Effect van insuline en voeding op de aangeboren immuunrespons tijdens kritieke ziekte

Om te kunnen overleven, moet het menselijk lichaam zich beschermen tegen de voortdurende agressie van externe stressoren, alsook tegen endogenestress veroorzaakt door verouderende, dysfunctionele, gemuteerde, of beschadigde cellen. Bij ernstige stress zal het organisme ofwel snel herstellen en overleven, ofwel sterven. Dankzij ontwikkelingen in intensievegeneeskunde is de mens nu in staat om acute levensbedreigende ziektetoestanden te overleven. Helaas zullen niet alle patiënten binnen enkele dagen genezen van dit acuut insult. Deze patiënten belanden in een verlengde fase van kritieke ziekte, die gekenmerkt wordt door, onder andere,ernstige ontregeling van endocriene en immunologische homeostase-mechanismen.
 Traditioneel wordt ons immuunsysteem opgedeeld in aangeboren en verworven componenten. Het aangeboren immuunsysteem omvat de primitieve, eerstelijns-bescherming tegen invasie door micro-organismen en speelt ook een belangrijke rol in het herstel van weefselschade. Inflammatie is de fundamentele reactie die als doel heeft het schadelijke agens te verwijderen en de schade te herstellen. Ongecontroleerde inflammatie kan echter op zich bijkomende schade veroorzaken. Kritiek zieke patiënten zijn uitermate vatbaar voor complicaties als gevolg van een ontregelde inflammatie, die uiteindelijk leidt tot verlengde nood aan intensieve ondersteuning, orgaanfalen en eventueel overlijden.
 
Kritiek zieke patiënten ontwikkelen hyperglycemie gedurende acute stress. Deze respons werd lang beschouwd als een adaptief mechanisme dat een verhoogd aanbod aan glucose verzekert voor organen die afhankelijk zijn van glucose voor energievoorziening maar geen insuline nodighebben voor glucoseopname. Helaas, bij langdurige stress persisteert deze hyperglycemie, die op zich in staat is de inflammatoire cascade verder aan te wakkeren en geassocieerd is met verhoogde morbiditeit en mortaliteit. Onze onderzoeksgroep toonde in drie grote gerandomiseerde studiesaan dat strikte glycemiecontrole met intensieve insulinetherapie (IIT) de morbiditeit en mortaliteit vermindert bij kritieke ziekte in vergelijking tot het tolereren van stress hyperglycemie (conventionele insulinetherapie, CIT). Deze interventie zorgde voor een reductie in infectieuze complicaties en ook voor preventie van excessieve inflammatie en orgaandysfunctie. Zowel voorkomen van hyperglycemie als toediening van insulinekunnen bijgedragen hebben tot de gunstige  effecten van de therapie. Tegen de verwachtingen in konden we, buiten een verlaging van het C-reactieve proteïne (CRP), geen effect aantonen van intensieve insulinetherapie op de klassieke pro-inflammatoire cytokines, dewelke traditioneel als centrale mediatoren van inflammatie na trauma of infectie beschouwd worden. De vraag rees dus naar mogelijke interactie met andere componenten van het aangeboren immuunsysteem.
 
In dit doctoraatsproject probeerden we meer inzicht te krijgen in hoe kritieke ziekte het aangeboren immuunsysteem beïnvloedt, in relatie tot de typische complicaties, en wat het effect van strikte glycemiecontrole met insulinetherapie hierop is. Aangezien de gunstige effecten van de therapie niet konden verklaard worden door veranderingen in de klassieke pro-inflammatoire cytokines, stelden we de hypothese voorop dat andere paden geïmpliceerd zijn. In dit verband richtten we ons op de studie van verscheidene componenten van de receptor for advanced glycation end-products (RAGE)-as, sCD163 als merker van macrofaag-activatie, en de lectine-pathway vancomplement-activatie. Daarnaast peilden we naar de eventuele rol van genetische predispositie in het verwerven van de typische complicaties vanverlengde kritieke ziekte, een inzicht dat in de toekomst richting zou kunnen geven bij het nemen van preventieve en therapeutische maatregelenbij de individuele patiënt.
 
Activatie van de RAGE-asdoor binding van liganden aan de receptor leidt tot amplificatie en bestendiging van inflammatie. Onder meer via NF-κB-activatie worden pro-inflammatoire cytokines en chemokines geproduceerd en treedt receptor-upregulatie op, waardoor een positieve feedback-loop van aanhoudende inflammatie ontstaat. Aldus wordt RAGE-activatie in verband gebracht met inflammatie, orgaanschade en slechte outcome in onder meer sepsis, myocarddysfunctie en acute longbeschadiging. Uit de diabetesliteratuur blijkt bovendien dat hyperglycemie een centrale rol speelt in het ontwikkelen van de typische inflammatoire diabetes-gerelateerde complicaties, onder meer via hyperglycemie-geïnduceerde productie van advanced glycation end-products, wat leidt tot toename van oxidatieve stress en RAGE-activatie. Andere liganden voor RAGE zijn high-mobility group box 1 (HMGB1, een nucleair eiwit dat voorkomt in alle cellen en vrijgezet wordt bij celschadeof celdood) en S100A12 (een typisch danger-signaaleiwit, dat vrijgezet wordt door neutrofielen). sRAGE is de gekliefde, circulerende vorm vanRAGE, dewelke mogelijk als een decoy-receptor functioneert en aldus tegen verdere RAGE-activatie zou beschermen.
We bestudeerden de relatie tussen sRAGE, HMGB1 en S100A12 enerzijds en baseline factoren en klinische outcome anderzijds in een grote heterogene populatie van langdurigkritiek zieke patiënten die opgenomen werden op de intensieve zorgenafdeling na majeure chirurgie. Hierbij vergeleken we deze mediatoren ook met CRP, de klassiek gemeten klinische parameter van inflammatie. sRAGE, HMGB1, S100A12 en CRP waren verhoogd bij opname op de intensieve zorgenafdeling. HMGB1, S100A12 en CRP daalden in de loop van het verblijf op de intensieve zorgenafdeling, maar bleven systematisch verhoogd in vergelijking met gezonde controles. sRAGE daalde daarentegen tot waardes die significant lager waren dan bij gezonde vrijwilligers. In vergelijking met andere chirurgie was cardiale heelkunde geassocieerd met een lagere graad van inflammatie, gereflecteerd in een lagere CRP-piek bij opname, met ook lagere waarden voor HMGB1 en S100A12. Anderzijds was sepsis bij opname geassocieerd met een hoger CRP en hogere HMGB1 en S100A12 spiegels. sRAGE verschilde niet voor deze basiskenmerken. In het bijzonder bleek een verhoogde sRAGE bij opname geassocieerd met een hoger risico op hospitaalmortaliteit en orgaandysfunctie (leverdysfunctie, nood aan niervervangende therapie en hemodynamische ondersteuning). Ook in multivariabele analyse bleef sRAGE een onafhankelijke predictor van orgaandysfunctie. Helaas bleek onze gerandomiseerde IIT interventie  tegen de verwachting in geen effect te hebben op de circulerende spiegels van sRAGE, HMGB1 en S100A12. Uit deze studie concluderen we dat kritieke ziekte verschillende componenten van de RAGE-as beïnvloedt en dat in het bijzonder sRAGE geassocieerd is met klinische complicaties. Waarschijnlijk weerspiegelt sRAGE hier aanhoudende inflammatie en shedding van de receptor.
 
CD163 is een receptor die exclusief voorkomt op monocyten en macrofagen en die beschouwd wordt als een merker van macrofaag-activatie. Deze receptor, die hemoglobine-haptoglobine complexen verwijdertuit de circulatie, speelt een rol in de resolutie van inflammatie. Onder inflammatoire stimuli wordt de receptor echter van het membraanoppervlak gekliefd. De vrijgekomen, circulerende vorm, soluble CD163 of sCD163, weerspiegelt aldus aanhoudende inflammatie. sCD163 werd bestudeerd als predictor van morbiditeit en mortaliteit in kleine uniforme groepen van patiënten met systemische inflammatie (SIRS), pneumokokken bacteriëmieen leverfalen, en in chronische inflammatoire aandoeningen.
We bestudeerden sCD163 in een grote groep van kritiek zieke patiënten met uiteenlopende pathologieën. We includeerden zowel chirurgische als medische patiënten en zowel langdurig kritiek zieke patiënten als patiënten meteen korte nood aan intensieve verzorging.
Kritiek zieke patiënten vertoonden hogere sCD163 waarden bij opname op de intensieve zorgenafdeling in vergelijking met gezonde controles. Hoge opnamewaardes waren geassocieerd met een verhoogd risico op overlijden, ontwikkelen van orgaanfalen (leverdysfunctie en nierinsufficiëntie), alsook met een verlengd verblijf op de intensieve zorgenafdeling, maar niet met infectie (bacteriëmie). De reeds verhoogde sCD163-waarde bij opname steeg verder door tijdens het verblijf, in het bijzonder bij patiënten die orgaanfalen ontwikkelden en bij patiënten die uiteindelijk zouden overlijden. Het voorkomen van hyperglycemie met IIT, kon in beperkte mate de verhoging van sCD163 tegengaan. In leverbiopsies die beschikbaar waren voor een subgroep van overleden patiënten bleek CD163 gen-expressie verdubbeld te zijn in vergelijking met controles die ongecompliceerde electieve chirurgie ondergingen en correleerde deze gen-expressie met sCD163 waardes gemeten in serum. sCD163 is dus verhoogd gedurende kritieke ziekte, met de lever als potentiële bron. Deze studie onderstreept de associatie tussen verhoogdesCD163 en orgaanschade en mortaliteit in kritieke ziekte. Behoud van normoglycemie met insuline verlaagde de circulerende sCD163 waardes, kaderend in het anti-inflammatoir effect van deze therapie.
 
Klinische studies op de intensieve zorgenafdeling hebben vaak kinderen geëxcludeerd, omdat ze slechts een kleine populatie vertegenwoordigen, gespreid over verschillende ontwikkelingsstadia. Al te vaak wordenresultaten voor volwassenen geëxtrapoleerd naar kinderen. In dit opzicht vertegenwoordigt een grote, gerandomiseerde studie over IIT in onze pediatrische intensieve zorgenafdeling een mijlpaal. Kinderen worden op deintensieve zorgenafdeling opgenomen na majeure chirurgie, levensbedreigend trauma of ernstige infecties. Systemische inflammatie, uitgelokt door verschillende factoren, is een ernstige complicatie die gepaard gaat met hoge morbiditeit. Ook zijn kritiek zieke kinderen vatbaar voor nosocomiale infecties. Waarom sommige kinderen meer vatbaar zijn voor deze complicaties is intrigerend en induceert de vraag of genetische predispositie een rol kan spelen. Deficiënties in complement-activatie werden in verband gebracht met verhoogde vatbaarheid voor infecties bij jonge kinderen met een nog immatuur adaptief immuunsysteem (zoals neonaten) en bij kinderen met geassocieerde pathologieën (zoals kanker). In deze situatiesstoelt het bestrijden van infectie grotendeels op de integriteit van het aangeboren immuunsysteem. Het complementsysteem speelt specifiek een centrale rol in ontsteking en herstel na weefselschade, in opsonisatie enklaring van immuuncomplexen en in lysis van micro-organismen. Zowel onvoldoende als excessieve activatie  van de complementcascade kan schadelijk zijn. Mannose-bindend lectine (MBL) en ficolines zijn circulerende receptoreiwitten die bepaalde patronen of chemische structuren op bijvoorbeeld micro-organismen herkennen en binden. Daarnaast  vormen ze complexen met een MBL-geassocieerd serineprotease (MASP) of MBL-geassocieerd eiwit (MAP). MBL/MASP- of ficoline/MASP-complexen activerendan het complementsysteem via wat men noemt de lectine-route van complement-activatie.
 
We bestudeerden de serumspiegels van MBL, MASP-1, MASP-2, MASP-3 en MAp44, alsook van M- en H-ficoline in alle kritiek zieke kinderen die geïncludeerd werden in de gerandomiseerdestudie naar IIT en in een groep gezonde kinderen. Zoals reeds aangetoond voor gezonde kinderen vonden we ook een grote leeftijdsgebonden variatie in de eiwitten van de lectine-pathway in de kritiek zieke kinderen. Serumspiegels van MASP-1, MASP-2, MASP-3 en MAp44 waren lager bij kritiekzieke kinderen dan bij hun gezonde leeftijdsgenootjes, terwijl de spiegels van M-ficoline verhoogd waren bij opname op de intensieve zorgenafdeling. In het bijzonder bleek een lage serumspiegel van MASP-3 bij opnameonafhankelijk geassocieerd te zijn met risico op het verwerven van een nieuwe infectie en op een verlengd verblijf op de intensieve zorgenafdeling. Deze associatie bleef bestaan zelfs na correctie voor andere risicofactoren. MASP-3 spiegels varieerden niet alleen in functie van leeftijd, maar ook in functie van ziekte-ernst en genetische variatie in twee van een hele reeks onderzochte genetische polymorfismen in het MASP-1 gen (coderend voor MASP-1, MASP-3 en MAp44). Deze genetische variatie wasechter niet gerelateerd met outcome.  De distributie van allelen voor deze polymorfismen was gelijkaardig voor patiënten en controles. Dit wijst erop dat genetische variatie in de onderzochte polymorfismen geen predispositie tot ontwikkelen van kritieke ziekte met zich meebrengt, noch bijdraagt tot slechte outcome van kritiek zieke kinderen op de intensieve zorgenafdeling. In een subgroep van de patiënten analyseerden we eveneens profielen van de vernoemde eiwitten om enige invloed van de gerandomiseerde interventie (IIT) te bestuderen. In deze subgroep waren de spiegels voor deze eiwitten echter vergelijkbaar voor IIT en CIT patiëntjes. Aldus konden we aantonen dat lage serumspiegels van MASP-3 bij opname van kritiek zieke kinderen op de intensieve zorgenafdeling onafhankelijk geassocieerd zijn met het risico op het verwerven van een nieuwe infectie en met een langere nood aan intensieve verzorging, terwijl IIT geen invloed heeft op de verschillende eiwitten van de lectine-route van complement-activatie.
 Zoals aangegeven reduceert het voorkomen van stress-gerelateerde hyperglycemie met intensieve insuline therapie tijdens kritieke ziekte de mortaliteit en morbiditeit, met onder meer een lagere incidentie van nieuwe infecties en afzwakking van excessieve inflammatie, maar had deze interventie echter geen effect op een hele reeks cytokines. Samenvattend kunnen we stellen dat onze studies geen duidelijke verdere verklaring voor dit effect hebben gevonden met enkel een effect van de interventie op sCD163. De bestudeerde pathways hebben desondanks belangrijke signalen gecapteerd, aangezien verscheidene componenten van deze inflammatoire pathways sterk geassocieerd bleken met outcome van de patiënten. Wat de biologische betekenis en implicaties hiervan concreet zijn, moet nog blijken uit verder onderzoek. Bijkomende epidemiologische en moleculaire studies zijn nodig om deze nieuwe inzichten,in een relatief weinig ontgonnen domein van complexe processen bij de kritiek zieke patiënt, verder te ontrafelen.