben. Zunächst bestätigen unsere Daten, im Einklang mit der bestehenden Studienlage, einen positiven Einfluss einer schnellen Herdsanierung auf die Letalität. Ebenso zeigen sie die Bedeutung einer frühestmöglichen Diagnosestellung der Sepsis. Vor allem zeigen unsere Ergebnisse eine deutliche mangelnde Priorisierung von Sepsispatienten im klinischen Alltag. Es zeigte sich, dass vor allem fehlende Strukturen zu Beginn der Behandlung und Defizite im Bereich der Kommunikation zu den wichtigsten Problemen im Umgang mit Sepsispatienten gehören. Aus diesen Erkenntnissen wurde ein Algorithmus abgeleitet, der in Zukunft die Früherkennung sowie die initiale Behandlung erleichtern soll. Er soll eine Antwort auf die Frage geben, ob ein Patient mit unspezifischen Symptomen an einer Sepsis erkrankt sein könnte. Auf diese Weise soll dem Notfall Sepsis im klinischen Alltag eine priorisiertere Stellung eingeräumt werden.
Abstract
Background
Critically ill patients frequently develop muscle atrophy and weakness in the intensive‐care‐unit setting [intensive care unit‐acquired weakness (ICUAW)]. Sepsis, systemic inflammation, and acute‐phase response are major risk factors. We reported earlier that the acute‐phase protein serum amyloid A1 (SAA1) is increased and accumulates in muscle of ICUAW patients, but its relevance was unknown. Our objectives were to identify SAA1 receptors and their downstream signalling pathways in myocytes and skeletal muscle and to investigate the role of SAA1 in inflammation‐induced muscle atrophy.
Methods
We performed cell‐based in vitro and animal in vivo experiments. The atrophic effect of SAA1 on differentiated C2C12 myotubes was investigated by analysing gene expression, protein content, and the atrophy phenotype. We used the cecal ligation and puncture model to induce polymicrobial sepsis in wild type mice, which were treated with the IкB kinase inhibitor Bristol‐Myers Squibb (BMS)‐345541 or vehicle. Morphological and molecular analyses were used to investigate the phenotype of inflammation‐induced muscle atrophy and the effects of BMS‐345541 treatment.
Results
The SAA1 receptors Tlr2, Tlr4, Cd36, P2rx7, Vimp, and Scarb1 were all expressed in myocytes and skeletal muscle. Treatment of differentiated C2C12 myotubes with recombinant SAA1 caused myotube atrophy and increased interleukin 6 (Il6) gene expression. These effects were mediated by Toll‐like receptors (TLR) 2 and 4. SAA1 increased the phosphorylation and activity of the transcription factor nuclear factor ‘kappa‐light‐chain‐enhancer' of activated B‐cells (NF‐κB) p65 via TLR2 and TLR4 leading to an increased binding of NF‐κB to NF‐κB response elements in the promoter region of its target genes resulting in an increased expression of NF‐κB target genes. In polymicrobial sepsis, skeletal muscle mass, tissue morphology, gene expression, and protein content were associated with the atrophy response. Inhibition of NF‐κB signalling by BMS‐345541 increased survival (28.6% vs. 91.7%, P < 0.01). BMS‐345541 diminished inflammation‐induced atrophy as shown by a reduced weight loss of the gastrocnemius/plantaris (vehicle: −21.2% and BMS‐345541: −10.4%; P < 0.05), tibialis anterior (vehicle: −22.7% and BMS‐345541: −17.1%; P < 0.05) and soleus (vehicle: −21.1% and BMS‐345541: −11.3%; P < 0.05) in septic mice. Analysis of the fiber type specific myocyte cross‐sectional area showed that BMS‐345541 reduced inflammation‐induced atrophy of slow/type I and fast/type II myofibers compared with vehicle‐treated septic mice. BMS‐345541 reversed the inflammation‐induced atrophy program as indicated by a reduced expression of the atrogenes Trim63/MuRF1, Fbxo32/Atrogin1, and Fbxo30/MuSA1.
Conclusions
SAA1 activates the TLR2/TLR4//NF‐κB p65 signalling pathway to cause myocyte atrophy. Systemic inhibition of the NF‐κB pathway reduced muscle atrophy and increased survival of septic mice. The SAA1/TLR2/TLR4//NF‐κB p65 atrophy pathway could have utility in combatting ICUAW.
Background
Sepsis-induced intensive care unit-acquired weakness (ICUAW) features profound muscle atrophy and attenuated muscle regeneration related to malfunctioning satellite cells. Transforming growth factor beta (TGF-β) is involved in both processes. We uncovered an increased expression of the TGF-β receptor II (TβRII)-inhibitor SPRY domain-containing and SOCS-box protein 1 (SPSB1) in skeletal muscle of septic mice. We hypothesized that SPSB1-mediated inhibition of TβRII signalling impairs myogenic differentiation in response to inflammation.
Methods
We performed gene expression analyses in skeletal muscle of cecal ligation and puncture- (CLP) and sham-operated mice, as well as vastus lateralis of critically ill and control patients. Pro-inflammatory cytokines and specific pathway inhibitors were used to quantitate Spsb1 expression in myocytes. Retroviral expression plasmids were used to investigate the effects of SPSB1 on TGF-β/TβRII signalling and myogenesis in primary and immortalized myoblasts and differentiated myotubes. For mechanistical analyses we used coimmunoprecipitation, ubiquitination, protein half-life, and protein synthesis assays. Differentiation and fusion indices were determined by immunocytochemistry, and differentiation factors were quantified by qRT-PCR and Western blot analyses.
Results
SPSB1 expression was increased in skeletal muscle of ICUAW patients and septic mice. Tumour necrosis factor (TNF), interleukin-1β (IL-1β), and IL-6 increased the Spsb1 expression in C2C12 myotubes. TNF- and IL-1β-induced Spsb1 expression was mediated by NF-κB, whereas IL-6 increased the Spsb1 expression via the glycoprotein 130/JAK2/STAT3 pathway. All cytokines reduced myogenic differentiation. SPSB1 avidly interacted with TβRII, resulting in TβRII ubiquitination and destabilization. SPSB1 impaired TβRII-Akt-Myogenin signalling and diminished protein synthesis in myocytes. Overexpression of SPSB1 decreased the expression of early (Myog, Mymk, Mymx) and late (Myh1, 3, 7) differentiation-markers. As a result, myoblast fusion and myogenic differentiation were impaired. These effects were mediated by the SPRY- and SOCS-box domains of SPSB1. Co-expression of SPSB1 with Akt or Myogenin reversed the inhibitory effects of SPSB1 on protein synthesis and myogenic differentiation. Downregulation of Spsb1 by AAV9-mediated shRNA attenuated muscle weight loss and atrophy gene expression in skeletal muscle of septic mice.
Conclusions
Inflammatory cytokines via their respective signalling pathways cause an increase in SPSB1 expression in myocytes and attenuate myogenic differentiation. SPSB1-mediated inhibition of TβRII-Akt-Myogenin signalling and protein synthesis contributes to a disturbed myocyte homeostasis and myogenic differentiation that occurs during inflammation.