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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.
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.
LOX-1 ist ein membranständiger Rezeptor, der u.a. auf Endothelzellen exprimiert wird. Für Veränderungen in der Rezeptorexpression wurden verschiedene Faktoren identifiziert. Neben oxidiertem LDL und Angiotensin II stellen Zytokine wie beispielsweise TNF-α entscheidende Faktoren dar. LOX-1 stellt zudem ein Adhäsionsmolekül für Leukozyten und Bakterien dar. In dieser Arbeit wurde in einem tierexperimentellen Modell die Inhibition von LOX-1-Rezeptoren durch spezifische Antikörper bei experimenteller Endotoxinämie untersucht. Als Hypothese wurde angenommen, dass eine Blockierung von LOX-1-Rezeptoren mit einem spezifischen Antikörper eine Verbesserung der intestinalen Mikrozirkulation mit Abnahme der Leukozytenadhärenz bewirkt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verabreichung von LOX-1-Antikörpern zu einer Reduktion der Leukozytenadhärenz führt. Auf m-RNA Ebene konnte eine signifikante Minderung der Expression von LOX-1 nach Applikation des LOX-1-Antikörpers nachgewiesen werden. Gegenwärtig ist die Bedeutung von LOX-1 in den pathophysiologischen Zusammenhängen der Sepsis noch nicht ausreichend verstanden. Weitere Arbeiten sind diesbezüglich erforderlich. Diese Arbeit bestätigt, dass die LOX-1-Inhibition ein attraktives Target in der Modulation der endotoxinvermittelten Leukozytenaktivierung in der Mikrozirkulation bei Sepsis darstellt.
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.