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Late-onset Sepsis (LOS) betrifft bis zu 25% der Neugeborenen mit sehr niedrigem Geburtsgewicht (VLBWI; GG < 1500 Gramm) ab dem 4. Lebenstag. LOS ist eine häufige Ursache neonataler Morbidität und Mortalität sowie von verlängerten Krankenhausaufenthalten. Die frühe Diagnose und rechtzeitige Behandlung sind für die Vermeidung von schweren und lebensbedrohlichen Komplikationen entscheidend. Aufgrund der geringen Spezifität früher Sepsissymptome ist eine frühzeitige Diagnostik schwierig. Diese prospektive Studie untersuchte die Eignung pro- und antiinflammatorischer Zytokine ((Interleukin-(IL)-1-Rezeptorantagonist-(RA), IL-1α, IL-1β, IL-18, Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (M-CSF), IL-6, IL-8, IL-10, Interferon-gamma-induziertes Protein 10 (IP-10) und Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (GM-CSF)) im Urin von VLBWI (Gestationsalter < 32 Schwangerschaftswochen und/oder GG < 1500 g) für die frühzeitige Diagnostik einer LOS. Der verwendete Multiplex-Assay erlaubt die schnelle und sensitive Messung multipler Zytokine in einem geringen Probenvolumen. In die Studie wurden 165 VLBWI, die auf der Neugeborenenintensivstation in Greifswald oder Kaunas (Litauen) zwischen Oktober 2007 und September 2009 behandelt wurden, eingeschlossen. Vom 4. bis zum 18. Lebenstag wurden täglich Urinproben gesammelt. Anhand eines Sepsis-Scores wurden die Frühgeborenen in eine Sepsis-Gruppe (n = 39), Nicht-Sepsis-Gruppe (n = 86) und nicht-klassifizierte Gruppe (n = 40) eingeteilt. In die Analyse gingen die Daten von n = 32 Frühgeborenen der Sepsis-Gruppe und n = 8 Frühgeborenen der Nicht-Sepsis-Gruppe ein. Alle untersuchten Zytokine (außer IL-1α und GM-CSF) traten in der Sepsis-Gruppe in signifikant höherer Konzentration auf. Es gab eine deutliche Korrelation zwischen der I/T (Immature to Total Neutrophil) Ratio und der IL-1β-Konzentration im Urin. Weiter korrelierten IL-1β und IL-6 mit dem CRP-(C-reaktives Protein)-Wert. Für IL-1RA (p = 0,002) und IL-18 (p = 0,019) lagen signifikante Unterschiede zwischen der Basiskonzentration und der Konzentration am Sepsistag vor. IL-6 (p = 0,03) und IL-1RA (p = 0,03) zeigten signifikant höhere Konzentrationsanstiege in der Sepsis-Gruppe verglichen mit der Nicht-Sepsis-Gruppe. Die ROC-(Receiver Operating Characteristic)-Analyse identifizierte IL-6 (AUC-(Area under the ROC-curve)-Wert 0,72) als das Zytokin, das eine LOS in den drei Tagen vor und am Tag der klinischen Diagnosestellung am sichersten detektiert. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob eine kombinierte Bestimmung von Zytokinen im Urin Frühgeborener es ermöglicht, erstens eine LOS vor Beginn der klinischen Symptomatik zu identifizieren und zweitens somit eine frühere Antibiotikatherapie das Outcome von LOS bei VLBWI verbessern kann.
Previous studies have reported the fundamental role of immunoregulatory
proteins in the clinical phenotype and outcome of sepsis. This study investigated two functional single
nucleotide polymorphisms (SNPs) of T cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3
(TIM-3), which has a negative stimulatory function in the T cell immune response. Methods: Patients
with sepsis (n = 712) were prospectively enrolled from three intensive care units (ICUs) at the University
Medical Center Goettingen since 2012. All patients were genotyped for the TIM-3 SNPs rs1036199 and
rs10515746. The primary outcome was 28-day mortality. Disease severity and microbiological findings
were secondary endpoints. Results: Kaplan–Meier survival analysis demonstrated a significantly
lower 28-day mortality for TIM-3 rs1036199 AA homozygous patients compared to C-allele carriers
(18% vs. 27%, p = 0.0099) and TIM-3 rs10515746 CC homozygous patients compared to A-allele
carriers (18% vs. 26%, p = 0.0202). The TIM-3 rs1036199 AA genotype and rs10515746 CC genotype
remained significant predictors for 28-day mortality in the multivariate Cox regression analysis after
adjustment for relevant confounders (adjusted hazard ratios: 0.67 and 0.70). Additionally, patients
carrying the rs1036199 AA genotype presented more Gram-positive and Staphylococcus epidermidis
infections, and rs10515746 CC homozygotes presented more Staphylococcus epidermidis infections.
Conclusion: The studied TIM-3 genetic variants are associated with altered 28-day mortality and
susceptibility to Gram-positive infections in sepsis.
Die Frage der effizienten Behandlung von Sepsis und septischem Schock sind von großer Bedeutung, da die Letalität dieses Krankheitsbildes auch noch trotz der heutigen modernen intensivmedizinischer Maßnahmen sehr hoch ist. Gefährdet sind vor allem polytraumatisierte Patienten, Verbrennungspatienten und Patienten nach großen operativen Eingriffen. Mitverantwortlich für die steigende Inzidenz der Sepsis ist ein ansteigendes Durchschnittsalter der Patienten mit zunehmender Zahl an Begleiterkrankungen. Dem Gastrointestinaltrakt wird bei der Entstehung und Aufrecherhaltung von Sepsis und septischen Schock eine besondere Bedeutung zugeschrieben. Schon Meakins und Marschall beschrieben 1986 den Gastrointestinaltrakt als „Motor des Multiorganversagens“. Die Darmmukosa trennt die intestinale Mikroflora vom systemischen Blutkreislauf. Die Integrität der intestinalen Mukosa hängt aufgrund besonderer anatomischer Verhältnisse in den Darmvilli entscheidend von einer stabilen Perfusion der Mikrozirkulation ab. Unter bestimmten Umständen (Trauma, Schock, Endotoxinämie, etc.) kommt es zu einer Minderperfusion der Zottenspitzen in den Darmvilli und zur Störung der intestinalen Barrierefunktion. Eine Translokation von Bakterien und bakteriellen Produkten in die Mikrozirkulation über das physiologische Maß hinaus mit der Aktivierung der systemischen Immunantwort durch inflammatorische Zytokine ist die Folge. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Gabe von APC bei experimenteller Endotoxinämie die funktionelle Kapillardichte, als ein Maß der mikrozellulären Perfusion, signifikant verbessert. Darüber hinaus wirkt APC antiinflammatorisch, indem es die Leukozytenadhärenz am Endothel submuköser intestinaler Venolen reduziert. Diese Effekte von APC, die in anderen Arbeiten ebenfalls beobachtet werden konnten, sind nun in dieser Arbeit zum ersten Mal auch an der Darmwand festgestellt worden].
Background
Sepsis is one of the leading causes of preventable deaths in hospitals. This study presents the evaluation of a quality collaborative, which aimed to decrease sepsis-related hospital mortality.
Methods
The German Quality Network Sepsis (GQNS) offers quality reporting based on claims data, peer reviews, and support for establishing continuous quality management and staff education. This study evaluates the effects of participating in the GQNS during the intervention period (April 2016–June 2018) in comparison to a retrospective baseline (January 2014–March 2016). The primary outcome was all-cause risk-adjusted hospital mortality among cases with sepsis. Sepsis was identified by International Classification of Diseases (ICD) codes in claims data. A controlled time series analysis was conducted to analyze changes from the baseline to the intervention period comparing GQNS hospitals with the population of all German hospitals assessed via the national diagnosis-related groups (DRGs)-statistics. Tests were conducted using piecewise hierarchical models. Implementation processes and barriers were assessed by surveys of local leaders of quality improvement teams.
Results
Seventy-four hospitals participated, of which 17 were university hospitals and 18 were tertiary care facilities. Observed mortality was 43.5% during baseline period and 42.7% during intervention period. Interrupted time-series analyses did not show effects on course or level of risk-adjusted mortality of cases with sepsis compared to the national DRG-statistics after the beginning of the intervention period (p = 0.632 and p = 0.512, respectively). There was no significant mortality decrease in the subgroups of patients with septic shock or ventilation >24 h or predefined subgroups of hospitals. A standardized survey among 49 local quality improvement leaders in autumn of 2018 revealed that most hospitals did not succeed in implementing a continuous quality management program or relevant measures to improve early recognition and treatment of sepsis. Barriers perceived most commonly were lack of time (77.6%), staff shortage (59.2%), and lack of participation of relevant departments (38.8%).
Conclusion
As long as hospital-wide sepsis quality improvement efforts will not become a high priority for the hospital leadership by assuring adequate resources and involvement of all pertinent stakeholders, voluntary initiatives to improve the quality of sepsis care will remain prone to failure.
Over the past 10 years, the crisis of sepsis has remained a great challenge. According to data from 2016, the sepsis-related mortality rate remains high. In addition, sepsis consumes extensive medical resources in intensive care units, and anti-inflammatory agents fail to improve sepsis-associated hyperinflammation and symptoms of immunosuppression. The specific immune mechanism of sepsis remains to be elucidated. Reactive oxygen species (ROS) are triggered by energy metabolism and respiratory dysfunction in sepsis, which not only cause oxidative damage to tissues and organelles, but also directly and indirectly promote NOD-, LRR-, and pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome activation. NLRP3 inflammasomes enlarge the inflammatory response and trigger apoptosis of immune cells to exacerbate sepsis progression. Inhibiting the negative effects of ROS and NLRP3 inflammasomes therefore provides the possibility of reversing the excessive inflammation during sepsis. In this review, we describe the interaction of ROS and NLRP3 inflammasomes during sepsis, provide prevention strategies, and identify fields that need further study.
Infections are often caused by pathobionts, endogenous bacteria that belong to the microbiota. Trauma and surgical intervention can allow bacteria to overcome host defences, ultimately leading to sepsis if left untreated. One of the main defence strategies of the immune system is the production of highly specific antibodies. In the present proof-of-concept study, plasma antibodies against 9 major pathogens were measured in sepsis patients, as an example of severe systemic infections. The binding of plasma antibodies to bacterial extracellular proteins was quantified using a semi-automated immunoblot assay. Comparison of the pathogen-specific antibody levels before and after infection showed an increase in plasma IgG in 20 out of 37 tested patients. This host-directed approach extended the results of pathogen-oriented microbiological and PCR diagnostics: a specific antibody response to additional bacteria was frequently observed, indicating unrecognised poly-microbial invasion. This might explain some cases of failed, seemingly targeted antibiotic treatment.
Inflammatory Joint Disease Is a Risk Factor for Streptococcal Sepsis and Septic Arthritis in Mice
(2020)
Septic arthritis is a medical emergency associated with high morbidity and mortality, yet hardly any novel advances exist for its clinical management. Despite septic arthritis being a global health burden, experimental data uncovering its etiopathogenesis remain scarce. In particular, any interplay between septic arthritis and preceding joint diseases are unknown as is the contribution of the synovial membrane to the onset of inflammation. Using C57BL/6 mice as a model to study sepsis, we discovered that Group A Streptococcus (GAS) – an important pathogen causing septic arthritis - was able to invade the articular microenvironment. Bacterial invasion resulted in the infiltration of immune cells and detrimental inflammation. In vitro infected fibroblast-like synoviocytes induced the expression of chemokines (Ccl2, Cxcl2), inflammatory cytokines (Tnf, Il6), and integrin ligands (ICAM-1, VCAM-1). Apart from orchestrating immune cell attraction and retention, synoviocytes also upregulated mediators impacting on bone remodeling (Rankl) and cartilage integrity (Mmp13). Using collagen-induced arthritis in DBA/1 × B10.Q F1 mice, we could show that an inflammatory joint disease exacerbated subsequent septic arthritis which was associated with an excessive release of cytokines and eicosanoids. Importantly, the severity of joint inflammation controlled the extent of bone erosions during septic arthritis. In order to ameliorate septic arthritis, our results suggest that targeting synoviocytes might be a promising approach when treating patients with inflammatory joint disease for sepsis.
Critically ill patients at the intensive care unit (ICU) often develop a generalized weakness, called ICU-acquired weakness (ICUAW). A major contributor to ICUAW is muscle atrophy, a loss of skeletal muscle mass and function. Skeletal muscle assures almost all of the vital functions of our body. It adapts rapidly in response to physiological as well as pathological stress, such as inactivity, immobilization, and inflammation. In response to a reduced workload or inflammation muscle atrophy develops. Recent work suggests that adaptive or maladaptive processes in the endoplasmic reticulum (ER), also known as sarcoplasmic reticulum, contributes to this process. In muscle cells, the ER is a highly specialized cellular organelle that assures calcium homeostasis and therefore muscle contraction. The ER also assures correct folding of proteins that are secreted or localized to the cell membrane. Protein folding is a highly error prone process and accumulation of misfolded or unfolded proteins can cause ER stress, which is counteracted by the activation of a signaling network known as the unfolded protein response (UPR). Three ER membrane residing molecules, protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase (PERK), inositol requiring protein 1a (IRE1a), and activating transcription factor 6 (ATF6) initiate the UPR. The UPR aims to restore ER homeostasis by reducing overall protein synthesis and increasing gene expression of various ER chaperone proteins. If ER stress persists or cannot be resolved cell death pathways are activated. Although, ER stress-induced UPR pathways are known to be important for regulation of skeletal muscle mass and function as well as for inflammation and immune response its function in ICUAW is still elusive. Given recent advances in the development of ER stress modifying molecules for neurodegenerative diseases and cancer, it is important to know whether or not therapeutic interventions in ER stress pathways have favorable effects and these compounds can be used to prevent or treat ICUAW. In this review, we focus on the role of ER stress-induced UPR in skeletal muscle during critical illness and in response to predisposing risk factors such as immobilization, starvation and inflammation as well as ICUAW treatment to foster research for this devastating clinical problem.
Die Sepsis ist die Haupttodesursache auf nicht kardiologischen Intensivstationen mit einer Mortalität zwischen 30-50%. Auf Grund der epidemiologischen Entwicklung unserer Gesellschaft, einer Indikationsausweitung invasiver und operativer Verfahren sowie steigender Antibiotikaresistenzen und immunsuppressiver Therapien ist die Inzidenz der Sepsis steigend. Forschungsbemühungen zur Verbesserung der Sepsistherapie haben in den letzten Jahrzehnten immer wieder erfolgsversprechende präklinische Ergebnisse in in vitro und in vivo Modellen aufzeigen können. Die Translation in den klinischen Alltag ist dabei jedoch zumeist gescheitert. Die aktuelle Sepsistherapie basiert somit nach wie vor auf den kausalen Säulen der Fokuskontrolle und antimikrobiellen Therapie. Intensivmedizinische Maßnahmen wie die hämodynamische Stabilisierung oder die Durchführung von Organersatzverfahren können definitionsgemäß nicht mehr der kausalen, sondern nur noch der supportiven oder gar adjunktiven Therapie zugeordnet werden. In den letzten Jahren ist die Alteration der endothelialen Barriere im Rahmen systemisch entzündlicher Prozesse mit der Ausbildung eines sogenannten „Capillary leakage syndrome“ mit konsekutiver Ausbildung eines Multiorganversagens auf Grund einer Organminderperfusion zunehmend in den Fokus der Grundlagenwissenschaft gerückt. Trotz dieser enormen pathophysiologischen Bedeutung ist bis heute noch keine Therapieform zur Stabilisierung der Endothelbarriere in septischen Patienten etabliert. Der parazelluläre Spalt der endothelialen Barriere wird durch Adherens- und Tight Junctions abgedichtet, wobei das Adhäsionsprotein Ve-cadherin die Hauptkomponente darstellt und somit die entscheidende Rolle in der endothelialen Integrität einnimmt. Darüberhinaus ist Ve-cadherin in die Endothel-Leukozyten-Interaktion, sowie der makromolekularen Permeabilität partizipiert und kann zusätzlich als Rezeptor für das Fibrinspaltprodukt Bbeta 15-42 dienen. Petzelbauer et al. konnten zeigen, dass eine synthetisch hergestellte Bbeta 15-42 Sequenz (FX06) den Reperfusionsschaden in einem Tiermodell des Herzinfarktes durch eine verminderte leukozytäre Transmigration als Resultat der kompetitiven Interaktion mit Ve-cadherin signifikant reduzieren konnte. In der hier vorliegenden Arbeit wurde der Hypothese nachgegangen, ob FX06 das Überleben in einem Modell der murinen polymikrobillen Sepsis, Colon ascendens Stent Peritonitis, durch eine Stabilisierung der endothelialen Barriere verbessern kann. Des Weiteren wurde der Einfluss von FX06 auf die systemische Zytokinfreisetzung untersucht. Die gewonnen Daten zeigen, dass es durch die Applikation von FX06 zu einer Stabilisierung der Endothelbarriere, vor allem in der Lunge, kommt und somit auch das Überleben signifikant verbessert ist. Das Zytokin- und Chemokinprofil wird dabei nicht durch FX06 beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass FX06 einen möglichen neuen therapeutischen Ansatz zur Stabilisierung der Endothelbarriere darstellt und somit das Überleben in der polymikrobiellen Sepsis verbessern könnte. Zu Evaluierung des genauen Wirkmechanismus von FX06, sowie möglichen Nebenwirkungen und Dosisfindungskurven bedarf es weiterer intensiver Forschungsanstrengungen.
Unabhängig vom medizinischen Fortschritt stellt die Sepsis auch im 21. Jahrhundert ein Krankheitsbild mit hoher Mortalitätsrate, progredienter Inzidenz und zunehmender volkswirtschaftlicher Bedeutung dar. Ein zentraler therapeutischer Faktor ist der Erhalt mikro- und makrozirkulatorischer Hämodynamik. In vorangegangenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Modulation von Tyrosinkinasen und Tyrosin-Phosphatasen die Mikrozirkulation in septischen Zuständen positiv beeinflussen kann.
Wir untersuchten die Auswirkungen des Tyrosine receptor kinase B -Agonisten Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) auf die intestinale Mikrozirkulation und Leukozyten-Endothel-Interaktion unter experimenteller Endotoxinämie mittels intravitaler Fluoreszenzmikroskopie. Hierzu wurden die funktionelle, dysfunktionelle und nicht-funktionelle Kapillardichte der Lamina muscularis longitudinalis, circularis und des Stratums mucosae sowie die Leukozytenadhärenz der Venolen der submukösen Darmwand bestimmt. Ergänzend erfolgte eine Messung der hämodynamischen Parameter Herzfrequenz und mittlerer arterieller Blutdruck, sowie von Körpertemperatur, Blutgasen und Laktatkonzentration. Eine Bestimmung von Zyto- bzw. Chemokinen erfolgte mittels Fluorescent Bead Immunoassay.
Die intravenöse Applikation von BDNF führte unter Endotoxinämie zu einer signifikant erhöhten konstanten Leukozytenadhärenz in den Venolen dritten Grades der Darmwand und zu einer tendenziellen Zunahme um ca. 33 % in den Venolen ersten Grades. Die funktionelle Kapillardichte zeigte sich hingegen nach Behandlung der Endotoxinämie in den Laminae musculares longitudinalis und circularis tendenziell reduziert. Die Dichte nicht-funktioneller Kapillaren verhielt sich konkordant nach Behandlung mit BDNF tendenziell erhöht. Die Behandlung mit BDNF führte zu keiner Beeinträchtigung der Hämodynamik, jedoch zu einer signifikanten Basenabweichung unter Endotoxinämie. Eine Veränderung der Zytokinspiegel wurde nach BDNF-Applikation nicht verzeichnet.
Die Hinweise auf eine Verschlechterung der intestinalen Kapillarperfusion und der Nachweis einer verstärkten Leukozytenaktivierung nach BDNF-Applikation in systemischer Inflammation identifizieren die Blockade der durch endogenem BDNF vermittelten Kaskaden als mögliches therapeutisches Ziel. Es scheint daher sinnvoll, in weiterführenden tierexperimentellen und ggf. klinischen Studien den Nutzen von BDNF-Antagonisten in der Therapie systemisch-inflammatorischer Zustände wie der Sepsis zu evaluieren
Die Sepsis ist trotz Einführung neuer diagnostischer und therapeutischer Prinzipien nach wie vor ein Krankheitsbild mit sehr hoher Letalität. Eine hämodynamische Stabilisierung mit Hilfe adäquater Volumengabe und des Einsatzes potenter Vasokonstriktoren gilt als Basistherapie von Patienten mit septischem Schock. Letzteres birgt jedoch die Gefahr einer weiteren Verschlechterung der intestinalen Mikrozirkulation, deren Störung als ein kardinaler Mechanismus für die Entwicklung eines Multiorganversagens gilt. Ziel der Arbeit war es, im Rahmen einer experimentellen Endotoxinämie den Einfluss des synthetischen Vasopressin - Analogons Desmopressin, selektiver Agonist des Vasopressin V2-Rezeptors mit vasodilatatorischen Eigenschaften, auf die intestinale Mikrozirkulation mittels Intravitalmikroskopie zu evaluieren. Hierzu untersuchten wir in den submukösen Venolen der Darmwand von Ratten die Leukozytenadhärenz sowie die Dichten funktioneller, dysfunktioneller und nicht-funktioneller Kapillaren in der Lamina muscularis longitudinalis et circularis und im Stratum mucosae. Zusätzlich wurden pro- und antiinflammatorische Zytokine aus Serumproben mittels Durchflusszytometrie (FACS) bestimmt sowie die Auswirkungen der Therapie auf Körpertemperatur, Blutgase und Laktatkonzentration untersucht. Während der Versuche erfolgte eine konstante Messung des mittleren arteriellen Blutdrucks und der Herzfrequenz als makrohämodynamische Parameter. Die Desmopressin-Applikation führte zu einer signifikanten Verbesserung der Mikrozirkulation in allen untersuchten Darmschichten. In der Lamina muscularis longitudinalis verdreifachte sich die Dichte funktionell perfundierter Kapillaren im Vergleich zu den unbehandelten septischen Tieren (Kapillardichte 35.5 ± 4.81 cm-1 in der LPS-Gruppe vs. 105 ± 4.8 cm-1 in der mit Desmopressin behandelten septischen Gruppe; Mittelwerte ± SEM, je Gruppe n=10, P<0.001). Die Zahl adhärenter Leukozyten konnte in den submukösen Venolen 1. Ordnung signifikant um 22% reduziert werden (259 ± 26 n/mm2 in der LPS-Gruppe vs. 203 ± 17 n/mm2 in der Therapiegruppe; Mittelwerte ± SEM, je Gruppe n=10, P<0.05). Die Serumspiegel der proinflammatorischen Zytokine sanken unter der Therapie mit Desmopressin ebenfalls signifikant. Es konnte beispielsweise eine 39-prozentige Reduktion der TNF-α-Konzentration erreicht werden (429 ± 119 pg/ml in der LPS-Gruppe vs. 262 ± 69 pg/ml in der Therapiegruppe; Mittelwert ± SEM, je Gruppe n=10, P<0.05). Die makrohämodynamischen Parameter wurden von der Substanz nicht beeinflusst. Aufgrund der positiven Effekte des Desmopressins auf intestinale Mikrozirkulation, Leukozytenadhärenz und systemische Inflammation und der fehlenden negativen Beeinflussung der systemischen Hämodynamik erscheint es sinnvoll, in weiterführenden tierexperimentellen und klinischen Studien den Nutzen des Medikamentes in der Sepsistherapie, z.B. als möglicher Kombinationspartner bekannter Vasokonstriktoren, zu evaluieren.
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.
(1) Background: Sepsis is a leading cause of death and a global public health problem. Accordingly, deciphering the underlying molecular mechanisms of this disease and the determinants of its morbidity and mortality is pivotal. This study examined the effect of the rs951818 SNP of the negative costimulatory lymphocyte-activation gene 3 (LAG-3) on sepsis mortality and disease severity. (2) Methods: 707 consecutive patients with sepsis were prospectively enrolled into the present study from three surgical ICUs at University Medical Center Goettingen. Both 28- and 90-day mortality were analyzed as the primary outcome, while parameters of disease severity served as secondary endpoints. (3) Results: In the Kaplan–Meier analysis LAG-3 rs951818 AA-homozygote patients showed a significantly lower 28-day mortality (17.3%) compared to carriers of the C-allele (23.7%, p = 0.0476). In addition, these patients more often received invasive mechanical ventilation (96%) during the course of disease than C-allele carriers (92%, p = 0.0466). (4) Conclusions: Genetic profiling of LAG-3 genetic variants alone or in combination with other genetic biomarkers may represent a promising approach for risk stratification of patients with sepsis. Patient-individual therapeutic targeting of immune checkpoints, such as LAG-3, may be a future component of sepsis therapy. Further detailed investigations in clinically relevant sepsis models are necessary.
Dynamics of Vascular Protective and Immune Supportive Sphingosine-1-Phosphate During Cardiac Surgery
(2021)
Introduction
Sphingosine-1-phosphate (S1P) is a signaling lipid and crucial in vascular protection and immune response. S1P mediated processes involve regulation of the endothelial barrier, blood pressure and S1P is the only known inducer of lymphocyte migration. Low levels of circulatory S1P correlate with severe systemic inflammatory syndromes such as sepsis and shock states, which are associated with endothelial barrier breakdown and immunosuppression. We investigated whether S1P levels are affected by sterile inflammation induced by cardiac surgery.
Materials and Methods
In this prospective observational study we included 46 cardiac surgery patients, with cardiopulmonary bypass (CPB, n=31) and without CPB (off-pump, n=15). Serum-S1P, S1P-sources and carriers, von-Willebrand factor (vWF), C-reactive protein (CRP), procalcitonin (PCT) and interleukin-6 (IL-6) were measured at baseline, post-surgery and at day 1 (POD 1) and day 4 (POD 4) after surgical stimulus.
Results
Median S1P levels at baseline were 0.77 nmol/mL (IQR 0.61-0.99) and dropped significantly post-surgery. S1P was lowest post-surgery with median levels of 0.37 nmol/mL (IQR 0.31-0.47) after CPB and 0.46 nmol/mL (IQR 0.36-0.51) after off-pump procedures (P<0.001). The decrease of S1P was independent of surgical technique and observed in all individuals. In patients, in which S1P levels did not recover to preoperative baseline ICU stay was longer and postoperative inflammation was more severe. S1P levels are associated with its sources and carriers and vWF, as a more specific endothelial injury marker, in different phases of the postoperative course. Determination of S1P levels during surgery suggested that also the anticoagulative effect of heparin might influence systemic S1P.
Discussion
In summary, serum-S1P levels are disrupted by major cardiac surgery. Low S1P levels post-surgery may play a role as a new marker for severity of cardiac surgery induced inflammation. Due to well-known protective effects of S1P, low S1P levels may further contribute to the observed prolonged ICU stay and worse clinical status. Moreover, we cannot exclude a potential inhibitory effect on circulating S1P levels by heparin anticoagulation during surgery, which would be a new pro-inflammatory pleiotropic effect of high dose heparin in patients undergoing cardiac surgery.
Die Rolle von Foxp3-positiven regulatorischen T-Zellen in der polymikrobiellen murinen Sepsis
(2011)
Trotz moderner intensivmedizinischer Behandlung bleibt die Sepsis eine bedrohliche Komplikation operativer Eingriffe. Welche Rolle regulatorische T-Zellen (Tregs) bei ihrer Pathogenese spielen, wird kontrovers diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wurden DEREG-Mäuse verwendet, um die Funktion von Foxp3+ Tregs im murinen Sepsismodell der cecal ligation and puncture (CLP) zu untersuchen. Der Transkriptionsfaktor Foxp3 ist aktuell der beste Marker für Tregs. DEREG-Mäuse exprimieren unter der Kontrolle des foxp3-Lokus ein enhanced green fluorescent protein und Diphtherietoxin-Rezeptoren, sodass endogene Tregs ex vivo einfach visualisiert und in vivo selektiv depletiert werden können. Sepsis führte zu einer schnellen systemischen Aktivierung von Foxp3+ Tregs. 24 h nach CLP waren ihr suppressorisches Potential und die Expression von Aktivierungsmarkern stark erhöht. Zudem wurde das Verhältnis zwischen Tregs und T-Effektorzellen (Teffs) zu Gunsten der Tregs verschoben. Die Depletion endogener Foxp3+ Tregs vor Sepsisinduktion zeigte, dass diese Zellen das Überleben verbessern: Drei Tage nach CLP lebten noch 25 % der Treg-kompetenten Tiere, jedoch nur 5 % der Treg-depletierten Tiere. Dieser Effekt der Treg-Depletion war statistisch signifikant, wurde aber erst mit einer Latenz von 30 h nach CLP sichtbar. Vorher erschien der Verlauf der Überlebenskurve unabhängig von der Kontrolle durch Tregs. Durch einen adoptiven Transfer von präaktivierten Tregs konnte der protektive Effekt von endogenen Tregs bei einer Sepsis nicht vergrößert werden.
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.
Although antigen-specific priming of antibody responses is impaired during sepsis, there is nevertheless a strong increase in IgM and IgG serum concentrations. Using colon ascendens stent peritonitis (CASP), a mouse model of polymicrobial abdominal sepsis, we observed substantial increases in IgM as well as IgG of all subclasses, starting at day 3 and peaking 2 weeks after sepsis induction. The dominant source of antibody-secreting cells was by far the spleen, with a minor contribution of the mesenteric lymph nodes. Remarkably, sepsis induction in splenectomized mice did not change the dynamics of the serum IgM/IgG reaction, indicating that the marginal zone B cells, which almost exclusively reside in the spleen, are dispensable in such a setting. Hence, in systemic bacterial infection, the function of the spleen as dominant niche of antibody-producing cells can be compensated by extra-splenic B cell populations as well as other lymphoid organs. Depletion of CD4+ T cells did not affect the IgM response, while it impaired IgG generation of all subclasses with the exception of IgG3. Taken together, our data demonstrate that the robust class-switched antibody response in sepsis encompasses both T cell-dependent and -independent components.