Sepsis
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Blut und Blutgerinnung Teil 4 1 Inhalte Einheit 4 - Gerinnung und Entzündung Komplementsystem PAMPS & DAMPS SIRS und Sepsis - Methoden der Blutreinigung Hämodialyse Therapeutische Apherese Anwendungsbeispiele 2 Gerinnung und Entzündung vgl. Schutzfunktionen des Blutes Gerinnung Infektionsbekämpfung 3 4 Komplementsystem Teil der angeborenen Immunabwehr entiwcklungsgeschichtlich sehr alt entdeckt als ergänzender (komplementierender) Teil der Antikörperantwort Begriff geprägt von Paul Ehrlich 1890 5 Komplementsystem: Funktionen 6 Das Komplementsystem dient als Infektionsabwehr und stellt eine Brücke zwischen angeborener und erworbener Immunität dar. vgl. Aktivierung des Komplements über Antigen-Antikörper-Komplexe 7 Komplementsystem besteht aus ca. 30 Proteinen im Plasma und auf Zelloberflächen Aktivierung erfolgt über 3 Wege klassischer Weg alternativer Weg Lektinweg 8 Aktivierung des Komplementsystems Klassischer Weg: aktiviert über Immunkomplexe (Antigen-Antikörper) Lektinweg: Mannose Binding Lectin erkennt Glykanstrukturen auf Oberfläche von Bakterien Alternativer Weg: spontane Hydrolyse von C3 9 Schematischer Überblick über die Komplementkaskade 10 Komplementsystem als Enzymkaskade 11 Nomenklatur der Komplementenzyme 12 13 14 15 Kontrolle ist wichtig, denn 16 Terminale Komplementproteine 17 Terminaler Komplementkomplex „membrane attack complex“ C5b-9 Porenbildung, Einstrom von Na+ und Wasser, Platzen der Zelle 18 Bildung von C3a und C5a „Anaphylatoxine“ > Vermittler von Entzündungsreaktionen terminaler Komplex: C5b-9 „membrane attack complex“ : induziert Lyse von Zellen 19 vgl. hämolytische Transfusionsreaktion AB0-inkompatibles Blut Hämolysereaktion Antigen-Antikörperkomplexe aktivieren Komplementsystem Bildung von C5b-9 (membrane-attack-complex) akute Lyse der Zellmembran innerhalb des Gefäßsystems daher meist sehr rasch (während der Transfusion) 20 Komplementsystem wird durch die gleichen Stimuli aktiviert, die auch Entzündungen auslösen PAMPS: pathogen associated molecular patterns DAMPS: damage associated molecular patterns 21 Gerinnung und Komplement 22 Gerinnung und Komplement: Ähnlichkeiten • • • • Gemeinsame Stimuli (z. B. Verletzung, Bakterien) Aktivierung in ähnlichen pathophysiologischen Situationen Direkte Interaktionen zwischen Komponenten der beiden Systeme Beide laufen kaskadenartig ab, Aktivierung von inaktiven Proenzymen durch aktive Proteasen „upstream“ • Haben sich phylogenetisch aus einem gemeinsamen Vorläufersystem entwickelt 23 Gerinnung und Komplement Zahlreiche Verbindungen zwischen den beiden Systemen Aktivierung erfolgt meist gleichzeitig Das ist physiologisch sinnvoll! 24 Komplement aktiviert Gerinnung z.B. lokale Thrombusbildung im Gefäßsystem: verhindert Ausbreitung von Bakterien (> manche Bakterienstämme scheiden fibrinolytische Faktoren aus) • Sowohl Gerinnungs- als auch Komplementsystem sollen lokal wirken; Ausbreitung der Wirkung auf den gesamten Organismus in Folge gestörter Regulation hat schwerwiegende Folgen 25 Pro-koagulatorische Eigenschaften des Komplements C5b-9 C5a aktiviert Plättchen verstärkt Expression induziert Freisetzung von Mikropartikeln von tissue factor und PAI-1 induziert shedding von Heparansulfat C3a aktiviert Plättchen Markiewski et al. Trends Immunol. 2007, 28: 184-192 26 Komplement aktiviert Gerinnung (i) Modifikation von Phospholipidmembranen von Zellen (vgl. Oberflächen für den Ablauf der Gerinnung!) C5b-9 (ii) (iii) (iv) Aktivierung von Plättchen (> Aggregation u. Adhäsion) Induktion der Expression von Tissue factor auf verschiedenen Zelltypen (Neutrophile, Monozyten, Endothel) Induktion der Expression von PAI auf basophilen Granulozyten und Mastzellen (Inhibition der Fibrinolyse; normalerweise produzieren Mastzellen t-PA: switch des Phänotyps) (v) (vi) C5a induziert shedding von Heparansulfat von der Endotheloberfläche C4-binding Protein: Protein der Komplementkaskade, kann Protein S binden (dadurch wird Protein S inaktiviert-> Protein C ebenso -> Abbau von FVa und VIIIa wird unterbunden) 27 28 Gerinnung aktiviert Komplement Classical Pathway Lectin Pathway Alternative Pathway antigen-antibody complexes Extrinsic Protease Pathway z.B. Thrombin mannose-binding autokatalytisch aktivierende Oberflächen lectin C3a Anaphylatoxin C3 C3b Opsonisierung C5a Anaphylatoxin C5 C5b Terminal Pathway C5b-9 Membrandefekt 29 Gerinnung – Entzündung • Proinflammatorische Zytokine > Aktivierung der Gerinnung • TNF-α: inhibiert TFPI, APC, AT (also alle Antikoagulantien) aktiviert PAI (inhibiert Fibrinolyse) > Entzündung aktiviert Gerinnung 30 PARs Proteinase activated receptors • Proteinasen des Gerinnungssystems (z.B. Thrombin) interagieren mit PARs • PARs = Transmembranproteine auf Plättchen, Monozyten und Endothelzellen • Spaltung der PARs durch aktivierte Protease legt neuen N-Terminus in PAR frei > Aktivierung 31 Serinprotease, Serin im akt. Zentrum andere Bsp. Trypsin, Chymotrypsin Plasmin Thrombin Thrombin Shaun R. Coughlin Nature 407, 258-264(2000) aktiviert Plättchen Expression von Adhäsionsmolekülen Chemotaxis von neutrophilen 32 Granulozyten • Thrombin wirkt v.a. über PAR-1 • Signalweiterleitung im Zellinneren > z. B. verstärkte Sekretion von Zytokinen - pro-apoptotisch (PAR-1) - Pro-inflammatorisch (PAR-1, 2, 3, 4) - Plättchenaktivierung (PAR-1, 2, 4) > Gerinnung aktiviert Entzündung 33 Gerinnung Entzündung 34 Sepsis SIRS 35 Sepsis Systemische Entzündungsreaktion des Körpers auf eine Infektion Hohe Letalität Zahl der Todesfälle durch Sepsis in den letzten 20 Jahren verdreifacht Unterschied Letalität (Todesfälle pro Erkrankte) Mortaliät (Todesfälle pro Population) 36 Definition 37 Hippokrates 460-370 v. Chr. Begriff „Sepsis“ Beschreibung einer Krankheit, die nach einer Verwundung als ein Fieber beginnt, „das verursacht wird durch eine Materie, die fault“, und die häufig mit dem Tod endet. 38 Aulus Cornelius Celsus 25v.- 50 n. Chr. Leitsymptome der Entzündung calor rubor tumor dolor functio laesa 39 19. Jahrhundert Ignaz Semmelweis Kindbettfieber 1818-1865 Louis Pasteur 1822-1895 Nachweis von Bakterien im Blut von Patienten mit Sepsis Charles Sédillot Begriff „Mikrobe“ 1804-1883 Joseph Lister 1827-1912 Desinfektion chirurgischer Instrumente mit Karbolsäure 40 Klassische Definition der Sepsis Hugo Schottmüller (1914): „Eine Sepsis liegt dann vor, wenn sich innerhalb des Körpers ein Herd gebildet hat, von dem kontinuierlich oder periodisch pathogene Bakterien in den Kreislauf gelangen und zwar derart, daß durch diese Invasion subjektive und objektive Krankheitserscheinungen ausgelöst werden“ Herd – Streuung – Systemischer Effekt 41 SIRS Sytemic inflammatory response syndrome >38 °C od. <36 °C Puls >90/min Atemfrequenz >20/min WBC >12.000/µL od. <4000/µL od. >10% unreife Formen SIRS Infektion ACCP Consensus Conference, 1992 Sepsis Bakterien Pilze Parasiten Viren Trauma Verbrennungen u.a. 42 Heutige Definition Sepsis = SIRS auf Grund einer nachgewiesenen oder vermuteten Infektion Sepsis ist die Folge der Wirtsreaktion auf die Infektion! 43 Letalität Todesfälle/Jahr (USA) Septischer Schock schwere Sepsis plus refraktäre Hypotension > 50% 90.000 Schwere Sepsis 20% 60.000 15% 60.000 Sepsis mit Organdysfunktion Sepsis SIRS auf Grund einer Infektion 44 N Engl J Med (2002), 347: 966-967 Letalität ca. 210.000 Todesfälle /Jahr in den USA ca. 150.000 Todesfälle/Jahr in Europa etwa jeder 10. Todesfall durch Sepsis verursacht Schwere Sepsis/septischer Schock: Letalität: Behandlungskosten: 42 - 56% 23.000 €/Patient Moerer et al., Intensive Care Med. 2002; 28: 1440-1446 45 Infektion und Entzündung Lokale Infektion + Entzündung ?Systemische Entzündung ? SEPSIS „Sepsis develops when the initial, appropriate host response to an infection becomes amplified, and then dysregulated“ Cohen, Nature 2002; 420:885-891 46 Infektion und Entzündung Menge der Erreger Virulenz der Erreger Lokale Infektion + Entzündung ?? Genetische Disposition Systemische Entzündung SEPSIS Begleiterkrankungen Alter Ernährungszustand 47 Auslöser der Infektion Bakterien Gram-Negative 25 - 30% Gram-Positive 30 - 50% Pilze Multiresistente Bakterien & Pilze: bis zu 25% 15% Parasiten Viren Annane et al. 2005, Lancet 365: 63-78 48 PAMPS & DAMPS Hajime Kono & Kenneth L. Rock Nature Reviews Immunology 8, 279-289 (2008) 49 Hidden Self Model Hajime Kono & Kenneth L. Rock Nature Reviews Immunology 8, 279-289 (2008) 50 Pathogen-Associated Molecular Patterns PAMPs Oberflächenmoleküle Endotoxin (Lipopolysaccharid, LPS) Lipoproteine Flagelline Peptidoglykane Lipoteichonsäuren Interne Motive Heat-shock Proteine DNA-Fragmente 51 Pattern Recognition Receptors PRRs Lösliche Mannose-Binding Lectin (MBL) Ficolin Endozytierende Mannoserezeptor Signaltransferierende Toll-like Rezeptoren (TLRs) Medhzitov and Janeway 2000, NEJM 343:338-344 52 Konsequenzen Induktion proinflammatorischer Signalwege Aktivierung der Blutgerinnung Aktivierung des Komplementsystems Opsonisierung und Phagozytose 53 Toll-like Rezeptoren TLRs Entdeckt als Homologe des Proteins Toll in Drosophila 1997: Beschreibung des ersten humanen Homologen (TLR-4; Medzhitov et al. 1997; Nature 388:394397) Zentrale Rolle bei der Pathogenerkennung Brücke zwischen angeborener und erworbener Immunität 54 Toll-like Rezeptoren TLRs Peptidoglykan Lipoproteine LPS Uropathogene Flagellin Bakterien dsRNA ssRNA CpG DNA TIR = TLR/IL-1 receptor domain modifiziert aus Kawai & Akira 2005; Curr. Opin. Immunol. 17: 338-344 55 TLRs und Variabilität mehrere Liganden pro TLR verschiedene Expressionsmuster Signalweiterleitung über verschiedene Adaptermoleküle genetische Polymorphismen in den TLRs große Variabilität der individuellen Reaktion auf eine Infektion 56 Lipopolysaccharid 57 TLR4: Sensor für Lipopolysaccharid 58 Signalweiterleitung Pro-inflammatorische Zytokine Typ I Interferone 59 Abb. modifiziert aus Lu et al. 2008, Cytokine 42:145-151 Wirtsantwort PAMPs Zytokine IL-1, IL-6, IL-12, IL-15, IL-18, TNF, MIF, HMGB-1, IL-10 • aktivieren Neutrophile, Lymphozyten, Endothelzellen • induzieren Adhäsionsmoleküle • induzieren Aktuphasenproteine u. Fieber • induzieren NOS Chemokine IL-8, MIP, MCP-1 • mobilisieren und aktivieren Neutrophile und Makrophagen Sauerstoff-Radikale Superoxidradikale, NO • antimikrobielle Eigenschaften Lipidmediatoren Platelet-activating factor, Prostaglandine, Thromboxan, tissue factor • aktivieren Endothelzellen und Gerinnung 60 Gerinnung in der Sepsis Gerinnung Fibrinolyse 61 Endotheliale Dysfunktion verstärkte Expression von tissue factor auf Endothelzellen Induktion des Sheddings von Heparansulfat von der Endotheloberfläche Schädigung der Oberfläche durch z. B. ROS von Neutrophilen Aktivierung von Protein C funktioniert nicht mehr 62 PROWESS Protein C World Wide evaluation in severe sepsis Klinische Studie mit 1690 Patienten Aktiviertes Protein C vs. standard intensive care Letalität 24,7% vs. 30,8% in der Placebogruppe erhöhte Blutungsneigung FDA-Zulassung für die Behandlung von schwerer Sepsis Anfang 2012 vom Markt genommen, da Wirksamkeit in Folgestudien nicht bestätigt werden konnte bzw. Nutzen/Risikoprofil ungünstig 63 Phasenmodell der Sepsis Immunreaktion Hyperinflammation Immunparalyse - Darstellung ist stark vereinfacht - Extreme Heterogenität der Sepsispatienten - in verschiedenen Kompartimenten des Körpers können zur gleichen Zeit 64 pro- und anti-inflammatorische Bedingungen herrschen Immunparalyse ...a small percentage of patients with sepsis will die during the initial phase due to a hyperinflammatory response.... However, most patients with sepsis will survive the initial few days and develop a protracted, hypoinflammatory state that is manifested by an inability to eradicate primary infection and/or the development of new secondary infections. Hotchkiss and Nicholson, Nature Reviews Immunology 2006: 813-822.65 TH1 Zyktokine und Chemokine Sepsis Therapie: • Modulation der Immunantwort früh Hyper-inflammatorische Antwort Tod mit akutem Organversagen durch „Cytokine Storm“ spät Apoptose von Immunzellen; TH2 Antwort Therapie: • Stärkung der Immunfunktion • Apoptose blockieren Hypo-inflammatorische Antwort Tod auf Grund von primärer oder sekundärer Infektion 66 Immunparalyse und Apoptose Autopsien von Sepsispatienten massive Apoptose von Lymphozyten und gastrointestinalen Epithelzellen verringerte Anzahl an dendritischen Zellen Klinisch Lymphopenie assoziert mit schlechter Prognose Grad der Lyphozyten-Apoptose korreliert mit Schweregrad der Sepsis 67 Therapie: Ansatzpunkte 1. Gerinnung Protein C 2. Entzündungsmediatoren Blockade durch Antikörper Modulation durch Apherese 68 Blockade von TNF 69 Remick 2003; Curr Pharm Des 9(1):75-82 Erklärungen? wrong targets wrong timing wrong doses wrong combinations Remick 2003; Curr Pharm Des 9: 75-82 …Faktoren haben positive und negative Wirkungen ... Kompartimentalisierung: Gewebe/Zirkulation …Heterogenität der Patienten …mangelnde Vergleichbarkeit von Tierversuchen 70 Blockade von Entzündungsmediatoren Neutralisation von Endotoxin Blockade von Zytokinen (TNF-, IL-1β β) Keine signifikante Senkung der Letalität .... ...a graveyard for pharmaceutical companies ??? 71 Nature Reviews Drug Discovery 2003; 2: 391-404 72 Therapeutische Apherese Prinzip Modulation der Konzentration von Entzündungsmediatoren im Blut/Plasma des Patienten beeinflusst den Pool an Mediatoren in der Zirkulation: peak concentration hypothesis 73 Therapeutische Apherese Umsetzung diffusive und konvektive Techniken - high volume hemofiltration - high permeability hemofiltration - large pore haemofiltration (cut-off bis 100 kDa) Adsorptionstechniken - selektive Adsorber (z.B. Polystyrol-Divinylbenzol) - spezifische Adsorber (z.B. immobilisierte Antikörper) 74 Coupled Plasma Filtration Adsorption Bindung von of pro- and anti-inflammatorischen Zytokinen an StyrolDivinylbenzol-Harz Bindung von Zytokinen Peak Cutting Hypothesis Ronco et al. (2003) Blood Purif 21: 409-41675 CPFA: Ergebnisse zwei Pilotstudien (CPFA vs. HDF) in Patienten mit akutem Nierenversagen und septischem Schock Endpunkt: restoration of immune responsiveness Parameter: Zytokinfreisetzung aus LPS-stimulierten Monozyten Ergebnis: deutlich verbesserte Immunreaktivität nach 10stündiger CPFA-Behandlung CPFA: HDF: coupled plasma filtation and adsorption Hämodiafiltration 76 Mediatoren Lipopolysaccharid • sehr kurzes Zeitfenster • Freisetzung auch während der Sepsis (z.B. aus Darmflora) • Strategien: Antikörper Bactericidal Permeability Increasing Protein, High-Density Lipoprotein Adsorption mit Polymyxin B-Säulen 77 Mediatoren Frühe pro-inflammatorische Zytokine • z.B. TNF • klinische Studien zur Blockade nicht erfolgreich .... Modulation statt Blockade .... Zeitpunkt der Intervention 78 Mediatoren C5a • vielfältige Effekte auf Neutrophile (Phagozytose) Makrophagen (pro-inflammatorische Mediatoren, TF) Endothel (TF) • Blockade von C5aR: verhindert Multi-Organversagen im Tiermodell • enge Wechselwirkungen zwischen C5a und IL-6 IL-6 verstärkt Expression von C5aR und verstärkt daher die Effekte von C5a umgekehrt verringert Blockade von IL-6 die Expression von C5aR 79 Blutreinigung 80 Hämodialyse: Entfernung (kleiner, wasserlöslicher) Substanzen aus dem Blut - Akutdialyse - Chronische Dialyse Therapeutische Apherese: Entfernung größerer, meist proteingebundener Substanzen - Behandlung von Autoimmunerkrankungen - Leberunterstützung - Therapie von Sepsis, MOF - Vergiftungen - Hypercholesterolämie 81 Prinzip der Hämodialyse Blut Semipermeable Membran Dialysat Gegenstrom von Blut und Dialysat 82 Standard-Hämodialyse (HD) Gerinnungshemmer Dialysator (gebrauchtes) Dialysat (frische) Dialysierflüssigkeit Blutpumpe Blut zum Patienten Blut vom Patienten 83 Dialysator Technischer Aufbau: Kapillarbündel Einlass Dialysierflüssigkeit Auslass Dialysat Auslass Blut Einlass Blut 84 Materialien • früher Cellulose (Aktivierung des Komplementsystems) • Synthetically modified celluloses • heute meist synthetische Membranen (Polysulfon) 85 Aktivierung des Komplementsystems C5b-9 (ng/ml) 3000 2500 Regenerierte Cellulose 2000 1500 1000 SMC 500 PSu 0 0 30 60 90 120 150 180 Behandlungsdauer (min) 86 87 Siebkoeffizient S = cFiltrat / cPlasma Solute 1 Solute 2 Solute 3 cf = cp cf = 0.5 • cp cf = 0 S=1 S = 0.5 S=0 88 Dialysator: Siebkoeffizient Semipermeable Membranen: 1 Siebkoeffizient (SC) Plasmaflilter 0,9 Niere 0,8 0,7 0,6 high-flux Filter zur Leberunterstützung 0,5 0,4 low-flux 0,3 0,2 0,1 0 104 103 Inulin Myoglobin 106 105 Albumin IgG Fibrinogen Molekulargewicht 89 Therapeutische Apherese 90 Therapeutische Apherese • Plasmaaustausch unselektiv; entfernt auch wertvolle Komponenten des Plasmas, Substitutionslösungen erforderlich; potentielle Gefahr von allergischen Reaktionen oder Infektionen • Adsorptionssysteme -Hämapherese Vollblut über Adsorber geleitet, pathogene Komponenten gebunden, gereinigtes Blut zurück zum Patienten - Plasmapherese Trennung in Zell- und Plasmafraktion, nur Plasma in 91 Kontakt mit Adsorbermaterial > bioverträglicher TABLE 1: Adsorbent Systems for therapeutic apheresis Target Ligand/Matrix (commercial name) Indication (examples) anti-Ig-ab-Sepharose (Ig Therasorb) ProteinA-Sepharose (Immunosorba) ProteinA-silica (Prosorba) IgG-binding peptide-Sepharose (Globaffin) Peptide domains β1-AR-Sepharose (Coraffin) DCM, SLE, antiFVIII-ab DCM, SLE Rheumatoid arthritis DCM DCM Elimination of LDL anti-ApoB-Sepharose (LDL Therasorb) Dextransulfate-cellulose (Liposorber) Polyacrylate-Eupergit (DALI) Heparin precipitation (HELP) Hypercholesterolemia Hypercholesterolemia Hypercholesterolemia Hypercholesterolemia, sudden hearing loss Elimination of AB0 antibodies blood group antigen A or B (Glycosorb) AB0 incompatible kidney transplantation Elimination of immunoglobulins Global immunoadsorption Specific immunoadsorption Elimination of toxins in liver failure single pass albumin diaylsis (SPAD) selective plasma filtration (SEPET) albumin dialysis (MARS) FPSA (PROMETHEUS) Biologic DT Liver failure Elimination of pathogenic factors in sepsis Endotoxin Polymyxin B-polystyrene (Toraymyxin) Cytokines Combination of factors Polystyrene-Divinylbenzene (CPFA) MIAS (anti-endotoxin, anti-IL-6, antiC5a) Sepsis ab, antibody; AMD, ApoB, apoliprotein B; CPFA, coupled plasma filtration adsorption; DCM, dilative cardiomyopathy; FPSA, fractionated plasma separation and andsorption; HELP, heparin-induced extracorporeal LDL adsorption; Ig, immunoglobulin; IL-6, interleukin 6; MARS, molecular adsorbent recirculating system; SLE, systemic lupus erythematosus; SPAD, single pass albumin dialysis. 92 Leberunterstützung (Prometheus-System) artifizielle und bioartifizielle Systeme Entfernung von hydrophoben, meist proteingebundenen Substanzen (z.B. Bilirubin, Gallensäuren) Bioartifizielle Systeme: zusätzlich Bioreaktoren mit Leberzellen technisch sehr komplex, klinisch nicht etabliert 93 Siebkoeffizient: Albuflow Semipermeable Membranen: 1 Siebkoeffizient (SC) Plasmaflilter 0,9 Niere 0,8 0,7 0,6 high-flux Filter zur Leberunterstützung 0,5 0,4 low-flux 0,3 0,2 0,1 0 104 103 Inulin Myoglobin 106 105 Albumin IgG Fibrinogen Molekulargewicht 94 95 Leberunterstützung - keine chronische Therapie - Behandlung bis zur Regeneration der Leber oder bis ein Spenderorgan zur Verfügung steht 96 Autoimmunerkrankungen >Antikörper gegen körpereigene Strukturen führen zur Zerstörung von Geweben Behandlungsansätze: Plasmaaustausch unspezifische Immunadsorption (Entfernung von IgG) spezifische Immunadsorption (Entfernung des pathogenen Autoantikörpers – falls charakterisiert) 97 Protein A Staphylococcus aureus bindet an Fc Region von IgG z.B Enfernung von Faktor VIII Antikörpern bei Therapie der Hämophilie 98 DALI direct adsorption of lipoproteins LDL Apherese 99 DALI 100
