Monitoring pro- und antiinflammatorischer Mechanismen nach Operation angeborener Herzfehler und Beeinflussung durch NO

Abstract

Zur Behandlung pulmonalarterieller hypertensiver Krisen in der Folge einer Herz-Lungen-Maschinen-OP (HLM) stellt die NO-Inhalation eine etablierte Methode dar. Ein Ziel dieser Arbeit war es die Auswirkungen einer NO-Inkubation auf die Immunkompetenz, gemessen anhand der ex-vivo Zytokinsekretion (IL-1ra, IL-6, TNF-alpha) und der HLA-DR-Expression nach Lipopolysaccharid (LPS)-Stimulation, zu untersuchen. Hierfür wurde Blut von 20 Herzkatheterpatienten mit zwei verschiedenen NO-Konzentrationen (0 bzw. 100 ppm) inkubiert und anschließend mit 1µg/ml LPS stimuliert. Im weiteren wurden Pro- und antiinflammatorische Vorgänge, die typischerweise während und nach einer HLM-OP ablaufen und zu einer SIRS führen können, durchflußzytometrisch (CD 4/CD 8, CD 11a/CD 18, CD 14, HLA-DR, IL-1ra) oder mittels Festphasen-Chemiluminiszenz-Enzymimmunoassay (IL-6, TNF-alpha) gemessen. Mittels LPS-Stimulationstest wurden die Auswirkungen der HLM-OP auf die Immunkompetenz perioperativ erfasst. Dazu erfolgten serielle Bestimmungen bei 20 Kindern im Rahmen eines herzchirurgischen Eingriffs unter Einsatz der HLM an fünf aufeinanderfolgenden Tagen. Hinsichtlich Kinetik und klinischer Korrelation wurden neue Entzündungsmarker wie LPS-bindendes Protein (LBP) und Procalcitonin (PCT) untersucht. Inwieweit Unterscheidungsmerkmale des Patientenkollektivs, wie tiefste Körpertemperatur während der HLM, HLM-Dauer, höchster Lactatwert, Körpergröße und Shuntrichtung Einfluß auf die oben genannten Parameter haben, galt es ebenso zu analysieren.

Durch NO-Inhalationen (100 ppm) ergab sich keine Differenz in der Expression der Oberflächenantigene (CD 4, CD 8, CD 11a, CD 14, CD 18, HLA-DR) auf Leukozyten gegenüber den Negativkontrollen (0 ppm). Ebenso war die ex-vivo Zytokin- und HLA-DR-Expression nach Stimulation mit LPS, durch NO nicht beeinträchtigt. Eine Begünstigung inflammatorischer Komplikationen, unter therapeutischer Anwendung in deutlich geringerer NO-Konzentration, ist nicht zu erwarten. Nach HLM-OP kommt es zur unspezifischen Aktivierung des Immunsystems mit Zunahme der Leukozytenzahl, insbesondere des Neutrophilenanteils und Veränderung nahezu aller untersuchten Oberflächenantigene, v.a. einer Abnahme der Adhäsionsmoleküle CD 11a und CD 18. Dies spiegelt sich auch im Verbrauch der antigenpräsentierenden HLA-DR-Rezeptoren, sowie in einer vermehrten CD 14-Expression wieder. Außerdem stellt sich eine temporäre zelluläre Immunsuppression in einem abnehmenden CD 4/CD 8-Quotienten und einer verminderten Kapazität zur ex-vivo-Synthese v.a. proinflammatorischer Zytokine und HLA-DR-Expression nach Stimulation mit LPS dar. Die Bestimmung der HLA-DR-Expression nach LPS-Stimulation demonstriert indirekt die Fähigkeit der Leukozyten zur Zytokinsynthese und lässt Rückschlüsse auf den inflammatorischen Status zu. Der Entzündungsparameter LBP erbrachte gegenüber CRP keinen zusätzlichen Informationsgewinn, da er gemäß CRP unspezifisch erhöht war. Hingegen läßt sich bei pathologischen PCT-Werten eine klinische Korrelation vermuten. Die Analyse nach Merkmalen wie Vitium, HLM-Dauer, HLM-Temperatur und Körpergröße zeigte bezüglich der betrachteten Leukozytenoberflächenantigene, sowie der pro- und antiinflammatorischen Marker unmittelbar postoperativ gegenüber präoperativ keine signifikanten Unterschiede im unstimulierten Zustand. Einzig Patienten mit den höheren max. Lactatwerten (> 3 mmol/l) hatten einen signifikant stärkeren Anstieg des PCT, eine signifikant deutlichere Abnahme von CD 4 und eine signifikant gesteigerte HLA-DR-Expression der Granulozyten. Nach Stimulation mit LPS war die Fähigkeit zur ex-vivo Zytokinsynthese bei Patienten ohne Shunt signifikant weniger beeinträchtigt als bei Patienten mit Links/Rechts-Shunt. Ebenso ging eine längere HLM-Dauer (> 70 min) mit einem signifikant größeren Anstieg der CD 14 Expression der Monozyten einher, tiefere Körpertemperaturen bedingten eine signifikant stärkere Zunahme von IL-1ra.

Zusammenfassend könnte die Messung der Immunkompetenz, neben anderer Parameter des Immunomonitorings, in Zukunft wesentlich dazu beitragen, den aktuellen Immunstatus des Patienten exakter zu definieren und eine immunomodulatorische Therapie zu etablieren. Möglicherweise lassen sich präoperativ kritische Immunsituationen anhand der HLA-DR-Expression und der ex-vivo-Zytokinsekretion erkennen. Vor allem bei zu erwartenden längeren HLM-Anschlußzeiten und tieferen Temperaturen während der HLM, sollte die Immunkompetenz des Patienten in die präoperative Risikostratifizierung miteinbezogen werden, um postoperative Komplikationen besser vorbeugen zu können. Dies gilt gerade bei komplexen angeborenen Herzfehlern.

The management of pulmonary-arterial hypertensive crisis after heart surgery with the use of the extra-corporal cicuit often includes inhalation of nitric oxide. One aim of the study was to investigate the effects of NO-incubation on the immune-competence shown by measuring the ex-vivo cytokine expression (IL-1ra, IL-6, TNF-alpha) and the expression of HLA-DR after stimulation with LPS. Therefore blood of 20 children admitted for cardiac catheterization was incubated with two different NO-concentrations (0 respectively 100 ppm) and afterwards stimulated with 1µg/ml LPS. Furthermore pro- and antiinflammatory changes, often seen during and after cardiopulmonary bypass and possibly leading to SIRS, have been determined by flow cytometry analysis (CD 4/CD 8, CD 11a/CD 18, CD 14, HLA-DR, IL-1ra) or solid phase chemoluminiscence enzyme immumoassay (IL-6, TNF-alpha). Using LPS stimulation, consequences of the CPB on the immunocompetence were monitored. Therefore serial determination of the parameter cluster was performed with 20 study patients on five following days perioperatively in the course of cardiac surgery using CPB. New inflammatory parameter like LBP and PCT were investigated with the focus on kinetic characteristics and clinical correlation. Another aim of the study was to analyse if there is any influence on the parameter setting due to diffenences in the patient collective regarding lowest body temperature during CPB, duration of CPB, highest lactate level, body height and shunt-direction. The inhalation of NO (100 ppm) did not show any difference in the expression of surface antigenes (CD 4, CD 8, CD 11a, CD 14, CD 18, HLA-DR) on leucocytes in comparison to the negative control (0 ppm). The ex-vivo cytokine- and HLA-DR-expression after stimulation with LPS was also not altered by NO. Thus inflammatory complications after therapeutic use of NO in significantly lower dose should not be seen more often. After cardiac surgery using the CPB nonspecific activation of the immune system occurs with increase of leucocyte cells, especially neutrophis and changes in nearly all the investigated surface antigenes, most of all a decrease in CD 11a and CD 18. This is also reflected in the consumption of antigene presenting HLA-DR receptor, as wells as in an increased expression of CD 14. Moreover signs of a temporary cellular immunodeficiency can be seen in a decreasing CD 4/CD 8 relation and a lowered capability to sythesize proinflammatory cytokines ex-vivo and HLA-DR following LPS-stimulation. The determination of HLA-DR-expression after LPS stimulation demonstrates indirectly the leucocytescapability to secrete cytokines and thus allows conclusions on the inflammatory status. Not much use in measuring the inflammatory marker LBP vs. CRP could be demonstrated, thus according to CRP it was increased nonspecific. Otherwise elevated PCT-levels seemed to have clinical correlation. Analysing the patient data by characteristics like heart defect, duration of CPB, CPB-temperature and body height, there was no difference in the leucocyte antigene, as well as pro- and antiinflammatory markers comparing pre- with postoperative levels in unstimulated condition. Only patients with higher lactate levels (> 3 mmol/l) had significant higher increases in PCT, significant stronger depression in CD 4 and significant more elevated HLA-DR-expression on granulocytes. Following stimulation with LPS the capability for ex-vivo cytokine synthesis was less reduced in patients with no shunt in comparison to those with left/right-shunt. Longer duration of CPB (> 70 min) was accompanied by a significant elevation of CD 14 expression on monocytes, lower body temperatures did result in a significant increase of IL-1ra. Recapitulating in the future the measurement of the immune competence could contribute, accompanied by other immunomonitoring parameters, to better define patient´s acute immune status and thus enable immunomodulatory therapeutic stategies. Potentially critical immune status could be revealed by HLA-DR-expression and ex-vivo cytokine secretion preoperatively. Primarily when expecting longer needed CPB duration and lower body temperature during CPB, the immune competence should be taken into account in the preoperative risk stratification to better prevent postoperative complications. This is especially true for complex congenital heart defects.