Auswirkungen einer zerebralen inflammatorischen Reaktion auf die systemische Immunkompetenz und das Pneumonierisiko im Rattenmodell

Abstract

Infektionen sind Haupttodesursache bei Patienten mit akuten Hirnläsionen, sowohl bei ischämischen, hämorrhagischen, traumatisch oder infektiös bedingten Hirnschädigungen. Die Pneumonie ist eine der Hauptkomplikationen nach Schlaganfall und Schädel-Hirn-Trauma. In den meisten Fällen finden sich Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae und Haemophilus influenzae als verursachende Keime dieser Pneumonie der frühen Phase. Die bekannten Risikofaktoren einer Aspiration durch verminderte Schutzreflexe oder die endotracheale Intubation können die Häufung von Pneumonien nur bedingt erklären. Bei diesen Patienten findet sich eine zentral induzierte Immunsuppression mit einer eingeschränkten zellulären Abwehr bei verminderten Leukozytenzahlen, einer Deaktivierung von Monozyten und Makrophagen, einer verminderten Aktivität von T-Zellen und Natural-Killer-Zellen sowie eine beeinträchtigte Produktion pro-inflammatorischer Zytokine. Ausgangspunkt ist die intrazerebrale Freisetzung pro-inflammatorischer Zytokine bei Gewebsschädigung, die als Neurotransmitter über eine Aktivierung der Hypothalamus-Hypophysen-Achse, des Sympathischen und Parasympathischen Nervensystems eine Beeinträchtigung der systemischen Immunabwehr hervorrufen. In Tierstudien konnte intrazerebrales IL-1β als starker Aktivator der Immunreaktion identifiziert werden. Nach intrazerebraler Infusion von IL-1β fand sich eine verminderte Konzentration pro-inflammatorischer Zytokine, eine verminderte T-Zell-Proliferation, eine vermehrte Ausschüttung von anti- inflammatorischem IL-10, sowie eine vermehrte Zellinvasion in den Liquor. Ziel der vorliegenden Studie im Rattenmodell war der Nachweis einer erhöhten Pneumonierate bei Tieren, die intrazerebral IL-1β erhielten im Vergleich zu Kontrolltieren mit Vehikelinfusion. Alle Tiere wurden der Implantation einer ALZET-Pumpe unterzogen, die gleichmäßig die gewünschte Menge an Zytokin/Vehikellösung produzierte. Nach 18 Stunden nach Beginn der intrazerebralen Infusion erfolgte die intratracheale Bakteriengabe von Streptococcus pneumoniae. Die Lungen wurden mikrobiologisch aufgearbeitet und Bakterienkolonien und Zytokinkonzentrationen untersucht. Der Zeitpunkt der maximalen systemischen Immunsuppression wurde anhand der IL-10-Konzentration im Blut mittels Durchflusszytometrie auf 18 Stunden nach Beginn der intrazerebralen Infusion bestimmt. Die Auszählung der Bakterienkolonien ergab keinen signifikanten Unterschied zwischen Kontroll- und IL-1β-Tieren, jedoch zeigte sich in der Bronchiallavage eine signifikante Minderung der pro- inflammatorischen Zytokine IL-6, IL-1β, TNF-α und CINC. Obwohl sich keine Unterschiede in der Zellzählung der Alveolarmakrophagen zeigten, bestand im Differentialblutbild bei den IL-1β-Tieren ein granulozytäres Zellbild während bei den Kontrolltieren ein lymphozytäres Zellbild vorlag. Insgesamt konnte bei den IL-1β-Tieren keine erhöhte Pneumonierate festgestellt werden. Jedoch lässt die signifikante Verminderung der pro-inflammatorischen Zytokine in der Bronchiallavage auf eine Funktionsstörung der Alveolarmakrophagen nach intrazerebraler IL-1β-Infusion schließen. Diese ist jedoch nicht ausreichend, um eine Pneumonie hervorzurufen.

Infections are a leading cause of death in patients with acute brain injury, such as trauma, stroke or cerebral infection. It is well known that neurosurgical patients often develop early onset pneumonia after brain surgery or trauma. Infections after acute brain injury increase morbidity and mortality. Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae and Haemophilus influencae are found in most cases. Risk factors like dysphagia, aspiration and mechanical ventilation are not sufficient to induce pneumonia. Patients after brain injury show impaired T- and natural killer-cell activity, a deactivation of macrophages and monocytes and reduced phagocytotic activity of granulocytes. Brain injury leads to a local release of pro-inflammatory cytokines activating three mechanisms modulating the CNS injury-induced immunodepression: the sympathetic nervous system, the parasympathetic nervous system and the hypothalamic-pituitary-adrenal axis. In previous experiments we demonstrated the immunosuppressive effect of intracerebral infusion of IL-1β. This cytokine is produced in the brain after different types of brain injury. It can act as neurotransmitters and develop direct effects on the central nervous system. Moreover, IL-1β is a key cytokine in cerebral damage as well as brain repair processes. We hypothize, that cerebral release of pro- inflammatory cytokines induces the systemic production of anti-inflammatory cytokines, especially IL-10. This may lead to systemic immunodepression and influence pulmonary bacterial clearance and neutrophil recruitment. In order to prove our hypothesis a special animal model was developed. Rats received a continuous intracerebral infusion of IL-1β using ALZET-mini-pumps. After 18 hours they were infected with Streptococcus pneumoniae by intratracheal injection. Lung tissue was prepared to differentiate bacterial burden, clearance and neutrophile recruitment. Cytokines were measured in bronchoalveolar lavage. With this paradigm we could show decreased pro- inflammatory cytokine levels in the bronchoalveolar lavage in IL-1β\- treated animals. However, blood cell counts were not diminished but an increase of neutrophiles compared to lymphocytes in blood was demonstrated. Intracerebral IL-1β-infusion leads to diminution of cytokines leading to an impairment of neutrophil recruitment and cellular activity of alveolar-macrophages. However, this immunodepression did not lead to pneumonia after bacterial challenge. This suggests that immunodepression induced by intracerebral IL-1β is not powerful enough to induce pneumonia in this model.