Sepsis-induzierte Eryptose

Abstract

Zusammenfassung

Hintergrund Anämie ist eine der hämatologischen Dysfunktionen bei Sepsis; sie ist vermutlich die Folge einer beschleunigten Clearance der Erythrozyten aus dem Blutstrom. Die zugrunde liegenden Mechanismen wurden bisher nicht aufgeklärt. Kürzlich durchgeführte Untersuchungen ergaben, dass sowohl eine erhöhte zytosolische Ca2+-Konzentration als auch eine erhöhte Ceramid-Konzentration das „Scrambling“ der Erythrozytenzellmembran auslösen, das zur Expression von Phosphatidylserin auf der Erythrozytenoberfläche führt.

Methoden Erythrozyten gesunder Probanden wurden mit Plasma von Sepsispatienten bzw. dem Überstand verschiedener pathogener Bakterienstämme inkubiert. Anschließend wurden die Phosphatidylserinexpression (Annexinbindung), das Zellvolumen („forward scatter“), die intrazelluläre Ca2+-Aktivität (Fluo3-Fluoreszenz) sowie die Ceramidbildung (Anti-Ceramid-Antikörper) mittels FACS-Analyse bestimmt. Die Aktivität der Sphingomyelinase in den Bakterienüberständen wurde mit Hilfe radioaktiver Methoden gemessen.

Ergebnisse Die Inkubation normaler Erythrozyten der Blutgruppe 0 mit Plasma von Sepsispatienten, nicht aber mit Plasma gesunder Probanden, löste eine Annexinbindung aus. Der Effekt des Patientenplasmas auf die Annexinbindung an die Erythrozyten ging mit der Bildung von Ceramid sowie einem signifikanten Anstieg der zytosolischen Ca2+-Aktivität einher. Daraus ergibt sich, dass das Plasma von Sepsispatienten eine oder mehrere Komponenten enthält, die Apoptose bei Erythrozyten (Eryptose) induzieren. Die Inkubation von Erythrozyten mit dem Überstand von Sepsis-auslösenden Pathogenen induzierte in ähnlicher Weise Eryptose, ein Effekt, der mit der Aktivität der Sphingomyelinase im Überstand korrelierte.

Schlussfolgerung Inkubation mit Plasma von Sepsispatienten löst in Erythrozyten einen Ca2+-Einstrom und Ceramid-Bildung aus. Dies führt zur Schrumpfung der Erythrozyten, dem „Scrambling“ der Membranlipide und anschließender Oberflächenexpression von Phosphatidylserin. Die Phosphatidylserin-exprimierenden Erythrozyten können an die Gefäßwände adherieren und werden wahrscheinlich aus dem Blutstrom entfernt. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen einen neuen pathophysiologischen Mechanismus auf, der bei Sepsis zu Störung der Mikrozirkulation und zu Anämie führt.

Summary

Background Anaemia is one of the haematological dysfunctions of sepsis, which presumably results from accelerated clearance of erythrocytes from circulating blood. The underlying mechanisms, however, remained hitherto elusive. Most recent studies disclosed that increased cytosolic Ca2+ and ceramide both trigger erythrocyte cell membrane scrambling leading to phosphatidylserine exposure at the erythrocyte surface. Phosphatidylserine exposing erythrocytes may either adhere to vascular walls or may be engulfed by macrophages equipped with phosphatidylserine receptors.

Methods Erythrocytes from healthy volunteers were exposed to plasma of patients suffering from sepsis or supernatant from different strains of pathogens, and phosphatidylserine exposure (annexin binding), cell volume (forward scatter), cytosolic Ca2+ activity (Fluo3 fluorescence) and ceramide formation (anti-ceramide antibody) were determined by FACS analysis. The sphingomyelinase activity in the bacterial supernatants was measured by radioactive technique.

Findings Exposure of healthy, blood group zero erythrocytes to plasma from sepsis patients but not from healthy individuals triggered annexin binding. The effect of patient’s plasma on erythrocyte annexin binding was paralleled by formation of ceramide and a significant increase of cytosolic Ca2+ activity. Thus, the plasma from sepsis patients contains one or more components that trigger erythrocyte apoptosis (eryptosis). Exposure of erythrocytes to supernatant of sepsis-inducing pathogens similarly induced eryptosis, an effect correlating with the sphingomyelinase activity in the supernatant.

Interpretation Exposure of erythrocytes to plasma from septic patients triggers Ca2+ entry and ceramide formation in erythrocytes leading to erythrocyte shrinkage, cell membrane lipid scrambling and subsequent phosphatidylserine exposure. The phosphatidylserine exposing erythrocytes may adhere to the vascular wall and are presumably cleared from circulating blood. The present observations disclose a novel pathophysiological mechanism leading to derangement of microcirculation and anaemia during sepsis.