A murine two-hit model to investigate the early time-course of inflammation in acute respiratory distress syndrome

Kanzler, Stephanie Sarah; Uhlig, Stefan; Pradel, Gabriele

doi:HT020922428

A murine two-hit model to investigate the early time-course of inflammation in acute respiratory distress syndrome = Ein Mausmodell zur Untersuchung des frühen Zeitverlaufes der Entzündung im akuten Lungenversagen

Kanzler, Stephanie Sarah

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stephanie Sarah Kanzler, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Uhlig, Stefan (Thesis advisor) ; Pradel, Gabriele (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04567
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/818679/files/818679.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
acute respiratory distress syndrome (frei) ; hyperinflammation (frei) ; hypoinflammation (frei) ; mice (frei) ; two-hit model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Das akute Lungenversagen (engl. acute respiratory distress syndrome (ARDS)) wurde erstmals 1967 beschrieben und ist ein klinisches Syndrom, das durch eine akute Hypoxämie und beidseitige Infiltrate in der Lunge, welche nicht durch ein Herzversagen oder eine Hypervolämie erklärt werden können, gekennzeichnet. Trotz mehr als 50 Jahren Forschung sind die Therapiemöglichkeiten noch immer begrenzt und die Mortalität bleibt mit etwa 40 % sehr hoch. Obwohl präklinischen Studien vielversprechende Ergebnisse erzielten, konnte bisher keine klinischen Studie ein Nutzen von pharmakologischen Therapien für menschliche ARDS-Patienten nachweisen. Deshalb konzentrieren sich aktuelle Diskussionen auf die Existenz verschiedener Subphänotypen innerhalb von ARDS-Patienten mit dem Ziel, klinische Studien sowie pharmakologische Therapien für jeden Patienten individuell zu entwickeln. Daher war das erste Ziel der vorliegenden Studie die Entwicklung eines Mausmodells unter besonderer Berücksichtigung der Etablierung eines hypo- und hyperinflammatorischen Subphänotyps des experimentellen ARDS. Des Weiteren zielte die vorliegende Studie darauf ab, die hyperinflammatorische Reaktion im Detail zu charakterisieren, um mit Hilfe des etablierten Modells wichtige Entzündungsmediatoren zu identifizieren. Das Mausmodel des experimentellen ARDS, bestehend aus einer intratrachealen Instillation von Lip-opolysacchariden (LPS) mit anschließender schädigender mechanischer Beatmung, wurde erfolgreich etabliert. Mildes und moderates experimentelles ARDS wurde durch verschiedene Dosen von LPS induziert, und physiologische Parameter sowie die Entzündungsreaktion wurden detailliert charakterisiert und als hypo- und hyperinflammatorische Subphänotypen des experimentellen ARDS identifiziert. Um das experimentelle ARDS-Modell weiter zu optimieren, wurde das Management von Kohlendioxid (CO2) bei Mäusen durch die Entwicklung eines Beatmungsadapters optimiert und die Methode der Durchflusszytometrie etabliert, um die Entzündungsreaktion im Detail zu charakterisieren. Das gut etablierte Mausmodell des ARDS wurde dann verwendet, um die hyperinflammatorische Reaktion in einer frühen Phase des Syndroms im Detail zu charakterisieren. Die Analyse von 21 verschiedenen Entzündungsmediatoren in der bronchoalveolären Lavage-Flüssigkeit zeigte signifikant erhöhte Spiegel von Interleukin-6 (IL-6), Chemokin (C-X-C motif) Ligand (CXCL) 1 und 2 (CXCL1 und CXCL2 stellen die murinen Homologe von humanem Interleukin 8 (IL-8) dar). Da diese Mediatoren in der klinischen Praxis als Biomarker für ARDS verwendet werden, deuten diese Daten auf einen hohen Grad der Übertragbarkeit auf die menschliche Situation hin. Darüber hinaus wurden zwei Mediatoren, nämlich CC-Chemokin-Ligand 2 (CCL2) und Granulozyten-Kolonie-stimulierende Faktor (G-CSF), als die wichtigsten Entzündungsmediatoren der hyperinflammatorischen Reaktion identifiziert, was darauf hindeutet, dass die Rekrutierung von Neutrophilen sowie ihre Lebensdauer in der Lunge die kritischsten Merkmale bei der fatalen Progression des Syndroms im hyperinflammatorischen Subphänotyp des experimentellen ARDS sind. Abschließend lässt sich festhalten, dass ein valides Mausmodell, insbesondere des hyperinflammatorischen Subphänotypen des experimentellen ARDS, erfolgreich etabliert wurde. Die Entzündungsmediatoren CCL2 und G-CSF erwiesen sich als spezifisch für die hyperinflammatorische Reaktion. Aus diesem Grund sollte ihr Potenzial als Biomarker für die Identifizierung des hyperinflammatorischen Subphänotyps des ARDS und als potenzielles Ziel für pharmakologische Interventionen in einer sehr frühen Phase des ARDS in weiteren Studien detailliert untersucht werden.

The acute respiratory distress syndrome (ARDS) was first described in 1967 and is a clinical syndrome that is characterised by an acute onset of hypoxemia and bilateral pulmonary opacities, which cannot be explained by cardiac failure or volume overload. Inspite of more than 50 years of research, therapies are still limited and the mortality remains high with about 40%. Although promising results were achieved in preclinical studies, no clinical trial was able to show benefit of pharmacotherapies for human ARDS patients. Consequently, recent discussions focus on the existence of different subphenotypes within ARDS patients with the aim to develop clinical studies as well as pharmacotherapies based on the clinical and biologic profile of each patient. Therefore, the first aim of the present study was to develop a murine two-hit model with special regard to the establishment of a hypo- and hyperinflammatory subphenotype of experimental ARDS. Secondly, the present study aimed at characterising the hyperinflammatory response in detail to identify key inflammatory mediators using the established model. The two-hit model of experimental ARDS, consisting of an intratracheal instillation of lipopolysaccha-rides (LPS) followed by injurious mechanical ventilation, was established successfully. Mild and moderate experimental ARDS was induced by different doses of LPS and physiological parameter as well as the inflammatory response were characterised in detail and identified as hypo- and hyperinflammatory like subphenotypes of experimental ARDS. To further optimise the experimental ARDS model, the management of carbon dioxide (CO2) in mice was optimised by the development of a ventilation adapter (VA) and flow cytometry was established to characterise the inflammatory response in detail. The nicely established murine model of ARDS was then used to characterise the hyperinflammatory response in an early phase of the syndrome in detail. The analysis of 21 different inflammatory media-tors in bronchoalveolar lavage fluid showed significantly elevated levels of Interleukin-6 (IL-6), chemokine (C-X-C motif) ligand (CXCL) 1 and 2 (CXCL1 and CXCL2 represent the mice homologues of human Interleukin 8 (IL-8)). As these mediators are used as biomarkers for ARDS in clinical practice, these data suggest a high degree of transferability into the human situation. In addition, two mediators, namely CC-chemokine ligand 2 (CCL2) and granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) were identified as key inflammatory mediators of the hyperinflammatory response, indicating that the recruitment of neutrophils as well as their life span within the lungs are the most critical features in the fatal progression of the syndrome in the hyperinflammatory subphenotype of experimental ARDS. In conclusion, a valid murine model of experimental ARDS was established and especially the hyperinflammatory subphenotype of experimental ARDS was modelled. The mediators CCL2 and G-CSF were found to be specific for the hyperinflammatory response and their potential as biomarkers for the identification of the hyperinflammatory subphenotype of ARDS and as target for pharmacological interventions in a very early phase of the syndrome should be evaluated in detail in future studies.

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