Der Einfluss von GM-CSF auf den Tryptophan-Metabolismus und die IDO-Aktivität bei Patienten mit schwerer Sepsis/ septischem Schock und Sepsis-assoziierter Immunsuppression

Abstract

Die schwere Sepsis und der septische Schock zeichnen sich durch eine kontinuierlich zunehmende Inzidenz und eine persistierend hohe Mortalität aus. Pro-inflammatorische Reaktionskaskaden lösen bei persistierendem infektiösem Stimulus eine kompensatorische und häufig prolongierte anti-inflammatorische Wirtsreaktion aus. Die resultierende Sepsis-assoziierte Immunsuppression mit Versagen der zellvermittelten Immunität korreliert mit einer erhöhten Suszeptibilität gegenüber sekundären nosokomialen Infektionen, protrahiertem Organversagen, einer längeren Krankenhausverweildauer und einer erhöhten Sterblichkeitsrate septischer Patienten. Indolamin 2,3- Dioxygenase (IDO), das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Tryptophan-Metabolismus, wird durch pro- inflammatorische Stimuli (u.a. LPS, lösliche Zytokinrezeptoren) induziert und ist als Proliferationsinhibitor infektiöser Erreger und zentraler Immunregulator bekannt. Die immunregulierende Wirkung von IDO beruht u.a. auf einer lokal erzeugten Tryptophan-Depletion und einer damit verbundenen Proliferationshemmung von Lymphozyten. Eine gesteigerte IDO-Aktivität in der Sepsis kann jedoch zur T-Zell-Dysfunktion mit Th-1-Zellapoptose und einem Anstieg toxischer vasodilatierender Tryptophan-Metabolite führen. Vorarbeiten zeigen, dass in der schweren Sepsis und dem septischen Schock die Aktivität von IDO etwa um den Faktor 3 erhöht ist. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss des Granulozyten-Makrophagen Kolonie-stimulierenden Faktors (GM-CSF), einem pro-inflammatorischen Zytokin, auf die IDO-Aktivität bzw. den Tryptophan-Metabolismus bei Patienten mit schwerer Sepsis/septischem Schock und Sepsis-assoziierter Immunsuppression. Die Untersuchung wurde als Substudie einer prospektiven, randomisierten, placebo-kontrollierten Multicenterstudie durchgeführt. Zusätzlich zur Standardintensivtherapie („best supportive care“) erhielten 36 Patienten entweder subkutane Gaben von 4 µg/kg/KG GM-CSF für fünf Tage oder Placebo (subkutane Injektionen von 0.9% NaCl). Bei Rekonvaleszenz der HLA-DR-Expression (>15.000 Moleküle/Zelle) am Tag 5 wurde GM-CSF in der Dosis von 4 µg/kg/KG für drei weitere Tage fortgeführt. Bei fehlender Rekonvaleszenz der HLA-DR-Expression an Tag 5 erfolgte eine Dosiseskalation auf 8 µg/kg/KG für drei Tage. Primäres Endziel der Studie war die Wiederherstellung der monozytären Immunkompetenz bei septischen Patienten und Sepsis-assoziierter Immunsuppression mittels GM-CSF. Zum Zeitpunkt des Studieneinschlusses konnte kein Unterschied in den Studienpopulationen bzgl. des Tryptophan-Metabolismus bzw. der IDO-Aktivität beobachtet werden. Die GM- CSF Therapie führte zu einer signifikant reduzierten IDO-Aktivität über das achttägige Behandlungsintervall (35.2 ± 21.0 µM [Studientag 1] vs. 21.6 ± 9.9 µM [Studientag 9], p = 0.02). Ein statischer Unterschied zwischen beiden Studiengruppen war am Studientag 9 festzustellen (p = 0.03). Des Weiteren konnten statistisch signifikant reduzierte Trp-Metaboliten (Kynureninsäure, Quinolinsäure) am Studientag 9 im Verumarm im Vergleich zur Kontrollgruppe beobachtet werden. Als Zeichen der klinischen Rekonvaleszenz konnten reduzierte Entzündungsparameter und tendenziell verbesserte klinische Scores (p = n.s.) in der Verumgruppe beobachtet werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine GM-CSF induzierte Rekonstruktion der monozytären Immunität bei Patienten mit Sepsis-assoziierter Immunsuppression mit Veränderungen des Tryptophan-Metabolismus und der IDO-Aktivität einhergeht. Zusammenfassend zeigt die vorgelegte Studie erstmalig, dass die Gabe von GM-CSF bei Patienten mit schwerer Sepsis und septischem Schock die (errechnete) IDO-Aktivität signifikant reduziert. Die reduzierte IDO-Aktivität sowie der Serumspiegel von Tryptophanmetaboliten waren mit einem Anstieg der absoluten Zahl CD4- und CD8 positiver T-Lymphozyten assoziiert. Eine weitere Assoziation mit Veränderungen des Zytokinprofils sowie günstigem Verlauf von klinischen Schweregradskalen wurde beobachtet. Obwohl die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen der Regulierung der IDO-Aktivität durch GM-CSF unklar bleiben, unterstreichen die vorliegenden Daten die Bedeutung von IDO im Kontext der Immunregulation bei Patienten mit Sepsis-assoziierter Immunsuppression.

The immunoregulatory enzyme indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) controls tryptophan metabolism and is induced by pro-inflammatory stimuli. We investigated whether immunostimulatory treatment with granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) influences IDO activity and tryptophan metabolism in sepsis. Thirty-six patients with severe sepsis/septic shock and sepsis-associated immunosuppression (assessed using monocytic human leukocyte antigen-DR (mHLA-DR) expression) were assessed in a controlled trial of GM-CSF or placebo treatment for 8 days. Using tandem mass spectrometry, levels of tryptophan, kynurenine, kynurenic acid, quinolinic acid, 5-hydroxytryptophan, serotonin, and estimated IDO activity were determined in a blinded fashion over a 9-day interval. At baseline, tryptophan and metabolite levels did not differ between the study groups. Although tryptophan levels were unchanged in both groups over the treatment interval (all p>0.8), IDO activity was markedly reduced after GM-CSF treatment (35.4 +/- 21.0 vs 21.6 +/-9.9 (baseline vs day 9), p = 0.02). IDO activity differed significantly between the 2 groups after therapy (p = 0.03). Metabolites downstream of IDO (kynurenine, quinolinic acid, kynurenic acid) were all induced in sepsis and declined in the GM-CSF group, but not in controls. Serotonin pathway metabolites remained unchanged in both groups (all p>0.15). Moreover, IDO activity correlated with procalcitonin (p< 0.0001, r = 0.56) and mHLA-DR levels (p = 0.005, r = -0.28) in the overall samples group. Thus, GM-CSF therapy is associated with decreased IDO activity and reduced kynurenine pathway catabolites in sepsis. This may be due to an improved antibacterial defence.