Mitochondriale Funktion von Immunzellen bei Sepsis (MitoSepsis)

Hintergrund

Es gibt Hinweise darauf, dass Sepsis und septischer Schock die Mitochondrien stark beeinträchtigen und dass die resultierende mitochondriale Dysfunktion mit der Schwere und dem Ergebnis der resultierenden Organdysfunktion zusammenhängt. Bei Sepsis wurden mitochondriale Anomalien – biochemische und ultrastrukturelle – in mehreren Organen festgestellt, darunter Leber, Niere, Skelett- und Herzmuskelgewebe und Blutzellen. Eine systematische Überprüfung der mitochondrialen Funktion, bewertet als Sauerstoffverbrauch, Zustand 3- und Zustand 4-Atmung, Atmungsenzymaktivität oder Gewebe-ATP-Spiegel und Umsatzraten, zeigte eine verminderte Funktion, insbesondere in Sepsis-Modellen, die länger als 16 Stunden dauerten. Erschöpfte Mengen an reduziertem Glutathion, einem wichtigen intramitochondrialen Antioxidans, in Kombination mit einer erhöhten Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und reaktiver Stickstoffspezies (RNS) hemmen die oxidative Phosphorylierung und die ATP-Erzeugung. Diese erworbene intrinsische Störung im zellulären Energiestoffwechsel trägt zu reduzierten Aktivitäten der mitochondrialen Enzymkomplexe der Elektronentransportkette und zu einer beeinträchtigten ATP-Biosynthese bei und trägt zur Organdysfunktion bei Sepsis bei.

Zirkulierende Immunzellen spielen eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie der Sepsis. Die Stimulierung des Immunsystems verändert den Energiebedarf der Immunzellen; Herunterregulierung der Immunzellaktivität wurde mit verlängerter Sepsis in Verbindung gebracht. Die Aktivierung von Immunzellen erfordert einen Anstieg des Energiebedarfs, daher kann eine verringerte Produktion von ATP aufgrund einer beeinträchtigten Mitochondrienfunktion ein Faktor bei der Modulation der Immunantwort bei Sepsis sein. Veränderungen der mitochondrialen Funktion und energetisches Versagen wurden in peripheren mononukleären Blutzellen berichtet und scheinen mit der Modulation der Immunantwort auf Sepsis in Zusammenhang zu stehen. Mit Endotoxin/Interferon-γ inkubierte Makrophagen zeigen eine Abnahme des Sauerstoffverbrauchs und eine Hemmung des mitochondrialen I-Komplexes. Es wurden verschiedene Mechanismen für die Veränderung der mitochondrialen Funktion in diesen Zellen vorgeschlagen, einschließlich einer Erhöhung der NO-Produktion und Nitrierung von mitochondrialen Proteinen [14], einer Erhöhung von IL-10 [15] oder Prostaglandinspiegeln. In menschlichen Neutrophilen spielt eine intakte mitochondriale Funktion eine wichtige Rolle bei Chemotaxis und Phagozytose, eine Beeinträchtigung dieser Mechanismen führt zu einer verminderten Abwehrfähigkeit gegenüber mikrobiellen Angriffen.

HIF-1α ist ein Transkriptionsfaktor, der als entscheidender regulatorischer Faktor bei der Evolution der Sauerstoffhomöostase fungiert. Unter normoxischen Bedingungen wird HIF-1α kontinuierlich synthetisiert und nach Hydroxylierung durch Dioxygenasen abgebaut, die Sauerstoff, Fe und α-Ketoglutarat als Substrate verwenden. Während der Hypoxie begrenzt die geringe Verfügbarkeit von Sauerstoff die Reaktion; HIF-1α wird nicht mehr abgebaut und sammelt sich schnell an und löst die Transkription von Genen aus, die an der Sauerstoffhomöostase beteiligt sind, wie z. B. glykolytische Enzyme, Glukosetransporter, vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor (VEGF) und Erythropoietin. Unter hypoxischen Bedingungen vermittelt HIF auch eine Abnahme der mRNA-Spiegel der Atmungskettenproteine ​​und bereitet die Zelle darauf vor, ATP hauptsächlich aus der Glykolyse und nicht aus der oxidativen Phosphorylierung zu produzieren, wodurch die Zellenergie und Homöostase für das Überleben und die Funktion während Hypoxie optimiert werden.

Kürzlich veröffentlichte Berichte haben Entzündungen und Endotoxinstimulation mit der HIF-1α-Aktivierung in Verbindung gebracht. Es wurde gezeigt, dass HIF-1α in LPS-behandelten Makrophagen und Monozyten unter normoxischen Bedingungen hochreguliert und stabilisiert wird. Es wurde gezeigt, dass die HIF-1α-Spiegel in TLR4-defizienten Makrophagen nach LPS-Stimulation verringert sind, was darauf hindeutet, dass die LPS-Stimulation von HIF-1α durch TLR4 vermittelt wird.

Daten zur mitochondrialen Funktion menschlicher Immunzellen bei schwerer Sepsis sind begrenzt, und die potenzielle Korrelation zwischen dem Energiebedarf und der Produktion der Mitochondrien und der Schwere des Zustands und des Outcomes des Patienten ist nicht gut belegt. Die immunologische Reaktion im Zusammenhang mit schwerer Sepsis und septischem Schock besteht aus einem voneinander abhängigen, hochkomplexen System, an dem verschiedene Arten von Immunzellen sowie pro- und antiinflammatorische Zytokine in einem zeitabhängigen Prozess beteiligt sind. Einfache In-vitro-Studien, die die mitochondriale Funktion einer einzelnen Art von Immunzellen und einzelner Zytokine nur zu einem bestimmten Zeitpunkt im Verlauf des septischen Prozesses beurteilen, sind möglicherweise kein geeignetes Modell, um die komplexen Wechselwirkungen des Immunsystems widerzuspiegeln. Serielle Messungen der mitochondrialen Funktion verschiedener Schlüsselzellen und spezifischer pro- und entzündungshemmender Zytokine und Apoptosemarker parallel zu anderen klinischen und Labormarkern der Sepsis können eine tiefergehende Bewertung und ein besseres Verständnis dieses schädlichen Krankheitsmusters ermöglichen.

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist es, Veränderungen in der mitochondrialen Funktion und Morphologie von Immunzellen bei Patienten mit schwerer Sepsis und septischem Schock umfassend zu untersuchen. Wir planen, Veränderungen in der mitochondrialen Funktion von Monozyten, B-Zellen und CD4+-T-Zellen in Korrelation zu den Spiegeln verschiedener Zytokine und zu klassischen klinischen und Laborparametern für den Schweregrad der Sepsis und das Outcome zu bewerten.

Methoden

Insgesamt 30 Patienten, die aufgrund einer schweren Sepsis oder eines septischen Schocks auf der Intensivstation (ICU) eines Krankenhauses der Tertiärversorgung aufgenommen wurden, werden in die Studie aufgenommen, nachdem eine schriftliche Einverständniserklärung des Patienten oder der nächsten Angehörigen des Patienten eingeholt wurde. Patienten mit jeglicher Art von chronischen infektiösen, entzündlichen oder Autoimmunerkrankungen, nach Transplantationen oder der Einnahme von Immunsuppressiva sind ausgeschlossen.

Kontrollen: 30 gesunde Freiwillige Die Bewertung der mitochondrialen Funktion von Monozyten/Granulozyten wird durch Messung der mitochondrialen Komplexaktivität unter Verwendung eines Standard-Titrationsprotokolls durchgeführt, um die Aktivierung der Komplexe I bis IV zu messen. Zur Messung der Serumspiegel von IL-1, IL-6, IL-10 und TNF werden kommerzielle Standardkits verwendet.