Phänotypische und funktionelle Charakterisierung lymphozytärer Subpopulationen nach ausgedehnter Verbrennungsverletzung

Die Immunantwort auf ein Verbrennungstrauma beginnt im Moment der Verletzung und resultiert in einer Monozytenaktivierung, die mit einer vermehrten Synthese und Ausschüttung von inflammatorischen Mediatoren einhergeht. Unter physiologischen Bedingungen dient ein ausgewogenes Zusammenspiel von pro- und antiinflammatorischen Zytokinen der Homöostase, wohingegen das Immunsystem nach massivem Trauma mit einer oft exzessiven Freisetzung proinflammatorischer Mediatoren reagiert. Patienten mit schwerer Verbrennungsverletzung sind daher hochgradig gefährdet ein ausgedehntes „systemic inflammatory response syndrome, (SIRS)“, d. h. eine maligne Ganzkörperinflammation, eine Sepsis oder eine Multiorgandysfunktion, assoziiert mit einer hohen Letalität, zu entwickeln. Eine überwiegend antiinflammatorische Immunantwort dagegen manifestiert sich als systemische Immundefizienz und Anergie mit einer signifikant erhöhten Infektionsanfälligkeit. Es besteht eine eindeutige Ursache-Effekt-Beziehung zwischen Trauma und Zytokinsystem. Mechanischer Stress führt zu schweren Störungen der Interaktion von Monozyten und T-Zellen mit der Folge einer schwerwiegenden Immundysfunktion, wobei PGE2 als einer der Hauptmediatoren der traumainduzierten Immundepression angesehen wird. Erhöhte PGE2-Spiegel sind mit einer reduzierten T-Zellmitogenese, IL-2-Produktion und IL-2-Rezeptorexpression korreliert und für eine Verschiebung der T-Helfer-Aktivität in Richtung eines dominierenden TH2 Phänotyps mit erhöhter Synthese der immunsuppressiven Zytokine IL-4 und IL-10 verantwortlich. Zytokine sind für die Kommunikation im Immunsystem, vor allem bei der Koordination einer Immunantwort durch T-Lymphozyten, von entscheidender Bedeutung. Als sezernierte Proteine waren sie bis vor kurzem der durchflusszytometrischen Analyse nur begrenzt zugänglich. Wir konnten sie wie in vorliegender Arbeit beschrieben in fixierten Zellen intrazellulär nachweisen, d. h. vor der Sekretion. Dieses Verfahren erlaubte es uns, die Expression der Zytokingene quantitativ, kinetisch, korreliert mit Oberflächenproteinen und auf die Einzelzelle bezogen analytisch zu erfassen, zumindest bis zur posttranslationalen Ebene. In peripheren mononukleären Blutzellen (PBMC) von 10 Patienten mit schwerer Verbrennungsverletzung (KOF >30%) und 15 gesunden Kontrollpersonen wurde die Zytokinsynthese mit Ionomycin und PMA polyklonal induziert und die Zellen anschließend mit fluorochromkonjugierten monoklonalen Antikörpern gegen IL-2, IL 4 und IFN-g, sowie gegen CD4-, CD8-, CD45RA- und CD45RO-Zelloberflächenantigene in unterschiedlichen Kombinationen gefärbt. Massives Verbrennungstrauma führte nach polyklonaler Stimulation der T Lymphozyten zu teils signifikanten systemischen Veränderungen der Zytokinexpression in den Kulturüberständen. Verglichen mit einer exzessiven IL-4 Freisetzung und stark erhöhter IL-10 Sekretion zeigten die IFN-g- und die IL-2 Synthese eine nur mäßige Steigerung gegenüber den gesunden Kontrollen. Wir sahen somit eine traumatisch induzierte Veränderung des Zytokinprofils in Richtung eines überwiegend TH2-artigen, immunsuppressiven Phänotyps. Diese Verschiebung von einer eher zytotoxischen (TH1) zu einer weitgehend humoralen und daher abgeschwächten Immunantwort ist mit einer erhöhten Infektionsanfälligkeit verbunden. Mit der durchflusszytometrischen Einzelzellanalyse gelang uns dann erstmalig die Identifikation der CD8+ Zelle, die ursächlich für die gesteigerten Syntheseantworten im posttraumatischen Verlauf verantwortlich ist. Die Synthesekapazität der CD4+ T-Helferzellen blieb nahezu unverändert. Eine Ausnahme bildete die prozentuale Abnahme IFN-g positiver Gedächtniszellen (CD45RO+) zugunsten einer zunehmenden Zahl IFN-g produzierender naiver T Helferzellen (CD45RA+). In der CD8+ Subpopulation kam es in der ersten Woche nach Verbrennungsverletzung zu einer signifikanten Steigerung der IL-2, IL-4 und IFN-g de novo Synthese, die interessanterweise bei weiterer, differenzierter Analyse eine positive Korrelation mit dem klinischen Verlauf ergab. Patienten, die verstarben, zeigten im Vergleich zu den Überlebenden signifikant erhöhte IL-4 und IL-2 Syntheseraten der CD8+ Zellen. Betrachtet man die IL-2 Synthese dieser CD8+ Zellen genauer, nahm nur die Zahl IL-2-produzierender CD8+CD45RA+ Zellen signifikant zu, verglichen mit dem Kontrollkollektiv, wobei beide Patientenkollektive an dieser Entwicklung partizipierten. Auch die IFN-g Synthese der CD8+CD45RA+ Subpopulation zeigte an allen Tagen post Trauma eine signifikante Zunahme gegenüber den Kontrollen ohne aber mit der Überlebensrate zu korrelieren. Dagegen war der prozentuale Anteil IFN-g produzierender CD8+ CD45RO+ Zellen von Verstorbenen signifikant gegenüber den Überlebenden reduziert und blieb auch an allen Untersuchungstagen deutlich hinter dem Kontrollniveau zurück, das von den überlebenden Patienten z. T. signifikant übertroffen wurde. Neben der funktionellen Charakterisierung über die Zytokinexpression (intrazellulär) kann der Aktivierungsstatus des Immunsystems durchflusszytometrisch auch über eine Oberflächenphänotypisierung ermittelt werden, ohne aber damit funktionell unterschiedliche Subpopulationen von T Zellen definieren zu können. Einen ersten Hinweis auf die Aktivierung des Immunsystems von Verbrennungspatienten erhielten wir über die signifikante Zunahme von IL-2Ra (CD25) tragenden T-Zellen in der ersten Woche nach Trauma. Aktivierte T-Zellen exprimieren darüberhinaus MHC-Klasse II-Moleküle und verschiedene Adhäsionsmoleküle, denen bei der Wechselwirkung der Zellen entscheidende Bedeutung zukommt. Akzessorische Moleküle erhöhen beispielsweise die Avidität der T-Zell-APC Interaktion und wirken kostimulatorisch. Wir konnten nach schwerer Verbrennungsverletzung eine verstärkte Expression des vorherrschenden T-Zellrezeptors (TCR) a/b und der akzessorischen T Zellmoleküle CD2, CD7, CD28, CD29 und CD80 nachweisen. Die Zunahme von CD28-Molekülen auf der Oberfläche von CD4+ und CD8+ T-Zellen ist besonders bemerkenswert, da mit zunehmender Signalstärke des über CD28 vermittelten Signals die Differenzierung einer T-Zelle auf die TH2-Entwicklung ausgerichtet wird. Die Aktivierung von T-Lymphozyten ist außerdem mit markanten Veränderungen im Expressionsmuster einzelner CD45 Isoformen verknüpft. Die Induktion der CD45RO Isoform und der Verlust von CD45RA waren beim Schwerstverbrannten besonders auffällig. Die durchflusszytometrische Bestimmung des Aktivierungsstatus des Immunsystems hat unseres Erachtens das Potenzial einer Standardmethode zur Ermittlung von Hochrisikopatienten mit deren Hilfe immunsupprimierte Patienten und solche mit SIRS und Sepsis unterschieden werden können. Die zentrale Vorbedingung für eine effektivere Sepsistherapie stellt eine verbesserte Diagnostik im Sinne kontinuierlicher zellbiologischer Informationen („Online-Monitoring“) am Krankenbett dar, um die meist sehr schnell wechselnden immuninflammatorischen Zustandsbilder direkt zu erkennen und einer zeitgerechten, individuell adaptierten Behandlungsintervention zuzuführen

Early down-regulation of the pro-inflammatory potential of monocytes is correlated to organ dysfunction in patients after severe multiple injury: a cohort study

Introduction Severe tissue trauma results in a general inflammatory immune response (SIRS) representing an overall inflammatory reaction of the immune system. However, there is little known about the functional alterations of monocytes in the early posttraumatic phase, characterized by the battle of the individual with the initial trauma. Methods Thirteen patients with severe multiple injury; injury severity score (ISS) >16 points (17 to 57) were included. The cytokine synthesis profiles of monocytes were characterized on admission, and followed up 6, 12, 24, 48, and 72 hours after severe multiple injury using flow cytometry. Whole blood was challenged with lipopolysaccharide (LPS) and subsequently analyzed for intracellular monocyte-related TNF-alpha, IL-1 beta, IL-6, and IL-8. The degree of organ dysfunction was assessed using the multiple organ dysfunction syndrome (MODS)-score of Marshall on admission, 24 hours and 72 hours after injury. Results Our data clearly show that the capacity of circulating monocytes to produce these mediators de novo was significantly diminished very early reaching a nadir 24 hours after severe injury followed by a rapid and nearly complete recovery another 48 hours later compared with admission and controls, respectively. In contrast to the initial injury severity, there was a significant correlation detectable between the clinical signs of multiple organ dysfunction and the ex vivo cytokine response. Conclusions As our data derived from very narrow intervals of measurements, they might contribute to a more detailed understanding of the early immune alterations recognized after severe trauma. It can be concluded that indeed as previously postulated an immediate hyperactivation of circulating monocytes is rapidly followed by a substantial paralysis of cell function. Moreover, our findings clearly demonstrate that the restricted capacity of monocytes to produce proinflammatory cytokines after severe injury is not only an in vitro phenomenon but also undistinguishable associated with the onset of organ dysfunction in the clinical scenario

The potential role of T-cells and their interaction with antigen-presenting cells in mediating immunosuppression following trauma-hemorrhage

Objective: Trauma-hemorrhage results in depressed immune responses of antigen-presenting cells (APCs) and T-cells. Recent studies suggest a key role of depressed T-cell derived interferon (IFN)-g in this complex immune cell interaction. The aim of this study was to elucidate further the underlying mechanisms responsible for dysfunctional T-cells and their interaction with APCs following trauma-hemorrhage. Design: Adult C3H/HeN male mice were subjected to trauma-hemorrhage (3-cm midline laparotomy) followed by hemorrhage (blood pressure of 35�5mmHg for 90 min and resuscitation) or sham operation. At 24 h thereafter, spleens were harvested and T-cells (by Microbeads) and APCs (via adherence) were Isolated. Co-cultures of T-cells and APCs were established for 48 h and stimulated with concanavalin A and lipopolysaccharide. T-Cell specific cytokines known to affect APC function (i.e. interleukin(IL)-2, IL-4 and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF)) were measured in culture supernatants by Multiplex assay. The expression of MHC class II as well as co-stimulatory surface molecules on T-cells and APCs was determined by flow cytometry. Results: The release of IL-4 and GM-CSF by T-cells was suppressed following trauma-hemorrhage, irrespective of whether sham or trauma-hemorrhage APCs were present. Antigen-presenting cells from animals subjected to trauma-hemorrhage did not affect T-cell derived cytokine release by sham T-cells. In contrast, T-cells from traumahemorrhage animals depressed MHC class II expression of CD11c(þ) cells, irrespective of whether APCs underwent sham or trauma-hemorrhage procedure. Surprisingly, co-stimulatory molecules on APCs (CD80, CD86) were not affected by trauma-hemorrhage. Conclusions: These results suggest that beside IFN-g other T-cell derived cytokines contribute to immunosuppression following trauma-hemorrhage causing diminished MHC II expression on APCs. Thus, T-cells appear to play an important role in this interaction at the time-point examined. Therapeutic approaches should aim at maintenance of T-cell function and their interaction with APCs to prevent extended immunosuppression following trauma-hemorrhage

Alarmins MRP8 and MRP14 Induce Stress Tolerance in Phagocytes under Sterile Inflammatory Conditions

Hyporesponsiveness by phagocytes is a well-known phenomenon in sepsis that is frequently induced by low-dose endotoxin stimulation of Toll-like receptor 4 (TLR4) but can also be found under sterile inflammatory conditions. We now demonstrate that the endogenous alarmins MRP8 and MRP14 induce phagocyte hyporesponsiveness via chromatin modifications in a TLR4-dependent manner that results in enhanced survival to septic shock in mice. During sterile inflammation, polytrauma and burn trauma patients initially present with high serum concentrations of myeloid-related proteins (MRPs). Human neonatal phagocytes are primed for hyporesponsiveness by increased peripartal MRP concentrations, which was confirmed in murine neonatal endotoxinemia in wild-type and MRP14(-/-) mice. Our data therefore indicate that alarmin-triggered phagocyte tolerance represents a regulatory mechanism for the susceptibility of neonates during systemic infections and sterile inflammation

Functional Characterization of Cultured Keratinocytes after Acute Cutaneous Burn Injury

In addition to forming the epithelial barrier against the outside environment keratinocytes are immunologically active cells. In the treatment of severely burned skin, cryoconserved keratinocyte allografts gain in importance. It has been proposed that these allografts accelerate wound healing also due to the expression of a favourable--keratinocyte-derived--cytokine and growth factor milieu. In this study the morphology and cytokine expression profile of keratinocytes from skin after acute burn injury was compared to non-burned skin. Skin samples were obtained from patients after severe burn injury and healthy controls. Cells were cultured and secretion of selected inflammatory mediators was quantified using Bioplex Immunoassays. Immunohistochemistry was performed to analyse further functional and morphologic parameters. Histology revealed increased terminal differentiation of keratinocytes (CK10, CK11) in allografts from non-burned skin compared to a higher portion of proliferative cells (CK5, vimentin) in acute burn injury. Increased levels of IL-1α, IL-2, IL-4, IL-10, IFN-γ and TNFα could be detected in culture media of burn injury skin cultures. Both culture groups contained large amounts of IL-1RA. IL-6 and GM-CSF were increased during the first 15 days of culture of burned skin compared to control skin. Levels of VEGF, FGF-basic, TGF-ß und G-CSF were high in both but not significantly different. Cryoconservation led to a diminished mediator synthesis except for higher levels of intracellular IL-1α and IL-1ß. Skin allografts from non-burned skin show a different secretion pattern of keratinocyte-derived cytokines and inflammatory mediators compared to keratinocytes after burn injury. As these secreted molecules exert auto- and paracrine effects and subsequently contribute to healing and barrier restoration after acute burn injury therapies affecting this specific cytokine/growth factor micromilieu could be beneficial in burned patients

Patient characteristics (n = 17).

<p>Randomly selected female patients who underwent breast reduction surgery served as a control population (n = 17; Age 37±7 years).</p

Time line and study design.

<p>Time line and study design.</p

Antibodies used for immunohistochemical analyses.

<p>Antibodies used for immunohistochemical analyses.</p

Morphological characterization of keratinocytes from acute burn injury.

<p>H&E stainings revealed a significantly increased proportion of terminally differentiated cells (white arrows) in allogenic cultured epithelial grafts (<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029942#pone-0029942-g002" target="_blank">Fig. 2A</a>) from breast reduction material in comparison to cells from autologous cultured epithelial grafts from burn patients (<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029942#pone-0029942-g002" target="_blank">Fig. 2B</a>). In stainings with the monoclonal antibody KL-1 significantly more terminal differentiated keratinocytes in allogenic grafts (<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029942#pone-0029942-g002" target="_blank">Fig. 2C</a>) were detected compared with autologous cultured epithelial grafts (<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029942#pone-0029942-g002" target="_blank">Fig. 2D</a>). More vimentin-positive cells are present in autologous cultured epithelial grafts (<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029942#pone-0029942-g002" target="_blank">Fig. 2F</a>) when compared to allogenic sheets (black arrows, <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029942#pone-0029942-g002" target="_blank">Fig. 2E</a>).</p