Intestinal ischemia and reperfusion. Proinflammatory response and organ dysfunction

Abstract: Popular Abstract in Swedish I detta avhandlingsarbete studerades mekanismer underliggande utveckling av multipel organdysfunktion (MODS), med fokusering på intercellulär proinflammatorisk reglering och adhesionmolekylers roll vid den fortsatta utvecklingen av organskada samt att studera eventuella organspecifika skillnader. Målsättningen var att finna nya behandlingar och prevention mot utveckling av multipel organsvikt. MODS är fortfarande den ledande dödsorsaken på kirurgisk intensivvårdsavdelning och mortalitetsfrekvensen korrelerar bl a till antalet sviktande organ. Nedsatt funktion av tarmbarriären, inducerad av intestinal ischemi och reperfusion kan uppstå i en rad olika kliniska situationer såsom vid trauma, hemorragisk chock, sepsis, hjärtinfarkt, svåra brännskador, intestinal obstruktion eller mesenterialkärlstromboser och kan i ogynnsamma fall bidra till uppkomsten av multipel organsvikt. Med målet att specifikt studera akutfas-svar och organsvikt, användes i detta avhandlingsarbte en icke-infektiös modell för MODS: intestinal ischemi och reperfusion (I/R) på råtta, vilket utförs genom avstängning av a. mesenterica superior under 40 min, åtföljt av reperfusion under varierande tider upp till 12 tim. ARBETE I. ICAM-1 (intercellular adhesion molecule-1) är en s k ECAM (endothelial cell adhesion molecule) från immunoglobulinfamiljen, som medierar den fasta bindningen av leukocyter till kärlendotelet och migrationen ut i vävnaden. ICAM-1 uttrycks på olika cellmembran, bl a fibroblaster, epitel- och endotelceller i de flesta vaskulariserade vävnader. Genom en teknik med radioisotopmärkning av dubbla monoklonala antikroppar kunde vi påvisa en uppreglering av antalet ICAM-1 molekyler efter intestinal ischemi och reperfusion och att det förelåg stora skillnader i uttryck mellan olika organ. Kärlrika organ med stor endotelyta, som lunga och lever, förefaller ha ett större uttryck av ICAM-1. Vidare kunde vi visa att en rubbning i ett flertal organs (lever, lunga, bukspottkörtel, mjälte) endotelbarriär uppstår liksom ökad aktivitet av enzymet myeloperoxidas i lungan som tecken på ökad mängd vita blodkroppar, efter intestinal ischemi och reperfusion. Samtidigt sågs en ökad nivå av den proinflammatoriska cytokinen IL-1b samt en minskad nivå av albumin och proteasinhibitorer i plasma. De minskade nivåerna av albumin och protesinhibitorer beror sannolikt på en kombination av konsumtion, minskad produktion och läckage över endotelet. ARBETE II. Flera inflammatoriska mediatorer deltar i den inflammatoriska processen. Tumor necrosis factor (TNF)-a är en s k cytokin som anses vara en av de centrala och tidigt i förloppet förekommande proinflammatoriska mediatorerna. Monocyte chemoattractant protein (MCP)-1 är en s k chemokin som attraherar och aktiverar f a monocytära leukocyter, men har också visats kunna utöva liknande effekter på neutrofila leukocyter. Detta arbete syftade till att kartlägga produktionen och frisättningen av dessa två inflammatoriska mediatorer vid intestinal I/R och utröna om ett samband till anhopningen av leukocyter i lunga och tarm förelåg. Vi kunde konstatera att både TNF-a och MCP-1 ökade efter intestinal I/R, såväl lokalt i lunga och tarm som i plasma. Sköljvätska från lunga och bukhåla visade lägre nivåer men med samma tidsmässiga mönster. Samtidigt noterades en ökning av myeloperoxidas i lunga och tarm som tecken på en vävnadsanhopning av leukocyter. Ökning av myeloperoxidas sågs tidigare i tarmen, dvs nära den direkta skadan, än i lungan. Även om sambandet inte är klarlagt tyder resultaten på att TNF-a och MCP-1 medierar rekryteringen av leukocyter till olika vävnader vid intestinal I/R-skada. ARBETE III. I detta arbete kunde vi visa att behandling med en antioxidant som N-Acetylcystein (NAC) eller en hämmare av platelet activating factor (PAF) givet 15 min efter reperfusionsstart, minskade permeabilitetsrubbningen över endotelet i lunga och tarm. Även anhopningen av leukocyter i lungan och plasmanivåerna av den proinflammatoriska cytokinen IL-1b minskade efter behandling med NAC eller PAF-hämmare. Däremot påverkades inte utrycket av ICAM-1 vilket tyder på att den observerade minskningen av permeabilitetsstörningen måste ske via andra mekanismer än denna adhesionsmolekyl. Även anhopningen av leukocyter i lungan förefaller inte vara helt beroende av ICAM-1, vilket delvis stöds av andra studier, där bindningen mellan liganden CD18 och ICAM-1 inte har visat sig vara nödvändig för leukocytadhesion i lungan. En tänkbar mekanism kan vara en ökad stelhet i leukocyternas cytoplasma vilket leder till minskad deformbarhet och att leukocyterna fastnar i lungkapillärena. Denna förändring av cytoplasmans egenskaper skulle kunna utlösas av fria syreradikaler och PAF vilket då delvis kan förklara varför NAC och PAF-hämmare minskar leukocytanhopningen i lungan. ARBETE IV. I detta arbete användes en modell för att samtidigt studera såväl endotel- (kapillär) som epitelbarriärpermeabilitet (tarmbarriär) in vivo över isolerad tarmslynga. I denna modell mäts läckaget av albumin märkt med olika isotoper antingen infunderat i tarmlumen eller injicerat i blod. Vid intestinal ischemi/reperfusionsskada noterades en ökad permeabilitet i båda riktningarna och samtidigt en systemisk konsumtion av plasmainhibitorer. Tidigare studier i gruppen har visat att behandling före I/R-skadan eller tidigt i förloppet med N-Acetylcystein (en s k scavenger för fria syreradikaler) och PAFI (platelet-activating factor inhibitor) förbättrade tarmbarriärfunktionen, minskade cytokinnivåerna och konsumtionen av proteasinhibitorer samt minskade anhopningen av leukocyter i lungan och tunntarmen. I den kliniska situationen är dock förbehandling eller tidig behandling ofta inte praktiskt möjlig då patienten kommer under vård i ett senare skede. Det var därför av intresse att studera effekter på det inflammatoriska svaret och organskada vid senare insatt terapi. Vi kunde här visa att även senare (efter 3 tim reperfusion) insatt behandling (inkl antikroppar mot ahesionsmolekylen PECAM-1) hade en viss, dock inte lika uttalad, effekt på motsvarande parametrar. Permeabilitetsrubbningen över både epitelet och endotelet minskade dock utan att albuminnivåerna i plasma ökade nämnvärt. Sannolikt beror de minskade albuminnivåerna mer på minskad produktion och ökad konsumtion än på läckage över endotelet. Plasmanivåerna av de undersökta proteashämmarna sjönk drastiskt efter intestinal I/R, men endast antitrombin III restaurerades delvis efter behandling. Även de efter I/R förhöjda plasmanivåerna av IL-1b sjönk efter behandling. Intestinal I/R ökade myelo-peroxidasaktiviteten i tarmen, tydande på en ökad vävnadsanhopning av leukocyter. Såväl NAC, PAF-hämmare som monoklonala antikroppar mot adhesionsmolekylen PECAM-1 minskade MPO-aktiviteten drastiskt. Generellt hade alla tre behandlingsstrategierna en hämmande effekt på det inflammatoriska svaret och organskada. Kombinationsbehandling visade sig inte vara effektivare än singelterapi. ARBETE V. På senare år har det blivit alltmer uppenbart att det inflammatoriska svaret samspelar med blodkoagulationen bl a genom att en ökad koagulation kan inducera ett ökat inflammatoriskt svar. Vävnadsfaktorn eller tissue factor (TF) är den fysiologiska initieraren av koagulationen och uttrycks normalt bara på extravaskulära celler, men kan även uttryckas på cirkulerande celler vid inflammatoriska tillstånd. Vid aktivering bildar TF ett komplex med koagulationsfaktor VIIa, vilket startar koagulationskaskaden, som efter ett flertal steg slutar med bildning av fibrin och ett stabilt blodkoagel. Genom blockering av specifika steg i koagulationskaskaden finns förhoppningen att kunna påverka och minska det inflammatoriska svaret. I detta arbete använde vi två olika antikoagulantia som gavs 90 min före ischemistart. Dessa var active-site-inactivated factor VIIa (FVIIai), vilket är koagulationsfaktor VIIa som är blockerat i sitt aktiva bindningsställe och fondaparinux, en selektiv hämmare av faktor Xa. Vi kunde visa att FVIIai minskade den I/R-utlösta permeabilitetsrubbningen över endotelet i tarmen. Även i lungan noterades ett minskat, dock inte signifikant, albuminläckage. Myeloperoxidasaktiviteten i tarmen och plasmanivån av chemokinen MIP-2 minskade efter behandling med FVIIai. Fondaparinux hade endast effekt på plasmanivåerna av MIP-2, vilka minskade. Detta är vad vi vet den första studien som visar att antikoagulationsbehandling kan ha en inflammationsdämpande och organprotektiv effekt vid intestinal I/R-skada och ger förhoppning om nya behandlingsformer vid olika akuta inflammatoriska tillstånd. De patofysiologiska mekanismerna vid MODS förefaller ofta tämligen likartade, trots varierande underliggande genes. Mycket kunnande saknas fortfarande om mekanismer och den sekvens av förändringar som uppträder och i värsta fall får kulminera i fulminant multipel organsvikt. Värdet av kunskaper om underliggande patofysiologi kan inte nog understrykas, i synnerhet som dessa potentiellt kan erbjuda nya möjligheter till profylax och terapi. Tyvärr har mycket få behandlingar kunnat visa förbättrad överlevnad i den kliniska situationen med kritisk intensivvårdskrävande sjukdom. Nya studier med prövning av steroider, antikoagulantia och immunonutrienter som singelbehandling eller i kombination planeras. En framtida tänkbar behandlingsstrategi kommer med stor sannolikhet att vara multimodal, dvs en kombination av behandlingar med olika angreppspunkter. För att denna också skall vara kliniskt tillämpbar krävs att vi får förbättrade möjligheter att monitorera det inflammatoriska svaret hos våra patienter.