Einfluss eines Phosphodiesterase-2-Inhibitors auf die Hämodynamik und die endothel-alveoläre Barriere nach in-vivo-Priming mit LPS und ex-vivo-Applikation von Pneumolysin am Modell der isolierten Rattenlunge

Abstract

Die Sterblichkeitsrate von Patienten, die an einer Sepsis oder einem septischen Schock erkranken liegt trotz erheblicher Fortschritte in der anti-infektiösen und intensivmedizinischen Therapie der letzten Jahrzehnte immer noch zwischen 30 und 70%. Auslöser sind häufig bakterielle Mischinfektionen, insbesondere im Rahmen von nosokomialen Infekten. Eine der führenden pathophysiologischen Ereignisse im Verlauf des Infekt-assoziierten Multiorganversagens ist die durch den Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-alpha) induzierte frühe Schrankenstörung, insbesondere die gesteigerte Permeabilität der alveoloepithelialen-vaskuloendothelialen Schranke der Lunge. In Vorarbeiten unserer und anderer Arbeitsgruppen konnte bereits gezeigt werden, dass dieser Effekt durch TNF-alpha über die Induktion der Phosphodiesterase-2 in Endothelzellen der pulmonalen Zirkulation ausgelöst wird. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb der therapeutische (Barriere-stabilisierende) Einfluss eines Phosphodiesterase-2 Hemmstoffes auf die vaskuläre und Gasaustauschfunktion der Lunge, in einem Ratten-Sepsis Modell untersucht. Hierzu wurde zunächst in vivo eine Präkonditionierung (Priming) durch einmalige Gabe von 2,5 mg/kg Lipopolysaccharid (LPS) induziert. Im Anschluss erfolgte in einer standardisierten Präparation die Explantation der Lunge, welche anschließend isoliert ventiliert und perfundiert wurde. Die Effekte einer Bolusgabe von steigenden Dosierungen des Exotoxins Pneumolysin (PLY) von Streptococcus pneumonia in Lungen, die durch LPS präkonditioniert waren wurden mit Lungen ohne Vorbehandlung verglichen. Weiterhin wurde der Therapeutische Einfluss von EHNA, eines PDE-2 Hemmstoffs auf die durch PLY induzierte Lungenschädigung untersucht. Die wesentlichen Ergebnisse der aktuellen Arbeit waren: 1. Eine in vivo Präkonditionierung mittels LPS führte zu einer verstärkten Lungenschädigung durch eine einmalige Bolusgabe von PLY in vitro (Priming), 2. Eine spezifische PDE-2 Hemmung mit 1 µM EHNA führte zu einer signifikanten Reduktion der Barriereschädigung und somit zur Funktionsverbesserung der Lungen und 3. eine unspezifische PDE Hemmung mit 10 µM führte eher zu einem Verlust der protektiven Wirkung. Zusammenfassend konnte somit in der vorliegenden Arbeit erstmals der schädigende Effekt des Exotoxins Pneumolysin auf die Funktion der Lunge aufgezeigt, welcher durch Vorbehandlung mit den Endotoxin gram-negativer Bakterien sogar potenziert war. Die hier aufgezeigte experimentell therapeutische Wirksamkeit einer PDE-2 Hemmung mittels EHNA könnte den Weg für zukünftige klinische Studien in diesem für die Intensivmedizin wichtigen Feld bahnen. Mortality rates in patients suffering from septicemia and septic shock remain high (30-70%) despite therapeutic advances in the past decades. Confounding factors are often mixed bacterial infections, particularly in relation to nosocomial infections. One of the leading pathophysiological events leading to multiple organ-failure, is the disturbance of the alveolo-epithelial and vasculo-endothelial barrier of the lung. This is mainly induced by transient induction of the tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha). In previous studies of this and other working groups it was shown that the impairment of barrier properties by TNF-alpha is mediated by an up-regulation of the phosphodiesterase-2 (PDE-2) in vascular endothelial cells. Thus we aimed to investigate on potential therapeutic effects of PDE-2 inhibition on vascular and gas exchange properties of the lung, in a rat lung injury model. For this we preconditioned (primed) rats in vivo with an injection of 2.5 mg/kg of lipopolysaccharide (LPS) and subsequently isolated their lungs and investigated them further in an isolated ventilated and perfused lung preparation. The effects of bolus injections of incremental dosages of the exotoxin pneumolysin (PLY), which is produced by streptococcus pneumonia, on native as well as LPS-primed lungs was investigated. Furthermore the therapeutic effect of EHNA, a selective PDE-2 inhibitor, on PLY induced lung injury was analyzed. The main results of the current work were that first, an in vivo priming with LPS resulted in an augmentation of the lung injury induced by PLY injections, second, a selective PDE2 inhibition with 1 µm EHNA significantly reduced the damage to the lung vascular barrier and resulted in subsequent improvement in lung function, and third, an unselective PDE2 inhibition with high dose of EHNA (10µm) lost its protective properties. In summary, we could show that the exotoxin pneumolysin induces lung injury in an isolated organ model, which was augmented if the lungs were pretreated with endotoxin of gram-negative bacteria (so called priming effect). The therapeutic effects of a selective PDE2 inhibition as demonstrated with low doses of EHNA could justify the future investigation of this treatment approach for the prevention and/or treatment of lung injury in patients with bacterial infections and acute lung injury in the intensive care setting.