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Die initiale Integration von Implantaten ist von hoher Bedeutung für die spätere Stabilität und
Standzeit von beispielsweise Endoprothesen im Körper. Mit Hinblick auf die steigende Zahl
von Patienten, die ein Implantat benötigen, ist es von großer Bedeutung unterschiedliche
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifizierungen bezüglich ihrer Eigenschaften und
Interaktionen mit dem Implantatlager zu untersuchen, um diese verbessern zu können.
Ziel der vorgestellten Arbeit war die Entwicklung und Etablierung eines Screeningmodells zur
Analyse der Auswirkung von verschiedenen Metallimplantaten auf die Mikrozirkulation in
unmittelbarer Nähe des Implantats.
Dazu wurde ein neues in vivo Modell an der Chorioallantoismembran des Hühnerembryos
entwickelt, angewendet und etabliert. Dieses stellt eine Modifikation des seit Jahrzehnten
etablierten HET-CAM (Hühnereitest an der Chorioallantoismembran) dar und ermöglicht
quantitative und qualitative intravitalmikroskopische Aussagen über die Funktionelle
Gefäßdichte (FGD) und die Leukozyten-Endothel-Interaktion (LEI).
Zunächst wurden im Zuge der Modellanwendung Nickel- und Titan-Implantate verglichen, um
die mögliche Reaktionsbreite des Modells zu untersuchen. Es folgte eine Etablierung des
Modells, indem die Oberfläche der Implantate kurz vor der Applikation mit kaltem
Atmosphärendruckplasma (CAP) behandelt wurde. Die intravitalmikroskopische
Untersuchung erfolgte jeweils 24 h nach Applikation.
Die Chorioallantoismembran der mit Nickel-Implantaten behandelten Hühnerembryonen
zeigte im Vergleich zur Titan- und der internen Kontrollgruppe eine signifikante Reduktion der
FGD sowie eine signifikante Erhöhung der LEI gegenüber der Kontrollgruppe. Durch
Vorbehandlung der Nickel-Implantate mit CAP konnte der Negativeffekt auf das Gefäßsystem
signifikant reduziert werden. Für Titanimplantate konnte mit Hinblick auf die FGD kein
zusätzlicher Effekt nach der Behandlung mit CAP detektiert werden.
Die vorgestellte Arbeit zeigt, dass sich das neue Modell als Screeningmodell dazu eignet, neue
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifikationen an der Schwelle zwischen in vitro
Zellkultur und in vivo Tiermodellen zu untersuchen. Somit könnte es dabei helfen,
Tierversuche gezielter einzusetzen. Vorteile und Einschränkungen des Modells werden
diskutiert.
Hintergrund: In den letzten Jahren wurde ein Zusammenhang zwischen Vitamin D Mangel, erhöhten Inflammationsmarkern und Herz- Kreislauf-Erkrankungen beobachtet. Da es nur wenige Daten zur Assoziation zwischen Vitamin D Mangel und chronischer Inflammation aus der Allgemeinbevölkerung gibt, haben wir den Zusammenhang zwischen der 25-hydroxy Vitamin D [25(OH)D] Serumkonzentration und den drei Inflammationsmarkern, hoch-sensitives C-reaktives Protein (hs-CRP), Fibrinogen und der Leukozytenzahl untersucht. Methoden: Die Studienpopulation umfasst 2725 Männer und Frauen im Alter von 25-88 Jahren aus dem ersten Follow-up der populationsbasierten Study of Health in Pomerania (SHIP-1). Die Assoziationen zwischen der 25(OH)D Konzentration und den Inflammationsmarkern wurden mit Varianzanalysen (ANOVA), linearen und logistischen Regressionsmodellen untersucht. Alle Modelle wurden für Geschlecht, Alter, Taillenumfang, Diabetes Mellitus, Dyslipidämie und Einnahme von antiinflammatorischer Medikation adjustiert. Es zeigte sich eine Interaktion zwischen der 25(OH)D Konzentration und dem Rauchstatus im linearen Regressionsmodell für die Leukozytenzahl (p=0.07). Daher wurden alle Analysen zur Leukozytenzahl getrennt für Raucher und Nichtraucher gerechnet. Ergebnisse: Es zeigte sich ein u-förmiger Zusammenhang zwischen der 25(OH)D und der hs-CRP Konzentration. Der hs-CRP Spiegel sank bis zu einer 25(OH)D Konzentration von 21 ng/ml. Ab einer 25(OH)D Konzentration von etwa 25 ng/ml kam es zu einem leichten Wiederanstieg des hs-CRP. Es zeigte sich ein signifikanter inverser Zusammenhang zwischen 25(OH)D und Fibrinogen. Raucher hatten im Mittel eine höhere Leukozytenzahl als Nichtraucher. Für Raucher zeigte sich ein inverser Zusammenhang zwischen der 25(OH)D Konzentration und der Leukozytenzahl. Für Nichtraucher zeigte sich kein Zusammenhang. Schlussfolgerung: Unsere Studie bestätigt eine potentielle Rolle des Vitamin D Status bei chronischer Inflammation. Ein positiver Effekt eines 25(OH)D Anstiegs kann bei Vitamin D Defizienz vermutet werden.
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.
Sepsis als generalisierte Entzündungsreaktion auf eine lokale Infektion stellt trotz aller Fortschritte in der Medizin immer noch die häufigste Todesursache auf operativen Intensivstationen dar. In der Sepsis steht eine generalisierte Entzündungsreaktion im Mittelpunkt. Es kommt zur Freisetzung von Entzündungsmediatoren und zur Aktivierung von Leukozyten und Endothelzellen. Die Folge sind Mikrozirkulationsstörungen, Endothelschäden und Erhöhung der Gefäßpermeabilität mit Ödembildung. Als Hauptmanifestationsort pathologischer Veränderungen bei der Sepsis wurde die Mikrozirkulation verschiedener Organe und Gewebe identifiziert, die eine zentrale Rolle bei der Entwicklung des Multiorganversagens spielen. Untersucht wurde der Einfluss von Ampicillin, seinem Derivat KKP-723, Natrium-Selenit und L-Alanyl-L-Glutamin auf das adhärente Verhalten von Leukozyten in submukösen Venolen und die funktionelle Kapillardichte in verschiedenen Schichten der Darmwand. Vergleichend kann man sagen, dass die Applikation von L-Alanyl-L-Glutamin in dem hier verwendeten Sepsismodell und in den untersuchten Parametern die beste Protektion der Mikrozirkulation bewirkt. Die Zufuhr von Natrium-Selenit erzielte, vor allem im Vergleich der Leukozyten-Endothel-Interaktion, ebenso gute Ergebnisse wie die Dipeptid-Gruppen. Man muss jedoch beachten, dass die LPS-Dosis 5mg.kg-1, wie in den Dipeptid-Versuchen, sondern mit 15mg.kg-1 dreimal so hoch war. Ampicillin verringerte die Leukozyten-Interaktion mit dem Endothel vor allem in den V1-Gefäßen signifikant. In den weiteren untersuchten Parametern blieben die Ergebnisse fast unverändert gegenüber den unbehandelten endotoxinbelasteten Tieren. Das Derivat KKP-723 erhöhte in den Versuchen die Leukozytenadhärenz in den untersuchten Venolen, weiterhin zeigte es keine Wirkung auf die funktionelle Kapillardichte im Darm.
Die erfolgreiche Behandlung der Sepsis ist bis heute eine Herausforderung in der Intensivmedizin. Antikoagulantien stellen eine neue Therapieoption dar, denn das Gerinnungs- und Immunsystem sind eng miteinander verknüpft sind. Thrombin scheint eines der wichtigsten verknüpfenden Enzyme zu sein, da es sowohl an der Gerinnungskaskade und auch an der Leukozytenrekrutierung und der darauffolgenden Störung der Mikrozirkulation beteiligt ist. In dieser Arbeit wurden die Effekte des direkten Thrombininhibitor Argatroban auf die intestinale Kapillarperfusion und die Endothel-Leukozyten-Interaktion von Ratten während experimentell induzierter Sepsis untersucht. 40 männliche Lewis Ratten wurden in 4 Gruppen eingeteilt (n=10): Schein-Operation (SHAM), experimentelle Sepsis (colon ascendens stent peritonitis – CASP), CASP-Gruppe mit Argatroban-Gabe (CASP+ARG) und SHAM-Gruppe mit Argatroban-Gabe (SHAM+ARG). 16 Stunden nach Einsetzen des Stents oder der SHAM-Operation erhielten die Tiere der CASP+ARG und SHAM+ARG Gruppen 2 mg/kg Argatroban (ARG) intravenös. Die Tiere der anderen Gruppen erhielten einen volumenäquivalenten Bolus an isotonischer 0,9 % Natriumchloridlösung. Anschließend erfolgte nach 60 Minuten die Intravitalmikroskopie. Die Gabe von Argatroban verbesserte statistisch signifikant im Vergleich zu unbehandelten Tieren bei CASP-Tieren die Kapillarperfusion, besonders der Mukosa und verringerte statistisch signifikant in Venolen mit einem Durchmesser von 50-80 µm die Anzahl von aktivierten Leukozyten in der intestinalen Submukosa. Die funktionelle Kapillardichte, als Marker der kapillaren Perfusion, wurde durch Argatroban in septischen Ratten verbessert und gleichzeitig wurden durch die verminderte Leukozytenadhärenz am Endothel antiinflammatorische Eigenschaften nachgewiesen. Die Therapie der Sepsis mit Argatroban könnte durch die verbesserte intestinale Kapillarperfusion vorteilhaft für das Outcome sein.
Tobramycin und Imipenem sind zwei im klinischen Alltag häufig eingesetzte Medikamente, insbesondere in der Therapie einer Sepsis. Antibiotika können neben der antimikrobiellen Wirkung, anti-/proinflammatorische Effekte haben. Die klinische Relevanz dieser Studie besteht darin, einen Beitrag zum weiteren Verständnis der Wirkungen einer antibiotischen Therapie zu leisten. Potentielle Nebenwirkungen bei der Auswahl einer Antibiose mit dem Wissen, dass die intestinale Mikrozirkulation die wichtigste Rolle bei der Entwicklung eines septischen Organversagens spielt, sollten gezielt untersucht werden. Dazu wurden intravitalmikroskopische Untersuchungen der Darmwand am terminalen Ileum der gesunden Ratte durchgeführt. Die Vitalparameter wurden erfasst, der intestinale mikrovaskuläre Blutfluss gemessen. Zu Beginn und zum Abschluß des Experimentes wurden die Zytokinspiegel bestimmt. Imipenem in Kombination mit Cilastatin verminderte die funktionelle Kapillardichte und den intestinalen mikrovaskulären Blutfluss in der gesunden Ratte, die Leukozyten–Endothel-Interaktion war vermindert. Tobramycin hatte keine Auswirkungen auf die funktionelle Kapillardichte. In den postkapillären Venolen waren vermehrt aktivierte Leukozyten nachweisbar. Weder Imipenem noch Tobramycin hatten Auswirkungen auf die Makrohämodynamik. Die Zytokinspiegel blieben, mit Ausnahme von erniedrigten IL-10-Spiegeln nach Tobramycingabe, unbeeinflusst. Es ist bekannt, dass Imipenem und Tobramycin neben ihren antibiotischen Wirkungen auch immunmodulatorische Fähigkeiten haben. Die reduzierte Kapillardichte in der gesunden Ratte nach Zienamgabe könnte durch die Auswirkungen des obligat mit Imipenem kombinierten Zusatzstoffs Cilastatin erklärt werden. Der erhöhte Anteil an fest adhärenten Leukozyten nach Tobramycingabe stützt die bekannten, teils kontrovers diskutierten, Einflüsse von Aminoglykosiden direkt auf Leukozyten. Inwiefern diese Effekte durch die Antibiose auf die kommensale Besiedlung verursacht werden, lässt sich durch die vorliegende Arbeit nicht klären. Weitere tierexperimentelle Arbeiten sollten die kombinierten Stoffe Imipenem und Cilastatin getrennt untersuchen.