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Transfusion-related acute lung injury (TRALI) is an adverse transfusion reaction and the major cause of transfusion-related mortality. The syndrome occurs within six hours after transfusion and is characterized by acute respiratory distress and the occurrence of a non-cardiogenic, bilateral lung edema. TRALI is almost entirely induced by leukocyte-reactive substances which are present in the blood product and get transferred to the recipient during transfusion. The majority of cases (~80%) is caused by leukocyte-reactive immunoglobulins and is accordingly classified as immune-mediated TRALI. The responsible antibodies are generated via alloimmunization and are directed against human leukocyte antigens of class I and II or human neutrophil alloantigens (HNA). Within the HNA class, HNA-3a antibodies have an exceptional clinical relevance as they are most frequently involved in severe and fatal TRALI cases. The high mortality was associated with their characteristic ability to induce a strong neutrophil aggregation response. The described clinical relevance of HNA-3a antibody-mediated TRALI motivates the screening for new strategies for preventive or acute pharmacologic intervention. Knowledge of the molecular pathomechanisms is a crucial prerequisite and thus, respective investigations are required. In order to achieve this goal, HNA-3a antibody-induced cytotoxicity and aggregation were assessed on the molecular level by usage of flow cytometry, the granulocyte agglutination test and by phosphoproteome analysis. The current study provides insight into molecular processes during HNA-3a antibody-induced neutrophil responses and is the first to assess neutrophils using global, gel-free phosphoproteome analyses. Accordingly, it is the first to provide neutrophil phosphoproteome data in the context of TRALI. Gel-free phosphoproteome analyses of primary neutrophils required the highly selective and sensitive phosphopeptide enrichment from stable and sufficiently large protein extracts. However, an appropriate workflow did not exist and was hence developed by sequential protocol optimization steps. The developed workflow was finally proven suitable for comparative gel-free phosphoproteomics when detecting the formyl-methionyl-leucyl-phenylalanine-induced activation of extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) signaling in a proof-of-principle experiment. The following single parameter analyses were conducted to investigate neutrophils for their responses to HNA-3a antibodies in absence and presence of proinflammatory priming conditions. Results revealed that the direct stimulation of neutrophils with HNA-3a antibodies will likely not cause the induction of cytotoxic effector functions. In contrast, neutrophils react predominantly by aggregation, a process which is potentially mediated by integrins and causes a secondary, subthreshold activation of solely ERK2. Accordingly, only the neutrophil aggregation response could also be enhanced by an appropriate priming. Taken together, the single parameter analyses proved neutrophil aggregation as the main pathomechanism in HNA-3a antibody-mediated TRALI and thus, the underlying signaling pathways were investigated by global, gel-free phosphoproteomics. The following phosphoproteome analyses indicated the induction of a biphasic signaling during 30 minutes of HNA-3a antibody treatment and signaling pathways of Rho family GTPases could be associated with the first and the second phase. Additionally, the involvement of ERK signaling was indicated in the second phase and this result corroborated thus the data of the previous single parameter analyses. The comprehensive analysis of the identified signaling pathways revealed Rho, Rac and Cdc42 as central regulators and the specific inhibition of Rho in the following validating experiments led very intriguingly to a significant enhancement of HNA-3a antibody-mediated neutrophil aggregation. Hence, this result indicated a potential inhibitory effect of HNA-3a antibodies on Rho activity. Therefore, Rho inhibition was suggested to occur in parallel to an adhesion-inducing signaling pathway and might hence be involved in the stabilization of neutrophil aggregates in HNA-3a antibody-induced TRALI. The results from this doctoral thesis contributed to the generation of a new pathogenesis model for HNA-3a antibody-mediated TRALI. In this model, neutrophils respond to direct HNA-3a antibody exposure predominantly by homotypic aggregation. These potentially very stable and primed aggregates accumulate in the lung and are susceptible to parallel, proinflammatory stimulation. Subsequently, this cascade leads to full neutrophil activation and finally to TRALI induction.
Die Transfusionsassoziierte Akute Lungeninsuffizienz (TRALI) ist die häufigste tödliche Nebenwirkung der Transfusion von Blutprodukten und wird oft durch mittransfundierte leukozytenreaktive Antikörper (AK) induziert. AK gegen das Humane Neutrophilenantigen (HNA)-3a verursachen häufig schwere Fälle der TRALI. HNA-3a ist auf dem Großteil der Blutzelltypen exprimiert und entsteht durch einen Einzelnukleotidpolymorphismus im Gen des „choline transporter-like protein 2“ (CTL2), welcher zur Substitution der Aminosäureposition 154 in der Sequenz des Proteins führt. Klinische Beobachtungen und zahlreiche Studien legen nahe, dass TRALI-induzierende AK die Akkumulation und Aktivierung von Granulozyten im Lungenkapillarbett verursachen. Durch den Zusammenbruch der Kapillarbarriere kommt es in der Folge zu einem Lungenödem. Die Entwicklung eines Hochdurchsatzverfahrens zur Detektion von HNA-3a-AK in Blutprodukten und die Identifizierung therapierelevanter Schaltstellen, im Pathomechanismus der HNA-3a-AK-induzierten TRALI, waren daher Hauptschwerpunkte dieser Studie. In diesem Zusammenhang wurde ein Nachweissystem für HNA-3a-AK auf der Grundlage von CTL2-Fragmenten etabliert. Ein Screening zahlreicher Anti-HNA-3a-Plasmen ergab, dass mit CTL2-Peptiden in Festphasentests jedoch nur etwa 50% aller HNA-3a-AK nachgewiesen werden können. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Detektion aller HNA-3a-AK nur mit zellbasierten Methoden möglich ist, bei denen CTL2 in seiner natürlichen Konformation vorliegt. Diese Studie leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung des konformationssensitiven Epitops der HNA-3a-AK und identifiziert wichtige Grundvoraussetzungen für Methoden zum Nachweis dieser AK. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung der Interaktion zwischen HNA-3a-AK und Granulozyten. Dieser experimentelle Ansatz gründet auf histopathologischen Lungenuntersuchungen verstorbener TRALI-Patienten, die eine massive Akkumulation und Aggregation von Granulozyten in den Kapillaren aufzeigen. Aus diesem Grund erfolgte die Untersuchung dieser Interaktion zunächst hinsichtlich verschiedener Parameter, die zu einer gesteigerten Sequestrierung von Granulozyten in der Lunge führen können. Hierzu gehören die Granulozytenaggregation (GA), die Versteifung von Zellen und die Zelladhäsion. Die Modifikation des Standard-Granulozytenaggregationstests ergab, dass die HNA-2- und HNA-3a-AK-induzierte GA aktive Prozesse sind, welche unabhängig von Plasmafaktoren stattfinden, jedoch von der Aktivität einer bislang noch nicht identifizierten Serinprotease abhängig sind. Hierbei wurden potente Aggregationsinhibitoren identifiziert welche auch als potenzielle Therapeutika zur Behandlung von TRALI in Frage kommen. Mit Hilfe desselben Testsystems konnte ermittelt werden, dass voraktivierte Granulozyten eine erhöhte Aggregationsneigung aufweisen. Im Zusammenhang mit dem Schwellenwertmodell der TRALI liefert dieses Ergebnis eine mögliche Erklärung, warum Patienten mit schweren Vorerkrankungen häufiger an TRALI erkranken. Neben der GA wurden in dieser Studie zwei weitere Eigenschaften identifiziert, die eine Akkumulation der Zellen in den engen Lungenkapillaren erklären: deren Elastizität und Adhäsivität. Mithilfe der Rasterkraftmikroskopie wurde nachgewiesen, dass HNA-3a-AK eine Versteifung von Granulozyten induzieren. Ebenso wurde gezeigt, dass HNA-3a-AK das Integrin Mac-1 (CD11b/CD18) auf der Granulozytenoberfläche aktivieren, was zu einer verstärkten Adhäsion der Zellen an Fibrinogen führt. Steifere und adhäsivere Granulozyten akkumulieren möglicherweise vermehrt in den Lungenkapillaren. Eine weitere wichtige Fragestellung dieser Studie war, ob HNA-3a-AK eine direkte Aktivierung von Granulozyten auslösen. Die Untersuchungen ergaben, dass die Aktivierung von CD11b, weder mit der Erhöhung der CD11b-Expression, bzw. mit der proteolytischen Abspaltung von L-Selektin, noch mit einer Sauerstoffradikalproduktion einhergeht. Dieses ungewöhnliche Muster an Veränderungen deutet nicht auf eine Aktivierung zytotoxischer Antworten hin. Seit kurzem ist bekannt, dass HNA-3a-AK Kapillarendothelzellen auch auf direktem Wege aktivieren und dass selbst in Granulozyten-depletierten Mäusen schwache TRALI-Symptome auftreten. Demzufolge ergibt sich ein neues Modell der HNA-3a-AK-induzierten TRALI: Nach Transfusion von HNA-3a-AK bleiben aggregierte, steifere und adhäsivere Granulozyten in den engen Lungenkapillaren stecken und interagieren dort mit dem aktivierten Gefäßendothel. Durch diese Interaktion kommt es vermutlich zur Aktivierung der Granulozyten und zu einer starken Inflammationsreaktion, welche eine weitere Zerstörung der Lungenkapillaren und schließlich ein schweres Lungenödem zur Folge hat. Die besondere Schwere der HNA-3a-AK-induzierter TRALI entsteht also vermutlich nicht aufgrund einer direkten und starken Granulozytenaktivierung, sondern vielmehr durch die gleichzeitige Beeinflussung verschiedener epitoptragender Zelltypen.