Ventilator-induced alveolar acidification increases the susceptibility and severity to Pseudomonas aeruginosa pneumonia

Abstract

Background: Ventilator-associated pneumonia (VAP) is one of the most common nosocomial infections acquired in the intensive care unit. Pseudomonas aeruginosa (PA) is a leading pathogen isolated from VAP patients and PA-VAP is associated with high mortality. It is imperative to establish an animal VAP model to study the pathogenesis and pathophysiology of VAP. Objectives: Establish a murine VAP model that closely reflects disease onset and progression. Analyze the pathophysiological, immunological and histopathological response in the models and investigate the underlying linking mechanism between mechanical ventilation (MV) and VAP. Methods: In vivo: C57BL/6J mice were intubated and subjected to either high (HVt: 34 mL/kg) or low (LVt: 9 mL/kg) tidal volume ventilation for 4 hours. Mice ventilated for 10 min using LVt ventilation settings were taken as non-ventilated (NV) control group. After MV, mice were infected with either PA103 or sterile phosphate buffered saline. Twenty-four hours post infection, mice were euthanized and physiological, immunological and histopathological parameters were determined and analyzed. In vitro: Human A549 cells were cultured and exposed to cell cyclic stretch followed by PAO1 infection and immunofluorescence microscopy. Ex vivo: A fluorescent pH indicator was applied to the lung subjected to MV to determine the pH of the alveolar lining fluid (ALF). Results: Mice subjected to HVt ventilation developed ventilator-induced lung injury with significant lung function deterioration. Upon subsequent PA infection, substantially higher bacterial burden, as well as more severe alveolar-capillary barrier disruption and pulmonary inflammation were found in HVt-PA mice compared with LVt-PA and NV-PA mice. In addition, HVt-PA mice showed signs of extra-pulmonary bacterial dissemination and increased levels of systemic inflammation. Furthermore, HVt and cell stretch resulted in ALF acidification and thereby promoted the pulmonary PA adhesion and growth. Conclusion: Our results provide evidence that mechanical overventilation is a critical factor for the onset and progression of VAP, contributing to systemic inflammation and distal organ bacterial dissemination. Furthermore, in vitro and ex vivo studies provided evidence that high stretch-induced ALF acidification promotes PA adhesion and proliferation as critical factor, explaining the enhanced susceptibility to the development of PA pneumonia in overventilated mice. These findings may enable future studies to deeply investigate the pathogenesis of VAP and may promote the discovery of new treatment strategies to reduce VAP-associated mortality.

Hintergrund: Die beatmungsassoziierte Pneumonie (VAP) ist eine der häufigsten auf der Intensivstation erworbenen, nosokomialen Infektionen. Pseudomonas aeruginosa (PA) ist der häufigste Erreger, der bei VAP-Patienten isoliert wird, und PA-VAP ist mit einer hohen Sterblichkeit verbunden. Zielsetzungen: Um die Pathogenese und Pathophysiologie der VAP zu untersuchen, wurde ein murines VAP-Modell etabliert, welches den Beginn und den Verlauf der Krankheit genau widerspiegelt. Mit diesem Modell sollten immunologische und pathophysiologische Zusammenhänge zwischen mechanischer Beatmung (MV) und VAP untersucht werden. Methoden: In vivo: C57BL/6J-Mäuse wurden intubiert und 4 Stunden lang entweder mit hohem (HVt: 34mL/kg) oder niedrigem (LVt: 9mL/kg) Tidalvolumen beatmet. Mäuse, die 10 Minuten lang mit LVt-Einstellungen beatmet wurden, dienten als nicht beatmete (NV) Kontrollgruppe. Nach der MV wurden die Mäuse entweder mit PA103 oder steriler Kochsalzlösung infiziert. Vierundzwanzig Stunden nach Infektion wurden die Mäuse euthanasiert und physiologische, immunologische und histopathologische Parameter bestimmt und analysiert. In vitro: Humane A549-Zellen wurden kultiviert und einer zyklischen Dehnung ausgesetzt, gefolgt von einer PAO1-Infektion und Immunfluoreszenzmikroskopie. Ex vivo: Explantierte murine Lungen wurden für 2 Stunden beatmet und anschließend ein fluoreszenzbasierter pH-Indikator appliziert, um den pH-Wert des alveolären Flüssigkeitsfilms zu bestimmen. Ergebnisse: Mäuse, die einer HVt-MV unterzogen wurden, entwickelten eine beatmungsinduzierte Lungenschädigung mit signifikanter Verschlechterung der Lungenfunktion. Nach anschließender PA-Infektion wurden bei HVt-PA-Mäusen im Vergleich zu LVt-PA- und NV-PA-Mäusen eine wesentlich höhere Bakterienlast sowie eine stärkere Störung der alveolar-kapillaren Barriere und Zeichen einer schweren Lungenentzündung festgestellt. Darüber hinaus zeigten HVt-PA-Mäuse Anzeichen einer extrapulmonalen bakteriellen Dissemination und erhöhte Werte systemischer Entzündung. Die ex vivo HVt-Beatmung und die zyklische Zelldehnung in vitro führten zu einer Übersäuerung des pH-Wertes des alveolären Flüssigkeitsfilms und förderten dadurch das pulmonale Wachstum und die Adhäsion von PA. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse belegen, dass eine Überbeatmung (HVt) ein entscheidender Faktor für den Beginn und das Fortschreiten einer VAP ist, der zur systemischen Entzündung und zur Verbreitung von Bakterien in distale Organe beiträgt. Darüber hinaus zeigten in vitro und ex vivo Untersuchungen, dass eine durch hohe Dehnung induzierte Übersäuerung des alveolären Flüssigkeitsfilms die Adhäsion und Proliferation von PA fördert und somit entscheidend für die erhöhte Anfälligkeit für die Entwicklung einer PA-Pneumonie bei überbeatmeten Mäusen ist. Diese Ergebnisse könnten künftige Studien zur Pathogenese und zu neuen Behandlungsstrategien der VAP sowie zur Senkung der VAP-assoziierten Mortalität entscheidend vorantreiben.