Neue Strategien zur Prophylaxe und Therapie des Lungenversagens bei Beatmung und Pneumonie

Abstract

Hintergrund: Beatmungsassoziierte Lungenschädigung (VILI; Ventilator-induced lung injury) trägt wesentlich zur Mortalität und Morbidität von Patienten mit Lungenversagen (ALI/ARDS, Acute Lung injury/Acute respiratory distress syndrome) bei. „Lungenprotektive“ Beatmung ist bis dato die einzige Intervention, die Mortalität bei ARDS nachweislich senkt. Jedoch kommt es auch unter lungenprotektiver Beatmung, insbesondere in vorgeschädigten Lungen wie bei Sepsis oder Pneumonie, zum Auftreten von VILI. 30-45 % aller Patienten mit ALI/ARDS entwickeln dieses auf dem Boden einer Pneumonie oder pneumogenen Sepsis. Zusätzlich zur protektiven Beatmung könnten neue adjuvante pharmakologische Therapiestrategien die beatmungsassoziierte Lungenschädigung weiter limitieren. In dieser Arbeit wurden Adrenomedullin und Simvastatin hinsichtlich eines protektiven Effektes gegenüber VILI untersucht. Adrenomedullin ist ein endogenes Peptid mit stabilisierenden Effekten auf die endotheliale Barrierefunktion, das in verschiedenen experimentellen Modellen des ALI eine günstige Wirkung aufwies. Simvastatin, ein Hydroxymethylglutaryl- CoA Reduktase Hemmer, hat ebenfalls günstige Effekte auf die vaskuläre Barrierefunktion und birgt antiinflammatorisches Potential. In zahlreichen klinischen Situationen ist die Gefahr, eine Pneumonie zu entwickeln erhöht. Hierzu gehören Beatmung, Immunsuppression, Schlaganfall und Influenzainfektion. Die prophylaktische Aktivierung des wirtseigenen Immunsystems könnte die Entwicklung der Pneumonie verhindern oder dessen Schweregrad günstig beeinflussen. Mittels des TLR-2/6 (Toll like receptor -2/6) Agonisten MALP-2 (macrophage-activating-lipoprotein of 2 kDa) wurde in dieser Arbeit das pulmonale Immunsystem von Mäusen aktiviert und der Effekt auf den Verlauf einer schweren Pneumokokken-Pneumonie untersucht. Methoden: Mäuse wurden mit unterschiedlichen Beatmungseinstellungen (Tidalvolumen/PEEP 7/6, 12/2, 17/0 ml/kg / cmH2O) für 2 oder 6 h beatmet und mit einer kontinuierlichen Infusion von Adrenomedullin (0,05 mg/kg/h) therapiert, oder mit parenteralen Injektionen von Simvastatin 24 h und 1 h vor Beginn der Beatmung (20 mg/kg) behandelt. Mäuse wurden intratracheal mit MALP-2 behandelt und 24 h später transnasal mit Streptococcus pneumoniae infiziert. Ergebnisse: Unter Beatmung entwickelte sich VILI, gekennzeichnet durch das Auftreten von pulmonalvaskulärer Permeabilität, eingeschränkter Oxygenierung, pulmonaler Leukozytenrekrutierung und proinflammatorischer Zytokinliberation, sowie einer systemischen Entzündungsreaktion, die mit Störungen der Mikrozirkulation und einer Nierenfunktionsstörung einher ging. Die Therapie mit Adrenomedullin oder Simvastatin reduzierte die pulmonalvaskuläre Permeabilität, verbesserte die Oxygenierungskapazität der Lunge und reduzierte den pulmonalen Leukozyteneinstrom. Des Weiteren verhinderte die Behandlung mit Adrenomedullin das Auftreten von Mikrozirkulationsstörungen sowie Beeinträchtigungen der Nierenfunktion und schützte auch dann noch vor VILI, wenn die Therapie erst 2 h nach dem Beginn der sechsstündigen Beatmung initiiert wurde. Insbesondere Simvastatin verhinderte das Auftreten von Endothelzellschäden und reduzierte die pulmonale Sekretion proinflammatorischer Zytokine. MALP-2 induzierte einen TLR-2 abhängigen Einstrom von neutrophilen Granulozyten und eine erhöhte Expression von TLR-2 in den Lungen der Individuen. MALP-2 vorbehandelte Mäuse zeigten dosisabhängig ein verbessertes Überleben der Pneumokokken-Pneumonie. Darüber hinaus wurden eine vermehrte pulmonale Rekrutierung neutrophiler Granulozyten und eine verbesserte parenchymale Erregerelimination in der Lunge beobachtet. Die Vorbehandlung mit MALP-2 reduzierte zudem die Bakteriämie. Nach MALP-2 wurde bei Pneumonie pulmonal eine größere Menge des Chemokins CCL5 sezerniert und weniger IL-10 freigesetzt. Schlussfolgerung: Adrenomedullin und Simvastatin schützten vor VILI im Mausmodell. Darüber hinaus limitierte Adrenomedullin auch systemische Auswirkungen des VILI auf die Mirozirkulation und die Nierenfunktion. Durch Stimulation des wirtseigenen angeborenen Immunsystems durch MALP-2 konnte der schwere Verlauf einer Pneumokokkenpneumonie verhindert und das Überleben der Versuchstiere verbessert werden. Sowohl die adjuvante Therapie des VILI, als auch die protektive Immunmodulation sind hoffnungsvolle neue Strategien zur Verringerung von Morbidität und Mortalität bei maschineller Beatmung.

Mechanical ventilation (MV) is a life-saving intervention in acute respiratory failure without any alternative. However, even protective ventilation strategies applying minimal mechanical stress may evoke ventilator-induced lung injury (VILI) thereby worsening acute lung injury (ALI). Adjuvant pharmacologic strategies in addition to lung-protective ventilation for attenuation of VILI are lacking. As Simvastatin and Adrenomedullin exhibited anti-inflammatory and endothelial barrier stabilizing properties in vitro and in vivo, they were evaluated as pharmacologic interventions to ameliorate VILI in the current study. ALI frequently develops on the basis of pneumonia. Streptococcus pneumoniae is the most frequent causative pathogen identified in community acquired pneumonia. Impaired pulmonary host defense increases susceptibility to pneumococcal pneumonia. Immunomodulation thus may hold beneficial effects on the cause of pneumococcal pneumonia ideally preventing ALI. In the current study, the course of severe murine pneumococcal pneumonia after pulmonary TLR-2-mediated immunostimulation with synthetic macrophage- activating lipopeptide-2 (MALP-2) was examined. Mice were ventilated with tidal volumes of 6, 12 or 17 ml/kg for 2 or 6 hours and subjected to Adrenomedullin (0,05mg/kg/h) or Simvastatin (20 mg/kg) or sham treatment. MALP-2 was transtracheally instilled into the lungs of mice prior to infection with S. pneumoniae.Mechanical ventilation induced VILI, displayed by increased pulmonary microvascular leakage and endothelial injury, pulmonary recruitment of neutrophils and Gr-1high monocytes, and by liberation of inflammatory cytokines in the lungs. Further, VILI associated systemic inflammation characterized by blood leukocytosis and elevated plasma cytokines was observed. Adrenomedullin dramatically reduced lung permeability in VILI in mice, leading to improved oxygenation. Adrenomedullin treatment reduced myosin light chain phosphorylation, attenuated the accumulation of leukocytes in the lung and prevented the increase in lactate and creatinine levels in mice ventilated with high tidal volumes. Moreover, adrenomedullin protected against VILI even when treatment was initiated 2 h after the beginning of mechanical ventilation in a 6 h VILI mouse model. Simvastatin treatment also limited pulmonary endothelial injury, attenuated pulmonary hyperpermeability, prevented the recruitment of leukocytes to the lung, reduced pulmonary cytokine levels and improved oxygenation in mechanically ventilated mice. Intratracheal MALP-2 application evoked enhanced proinflammatory cytokine and chemokine release, resulting in recruitment of polymorphonuclear neutrophils (PMN), macrophages, and lymphocytes into the alveolar space in mice. In murine lungs as well as in human alveolar epithelial cells (A549), MALP-2 increased TLR-2 expression at both mRNA and protein level. MALP-2 application 24 hours before intranasal pneumococcal infection resulted in increased levels of CCL5 associated with augmented leukocyte recruitment, and decreased levels of anti- inflammatory IL-10 in bronchoalveolar lavage fluid. Clinically, MALP-2-treated as compared with untreated mice showed increased survival. MALP-2 also reduced bacteremia and improved bacterial clearance in lung parenchyma, as examined by immunohistochemistry. In conclusion, adjuvant treatment with Adrenomedullin or Simvastatin may be promising new pharmacologic approaches to attenuate VILI. Further, pulmonary immunostimulation with MALP-2 before infection with S. pneumoniae improved local host defense and increased survival in murine pneumococcal pneumonia.