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Traumatische Verletzungen fordern jährlich über fünf Millionen Todesopfer. Sie sind bei unter 45-Jährigen die häufigste Ursache für Tod und körperliche Behinderung dar. Ein Polytrauma verursacht eine schwere Belastung für das Immunsystem und ist häufig von schweren Störungen der Immunregulation gekennzeichnet. Die Immunreaktion übersteigt bei schweren Traumata das für lokale Reparaturmechanismen notwendige Maß, und so kommt es je nach Ausmaß der Verletzungen innerhalb der ersten Minuten bis Stunden zu einer systemischen Hyperinflammation, dem sogenannten Systemischen Inflammatorischen Response- Syndrom (SIRS). Auch in nicht verletzten Organen verursacht SIRS Störungen in der Endothel-Funktion, wodurch die Mikrozirkulation in diesen Organgen beeinträchtigt ist. In der Folge kommt es zu interstitieller Ödembildung, zur Gewebsinfiltration durch Leukozyten und zu Zelluntergang. Diese Prozesse können zur Fehlfunktion von Organen bis hin zum Organversagen, und, da sie häufig in mehreren Organen gleichzeitig ablaufen, auch zum klinisch dann oft schwer beherrschbaren Multiorganversagen (MOV) führen. Auf der anderen Seite stoßen schwere Verletzungen antiinflammatorische Prozesse an, die zu einer ausgeprägten Immunsuppression führen können, dem Kompensatorischen Antiinflammatorischen Response-Syndrom (CARS), mit der Folge, dass polytraumatisierte Patienten erhöht anfällig für infektiöse Komplikationen sind. Die beschriebenen Funktionsstörungen des Immunsystems sind ein wichtiger Mortalitätsfaktor von polytraumatisierten Patienten. Während wir SIRS und seine Folgen über die letzten Jahre immer besser verstehen, mit signifikanten Fortschritten auch für die klinische Handhabung dieser Komplikationen des Polytraumas, ist CARS weit schlechter untersucht.
Während der post-traumatschen Immunantwort spielen nicht nur Zellen der angeborenen, sondern auch solche der erworbenen Immunabwehr eine wichtige Rolle. So sind regulatorische T-Zellen (Treg) entscheidend an der posttraumatischen Immunsuppression beteiligt. Treg beeinflussen die immunologische Homöostase Treg mit einem Arsenal immunsuppressiver Werkzeuge. Sie töten oder beeinflussen beispielsweise antigenpräsentierende Zellen oder T-Effektorzellen und verändern das Zytokinmilieu und metabolische Signalwege. Nach einem Trauma kann eine überschießende Aktivität von Treg die immunologische Balance so beeinträchtigen, dass eine posttraumatische Immunsuppression entsteht oder intensiviert wird. Die hier vorgestellte Studie Ziel dient daher dem besseren Verständnis der Dynamik von Treg nach einer stattgehabten traumatischen Verletzung. Dafür untersuchten wir die Verläufe verschiedener Subpopulationen von Treg im Blut schwer verletzter Patienten. Da der Forschung am Menschen in vivo enge ethische und methodologische Grenzen gesetzt sind, nehmen Tiermodelle in der Traumaforschung einen hohen Stellenwert ein. Daher verglichen wir die an Patienten erhobenen Daten über die posttraumatische Dynamik von Treg mit den Verläufen in einem adäquaten Tiermodell.
Aufgrund der guten anatomischen, physiologischen und genetischen Ähnlichkeit zum Menschen werden Tiermodelle am Schwein zunehmend beliebter. Ein Polytraumamodell am Schwein existiert erst seit wenigen Jahren. Über Treg wurde in diesem Rahmen bisher nicht geforscht. Die Charakterisierung ihres Immunphänotyps und ihrer Dynamik könnte die Anwendbarkeit des Schweine-Modells für Fragen der Trauma-Forschung verbessern und gleichzeitig unser Verständnis der Pathophysiologie posttraumatischer Komplikationen wir SIRS oder Sepsis erhöhen.
Bei 20 Traumapatienten (TP) mit einem Injury Severity Score (ISS) ≥ 16 wurde bei Ankunft in der Notaufnahme, nach einem und nach drei Tagen venöses Blut entnommen. Zehn gesunde Freiwillige (HV) fungierten in der Studie als Kontrollgruppe. Das Polytrauma im Großtiermodell am Schwein bestand aus einer Femurfraktur, einer Leberlazeration, einer Lungenkontusion und einem hämorrhagischen Schock, was einen ISS von 27 ergab. Auf die Traumainduktion folgte die Reanimationsphase und die chirurgische Versorgung der Femurfraktur nach dem damage-control-Prinzip. Die Blutentnahmen erfolgten bei den Versuchstieren vor und sofort nach Trauma, sowie nach 24 und 72 Stunden. Wir verglichen die Dynamik der Verläufe der Treg von TP mit denen von HV und mit Daten aus den Tierversuchen. Es herrscht noch kein wissenschaftlicher Konsens darüber, welche Kombination aus immunologischen Oberflächenmarkern die Identifikation von Treg zuverlässig gewährleisten kann. Dies liegt auch daran, dass Treg eine Gruppe verschiedener Unterpopulationen darstellen. Folglich analysierten wir verschiedene Kombinationen. Wir färbten Cluster of differentiation (CD) 4-positive und CD25-positive (CD4+CD25+), CD4+CD25+forkhead box P3 (FoxP3)+, CD4+CD25+CD127-negative (CD127−) und CD4+CD25+CD127−FoxP3+ Zellen mit Antikörpern und charakterisierten die jeweilige Gruppe mithilfe der Durchflusszytometrie. CD4+CD25+CD127− Treg sind beim Menschen bekannt. Beim Schwein werden sie in dieser Studie erstmalig beschrieben.
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Background: Severely injured patients experience substantial immunological stress in the aftermath of traumatic insult, which often results in systemic immune dysregulation. Regulatory T cells (Treg) play a key role in the suppression of the immune response and in the maintenance of immunological homeostasis. Little is known about their presence and dynamics in blood after trauma, and nothing is known about Treg in the porcine polytrauma model. Here, we assessed different subsets of Treg in trauma patients (TP) and compared those to either healthy volunteers (HV) or data from porcine polytrauma.
Methods: Peripheral blood was withdrawn from 20 TP with injury severity score (ISS) ≥16 at the admittance to the emergency department (ED), and subsequently on day 1 and at day 3. Ten HV were included as controls (ctrl). The porcine polytrauma model consisted of a femur fracture, liver laceration, lung contusion, and hemorrhagic shock resulting in an ISS of 27. After polytrauma, the animals underwent resuscitation and surgical fracture fixation. Blood samples were withdrawn before and immediately after trauma, 24 and 72 h later. Different subsets of Treg, CD4+CD25+, CD4+CD25+FoxP3+, CD4+CD25+CD127−, and CD4+CD25+CD127−FoxP3+ were characterized by flow cytometry.
Results: Absolute cell counts of leukocytes were significantly increasing after trauma, and again decreasing in the follow-up in human and porcine samples. The proportion of human Treg in the peripheral blood of TP admitted to the ED was lower when compared to HV. Their numbers did not recover until 72 h after trauma. Comparable data were found for all subsets. The situation in the porcine trauma model was comparable with the clinical data. In porcine peripheral blood before trauma, we could identify Treg with the typical immunophenotype (CD4+CD25+CD127−), which were virtually absent immediately after trauma. Similar to the human situation, most of these cells expressed FoxP3, as assessed by intracellular FACS stain.
Conclusion: Despite minor percental differences in the recovery of Treg populations after trauma, our findings show a comparable decrease of Treg early after polytrauma, and strengthen the immunological significance of the porcine polytrauma model. Furthermore, the Treg subpopulation CD4+CD25+CD127− was characterized in porcine samples.
Background: Recognizing patients at risk for pulmonary complications (PC) is of high clinical relevance. Migration of polymorphonuclear leukocytes (PMN) to inflammatory sites plays an important role in PC, and is tightly regulated by specific chemokines including interleukin (IL)−8 and other mediators such as leukotriene (LT)B4. Previously, we have reported that LTB4 indicated early patients at risk for PC after trauma. Here, the relevance of LTB4 to indicating lung integrity in a newly established long-term porcine severe trauma model (polytrauma, PT) was explored.
Methods: mTwelve pigs (3 months old, 30 ± 5 kg) underwent PT including standardized femur fracture, lung contusion, liver laceration, hemorrhagic shock, subsequent resuscitation and surgical fracture fixation. Six animals served as controls (sham). After 72 h lung damage and inflammatory changes were assessed. LTB4 was determined in plasma before the experiment, immediately after trauma, and after 2, 4, 24 or 72 h. Bronchoalveolar lavage (BAL)-fluid was collected prior and after the experiment.
Results: Lung injury, local gene expression of IL-8, IL-1β, IL-10, IL-18 and PMN-infiltration into lungs increased significantly in PT compared with sham. Systemic LTB4 increased markedly in both groups 4 h after trauma. Compared with declined plasma LTB4 levels in sham, LTB4 increased further in PT after 72 h. Similar increase was observed in BAL-fluid after PT.
Conclusions: In a severe trauma model, sustained changes in terms of lung injury and inflammation are determined at day 3 post-trauma. Specifically, increased LTB4 in this porcine long-term model indicated a rapid inflammatory alteration both locally and systemically. The results support the concept of LTB4 as a biomarker for PC after severe trauma and lung contusion.
In their post-traumatic course, trauma patients suffering from multiple injuries have a high risk for immune dysregulation, which may contribute to post-injury complications and late mortality. Monocytes as specific effector cells of the innate immunity play a crucial role in inflammation. Using their Pattern Recognition Receptors (PRRs), notably Toll-Like Receptors (TLR), the monocytes recognize pathogens and/or pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and organize their clearance. TLR2 is the major receptor for particles of gram-positive bacteria, and initiates their phagocytosis. Here, we investigated the phagocytizing capability of monocytes in a long-term porcine severe trauma model (polytrauma, PT) with regard to their TLR2 expression. Polytrauma consisted of femur fracture, unilateral lung contusion, liver laceration, hemorrhagic shock with subsequent resuscitation and surgical fracture fixation. After induction of PT, peripheral blood was withdrawn before (-1 h) and directly after trauma (0 h), as well as 3.5 h, 5.5 h, 24 h and 72 h later. CD14+ monocytes were identified and the expression levels of H(S)LA-DR and TLR2 were investigated by flow cytometry. Additionally, the phagocytizing activity of monocytes by applying S. aureus particles labelled with pHrodo fluorescent reagent was also assessed by flow cytometry. Furthermore, blood samples from 10 healthy pigs were exposed to a TLR2-neutralizing antibody and subsequently to S. aureus particles. Using flow cytometry, phagocytizing activity was determined. P below 0.05 was considered significant. The number of CD14+ monocytes of all circulating leukocytes remained constant during the observational time period, while the percentage of CD14+H(S)LA-DR+ monocytes significantly decreased directly, 3.5 h and 5.5 h after trauma. The percentage of TLR2+ expressing cells out of all monocytes significantly decreased directly, 3.5 h and 5.5 h after trauma. The percentage of phagocytizing monocytes decreased immediately and remained lower during the first 3.5 h after trauma, but increased after 24 h. Antagonizing TLR2 significantly decreased the phagocytizing activity of monocytes. Both, decreased percentage of activated as well as TLR2 expressing monocytes persisted as long as the reduced phagocytosis was observed. Moreover, neutralizing TLR2 led to a reduced capability of phagocytosis as well. Therefore, we assume that reduced TLR2 expression may be responsible for the decreased phagocytizing capacity of circulating monocytes in the early post-traumatic phase.
