Experimentelle Untersuchung zur Beeinflussung der Leberregeneration nach Resektion durch Infektionen und Inflammationsreaktionen

Abstract

Aus klinischen und experimentellen Untersuchungen ist gut bekannt, dass bei ungestörter Regeneration 75 % des Leberparenchyms unproblematisch reseziert werden können. Trotzdem tritt bei einem geringen Prozentsatz von Patienten eine temporäre oder dauerhafte postoperative Leberinsuffizienz auf, die oft mit einer vorbestehenden Lebererkrankung oder postoperativen Komplikationen assoziiert ist und potentiell lebensbedrohlich werden kann. Bei einem Teil dieser Fälle spielen postoperative Infektionen eine wichtige Rolle. Trotz zahlreicher klinischer und experimenteller Hinweise existieren bisher keine systematischen Untersuchungen zur Interaktion von bakteriellen Infektionen und der Leberregeneration nach Resektion. Um den Einfluß von postoperativen Infektionen und Entzündungsreaktionen auf die Leberregeneration systematisch zu untersuchen, musste zunächst ein entsprechendes Kleintiermodell etabliert werden. Hierfür wurden zwei etablierte Infektionsmodelle, die coekalen Ligatur und Punktion (CLP) und eine experimentell angelegte Kolonstenose jeweils mit einer 70 prozentigen Leberresektion (LR) im Rattenmodell kombiniert. Die Kombination von 70 % LR und der CLP hatte dabei eine signifikant stärkere Inhibition der Leberregeneration zur Folge als die Kolonstenose, so dass dieses Modell für die systematischen Untersuchungen verwendet wurde. Die Kombination von LR und CLP zeigte relativ stabile und reproduzierbare Parametern der Leberregeneration und Leberfunktion bei einer ausreichende Überlebensrate von mehr als >90%. Insgesamt kam es nach simultaner LR und CLP nur zu einem geringfügig verzögerten Beginn des Regenerationsprozesses, aber zu einer deutlich verringerten maximalen Regenerationsrate. Insbesondere die Progression zur Mitose, aber auch der gesamte Zellzyklus, wurde durch die simultane Infektion deutlich verlangsamt. Bei der deutlich flacheren Regenerationskinetik nach simultaner LR und CLP persistierte die regeneratorische Aktivität deutlich länger als nach alleiniger LR. So war 72 und 96 h nach LR+CLP noch eine deutlich höhere regeneratorische Aktivität nachweisbar als nach alleiniger LR. Die Charakterisierung der Leberfunktion während des ungestörten und des gestörten Regenerationsprozesses mit Hilfe von Serumparamtern (Bilirubin, Quick), der Galleproduktion und der ICG Dissapearance ergab unmittelbar postoperativ keine Unterschiede zwischen LR und LR+CLP. Dagegen war im Verlauf der ersten 48 h eine signifikante weiteren Einschränkung der Leberfunktion zu verzeichnen. Diese war - verglichen mit alleiniger LR - nach 48h am deutlichsten ausgeprägt. Dies korrelierte mit einem Anstieg der regeneratorischen Aktivität zu diesem Zeitpunkt. Somit stellt die erhöhte metabolische Belastung bzw. die Leberfunktionsstörung eine mögliche Verbindung zwischen Infektionen und Leberregeneration dar, da aufgrund der eingeschränkten Leberfunktion eine maximale Regenerationsrate - als energieintensiver Prozeß - nicht erreicht werden kann. Zusätzlich kam es nach LR und CLP zu einer stark erhöhten Freisetzung von pro-inflammatorischen Zytokinen, die ebenfalls für die Hemmung der Regeneration mitverantwortlich sein könnte. Insbesondere IL-1beta gilt als potenter Inhibitor der Leberregeneration. Entsprechend waren die systemischen, und lokalen IL-1beta Konzentrationen nach simultaner Leberresektion und CLP signifikant erhöht und in den 24 h Gruppen war eine signifikante Korrelation zwischen der hepatischen IL-1beta Konzentration und der Höhe der Regenerationsparameter nachzuweisen. Parallel wurde ein Rattenmodell mit einer abakteriellen Entzündung (gallige Peritonitis) in Kombination mit einer 70% Leberresektion etabliert, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen bakteriellen und abakteriellen Entzündungsreaktionen in dieser speziellen Situation herauszuarbeiten. Auch hier konnte eine Hemmung der Leberregeneration nachgewiesen werden, wobei die Regenerationskinetik bei Galleleck der nach simultaner LR und CLP ähnelte. Dagegen fand sich eine etwas veränderte Zytokinantwort mit vornehmlicher Freisetzung von TNF-alpha und IL-6. Wie auch bei Infektionen war die verzögerte Regeneration bei simultanem Galleleck von einer signifikanten Einschränkung der Leberfunktion begleitet. Diese war auch hier 48 h postoperativ am stärksten ausgeprägt und korrelierte ebenfalls mit einem Anstieg der regeneratorischen Aktivität zu diesem Untersuchungszeitpunkt. Als weiterer Schritt sollte untersucht werden, ob generell eine Beeinflussung dieser Regenerationsstörung möglich ist. Hierfür wurde sich des endogenen Schutzmechanismus des Organismus durch Präkonditionierung bedient. Es konnte gezeigt werden, daß die Störung der Leberregeneration bei gleichzeitigen Infektionen grundsätzlich sowohl durch eine unspezifische Streß- Präkonditionierung (Sham-Operation) als auch durch eine Präkonditionierung mittels einer vorbestehenden Infektion vermindert werden kann. Allerdings konnte bei weitem nicht das Niveau der ungestörten Regeneration erreicht werden. Mit der verbesserten Regeneration einher ging auch eine tendenziell niedrigere Mortalität, trotz insgesamt eher Verschlechterung der Leberfunktion (Exkretions- und Syntheseleistung). Die beiden angewendeten Formen der Präkonditionierung unterschieden sich nur geringfügig in ihrer Effektivität. So war die Präkonditionierung durch eine vorhergehende CLP dabei etwas effektiver als eine alleinige Sham Operation. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals direkt nachgewiesen werden, dass sich schwere bakterielle Infektionen und die Leberregeneration wechselseitig zu beeinflussen: während septische Reaktionen bekanntermaßen die Leberfunktion beeinträchtigen, konnte hier erstmals gezeigt werden, dass schwere Infektionen auch die Leberregeneration per se inhibieren und somit insgesamt nach Leberresektion im Extremfall zu einem Circulus vitiosus mit konsekutiver weiterer Verschlechterung von Leberfunktion und Leberregeneration führen können. Eine therapeutische Beeinflussung der Regenerationsstörung scheint - wie anhand der präkonditionierten Versuchsgruppen gezeigt - grundsätzlich möglich, so dass in weiteren Studien praktikablere Interventionen untersucht werden sollten. Die genaue Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen der Regenerationsstörung steht noch aus, anhand der vorliegenden Ergebnisse konnten jedoch potentielle Mediatoren identifiziert werden.

From clinical experience it is well known, that 75% of the liver can be safely removed, provided the regeneration process is not impaired. However, a certain percentage of patients develops postoperative hepatic insufficiency, which is often related to pre-existing liver disease or post-operative complications. Among others also infectious complications are thought to play an important role. However, no systematic investigations of interactions of postoperative infections and liver regeneration after resection are available. To investigate the impact of postoperative infections and inflammatory conditions on the regeneration process an adequate small animal model had to be established first. Therefore two established infection-models, the cecal ligation and puncture (CLP) and the experimentally induced colonic stenosis were each combined with a 70% liver resection (LR) in rats. The combination of CLP plus 70% LR induced a significantly stronger inhibition of liver regeneration than the colonic stenosis. Therefore the CLP model was used for the further systematic investigations. The combination of LR+CLP revealed relatively stable and reproducible parameters of liver regeneration and liver function and a sufficient survival rate of more than 90%. The initiation of the regeneration process was only minimally delayed after LR+CLP, but the maximum regeneratory activity was significantly lower. Especially the mitotic activity but also the cell cycle progression in general was significantly delayed by simultaneous infection. The slower initial regeneration kinetic after LR+CLP was followed by a persistently elevated regeneratory activity 72 and 96 h after operation. Characterization of liver function during normal and delayed regeneration by serum paramters (bilirubin, coagulation parameters), bile production and the ICG-disappearance revealed immediately after operation no significant differences between the groups with LR and LR+CLP. In the further postoperative course, a significantly impaired liver function was observed after LR+CLP with a maximum at 48 h. This correlated with an increasing regeneratory activity in the LR+CLP group. Therefore the increased metabolic burden of the liver might represent a connection between liver regeneration and severe bacterial infections. It might be speculated, that due to the impaired liver function the maximum regeneratory activity can not be reached, since regeneration is also a highly energy dependent process. In addition, after LR+CLP a markedly elevated liberation of pro-inflammatory cytokines might also contribute to the impaired liver regeneration. Especially IL-1beta, a known potent inhibitor of liver regeneration was highly elevated after LR+CLP and the level of hepatic IL-1beta correlated significantly with the regeneratory activity 24 h after surgery. As model of abacterial inflammation further groups with bile peritonitis and simultaneous liver resection were performed to depict parallels and differences between bacterial and abacterial inflammatory conditions. Also bile peritonitis resulted in a similar delay of the regeneration process, as observed after LR+CLP. However the cytokine response was slightly different with predominance of TNF-alpha and IL-6 liberation. The liver function was also severely impaired after bile leakage, and this was most pronounced at 48 h after surgery. It was additionally investigated, if the regeneration after LR+CLP can be improved at all. Therefore in further groups an endogenous preconditioning was performed. As well unspecific stress-preconditioning by previous sham operation as preconditioning with a previous infection (CLP) was able to improve liver regeneration. However, the level of normal liver regeneration was not reached by far. Both forms of preconditioning showed only small differences regarding their efficacy, but the CLP-preconditioning was slightly more potent. In summary, the present analysis shows, that infectious conditions can delay liver regeneration. The data suggest a cross-linkage of both conditions via the functional liver capacity. A direct role of microorganisms seems unlikely, but an inhibitory effect of pro-inflammatory cytokines might also be involved. Therapeutic intervention seems generally possible, as seen in the groups with pre-conditioning. However, investigation of the precise underlying mechanisms is still outstanding.