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Inflammation und perioperative Organdysfunktion

Inflammation and perioperative organ dysfunction

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Zusammenfassung

Das Immunsystem stellt eine wirksame Verteidigung gegen eindringende Pathogene dar, die mit der Rekrutierung von Immunzellen und Einleitung einer Entzündungsreaktion einhergeht. Diese kann ebenfalls durch nichtinfektiöse Reize, z. B. einen größeren chirurgischen Eingriff, ausgelöst werden und Gewebszerstörung sowie Organfunktionsstörungen bedingen. Der Organismus kann viele Stimuli, die im Rahmen eines größeren chirurgischen Eingriffs freigesetzt werden, nicht adäquat von exogenen Pathogenen unterscheiden. Daher besteht, insbesondere bei großen chirurgischen Eingriffen, ein hohes Risiko für systemische Entzündungsreaktionen. Diese überschießende Immunantwort führt zur Sekretion proinflammatorischer Zytokine, endothelialer Dysfunktion, Glykokalyxschädigung, Aktivierung von Leukozyten sowie Gewebe- und Organzerstörung. Dieser Beitrag behandelt molekulare Grundlagen der chirurgisch-assoziierten Entzündungsreaktion, die Abgrenzung zu anderen entzündlichen Komplikationen und therapeutische Optionen.

Abstract

The immune system is an effective defense against invading pathogens and is accompanied by recruitment of immune cells and initiation of an inflammatory reaction. This can also be triggered by noninfectious stimuli, e.g. a large surgical intervention and cause severe tissue destruction and organ dysfunction. The organism cannot distinguish many stimuli that are released during a large surgical intervention from exogenous pathogens. Therefore, there is a high risk for the occurrence of systemic inflammatory reactions, particularly in large surgical interventions. This excessive immune response leads to release of proinflammatory cytokines, endothelial dysfunction, damage to the glycocalyx, activation of leukocytes as well as tissue and organ destruction. This article summarizes the molecular principles of the surgery-associated inflammatory reaction, the differentiation from other inflammatory complications and treatment options.

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Literatur

  1. Singer M et al (2016) The third international consensus definitions for sepsis and septic shock (sepsis-3). JAMA 315(8):801–810

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. Cai X et al (2018) Thickness of subcutaneous fat is a predictive factor of Incisional surgical site infection in Crohn’s disease surgery: a retrospective study. Gastroenterol Res Pract. https://doi.org/10.1155/2018/1546075

    Article  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  3. Larsen R et al (2010) A central role for free heme in the pathogenesis of severe sepsis. Sci Transl Med 2(51):51–ra71

    Article  Google Scholar 

  4. Bonventre JV, Yang L (2011) Cellular pathophysiology of ischemic acute kidney injury. J Clin Invest 121(11):4210–4221

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. Bianchi ME (2007) DAMPs, PAMPs and alarmins: all we need to know about danger. J Leukoc Biol 81(1):1–5

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. Denk S, Perl M, Huber-Lang M (2012) Damage- and pathogen-associated molecular patterns and alarmins: keys to sepsis? Eur Surg Res 48(4):171–179

    Article  CAS  Google Scholar 

  7. Margraf A et al (2018) 6 % Hydroxyethyl starch (HES 130/0.4) diminishes glycocalyx degradation and decreases vascular permeability during systemic and pulmonary inflammation in mice. Crit Care 22(1):111

    Article  Google Scholar 

  8. Roh JS, Sohn DH (2018) Damage-associated molecular patterns in inflammatory diseases. Immune Netw 18(4):e27

    Article  Google Scholar 

  9. Sandler N et al (2018) Mitochondrial DAMPs are released during cardiopulmonary bypass surgery and are associated with postoperative atrial fibrillation. Heart Lung Circ 27(1):122–129

    Article  Google Scholar 

  10. Timmermans K et al (2016) Plasma levels of danger-associated molecular patterns are associated with immune suppression in trauma patients. Intensive Care Med 42(4):551–561

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. Huber-Lang M, Lambris JD, Ward PA (2018) Innate immune responses to trauma. Nat Immunol 19(4):327–341

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. Burk AM et al (2012) Early complementopathy after multiple injuries in humans. Shock 37(4):348–354

    Article  Google Scholar 

  13. Turner MD et al (2014) Cytokines and chemokines: at the crossroads of cell signalling and inflammatory disease. Biochim Biophys Acta 1843(11):2563–2582

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. Cruickshank AM et al (1990) Response of serum interleukin‑6 in patients undergoing elective surgery of varying severity. Clin Sci 79(2):161–165

    Article  CAS  Google Scholar 

  15. Roth-Isigkeit A et al (1998) Perioperative cytokine release during coronary artery bypass grafting in patients of different ages. Clin Exp Immunol 114(1):26–32

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. Kline R et al (2016) Peri-operative inflammatory cytokines in plasma of the elderly correlate in prospective study with postoperative changes in cognitive test scores. Int J Anesthesiol Res 4(8):313–321

    CAS  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  17. Pinheiro de Oliveira R et al (2010) Mechanical ventilation with high tidal volume induces inflammation in patients without lung disease. Crit Care 14(2):R39

    Article  Google Scholar 

  18. Zhou X et al (2010) Conceptual and methodological issues relevant to cytokine and inflammatory marker measurements in clinical research. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 13(5):541–547

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. Hunt BJ, Jurd KM (1998) Endothelial cell activation. A central pathophysiological process. BMJ 316(7141):1328–1329

    Article  CAS  Google Scholar 

  20. Pillinger NL, Kam P (2017) Endothelial glycocalyx: basic science and clinical implications. Anaesth Intensive Care 45(3):295–307

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Arokiasamy S et al (2019) Heparanase-dependent remodeling of initial lymphatic Glycocalyx regulates tissue-fluid drainage during acute inflammation in vivo. Front Immunol 10:2316

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. Nakamura K et al (2004) High, but not low, molecular weight hyaluronan prevents T‑cell-mediated liver injury by reducing proinflammatory cytokines in mice. J Gastroenterol 39(4):346–354

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. Zhang X et al (2013) Syndecan‑1, a cell surface proteoglycan, negatively regulates initial leukocyte recruitment to the brain across the choroid plexus in murine experimental autoimmune encephalomyelitis. J Immunol 191(9):4551–4561

    Article  CAS  Google Scholar 

  24. Margraf A, Ley K, Zarbock A (2019) Neutrophil recruitment: from model systems to tissue-specific patterns. Trends Immunol 40(7):613–634

    Article  CAS  Google Scholar 

  25. Girbl T et al (2018) Distinct compartmentalization of the chemokines CXCL1 and CXCL2 and the atypical receptor ACKR1 determine discrete stages of neutrophil diapedesis. Immunity 49(6):1062–1076e6

    Article  CAS  Google Scholar 

  26. McDonald B, Kubes P (2012) Neutrophils and intravascular immunity in the liver during infection and sterile inflammation. Toxicol Pathol 40(2):157–165

    Article  CAS  Google Scholar 

  27. Yang W et al (2019) Neutrophils promote the development of reparative macrophages mediated by ROS to orchestrate liver repair. Nat Commun 10(1):1076

    Article  Google Scholar 

  28. Raup-Konsavage WM et al (2018) Neutrophil peptidyl arginine deiminase‑4 has a pivotal role in ischemia/reperfusion-induced acute kidney injury. Kidney Int 93(2):365–374

    Article  CAS  Google Scholar 

  29. Degos V et al (2013) Depletion of bone marrow-derived macrophages perturbs the innate immune response to surgery and reduces postoperative memory dysfunction. Anesthesiology 118(3):527–536

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. Zarbock A et al (2015) Effect of remote Ischemic preconditioning on kidney injury among high-risk patients undergoing cardiac surgery A randomized clinical trial. JAMA 313(21):2133–2141

    Article  CAS  Google Scholar 

  31. Trauer J et al (2017) Quantifying the effects of prior Acetyl-salicylic acid on sepsis-related deaths: an individual patient data meta-analysis using propensity matching. Crit Care Med 45(11):1871–1879

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. Prudovsky I et al (2019) Tranexamic acid suppresses the release of mitochondrial DNA, protects the endothelial monolayer and enhances oxidative phosphorylation. J Cell Physiol 234(11):19121–19129

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. Carter DW et al (2019) Tranexamic acid suppresses the release of mitochondrial DAMPs and reduces lung inflammation in a murine burn model. J Trauma Acute Care Surg 86(4):617–624

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. Okada H et al (2020) Vascular endothelial injury exacerbates coronavirus disease 2019: The role of endothelial glycocalyx protection. Microcirculation. https://doi.org/10.1111/micc.12654

    Article  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  35. Schott U et al (2016) The endothelial glycocalyx and its disruption, protection and regeneration: a narrative review. Scand J Trauma Resusc Emerg Med 24:48

    Article  Google Scholar 

  36. Briegel J (2019) High-dose vitamin C administration in patients with sepsis and acute respiratory distress syndrome: comments on the CITRIS-ALI study. Anaesthesist 68(12):852–853

    Article  CAS  Google Scholar 

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Author information

Authors and Affiliations

  1. Klinik für Anästhesiologie, operative Intensivmedizin und Schmerztherapie, Universitätsklinikum Münster, Albert-Schweitzer-Campus 1, Gebäude A1, 48149, Münster, Deutschland

    Jan Rossaint &  Andreas Margraf

Authors
  1. Jan Rossaint
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  2. Andreas Margraf
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Corresponding author

Correspondence to Jan Rossaint.

Ethics declarations

Interessenkonflikt

Gemäß den Richtlinien des Springer Medizin Verlags werden Autoren und Wissenschaftliche Leitung im Rahmen der Manuskripterstellung und Manuskriptfreigabe aufgefordert, eine vollständige Erklärung zu ihren finanziellen und nichtfinanziellen Interessen abzugeben.

Autoren

J. Rossaint: A. Finanzielle Interessen: Forschungsförderung zur persönlichen Verfügung: Sachmittelanträge: Deutsche Forschungsgemeinschaft, IZKF Münster. – Referentenhonorar oder Kostenerstattung als passiver Teilnehmer: Curriculäre Fortbildung Kardioanästhesie (Ärztekammer Westfalen-Lippe), Deutscher Anästhesiecongress der DGAI. – B. Nichtfinanzielle Interessen: W3-Professor, WWU Münster | Mitgliedschaften: DGAI, ESA, ASA. A. Margraf: A. Finanzielle Interessen: geldwerte Leistungen: Forschungsförderung IZKF Münster (SEED-Nachwuchsgruppe), finanziell: DGAI Forschungsstipendium der Freseniusstiftung, Forschungspreis der Gesellschaft für Neonatologie und Pädiatrische Intensivmedizin. – B. Nichtfinanzielle Interessen: angestellter Arzt, Clinician Scientist, Postdoc/Nachwuchsgruppenleiter, Assistenzarzt, Klinik für Anästhesiologie, operative Intensivmedizin und Schmerztherapie des Universitätsklinikums Münster | Mitgliedschaften: Gesellschaft für Neonatologie und Pädiatrische Intensivmedizin, Deutsche Gesellschaft für Thrombose und Hämostaseforschung, Deutsche Kardiologische Gesellschaft, European Society of Anaesthesiology, Deutsche Gesellschaft für Anästhesiologie und Intensivmedizin, Deutsche Physiologische Gesellschaft.

Wissenschaftliche Leitung

Die vollständige Erklärung zum Interessenkonflikt der Wissenschaftlichen Leitung finden Sie am Kurs der zertifizierten Fortbildung auf www.springermedizin.de/cme.

Der Verlag

erklärt, dass für die Publikation dieser CME-Fortbildung keine Sponsorengelder an den Verlag fließen.

Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.

Additional information

Wissenschaftliche Leitung

T. Fuchs-Buder, Nancy

A.R. Heller, Augsburg

M. Rehm, München

M. Weigand, Heidelberg

A. Zarbock, Münster

CME-Fragebogen

CME-Fragebogen

Was kennzeichnet typischerweise eine Entzündungsreaktion?

Diese ist physiologischerweise eigentlich nicht sinnvoll, da Infektionen immer mittels Breitbandantibiotika behandelt werden können.

Sie basiert auf der Verminderung der Rekrutierung von Leukozyten.

Sie ist physiologischerweise streng kontrolliert, um eine adäquate Pathogenbekämpfung ohne eine Schädigung des Organismus selbst zu erreichen.

Diese ist medizinisch beim Legen eines i.v.-Zugangs anzustreben und erkennbar anhand von Schwellung, massiver Rötung und Erwärmung.

Sie basiert auf nacheinander und nicht gleichzeitig ablaufenden Prozessen der Entzündungszellrekrutierung, Glykokalyxschädigung und Endothelschädigung.

Welche Auswirkungen hat ein chirurgisches Trauma typischerweise?

Freisetzung von „damage associated molecular patterns“ (DAMPs), welche eine Rekrutierung von Immunzellen bedingen.

Wiederherstellung der Organhomöostase, wodurch eine Freisetzung von „damage associated molecular patterns“ (DAMPs) verhindert wird.

Schädigung einer Gewebeschicht, wobei die Schädigung der subkutanen Fettschicht im Gegensatz zur Hautschicht keinen Einfluss auf Entzündungen und postoperative Infektionen hat.

Lokal begrenzte Entzündung ohne Risiko der Auslösung einer systemischen Entzündungsreaktion.

Risiko für sterile Inflammationsreaktionen, ohne Risiko septischer (infektionsassoziierter) Komplikationen.

Was zeichnet die aktuelle Sepsisdefinition aus?

Beschreibung einer adäquaten Immunantwort auf einen infektiösen Reiz.

Benennung und Inklusion des „systemic inflammatory response syndrome“ (SIRS).

Sie beschreibt ein lokal ablaufendes Entzündungsgeschehen, welches die Freisetzung von DAMPs in einem abgegrenzten Organkompartiment beinhaltet.

Sie beinhaltet nach Sepsis-3-Definition ein Scoring-System anhand des „quick Sequential Organ Failure Assessment (qSOFA) Score“.

Sie bezieht sich auf die klassische klinische Entzündungstrias aus Rötung, Schwellung, Schmerzen.

Was ist entscheidend für die Auslösung und Potenzierung eines Organschadens?

Hohe Tidalvolumina führen zu einer verminderten Freisetzung von Tumor-Nekrose-Faktor‑α (TNF-α).

Freies Häm führt zu einer Potenzierung des Organschadens.

Im Gegensatz zu „C‑X‑C-motif chemokine ligand 1“ (CXCL1) spielt CXCL2 keine Rolle in der Rekrutierung von neutrophilen Granulozyten.

Durch eine akute, operativ-bedingte, einzeitige Ischämie-Reperfusion werden keine Entzündungsmediatoren freigesetzt.

Die Freisetzung von „damage associated molecular patterns“ (DAMPs) vermindert die endotheliale Permeabilität.

Was gehört nicht zur Klasse der „damage associated molecular patterns“ (DAMPs)?

S‑100

Heparansulfat

Formylpeptid

LL-37

„Transforming growth factor β“ (TGF-β)

Welche Funktion wird der Glykokalyx u. a. zugeschrieben?

Mechanotransduktionssensor

pH-Sensor

Elektrolytsensor

O2-Sensor

Stickstoffmonoxid(NO)-Sensor

Welche Therapieoption steht Ihnen nach aktuellem Wissensstand zur Verminderung einer Immunantwort zur Verfügung?

Die Ventilation eines intubierten Patienten mit hohen Tidalvolumina zur verminderten Freisetzung von Entzündungsmediatoren.

Die CytoSorb-Technologie, welche eine ausgeprägte Wirkung im Rahmen des kardiopulmonalen Bypass auf die Zytokinspiegel zeigte.

Der Einsatz von Propofol zur Unterdrückung der Funktion neutrophiler Granulozyten.

Die dauerhafte Unterbindung der lokalen Blutzufuhr des zu operierenden Organs (Ischämie) während des gesamten operativen Eingriffs.

Die organspezifische Blockade der Infiltration von Leukozyten mittels systemischer Kolloidadministration.

Ein Patient nach erfolgter kardiochirurgischer Myokardrevaskularisierung mit Herz-Lungen-Maschinen-Einsatz zeigt postoperativ steigende Retentionswerte und in der Thoraxröntgenaufnahme bipulmonale Verschattungen sowie erhöhte Interleukin‑6(IL‑6)-Werte. Woran denken Sie bei Vorliegen dieser Konstellation am ehesten?

Mit höchster Wahrscheinlichkeit handelt es sich um eine perioperativ erworbene Pneumonie.

Die bipulmonalen Verschattungen sind unabhängig von den Retentionswerten zu betrachten und sprechen für eine stattgehabte Aspiration.

Es ist wahrscheinlich, dass die erhöhten Retentionswerte Ausdruck eines präoperativ bestehenden chronischen Nierenversagens sind.

Die Zusammenschau der Befunde in Kenntnis der Operation sind Hinweise für eine ausgeprägte systemische perioperative Inflammation.

Eine Kontamination der Herz-Lungen-Maschine ist wahrscheinlich, da ansonsten kein Hinweis für einen Infektions- oder Entzündungsfokus besteht.

Ein Patient befragt Sie in der anästhesiologischen Sprechstunde zu dem Krankheitsbild „Sepsis“, von welchem er im Rahmen des Welt-Sepsis-Tags gelesen hat. Er befürchtet nun, dass er im Rahmen einer bevorstehenden Knieoperation eine umgangssprachliche Blutvergiftung erleiden und nicht mehr aufwachen werde. Nachdem Sie empathisch und ehrlich auf das Anliegen eingegangen sind, bezieht er sich auf eine wissenschaftliche Untersuchung zu Polytraumapatienten, von der er gehört habe, und möchte wissen, ob es denn einen Zusammenhang zwischen Operation, Trauma und Entzündung gibt. Welche Aussage tätigen Sie am ehesten, um den Patienten korrekt zu informieren?

„Ein solch kleiner invasiver Eingriff wie ihre Knieoperation hat keinerlei Risiko für eine systemische Entzündungsreaktion.“

„Eine Sepsis ist im Rahmen eines lokalen Knieeingriffs ausgeschlossen. Dennoch besteht ein Zusammenhang zwischen Trauma und Entzündung.“

„Traumata, wie z. B. auch Operationen, gehen mit einer Entzündungsreaktion einher, welche durch perioperativ eingesetzte Medikamente und Maßnahmen beeinflusst werden kann.“

„Traumata führen einzig durch das Eindringen von Pathogenen zu der Auslösung einer Entzündungsreaktion. Daher wird bei allen Patienten eine perioperative Antibiotikaprophylaxe durchgeführt.“

„Operationen und Traumata führen gleichermaßen zur Auslösung einer systemischen Inflammationsreaktion. Der einzige Unterschied ist aber, dass die verwendeten Anästhetika das Operationstrauma limitieren, dies bei Polytraumapatienten jedoch nicht der Fall ist.“

Im Rahmen der Behandlung eines unfallchirurgischen Patienten wird im interdisziplinären Team die Gabe von Tranexamsäure diskutiert. Im Hinblick auf das weitere Outcome des Patienten gehen Sie mögliche Effekte einer Administration durch. Welche Wirkung wird Tranexamsäure u. a. laut aktueller Studienlage zugeschrieben?

Tranexamsäure wirkt über Toll-like-Rezeptor 4 (TLR-4) auf die Endothelpermeabilität.

Tranexamsäure unterdrückt die Freisetzung mitochondrialer DAMP und zeigt antiinflammatorische Effekte.

Tranexamsäure wirkt selbst als „damage associated molecular pattern“ (DAMP) und bedingt hierdurch eine Rekrutierung von Immunzellen.

Es gibt aktuell keine Hinweise auf mögliche immunmodulatorische Effekte von Tranexamsäure.

Tranexamsäure wirkt über Freisetzung des „damage associated molecular pattern“ (DAMP) „high-mobility group protein 1“ (HMGB-1) proinflammatorisch.

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Rossaint, J., Margraf, A. Inflammation und perioperative Organdysfunktion. Anaesthesist 70, 83–92 (2021). https://doi.org/10.1007/s00101-020-00886-4

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