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Platelet factor 4 (PF4, synonym: CXCL4) is an evolutionary old chemokine with proposed roles in hemostasis and antimicrobial defense. In addition, PF4 has attracted considerable attention as a crucial mediator of one of the most prothrombotic adverse drug effects affecting blood cells, heparin-induced thrombocytopenia (HIT). Interest in PF4 substantially increased in 2021 when it was identified as the target antigen in the life-threatening adverse effect, vaccine-induced immune thrombotic thrombocytopenia (VITT). We address the concept that a major biological function of PF4—a strongly cationic chemokine—is to bind to negatively-charged prokaryotic microorganisms, resulting in structural changes in PF4 that trigger a danger signal recognized by the adaptive immune system. Application of biophysical tools has provided substantial insights into the molecular mechanisms by which PF4 becomes immunogenic, providing insights into a new mechanism of autoimmunity. Binding of autoantibodies with high affinity induces conformational change(s) in the endogenous protein, which are then recognized as foreign antigen, as exemplified by the prothrombotic disorders, autoimmune HIT and VITT. The final part of our review summarizes current assays for HIT and VITT, explaining how structural aspects of anti-PF4 pathobiology relate to assay design and performance characteristics. Currently, functional (platelet activation) assays using washed platelets detect HIT antibodies when heparin is added, and VITT antibodies when PF4 is added. Solid-phase PF4-dependent immunoassays using microtiter plates are sensitive for both HIT and VITT antibodies, while rapid immunoassays, in which the PF4/heparin antigen is coated on beads, are sensitive and specific for HIT, but not for VITT antibodies.
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.
For the last two decades, heparins have been widely used as anticoagulants. Besides
numerous advantages, up to 5% patients with heparin administration suffer from a major adverse
drug effect known as heparin-induced thrombocytopenia (HIT). This typical HIT can result in deep
vein thrombosis, pulmonary embolism, occlusion of a limb artery, acute myocardial infarct, stroke, and
a systemic reaction or skin necrosis. The basis of HIT may lead to clinical insights. Recent studies using
single-molecule force spectroscopy (SMFS)-based atomic force microscopy revealed detailed binding
mechanisms of the interactions between platelet factor 4 (PF4) and heparins of different lengths in
typical HIT. Especially, SMFS results allowed identifying a new mechanism of the autoimmune HIT
caused by a subset of human-derived antibodies in patients without heparin exposure. The findings
proved that not only heparin but also a subset of antibodies induce thrombocytopenia. In this review,
the role of SMFS in unraveling a major adverse drug effect and insights into molecular mechanisms
inducing thrombocytopenia by both heparins and antibodies will be discussed.