Eine Hyperglykämie ist bei unterschiedlichen Patientengruppen mit einer schlechteren Prognose verbunden. Erhöhte Glukosewerte korrelieren bei diabetischen, neurologischen, nephrologischen und kardiologischen Erkrankungen mit einer gesteigerten Morbidität und Mortalität. Auch bei schwer erkrankten, intensivpflichtigen Patienten ist eine Hyper¬glykämie ein unabhängiger Risikofaktor für Mortalität. Demgegenüber senkt eine intensivierte Insulintherapie (IIT) die Mortalität von Intensivpatienten. Diese klinischen Beobachtungen führten im Rahmen der vorliegenden Arbeit zur Untersuchung folgender Fragestellungen: − Führen hyperglykämische Bedingungen in vitro zu einer Modulation des Immun¬systems bzw. zu veränderten Zellfunktionen von PBMC mit möglicherweise gestei¬ger¬ter Prädisposition für Infektionen? − Führt die Zugabe von Glukose zum PBMC-Zellkulturmedium zu einer Alteration der Zytokinausschüttung von IL-1ß und IL-6? − Übt Insulin durch direkte und sekundäre Mechanismen im Rahmen einer Ernied¬ri¬gung des Glukosespiegels einen protektiven Effekt auf die Immunantwort aus? − Welche Auswirkung hat die Veränderung der Osmolarität auf die Immunantwort? − Beeinflusst die Addition weiterer hyperosmotischer Substanzen, wie Mannitol, Harnstoff oder das Enantiomer der Glukose, die L-Glukose, zum Zellmedium die Zytokinproduktion ? − Welche Bedeutung hat der Zusatz aus Glukose und anderen hyperosmotisch wirk¬sa¬men Substanzen, wie Mannitol, auf die Phagozytose und den oxidativen Burst? − Welche Pathomechanismen liegen der Zytokinfreisetzung unter hyperglykämischen und hyperosmolaren Bedingungen zugrunde und welche Funktionen haben hierbei die MAP-Kinasen? Die vorliegende Arbeit zeigt, dass erhöhte Glukosekonzentrationen die LPS-stimulierte Zytokinproduktion von humanen PBMC dosisabhängig signifikant steigern. Die Zugabe des Enantiomers L-Glukose bewirkt eine Zunahme der Zytokinfreisetzung für IL-1ß und IL-6, allerdings weniger ausgeprägt als bei der physiologisch vorkommenden D-Glukose. Die Resultate dieser Arbeit belegen, dass die Aktivierung der p38 -MAP-Kinase unter hyper¬glykämischen Bedingungen für die Steuerung der Zytokinfreisetzung verantwortlich ist. Insulin allein führt lediglich zu einer signifikanten Steigerung der IL-1ß , nicht jedoch der IL-6-Produktion, und dies ausschließlich bei höchster Insulinkonzentration. Die Kom¬bi¬nation von Insulin mit Glukose im Zellmedium reduziert die Produktion beider Zyto¬ki¬ne signifikant verglichen mit Glukose allein. Dieser Effekt weist einen protektiven Ein¬fluss von Insulin auf die Entzündungsreaktion im Rahmen einer reduzierten pro¬inflam¬ma¬to¬rischen Zytokinausschüttung durch Senkung der Hyperglykämie im Zellmilieu nach. Weitere Versuche belegten, dass die Zugabe von Mannitol und Harnstoff zum Zell¬medium ebenfalls eine Steigerung der Zytokinproduktion hervorruft. Es zeigte sich allerdings, dass bei gleicher Osmolarität im Zellmedium, abhängig von der jeweils hinzugefügten Substanz, die Zytokinfreisetzung unterschiedlich ausgeprägt war. Die Zytokinausschüttung erzielte unter Glukosezugabe im Vergleich zu den anderen Sub¬stan¬zen die höchste Wirkung. Gemeinsamer Mechanismus für die zytokinsteigernden Effekte scheint also die Steigerung der Osmolarität zu sein. In Vollblutproben bewirkt die Addition von Glukose eine Suppression der Phagozytose und des oxidativen Bursts. Dieser Effekt war nicht spezifisch für Glukose, da die Zugabe von Mannitol ebenfalls zu einer Abnahme der Phagozytose und des oxidativen Bursts führt, wenn auch in geringerem Ausmaß als nach Glukosebeimischung. Demzufolge be¬wirken hyperglykämische Bedingungen eine weitere Einschränkung der Immun¬antwort. Eine Übertragung dieser Laborergebnisse auf die klinische Situation von Intensiv¬patien¬ten lässt folgende Hypothese zu: Hyperglykämie führt bei intensivpflichtigen Patienten zu einer Stimulation von IL-1ß und IL-6 sowie zu einer Erniedrigung der Phagozytose und des oxidativen Bursts. Dies könnte zu einer gesteigerten Prädisposition für Infektionen in dieser Patientenpopulation führen. Unter der IIT bzw. bei Aufrechterhaltung der Normoglykämie im Patientenblut kommt es zu einer Verbesserung bzw. Normalisierung der Immunantwort. Die Daten dieser Arbeit bieten eine Erklärung für die Assoziation zwischen IIT und Mortalität bei intensivpflichtigen Patienten.
In different populations, hyperglycemia is associated with a poor prognosis. High glucose blood levels correlate with higher morbidity and mortality in diabetic, neurological, nephrologcial and cardiac diseases. Hyperglycemia is also an independent risk factor contributing towards mortality in critically ill patients. Intensive insulin-therapy (IIT) lowers mortality in this patient population. The clinical findings of this study lead to the following questions: \- do hyperglycemic conditions in vitro lead to a modulation of the immune system or to a change in PBMC cell function with a possible increase in predisposition to infection? \- does the addition of glucose to PBMC cells induce an alteration of cytokine release of IL-1ß or IL-6? \- does insulin (introduced through primary or secondary mechanisms) have a protective effect on the immune system by reducing blood glucose levels? \- what effect does a change in omsolarity have on immune system response? \- will cytokine release be affected by the addition of other hyperosmolar substances such as mannitol, urea or the enantiomer of D-glucose, L-glucose? \- what impact does the addition of glucose and other hyperosmotic substances have on phagocytosis and oxidative burst activity? \- what are the underlying pathomechanism involved in cytokine release under hyperglycemic and hyperosmolar conditions? What is the role of MAP-Kinases? This paper shows that high blood glucose concentrations significantly stimulate LPS induced cytokine release in a dose dependent matter. The addition of enantiomer L-glucose leads to an increase in cytokine release of IL-1ß and IL-6, although this increase is less prominent in the case of physiologically prevalent d-glucose. This study argues that the activation of p38-MAP-Kinase under hyperglycemic conditions is responsible for regulating cytokine release. Insulin alone leads to an increase in IL-1ß, but not to an increased production of IL-6 and only with the highest insulin concentration. The combination of insulin and glucose in cells reduces significantly the production of both cytokines compared to the effect of glucose alone. Insulin thus has a protective effect on inflammation through a reduced pro-inflammatory cytokine release and through reduced hyperglycemic levels in the cell. Other studies are in line with our findings that adding mannitol and urea to the cell media increases cytokine release. While the same osmolarity has been maintained in the cell media the cytokine release was different with each substance. The cytokine production after adding glucose was the highest. A common mechanism for these cytokine responses seems to be a change in osmolarity. In human whole blood samples the addition of glucose leads to a suppression of phagocytotic and oxidative burst activity. This effect was not specific to glucose. Mannitol also led to a decrease in phagocytotic and oxidative burst activity, although in a less pronounced way than when glucose is added. Hence, hyperglycemic conditions lead to yet another reduction in the immune system response. Applying these laboratory findings to the clinical situation of critically ill patients presents the following hypothesis: Hyperglycemia in the critically ill leads to a stimulation of IL-1ß and IL-6 as well as to decreased phagocytotic and oxidative burst activity. This can lead to an increased predisposition for infection in the patient population. IIT with maintaining normoglycemic blood levels leads to an improvement or normalization of the immune system response. Our data provides an explanation for the association between IIT and mortality of the critically ill.
