Molecular mechanisms of ventilator-induced acute kidney injury : Mechanical ventilation can modulate neutrophil recruitment to the kidney

Abstract

Mechanical ventilation is the mainstay therapy for patients with acute lung injury (ALI) or the acute respiratory distress syndrome (ARDS), which exhibit a mortality of approximately 40%. Additionally, mechanical ventilation can also exert its action through the lungs to distant organs, provoking the development of multiple organ dysfunction syndrome (MODS). Thus, there is considerable interest in understanding ventilator-induced MODS with the aim to refine ventilation strategies, or augment supportive therapy, to attenuate organ failure in mechanically ventilated patients. This study focuses on acute kidney injury (AKI) because the kidney is one of the first organs affected by MODS. The goal of this study was to examine candidate biomarkers of AKI, and to contribute to our understanding of the pathophysiological mechanisms at play that result in MODS in response to mechanical ventilation.Organ failure was induced in healthy rats by mechanical ventilation. Three different ventilation strategies were employed, using a pressure-controlled mode, with the positive end-expiratory pressure (PEEP) fixed at 2 cmH2O, while the peak inspiratory pressure (PIP) was increased in 5 cmH2O increments between 10 cmH2O and 20 cmH2O. All three ventilation strategies induced lung injury, as assessed by elevated protein levels in the bronchoalveolar lavage (BAL) fluid after 8 h mechanical ventilation. However, only the 20 cmH2O PIP group displayed elevated BAL fluid protein levels after 4 h mechanical ventilation. No significant increase in serum creatinine levels at either time-point was noted in any of the experimental groups. Of the new, emerging biomarkers of AKI such as lipocalin-2 and Kim1, no significant increase in the mRNA expression levels of lipocalin-2 was detected in the kidney between 4 h and 8 h mechanical ventilation with the 10 cmH2O PIP and 15 cmH2O PIP strategies, however, pronounced changes were seen in the 20 cmH2O PIP group. A comparable situation was observed for Kim1 expression. Comparing lipocalin-2 and Kim1, both exhibited a time-dependent increase in gene expression in the kidneys of mechanically-ventilated rats. Additionally lipocalin-2 appeared earlier, compared to Kim1, in the evolution of ventilator-induced AKI. There were no differences observed in the recruitment of macrophages and T-cells in any of the mechanically ventilated groups. However, an increase in the number of neutrophils was observed in the kidneys of rats ventilated with 20 cmH2O PIP, where the greatest degree of lung damage, and the greatest increase in lipocalin-2 and Kim1 expression was also observed. These data suggest that mechanical ventilation can modulate neutrophil infiltration into the kidney. Die mechanische Beatmung ist die wichtigste Therapie für Patienten mit akuter Lungenschädigung (ALI) oder akutem Atemnot-Syndrom (ARDS), welche eine Mortalität von circa 40% aufweisen. Die mechanische Beatmung wirkt jedoch nicht ausschließlich auf die Lunge, sondern auch auf andere Organe. Dies kann zur Entwicklung eines Multiorganversagens (MODS) führen. Somit besteht erhebliches Interesse, die Vorgänge des beatmungsinduzierten MODS zu verstehen. Ziel ist es, die Beatmungsstrategien entsprechend zu verändern oder unterstützende Therapien zu verstärken, um ein MODS in mechanisch beatmeten Patienten zu verringern. Diese Studie beschäftigt sich mit akutem Nierenversagen (AKI), da die Niere zu den Organen zählt, die bei einem MODS als erstes betroffen sind. Das Ziel dieser Studie war es, bestimmte Biomarker der AKI zu untersuchen, um somit die pathophysiologischen Mechanismen einer beatmungsinduzierten MODS besser zu verstehen.In gesunden Ratten wurde ein Organversagen durch mechanische Beatmung induziert. Es wurde jeweils ein druckkontrolliertes Verfahren, mit einem positiven endexspiratorischen Druck (PEEP) von 2 cmH2O angewendet, während die maximale Kraft der Einatemmuskulatur (PIP) zwischen 10 cmH2O, 15 cmH2O und 20 cmH2O variierte. Diese drei unterschiedlichen Beatmungsstrategien induzierten ein Lungenversagen, gemessen durch erhöhte Proteinwerte in der bronchoalveolären Lavage (BAL) nach 8 Stunden mechanischer Beatmung. Nach 4 Stunden mechanischer Beatmung zeigte nur die Gruppe mit 20 cmH2O PIP erhöhte Proteinwerte in der BAL. Es wurde keine signifikante Erhöhung des Serumkreatinins zu beiden Zeitpunkten in einer der Versuchsgruppen festgestellt. Nach einer mechanischen Beatmung von 4 bis 8 Stunden bei einem PIP von 10 cmH2O und 15 cmH2O wurde keine signifikante Erhöhung der neuen Biomarker, Lipocalin-2 und Kim1, festgestellt. Deutliche Veränderungen konnten in der Gruppe mit 20 cmH2O PIP ermittelt werden. Wenn man Lipocalin-2 und Kim1 vergleicht, zeigen beide eine zeitabhängige Erhöhung der Genexpression in den Nieren der mechanisch beatmeten Ratten. Des Weiteren erscheint Lipocalin-2 früher im Vergleich zu Kim1 bei der Entstehung einer beatmungsinduzierten AKI. Es wurden keine Unterschiede in der Anzahl der Makrophagen und T-Zellen in einer der mechanisch beatmeten Gruppen beobachtet. Jedoch konnte in den Rattenlungen, die mit einem PIP von 20 cmH2O beatmet wurden eine Erhöhung in der Neutrophilenanzahl festgestellt werden. Diese Gruppe weist den höchste Grad der Lungenschädigung auf und somit auch den größten Anstieg der Lipocalin-2 und Kim1 Expression. Diese Daten weisen darauf hin,68dass durch mechanische Beatmung die Infiltration von Neutrophilen in die Niere reguliert werden kann.