Genexpressionsanalyse septischer Patienten nach Polytrauma im Zeitverlauf

Abstract

Dank intensiver Forschung und immer neuen Erkenntnissen hat sich das Bild der Sepsis in den letzten Jahren und Jahrzehnten gewandelt. Trotzdem bleibt das Bild unvollständig und die Entwicklung einer Sepsis ist weiter mit einer hohen Mortalitätsrate verbunden. Mangelndes Verständnis führt zu einer späten Diagnosestellung und somit zu einer späten Therapie. Das therapeutische Eingreifen in pathophysiologische Prozesse, wie die Beeinflussung einzelner inflammatorischer Parameter, hat bislang keine zufriedenstellenden Behandlungserfolge erzielt.Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit das Ziel verfolgt, sowohl das Verständnis der Sepsis und der komplexen Abläufe, die zu ihrer Entwicklung führen, zu erhöhen, als auch Schlüsselprozesse für diagnostische Zwecke zu identifizieren.Es wurde eine Untersuchungsmethode gesucht, die nicht nur einzelne Details analysiert, sondern einen möglichst umfassenden Blick auf die pathophysiologischen Mechanismen und Reaktionen des Körpers ermöglicht. Hier bot sich die Verwendung der gut etablierten Microarrayanalyse an. Microarrays messen gleichzeitig die Genexpression tausender Gene anhand der Menge von RNA, die so, als Korrelat für die später entstehenden Proteine, ein vorläufiges Abbild der Zellfunktion bzw. -reaktion bietet. In dieser prospektiv angelegten Studie wurde peripheres Blut von Patienten nach einem Polytrauma gesammelt, von denen eine Teilmenge im Verlauf eine Sepsis entwickelte. Die transkriptionellen Muster von Patienten mit und ohne Sepsis wurden mithilfe der Codelink Mikroarray Plattform verglichen. Fünf Zeitpunkte, beginnend an Tag 0 (Einlieferung auf der Intensivstation, d. h. innerhalb von 12h nach dem Trauma) bis zum Tag 9 wurden analysiert und die Ergebnisse dann per RT-PCR validiert.Die Analyse der Microarraydaten ergab differentiell regulierte Gene aus einem breiten Spektrum funktioneller Gruppen. Es zeigten sich Unterschiede in der Reaktion septischer Patienten bei der Immunantwort, in den plasmatischen Kaskaden, der Mitochondrienfunktion und verschiedenen Signaltransduktionswegen. Die Untersuchung des Zeitverlaufs zeigte, dass diese Unterschiede hauptsächlich an den Tagen vor der klinischen Manifestation bestanden, insbesondere nach 24h.Konkret wurden in den verschiedenen Bereichen die nachfolgend beschriebenen Unterschiede gefunden:1. Die Untersuchung der Immunantwort offenbart, übereinstimmend mit dem aktuellen Stand der Forschung, eine Suppression der adaptiven Immunität in verschiedenen Teilbereichen, während die angeborene Immunität Zeichen einer Aktivierung aufweist. 2. Die Disseminierte Intravasale Gerinnung ist eine der gefürchtetsten Komplikationen einer Sepsis. Kongruent hierzu fand sich eine höhere Expression von Genen, die in diese plasmatische Kaskade involviert sind, ebenso wie eine reduzierte Fibrinolyse und eine stärkere Aktivierung der Thrombozyten.3. Die mitochondriale Dysfunktion ist ein weiterer entscheidender Faktor in der Entwicklung eines Organversagens im Rahmen einer Sepsis. Die Genexpression in dieser Studie deckt verschiedene Details auf, wie eine gestörte oxidative Phosphorylierung, vermehrten oxidativen Stress und eine verminderte ß-Oxidation. 4. Kommunikationsprobleme führen nicht nur in großen Firmen oder zwischenmenschlichen Beziehungen zu Fehlern und Krisen, sie halten auch unseren Organismus davon ab, richtig zu arbeiten. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Signaltransduktionswege mit dysregulierter, meist verminderter Genexpression gefunden, die mögliche Fehlerquellen darstellen können.Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass es möglich war, die Beteiligung verschiedener funktioneller Gruppen in der Entstehung einer Sepsis darzustellen und ihre Entwicklung über den Zeitverlauf nachzuverfolgen. So wurden Möglichkeiten für weitere Studien und detailliertere Nachforschungen aufgezeigt. Despite all efforts that have been made all to unravel the enigma of sepsis, the development of sepsis remains vague and is still associated with a high mortality rate. Insufficient understanding of the complex processes leading to sepsis is accountable for late diagnosis and treatment and therefore poor outcome. Aim of this study was therefore improving the comprehension of sepsis and the complex processes leading to its development as well as to find diagnostical key connections and genes. Microarray analysis has evolved as an important tool for identification of genes and pathways with regulative functions. It thereby has the potential to contribute to the understanding of pathomechanisms as well as it may offer diagnostical possibilities.The approach of this study was to prospectively collect peripheral blood of patients with multiple trauma of which a proportion developed sepsis. We compared the transcriptional pattern of patients with and without sepsis using the Codelink microarray platform. Five timepoints were analyzed from day 0 (= admission to ICU = within 12h after trauma) until day 9 and the data was validatet per RT-PCR. In order to gain a better understanding of the pathomechanisms leading to sepsis we did not focus on single genes but instead wanted to look at the response of patients after multiple trauma in a general way. Results show differentially expressed genes involved in the immune response, plasmatic cascades, mitochondrial function and signal transduction. The analasis of the time-course reveales differences mostly before the onset of clinical sepsis, especially after 24h. Precisely the following differences were found in the different fields:1. The data uncovers a suppression of the adaptive immune system and reveal its underlying molecular mechanisms. Specifically, genes participating in antigen presentation, activation and co-stimulation of t-cells, TCR signaling and b-cell activation were expressed at a lower level in septic patients while the innate immune response shows clear signs of activation.2. The disseminated intravascular coagulopathie is one of the feared complications of sepsis. Congruent to this we found a higher expression of genes involved into this plasmatic cascade as well as a reduced fibrinolysis and a stronger activation of thrombocytes. 3. Mitochondrial dysfunction has been shown to be another crucial point in the processes leading to organ dysfunction in the course of sepsis. Gene expression reveals several details as an impaired oxidative phosphorylation, increased oxidative stress and a reduced ß-oxidation as signs of the mitochondrial dysfunction.4. Communication problems do not only lead to mistakes and crisis in major companies or interpersonal relationships, but also detain processes in our organism to work properly. In this study we found a number of different signaltransduction pathways with dysregulated, mainly decreased gene expression in septic patients. In summary it can be said, that we were able to show the involvement of several functional groups into the evolution of sepsis and track their development over the time-course. We therefore lay the basis for further studies and more detailed research.