Diskussion

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Kardiochirurgische Eingriffe unter Einsatz der Herzlungenmaschine führen unter dem Einfluss zahlreicher proinflammatorischer Mediatoren im allgemeinen zu einer postoperativen systemischen Aktivierung des Immunsystems. Dieser Zustand, der klinisch unter dem Bild eines SIRS imponiert und per se zu Organschäden führen kann, geht mit einer systemischen Gegenregulation der Entzündung einher (CARS), um eine überschießende Inflammation zu begrenzen. Die Folge kann in einer ausgeprägten Depression des Immunsystems bis hin zur Immunparalyse bestehen, die den Organismus anfällig macht für sekundäre Infektionen. Diese wiederum können unter Umständen bis hin zum Septischen Schock und zum Multi-Organversagen führen.

Aufgrund der klinischen Relevanz infektiöser / septischer Krankheitsbilder und ihrer gesundheitsökonomischen Bedeutung ist es für den Kliniker von größter Wichtigkeit, infektiöse / septische Komplikationen vor allem bei kritisch Kranken und nach großen Operationen frühzeitig mit Hilfe geeigneter Labormarker zu diagnostizieren. Dafür ist das Verständnis der immunologischen Grundlagen von Inflammation und Antiinflammation eine wichtige Voraussetzung.

In einer prospektiven Kohortenstudie unter Risikopatienten nach kardiochirurgischen Eingriffen sollte untersucht werden, ob

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  1. das Modell „systemische Immunaktivierung – Gegenregulation mit Immundepression – hohe Infektanfälligkeit“ auf die genannte Patientenpopulation übertragen werden kann,
  2. es neue Marker gibt, die mit hoher Wahrscheinlichkeit postoperative infektiöse Komplikationen bei diesen Patienten frühzeitig vorhersagen können,
  3. eventuelle neue Marker ein höheres diskriminatives Potenzial hinsichtlich der Entwicklung postoperativer infektiöser Komplikationen haben als konventionelle Routine-Marker wie SIRS oder CRP.

Die Ergebnisse zeigen, dass Risikopatienten nach kardiochirurgischen Eingriffen unter Einsatz der Herzlungenmaschine postoperativ eine ausgeprägte systemische Immunaktivierung aufweisen, die sich in einer allgemeinen Erhöhung der gemessenen Immunaktivierungsmarker niederschlägt (unter anderem total-IL-8 und ex vivo Elastase-Produktion). Die systemische Immunaktivierung geht einher mit einer Deaktivierung und Depression des Immunsystems, erkennbar an erhöhten Werten für Plasma-IL-10 und stark erniedrigten Werten vor allem für die monozytäre HLA-DR-Expression. Mit zunehmender Ausprägung prädisponieren diese Zustände für eine hohe Anfälligkeit für infektiöse Komplikationen, was die Auswertung der klinischen Patientengruppen ergab. Das Modell „systemische Immunaktivierung – Gegenregulation mit Immundepression – hohe Infektanfälligkeit“ lässt sich somit bei dem in dieser Studie untersuchten Patientenkollektiv bestätigen.

Die ROC-Analysen ergaben eine hohe diskriminative Aussagekraft einiger gemessener Immunmarker in bezug auf die postoperative Entwicklung einer Infektion. Vor allem die HLA-DR-Expression auf Monozyten mit einer AUC von 0,75 bezüglich der Entwicklung von Infektionen im 6-tägigen postoperativen Verlauf war den konventionellen Infektionszeichen (SIRS) und Routine-Laborbefunden (CRP) eindeutig überlegen.

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Die im Rahmen dieser Arbeit erstmals verwendeten hoch-standardisierten Messverfahren (exakte Quantifizierung der Oberflächenmoleküle, semi-automatisches ELISA-Mess-System) machen eine bessere Quantifizierung des Ungleichgewichtes zwischen Inflammation und Antiinflammation möglich. Zudem konnte eine wichtige Voraussetzung für die Etablierung neuer Monitoringmarker erfüllt werden, um möglicherweise in Zukunft gezieltere präemptive Interventionen zu erlauben.

5.1 Untersuchung des gesamten Patientenkollektivs

5.1.1 Systemische Immunaktivierung des gesamten Patientenkollektivs

Die untersuchte Patientenpopulation weist grundsätzlich eine systemische Aktivierung des Immunsystems auf. Dies zeigt sich anhand erhöhter Spiegel von total-IL-8 (Abbildung 9), LBP (Abbildung 10), CRP und IL-6, welche mit systemischer Inflammation assoziiert sind [2,7,13]. Die Immunaktivierung schlägt sich auch in einer ausgeprägten Aktivierung neutrophiler Granulozyten nieder, erkennbar an den hohen Werten für die ex vivo Elastase-Produktion (Abbildung 12) und die neutrophile CD64-Expression in allen Patientengruppen.

Neben dem allgemeinen Stress einer großen Operation (thorakotomischer Eingriff am Herzen) ist insbesondere die Herzlungenmaschine als ein bedeutender Faktor dieser allgemeinen Inflammationsreaktion anzusehen [57,58,59]. Wie im Kapitel 1.3 ausführlich dargelegt, gelten vor allem der Kontakt des Blutes mit den extrakorporalen Flächen des HLM-Apparates, Ischämie/Reperfusionsschäden und die Translokalisation von Endotoxin aus dem Darm als wichtige inflammatorische Trigger [60,61,62], was Untersuchungen an isolierten HLM-Einheiten und Vergleiche zwischen kardiochirurgischen Eingriffen mit versus ohne HLM-Einsatz bestätigten [61,66,67,68,69]. Dies macht die hohen systemischen Spiegel der genannten Immun-Aktivierungsmarker in der untersuchten Patientenpopulation verständlich und korreliert gut mit den Ergebnissen zahlreicher anderer Studien an kardiochirurgischen Patienten [57,58,59,63,64,65].

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Die Tatsache, dass im Unterschied zu den erhöhten systemischen total-IL-8-Spiegeln die leukozytäre IL-8-mRNA-Expression in allen Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden stark erniedrigt war (Abbildung 11), mag auf den ersten Blick verwunderlich erscheinen. Als Ursprungszellen für die IL-8-Produktion fungieren vor allem aktivierte Endothelzellen, Monozyten und Granulozyten [2,7]. Es wird insbesondere im Entzündungsherd nach Stimulation durch TNF-α und IL-1 gebildet, wo es chemotaktisch und aktivierend auf Granulozyten wirkt und auf diese Weise deren Einwanderung fördert. Die stark erniedrigte leukozytäre mRNA-Expression im Blut der immunaktivierten Studienpatienten spricht dafür, dass ein großer Teil der aktivierten Immunzellen ins Entzündungsgewebe ausgewandert ist, dort große Mengen an IL-8 produziert hat, welches dann in den systemischen Kreislauf übergetreten ist. Eine weitere Erklärung könnte sein, dass die niedrige mRNA-Expression ein Zeichen einer bereits eingetretenen Deaktivierung der Entzündungszellen ist, so dass die hohen total-IL-8-Spiegel vor allem durch das vor der Deaktivierung bereits produzierte, durch die Erythrozytenlyse in vitro freigesetzte IL-8 zustande kommen.

LBP, das als LBP-LPS-Komplex eine große Bedeutung bei der Aktivierung von Monozyten/Makrophagen hat (siehe Kapitel 1.1), gehört zu den Akut-Phase-Proteinen [13]. Die bei den Studienpatienten gemessenen hohen Werte unterstreichen das Vorliegen einer systemischen Entzündung infolge des HLM-Einsatzes, ebenso wie die allgemein erhöhten Werte für IL-6 (ein Hauptmediator der systemischen Entzündung) und für CRP, dem wichtigsten in der täglichen Krankenhaus-Routine eingesetzten Entzündungs-/ Akut-Phase-Marker [2,13].

Der operative Eingriff unter HLM-Einsatz führte zu einer ausgeprägten Aktivierung der neutrophilen Granulozyten, was die ex vivo Produktion von Elastase (von aktivierten Neutrophilen produzierte Protease [2,14,15]) nach Stimulation mit PMA zeigte. Diese war bei den postoperativ untersuchten Studienpatienten signifikant höher als bei jenen 10 Patienten, die unter identischen Einschluss-Kriterien ausgewählt und präoperativ untersucht wurden. Ebenso erhöht war die neutrophile Expression von CD64, das als Fcγ-Rezeptor auf aktivierten Neutrophilen infolge systemischer Inflammation verstärkt exprimiert wird [22,23,24,25,26].

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Die Anwesenheit von LPS ist ein Stimulus für die Expression des Chemokins Rantes [91,92]. Die niedrige leukozytäre mRNA-Expression in den untersuchten Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden (Abbildung 13) deckt sich mit den Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen, die beispielsweise niedrige Rantes-Spiegel mit hohen Werten des APACHE II-Scores7 in Beziehung setzen konnten [93]. Die eingetretene Deaktivierung der Immunzellen im Blut könnte dafür als Erklärung dienen.

Die leukozytäre TNF-α-mRNA-Expression bei Patienten und Probanden ergab keine signifikanten Unterschiede, obwohl Blutmonozyten als Quelle hoher TNF-α-Spiegel unter systemischer Immunaktivierung gelten [2,7,12]. Dies ist damit erklärbar, dass die Patienten am ersten postoperativen Tag bereits unter dem Einfluss der Immundepression mit einer verminderten monozytären Produktionskapazität von TNF-α standen, was die ex vivo-Bestimmungen von TNF-α nach LPS-Stimulation gezeigt haben (siehe folgenden Abschnitt und Kapitel 4.3.2). Zudem konnte in einem Rattenmodell durch Untersuchungen der mRNA-Expression in verschiedenen Geweben gezeigt werden, dass Blutmonozyten vor allem in der Frühphase nach systemischer LPS-Stimulation TNF-α produzieren, während 24 Stunden nach Stimulation vor allem die Leber als Produktionsort fungiert (Rupprecht et al., submitted 2005, siehe Anhang Seite I). Somit war der Zeitpunkt der ersten Messung (Tag 1 postoperativ) möglicherweise schon zu spät.

5.1.2 Immundepression des gesamten Patientenkollektivs

Die allgemeine Entzündungsreaktion der Studienpatienten wurde von einer ausgeprägten Immundepression begleitet, die physiologisch dazu dient, einer überschießenden Inflammation entgegenzuwirken [1,7,8,12,32]. Insgesamt wiesen die Patienten erhöhte Spiegel des antiinflammatorischen Zytokins IL-10 im Plasma auf, wobei, wie in Kapitel 4.3.2 erwähnt, diese Feststellung aufgrund der unteren Nachweisgrenze von 5 pg/ml nur mit Einschränkungen zu treffen ist (Abbildung 16).

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Die systemische Antiinflammation führte bei allen Studienpatienten zu einer starken Herunterregulierung der monozytären HLA-DR- und CD86-Expression (Abbildung 14 und Abbildung 15), sowie der ex vivo Produktionskapazität von TNF-α. Dies ist als Zeichen verminderter Immunkompetenz der Patienten zu werten, da zum einen HLA-DR und CD86 an der Antigen-Präsentation auf APZ maßgeblich beteiligt sind [3], und zum anderen die Fähigkeit von Monozyten, TNF-α zu bilden, eine wichtige Grundvoraussetzung für die Ausbildung einer adäquaten und notwendigen Entzündungsreaktion darstellt (siehe auch Kapitel 1.1) [1,2,7,12]. Eine ausgeprägte Immundepression, in diesem Zusammenhang vor allem die stark erniedrigte monozytäre Expression von HLA-DR, war in zahlreichen Studien mit signifikant schlechterem Krankheitsverlauf und hoher Anfälligkeit für septische Komplikationen assoziiert [8,33,34,35,36,37,38,39].

Auf mRNA-Ebene fand sich eine gegenüber gesunden Probanden deutlich erhöhte leukozytäre Expression von IL-10 (Abbildung 17). Dies legt den Schluss nahe, dass das IL-10 neben der Leber und der Milz als Produktionsorte (tierexperimentelle Daten, Rupprecht et al., submitted 2005, siehe Anhang Seite I) auch aus aktivierten Immunzellen im Blut stammt. Diesen Ergebnissen entsprechen die hohen Werte für SOCS-3 (Abbildung 18), welches als ein Mediator der antiinflammatorischen Effekte von IL-10 gilt [100,101].

Dem Hitzeschockprotein HO-1, das infolge diverser Stimuli (zum Beispiel Endotoxin) über die Bildung von CO und cGMP die Gefäßmuskulatur relaxiert, aber auch anti-apoptotisch und antiinflammatorisch wirkt, konnte in verschiedenen Tierversuchsreihen eine bedeutende protektive Rolle in Zuständen des Schocks zugeschrieben werden [94,98,99]. Zwischen den untersuchten Patienten und gesunden Probanden fanden sich allerdings keine Unterschiede in der leukozytären mRNA-Expression. Möglicherweise ist die Ursache dafür, dass eine verstärkte Expression von HO-1 vor allem im Septischen Schock nachweisbar war, während die überwiegende Zahl der untersuchten Studienpatienten sich nicht im Schock befand, HO-1 somit nicht sensitiv genug für die Studienpopulation war. Damit stehen diese Ergebnisse der Studienpatienten in keinem Widerspruch zu den genannten Arbeiten.

5.2 Frühe Immunaktivierung am Tag 1 und persistierende Immundepression

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Sowohl die Korrelationsanalysen als auch die Auswertung der paraklinischen Patientengruppen ergaben einen Zusammenhang zwischen einer frühzeitigen ausgeprägten Immunaktivierung und einer verzögerten „Erholung“ der monozytären Expression von HLA-DR im postoperativen Verlauf.

Marker, die eine Immunaktivierung anzeigen (total-IL-8 und PCT), sowie das antiinflammatorische Zytokin IL-10 im Plasma korrelierten, wenn auch schwach, am Tag 1 invers mit der monozytären HLA-DR-Expression im 6-tägigen postoperativen Verlauf. Die Korrelationskoeffizienten lagen zwischen -0,35 und -0,54 an den Tagen 1 bis 4 (Tabelle 7).

Als Kriterium für eine „frühzeitige ausgeprägte Immunaktivierung“ diente die Überschreitung der im Rahmen der ROC-Analysen ermittelten „optimalen“ Schwellenwerte (siehe Kapitel 4.6.1) für die Immunaktivierungsmarker total-IL-8, PCT, und den Deaktivierungsmarker IL-10 im Plasma, jeweils am Tag 1 postoperativ. Es zeigte sich, dass bei jenen Patienten, die total-IL-8-Werte oberhalb von 322 pg/ml aufwiesen, beziehungsweise PCT-Werte >650 pg/ml oder Plasma-IL-10-Werte >5,6 pg/ml, die postoperative „Erholung“ der monozytären HLA-DR-Expression signifikant vermindert war (Abbildung 19, Abbildung 20 und Abbildung 21). Somit besteht ein statistisch nachgewiesener Zusammenhang zwischen der initialen Erhöhung der Immunaktivierungsmarker und der verminderten monozytären HLA-DR-Expression im postoperativen Verlauf, obgleich die Korrelationskoeffizienten nur mäßig hoch waren.

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Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die durch den Einsatz der HLM verstärkte systemische Entzündung, die von einer starken Gegenregulation (IL-10) begleitet wird, eine persistierende Depression des Immunsystems mit einer Verminderung der Immunkompetenz bewirkt, was sich in der anhaltend niedrigeren HLA-DR-Expression auf Monozyten (oft deutlich unter 5000 AK/Monozyt) im postoperativen Verlauf äußert.

5.3 Untersuchung der klinischen Patientengruppen

5.3.1 Erhöhte systemische Immunaktivierung bei Patienten mit postoperativer Infektion

Die Auswertungen der klinischen Patientengruppen – A) Patienten ohne Infektion im 6-tägigen postoperativen Verlauf, B) Patienten mit klinischem Verdacht auf Infektion und C) Patienten mit mikrobiologisch bestätigter Infektion – ergaben, dass die Immunaktivierung bei Patienten mit Infektion weit ausgeprägter war, als bei jenen Patienten, die einen unkomplizierten postoperativen Verlauf zeigten.

So fanden sich für total-IL-8 bei Patienten mit vermuteter Infektion deutlich erhöhte Werte an den Tagen 1 bis 4, bei Patienten mit bestätigter Infektion an den Tagen 1 bis 5, jeweils im Vergleich zu den Patienten ohne Infektion (Abbildung 9).

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PCT, bei Patienten ohne Infektion meist unauffällig, war bei Patienten mit Verdacht auf Infektion am Tag 2, bei Patienten mit bestätigter Infektion an den Tagen 1, 2 und 4 signifikant erhöht (Abbildung 22). Dies steht grundsätzlich im Einklang mit den Ergebnissen anderer Studien, in denen IL-8 und PCT mit dem klinischen Verlauf bei Patienten nach HLM-OP korrelierten und ein schlechterer Verlauf mit einer stärkeren systemischen Entzündung assoziiert war [77,82,83,86]. Insbesondere das erhöhte PCT, welches in diversen Geweben synthetisiert wird und als „Sepsis-Marker“ zunehmende Bedeutung erlangt hat [76,77,79,80,81,82,83,84], ist als deutlicher Hinweis auf die LPS-Translokalisation aus dem Darm zu werten, da Endotoxin als einer der Haupttriggerfaktoren für PCT gilt [2]. Während PCT-Anstiege infolge (schwerer) Sepsis auf hohem Niveau persistieren, kommt es hingegen nach transienter Endotoxinämie nur zu einem kurzen Anstieg des PCT, das dann mit einer Halbwertszeit (HWZ) von circa 24 Stunden wieder abfällt. Dies war bei den untersuchten Studienpatienten der Fall, was die Hypothese der transienten Endotoxinämie stützt.

Hohe Werte der ex vivo Elastase-Produktion an den Tagen 1 und 2 bei Patienten mit Infektion, signifikant für die Gruppe mit Verdacht auf Infektion (Abbildung 12), sprechen für einen deutlichen Zusammenhang zwischen dem Grad der Aktivierung der neutrophilen Granulozyten und der Infektanfälligkeit. Die neutrophile CD64-Expression dagegen zeigte in den ersten postoperativen Tagen keine Unterschiede zwischen den Patientengruppen; in den Infektionsgruppen war sie am Tag 4 und 5 (Gruppe B), beziehungsweise nur am Tag 5 (Gruppe C) signifikant erhöht. Dem stehen eine Reihe von Studien gegenüber, in denen CD64 auf Neutrophilen mit der Schwere septischer Krankheitsbilder korrelierte und vor allem bei Patienten im Septischem Schock stark erhöht war [23,24,25,26]. Bei den untersuchten Studienpatienten dagegen fällt die Änderung der neutrophilen CD64-Expression in den Patientengruppen mit Infektion eher gering aus. Eine Ursache dafür könnte sein, dass in der Studienpopulation in erster Linie zwischen SIRS-Patienten ohne Infektion und Sepsis-Patienten unterschieden wird, fortgeschrittene Sepsis-Stadien (Schwere Sepsis, Septischer Schock, MODS) jedoch unter den Patienten mit Infektion nicht (oder kaum) zu finden sind.

Eine Reihe von Immunaktivierungsmarkern zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Patientengruppen, darunter das LBP, IL-6, CRP, monozytäre Expressionen von CD71, CD64 und CD11b, sowie CD11b auf Neutrophilen.

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Die gleichartige Erhöhung von LBP in allen drei Patientengruppen (Abbildung 10) spricht dafür, dass es sich beim LBP um einen für die Untersuchung von HLM-OP-Patienten zu empfindlichen Marker handelt. Dieser ist zwar in der Lage, die systemische Entzündung infolge des HLM-Einsatzes mit erhöhten Werten anzuzeigen, nicht aber zwischen der Schwere der Immunaktivierung in der Patientengruppe ohne Infektion im Vergleich zu den Infektionsgruppen zu unterscheiden.

IL-6 wird als potenzieller Marker für den Verlauf septischer Krankheitsbilder angesehen, allerdings mit unterschiedlichen Studienergebnissen [82,83,84,85,86,87]. In dieser Studie zeigte IL-6 am Tag 1 keine signifikanten Gruppenunterschiede, ähnlich wie das CRP; möglicherweise wären in fortgeschrittenen Sepsis-Stadien höhere Werte gemessen worden. Folglich sind IL-6 und CRP nicht spezifisch genug für die Unterscheidung zwischen SIRS und den Patientengruppen mit Infektion.

CD71 und CD64 auf Monozyten zeigten ebenso keine signifikanten Gruppenunterschiede. Über das Integrin CD11b werden Korrelationen mit fortgeschrittenen Sepsis-Stadien und MODS berichtet [16,17,18,19,20,21,22]. In der untersuchten Studienpopulation fanden sich keine Gruppenunterschiede, möglicherweise aus ähnlichen Gründen wie für IL-6 und CRP vermutet.

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Auf mRNA-Ebene gab es ebenfalls keine signifikanten Unterschiede in der leukozytären Expression von Rantes, TNF-α und IL-8 zwischen den Patientengruppen.

5.3.2 Ausgeprägte Immundepression bei Patienten mit postoperativer Infektion

Die höhere Immunaktivierung der Patienten in den Infektionsgruppen im Vergleich zur Patientengruppe ohne Infektion ging mit höheren Plasma-Spiegeln des antiinflammatorischen Zytokins IL-10 am Tag 1 einher, signifikant für die Patientengruppe mit bestätigter Infektion (Abbildung 16). Dies führte zu einer ausgeprägteren Verminderung der monozytären HLA-DR-Expression bei Patienten mit Infektion, erkennbar an den signifikant niedrigeren Werten für Patienten mit vermuteter Infektion an den Tagen 1 und 3 und jenen mit bestätigter Infektion an den Tagen 1, 3 und 5 (Abbildung 14). Bei diesen Patienten blieb das monozytäre HLA-DR meist deutlich unter 5000 AK/Monozyt. Auch die Fähigkeit, ex vivo TNF-α zu produzieren, war in der Gruppe C an den Tagen 2 und 3 signifikant vermindert.

Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass diese in den Infektionsgruppen zu beobachtende starke Verminderung der Immunkompetenz (niedrige monozytäre HLA-DR-Expression, niedrigeex vivo TNF-α-Produktionskapazität) dazu führt, dass die Patienten auf bereits vorhandene oder im Verlauf sekundär erworbene Krankheitserreger nicht mehr adäquat reagieren konnten und auf diese Weise anfällig für Infektionen wurden. Somit fand eine übermäßige antiinflammatorische Gegenregulation über das physiologisch notwendige Maß hinaus statt, die zusammen mit dem ausgeprägten operativen Stress und der damit verbundenen Sekretion von Glukokortikoiden und Adrenalin bei diesen Patienten die Immunkompetenz stark vermindert hat. Dies steht im Einklang mit zahlreichen Studien, die einen Zusammenhang zwischen Immundepression, vor allem in Form stark verminderter monozytärer HLA-DR-Expression, und dem klinischen Verlauf septischer Krankheitsbilder zeigen konnten [33,34,35,36,37,38]. Allerdings konnten die Ergebnisse einer Studie, in der eine verminderte monozytäre Expression des kostimulatorischen Moleküls CD86 bei kritisch Kranken mit Sepsis nachgewiesen wurde [38], nicht bestätigt werden; CD86 auf Monozyten war in allen Patientengruppen gleichermaßen erniedrigt (Abbildung 15).

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Die leukozytären mRNA-Expressionen von IL-10 und SOCS-3 zeigten ebenfalls keine signifikanten Gruppenunterschiede (Abbildung 17 und Abbildung 18), obwohl angesichts der hohen Plasma-IL-10-Spiegel bei den Patienten mit bestätigter Infektion Gruppenunterschiede möglicherweise zu erwarten gewesen wären. Der Grund dafür könnte sein, dass die mRNA-Untersuchungen nur an 41 anstatt der 56 ausgewerteten Studienpatienten durchgeführt wurden (siehe Kapitel 3.3). Dies hatte zur Folge, dass die Gruppe mit bestätigter Infektion aus 4 anstatt 9 Patienten bestand und damit die Fallzahl für diese Auswertung möglicherweise zu gering war. Auch die leukozytäre HO-1-Expression zeigte keinerlei Gruppenunterschiede.

5.4 Bestätigung des immunologischen Modells

Der Einsatz der HLM führt, zusätzlich zum operativen Stress, grundsätzlich zu einer systemischen Entzündung, die bei vielen Patienten im Verlauf abklingt und keinerlei Komplikationen nach sich zieht. Die deutlich stärkere Immunaktivierung bei den Studienpatienten mit Infektion, die sich vor allem in höheren Spiegeln von total-IL-8, PCT und ex vivo Elastase äußerte, mit konsekutiv deutlich stärkerer Deaktivierung (Plasma-IL-10 erhöht) legt den Schluss nahe, dass bei diesen Patienten die Homöostase zwischen Inflammation und Antiinflammation gravierend gestört war. Die Folge war eine ausgeprägte Depression des Immunsystems in Form einer stark verminderten Fähigkeit der Monozyten, Antigene zu präsentieren (monozytäres HLA-DR oft weit unterhalb von 5000 AK/Monozyt) und ex vivo TNF-α zu produzieren. Dies wiederum machte diese Patienten besonders anfällig für sekundäre Infektionen, beziehungsweise führte zu einer unzureichenden inflammatorischen Antwort auf die primär auslösende Infektion. In Abbildung 28 sind die unterschiedlichen klinischen Verläufe in Abhängigkeit von der initialen Entzündungsreaktion schematisch dargestellt. Demnach lassen sich (im Idealfall) solche Patienten mit einer leichten postoperativen Entzündungsreaktion und einem konsekutiv unkomplizierten klinischen Verlauf von jenen Patienten unterscheiden, die initial eine starke Entzündungsreaktion aufweisen und durch hohe PCT-Spiegel (infolge besonders ausgeprägter Endotoxin-Translokalisation im Darm? Zytokin-Polymorphismen?) imponieren. Die dadurch bedingte HLA-DR-Herunterregulation kann dann zu infektiösen Komplikationen / Sepsis führen.

Abbildung 28 : Schema der unterschiedlichen postoperativen Verläufe. Die Ausprägung der frühen postoperativen Entzündungs- und Stressreaktion prädisponiert für den weiteren klinischen Verlauf.

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Auf der Basis der Studienergebnisse erscheinen diese Zusammenhänge schlüssig. Insofern kann das Modell „systemische Immunaktivierung – Immundeaktivierung mit Immundepression – erhöhte Infektanfälligkeit“ bei den untersuchten Risikopatienten nach kardiochirurgischen Eingriffen unter Einsatz der Herzlungenmaschine als bestätigt angesehen werden.

5.5 Immunmarker für die Prädiktion von postoperativer Infektion

Von besonderer klinischer Relevanz im Zusammenhang mit den Veränderungen auf Mediator-Ebene während systemischer Immunaktivierung und Immundepression ist die Frage, welches Potenzial immunologische Parameter hinsichtlich ihrer Eignung als diagnostische Infektionsmarker haben. Da konventionelle Infektionszeichen und –marker, wie in Kapitel 1.2 und in Kapitel 2 ausführlich dargelegt, große Schwächen in der Diagnostik der verschiedenen Entzündungs- und Sepsis-Stadien aufweisen [5,74,75,76], wurden für die in dieser Studie untersuchten Immunparameter ROC-Analysen durchgeführt, mit dem Ziel, Infektionen im postoperativen Verlauf frühzeitig vorherzusagen. Dafür kamen in erster Linie solche Marker in Betracht, die signifikante Unterschiede zwischen Patienten mit versus ohne Infektion während der 6-tägigen Beobachtungsdauer bereits am ersten postoperativen Tag zeigten.

Es stellte sich heraus, dass die monozytäre Expression von HLA-DR das höchste Potenzial für die Prädiktion von Infektion hatte, mit einer Fläche unter der ROC-Kurve (AUC) von 0,75 (Tabelle 8). Für die Unterschreitung des Schwellenwertes 4718 AK/Monozyt ergab sich eine Sensitivität von 0,57 und eine Spezifität von 0,88. Prädiktive Werte (positiv und negativ) für die Entwicklung von Infektion lagen bei 0,75. Das Relative Risiko, bei Unterschreitung dieses Schwellenwertes infektiöse Komplikationen zu entwickeln, war circa 3-fach erhöht, verglichen mit Patienten mit HLA-DR-Werten oberhalb von 4718 AK/Monozyt am Tag 1. Im Vergleich dazu war total-IL-8 mit einer AUC von 0,73 ähnlich potent für die Diskriminierung von Patienten mit versus ohne Infektion, ex vivo Elastase kam auf 0,72, die AUCs von Plasma-IL-10 und PCT waren jeweils 0,68.

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Demgegenüber stehen entsprechende Auswertungen der konventionellen klinischen Infektionsmarker: zum einen konnte das CRP in der Studienpopulation nicht signifikant zwischen Patienten mit Infektion und solchen mit einem komplikationslosen Verlauf unterscheiden (AUC von 0,58 mit einem 95%-Konfidenzintervall von 0,42-0,73). Zum anderen erreichten mindestens 2 positive SIRS-Kriterien am Tag 1 nur eine AUC von 0,66 bei einem 95%-Konfidenzintervall von 0,52-0,81. Zwar konnte damit den SIRS-Kriterien ein gewisses diskriminatives Potenzial zugeschrieben werden. Allerdings muss man anmerken, dass positive SIRS-Kriterien in allen Patienten mit vermuteter und bestätigter Infektion zumindest an dem Tag vorgelegen haben, an dem die Infektion auftrat, da positive SIRS-Kriterien eine Voraussetzung für die Einstufung eines Patienten in eine der Infektionsgruppen waren (siehe Kapitel 4.1). Insofern können in diesen Auswertungen SIRS-Kriterien nicht als ein unabhängiger Marker für Infektion betrachtet werden. Die Tatsache, dass über 80 % der Patienten mit Infektion mindestens 2 positive SIRS-Kriterien bereits am Tag 1 zeigten (Sensitivität von 0,83), unterstreicht diesen Aspekt. Vor diesem Hintergrund ist die AUC von 0,66 für mindestens 2 positive SIRS-Kriterien bezüglich des Auftretens von Infektion als gering einzuschätzen.

Somit waren die untersuchten Immunparameter den klassischen Routinemarkern in der Prädiktion infektiöser Komplikationen deutlich überlegen. In Abbildung 29 und Abbildung 30 sind Kaplan-Meier-Kurven dargestellt, die die Abnahme des Anteils der infektfreien Patienten im postoperativen Verlauf in Abhängigkeit von der Unter- beziehungsweise Überschreitung der Tag 1-Schwellenwerte für HLA-DR und CRP zeigen: lediglich 25 % der Patienten mit Tag 1-Werten für HLA-DR unter 4718 AK/Monozyt waren nach 6 Tagen infektfrei, während bei Überschreitung des CRP-Schwellenwertes von 5,84 mg/dl am Tag 1 circa 50 % keine Infektion bis zum Tag 6 entwickelt hatten. Dadurch wird das deutlich höhere diskriminative Potenzial von HLA-DR im Vergleich zum konventionellen Routine-Marker CRP unterstrichen.

Abbildung 29 : Kaplan-Meier Kurven mit dem Prozentsatz an infektfreien Patienten in Abhängigkeit vom Über- / Unterschreiten des Tag 1- Schwellenwertes für das monozytäre HLA-DR. Die Kurven unterschieden sich signifikant voneinander (Log-Rank-Test, p<0,05).

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Abbildung 30 : Kaplan-Meier Kurven mit dem Prozentsatz an infektfreien Patienten in Abhängigkeit vom Über- / Unterschreiten des Tag 1- Schwellenwerte für CRP. Auch in diesem Fall unterschieden sich die Kurven signifikant voneinander (Log-Rank-Test, p<0,05).

Durch die Kombination der Unter- beziehungsweise Überschreitung mehrerer Marker-Schwellenwerte wurde zum Teil eine sehr hohe Spezifität für die Entwicklung einer Infektion erreicht: so entwickelten alle Patienten mit bezogen auf die Schwellenwerte vermindertem HLA-DR und erhöhtem total-IL-8 eine Infektion im postoperativen Verlauf, so dass die Spezifität und der positiv prädiktive Wert dieses „diagnostischen Kombinations-Tests“ bei jeweils 1 lagen (Tabelle 8).

In einer weiteren ROC-basierten Auswertung wurde die Patientengruppe mit Verdacht auf Infektion (n=14) ausgeschlossen, und es wurden die AUCs einiger Marker bezüglich der Entwicklung von mikrobiologisch bestätigter Infektion bestimmt. Hierbei ergab sich für HLA-DR eine AUC von 0,85, die AUC für PCT lag bei 0,77, und die AUCs für total-IL-8 und Plasma-IL-10 betrugen 0,76 (Tabelle 9). Bezogen auf die Unterschreitung des Tag 1-Schwellenwertes für HLA-DR von 5792 AK/Monozyt ergaben sich eine Sensitivität und ein negativ prädiktiver Wert von jeweils 1 für das Auftreten von bestätigter Infektion, so dass bei allen 9 Patienten, die im postoperativen Verlauf eine mikrobiologisch bestätigte Infektion entwickelten, die monozytäre HLA-DR-Expression unterhalb von 5792 AK/Monozyt am Tag 1 lag, beziehungsweise zeigten alle Patienten mit höheren HLA-DR-Werten einen komplikationslosen postoperativen Verlauf. Diese Ergebnisse unterstreichen das hohe Potenzial dieser Immunparameter insbesondere für die Prädiktion von mikrobiologisch bestätigter Infektion.

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Außerdem wurde untersucht, ob die Marker in der Lage sind, infektiöse Komplikationen mindestens 24 Stunden vor deren klinischer Manifestation anzuzeigen. Dafür wurden jene Patienten von der Analyse ausgeschlossen, die bereits am ersten postoperativen Tag Infektionen entwickelt hatten (n=6), und es wurden ROC-Analysen mit Markern am Tag 1 hinsichtlich des Auftretens von Infektion ab dem zweiten bis zum 6. postoperativen Tag (vermutet oder bestätigt) durchgeführt. Auch in dieser Auswertung erwies sich das monozytäre HLA-DR als potentester Marker für die Diskriminierung von Patienten mit versus ohne Infektion. Die AUC betrug 0,72, während ex vivo Elastase in dieser Auswertung eine AUC von 0,68 erreichte (Tabelle 10). Bei einer Unterschreitung des optimierten Schwellenwertes für HLA-DR von 4342 AK / Zelle am Tag 1 betrug die Spezifität für die Entwicklung von Infektion ab dem zweiten postoperativen Tag über 0,9, positiv und negativ prädiktive Werte lagen zwischen 0,75 und 0,79. Dies zeigt, dass das monozytäre HLA-DR bereits am Tag 1 in der Lage war, infektiöse Komplikationen, die sich klinisch mindestens 24 Stunden später manifestierten, vorherzusagen, wozu mit Ausnahme der ex vivo Elastase kein weiterer Parameter in der Lage war.

5.6 Klinische Relevanz

Der operative Eingriff an sich sowie im Falle von Herzoperationen der Einsatz der Herzlungenmaschine bedeuten für den Patienten besondere Belastungen, die unter dem starken Einfluss der immunologischen Veränderungen stehen. Diese Veränderungen im „Status“ des Immunsystems, insbesondere im Grad der Immunaktivierung und –deaktivierung bis hin zur Immunparalyse, sind eng mit dem klinischen Verlauf in Form von Organdysfunktionen und infektiösen Komplikationen assoziiert. Daher ist das Verständnis der immunologischen Grundlagen der zu Grunde liegenden Prozesse eine wichtige Voraussetzung für die Verbesserung von Diagnostik und Therapie. Ein wichtiger Baustein ist in diesem Zusammenhang die Analyse der Studienpatienten sowohl in bezug auf die unterschiedlichen immunologischen Veränderungen im postoperativen Verlauf als auch hinsichtlich ihres klinischen Verlaufs, was schematisch in Abbildung 28 dargestellt ist.

Septische Krankheitsbilder zählen zu den häufigsten Todesursachen auf nicht-kardiologischen Intensivstationen mit jährlichen Kosten in Milliardenhöhe [9,10,11]. Medizinische Fortschritte allgemein und Fortschritte in der Intensivmedizin speziell führen zu einer zunehmenden Inzidenz und Prävalenz. Gerade die Früherkennung von infektiösen Komplikationen ist von größter Wichtigkeit, um rechtzeitig adäquat präemptiv intervenieren zu können und eine Zunahme der Krankheitsschwere, zum Beispiel von einer Infektion über eine „einfache“ zu einer Schweren Sepsis oder zum Septischen Schock, zu verhindern. Daher sind Marker, die auf ein hohes Risiko für infektiöse Komplikationen hindeuten, im klinischen Alltag außerordentlich wichtig, da zahlreiche Entscheidungen des Klinikers von der Einschätzung des postoperativen Verlaufes abhängen, wie zum Beispiel die antibiotische Prophylaxe und Therapie, der Zeitpunkt der Extubation und die Entscheidung über die Verlegung eines Patienten von der Intensiv- auf die Normalstation. Konventionelle Infektionszeichen und –marker gelten zum Teil als sehr unspezifisch in der Unterscheidung verschiedener Sepsis-Stadien und als nicht sensitiv genug vor allem für die frühzeitige Diagnosestellung, was unseren Ergebnissen entspricht.

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In dieser Studie konnten eine Reihe von neuen, noch nicht etablierten Parametern des Immunsystems Infektionen bei Risikopatienten nach kardiochirurgischen Eingriffen vorhersagen. Die ROC-Analysen ergaben insbesondere für monozytäres HLA-DR eine deutlich höhere diskriminative Aussagekraft im Vergleich zu Routinemarkern. Basierend auf diesen Daten entwickeln beispielsweise über 3/4 der Patienten innerhalb der ersten 6 postoperativen Tage eine systemische Infektion (positiv prädiktiver Wert von 0,76), wenn die Homöostase von Inflammation und Antiinflammation besonders stark gestört ist und für HLA-DR am Tag 1 weniger als 4718 AK/Monozyt bestimmt werden. Insofern können diese Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung des klinischen Immunmonitorings leisten, indem sich anbahnende infektiöse Komplikationen frühzeitig erkannt werden können. Durch ihre hohe diskriminative Aussagekraft können diese Marker besser als konventionelle Infektzeichen und das CRP zur Verlaufsbeurteilung beitragen und dem Kliniker in vielen Fällen als Entscheidungshilfe dienen.

In dieser Studie wurde erstmals ein derartig komplexes, hochstandardisiertes Immunmonitoring-Programm bei einem solchen Patientenkollektiv angewendet. Es können durch die Angabe der durchschnittlich gebundenen Antikörper pro Zelle mit Hilfe des QuantiBRITETM PE-Kits für die Bestimmung der Oberflächenproteine häufig auftretende Messdifferenzen gemindert werden (Interassay-Varianz cv <8 % (interne Qualitätskontrolle, Institut für Medizinische Immunologie der Charité (CCM))), die durch laborspezifische Einflüsse entstehen, wie zum Beispiel durch unterschiedliche Geräte- oder Laser-Einstellungen, unterschiedliche Eigenschaften der jeweiligen Antikörper-Charge, und andere. Durch die Verwendung des halb-automatischen IMMULITE®-Systems für die ELISA-Messungen wird das Standardisierungs-Niveau der Mess-Prozeduren deutlich erhöht, und Unterschiede zwischen verschiedenen Laboren können vermindert werden (Verkleinerung der Interassay-Varianz cv zum Beispiel von Plasma-IL-10 auf <6 % (Institut für Medizinische Immunologie der Charité (CCM))). Damit wird eine wichtige Voraussetzung für das Design zukünftiger internationaler Multicenterstudien erfüllt und eine bedeutende Grundlage für die Etablierung dieser neuen Marker geschaffen. Zudem ist es durch diesen hohen Standardisierungsgrad der verwendeten Messmethoden möglich, für jene Patienten mit besonders hohem postoperativen Infektionsrisiko (circa 3-fach erhöht, siehe Tabelle 8) das Ausmaß der Immunaktivierung (total-IL-8 >322 pg/ml am Tag 1) und der Immundepression (<4718 HLA-DR-AK/Monozyt am Tag 1) quantitativ anzugeben.

5.7 Einschränkende Aspekte der Auswertungen

Einschränkend muss in bezug auf die Ergebnisse angemerkt werden, dass von den 81 Studienpatienten, die mindestens für 3 Tage beobachtet werden konnten, 25 Patienten ausgeschlossen werden mussten. Bei diesen Patienten stimmten die Verordnung von Antibiotika, die eine zentrale Rolle bei der Einstufung eines Patienten in eine Infektionsgruppe spielte, und das Auftreten von Infektionszeichen im Rahmen der klinischen Auswertungen nicht eindeutig überein, entweder weil die Anordnung eines therapeutischen Antibiotikums ohne klare, im nachhinein nachvollziehbare Infektzeichen erfolgte, oder weil Infektzeichen vorlagen, ohne dass sich dies im Ansetzen eines therapeutischen Antibiotikums widergespiegelt hätte. Unter den ausgeschlossenen Patienten befanden sich zudem solche Patienten, bei denen entgegen dem internen Standardprozedere eine verlängerte antibiotische Prophylaxe (>48h postoperativ) durchgeführt wurde. Der Ausschluss eines nicht unerheblichen Anteiles der Patienten, immerhin 25 von 81 (=31 %), geht notwendigerweise zu Lasten der repräsentativen Aussagekraft des ausgewerteten Patientenkollektivs für die Grundgesamtheit. Die klinischen Kriterien für die Patientengruppen mit Infektion und die auf dieser Basis erzielten Ergebnisse lassen sich somit auf einen Teil der Patienten der Grundgesamtheit nicht anwenden.

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Des weiteren bestand bei vielen Studienpatienten das Problem einer frühzeitigen Verlegung in periphere Krankenhäuser, was sich in den abnehmenden Patientenzahlen an den Tagen 4 bis 6 niederschlägt. Frühzeitig verlegt wurden in erster Linie Patienten mit einem bis dahin unkomplizierten postoperativen Verlauf, weshalb die Abnahme von n in den Infektionsgruppen weit geringer ausfällt (siehe n in Tabelle 4 und Tabelle 5). In den Auswertungen wurde bei frühzeitig verlegten Patienten aus der Gruppe ohne Infektion angenommen, dass es im weiteren Verlauf bis zum 6. postoperativen Tag zu keinen infektiösen Komplikationen gekommen war, obwohl Informationen bezüglich des weiteren Verlaufes von den sekundären Krankenhäusern nicht in jedem Fall zu erhalten waren. Man kann dennoch davon ausgehen, dass diese Annahme lediglich in einigen Einzelfällen nicht korrekt gewesen ist, und somit die Ergebnisse davon nur sehr geringfügig beeinflusst wurden.

5.8 Schlussfolgerungen und Ausblick

Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen das Modell „Systemische Immunaktivierung – Gegenregulation mit Immundepression – hohe Infektanfälligkeit“ bei Risikopatienten nach Kardiochirurgie unter Einsatz der Herzlungenmaschine. Eine Homöostase von systemischer Inflammation auf der einen Seite und Antiinflammation auf der anderen Seite ist für den klinischen Verlauf nach großen Operationen von großer Bedeutung. Insbesondere durch den Einfluss der HLM wird ein zusätzlicher Entzündungsreiz geschaffen, der bei einigen Patienten zu einer ausgeprägten Störung dieses Gleichgewichtes führt. Eine bei einigen Patienten besonders starke Depression des Immunsystems mit starker Verminderung der Immunkompetenz in Form der Herunterregulation von monozytärem HLA-DR auf deutlich unter 5000 AK/Monozyt führt dazu, dass diese Patienten signifikant häufiger infektiöse Komplikationen entwickeln. In weiteren Studien könnte dieses Modell präzisiert und quantifiziert werden mit dem Ziel einer differenzierten Therapie fortgeschrittener Sepsis-Stadien, die sich an den Werten beispielsweise für die Immunkompetenz orientiert. Bei den untersuchten Studienpatienten bedeutete eine Immundepression, die sich in weniger als 4718 HLA-DR-AK/Monozyt am Tag 1 äußerte, eine deutlich höhere postoperative (erste 6 Tage) Infektanfälligkeit. In der Tat gibt es Anzeichen dafür, dass eine durch IFN-γ herbeigeführte „HLA-DR-Erholung“ bei Patienten mit schwerer Sepsis und initial niedrigem monozytärem HLA-DR den Krankheitsverlauf verbessert [34].

Die untersuchten Immunmarker, allen voran das monozytäre HLA-DR, zeigten bereits am ersten postoperativen Tag eine deutlich höhere diskriminative Aussagekraft als konventionelle Infektionszeichen und –marker der täglichen Krankenhaus-Routine und waren in der Lage, infektiöse Komplikationen bereits Tage vor deren klinischer Manifestation vorherzusagen. Diese Ergebnisse könnten in Kombination mit den Ergebnissen zahlreicher anderer Studien in näherer Zukunft eine deutliche Verbesserung in der Sepsis-Diagnostik darstellen. Durch die Verwendung hochstandardisierter Messmethoden wurde in dieser Studie eine wichtige Voraussetzung für die Durchführung von Multicenterstudien erfüllt. In weiteren prospektiven Studien müssen die Marker validiert werden mit dem Ziel, HLA-DR, Plasma-IL-10, total-IL-8 und ex vivo Elastase in der klinischen Praxis zu etablieren und diese zu einer Basis für präemptive Interventionsstrategien zu entwickeln.


Fußnoten und Endnoten

7  klinischer Prognosemarker bei Sepsis-Patienten



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11.04.2006