Titelaufnahme

Titel
The impact of hemolysis and heme release on the susceptibility to bacterial infections / submitted by Rui Martins, MSc.
Verfasser / VerfasserinMartins, Rui
GutachterKnapp, Sylvia
ErschienenWien, 2016
UmfangXXI, 105 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)hämolyse / bakterien / infektion / häm freisetzung / häm / phagozytose / dock8 / actin / zytoskelett
Schlagwörter (EN)hemolysis / bacteria / infection / heme release / heme / phagocytosis / dock8 / actin / cytoskeleton
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-9351 Persistent Identifier (URN)
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The impact of hemolysis and heme release on the susceptibility to bacterial infections [17.73 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Extensive intravaskuläre Hämolyse kennzeichnet das Krankheitsbild Sepsis, Malariainfektion und Hämoglobin-Erkrankungen wie Sichelzellanämie oder und Thalassämie, und wird so zur ernsten Gefahr für Millionen von Patienten weltweit. Zerstörung von Erythrozyten im Zuge der Hämolyse führt zur Freisetzung deren intrazellulärer Inhalte in die Blutbahn und zu einem erhöhten Blutplasma-Hämoglobinspiegel, mit anschließender Freisetzung der Häm-Einheit. Ein Überschuss an Hämoglobin im Blutplasma kann rasch die schützenden Aufnahmekapazitäten von Häm-bindenden Plasmaproteinen wie Hemopexin übersteigen, wodurch freies Häm mit anderen Plasmakomponenten und Zelloberflächenproteinen interagieren oder unkontrolliert Plasmamembranen überqueren kann. Einmal aus Hämoproteinen freigesetzt, kann Häm Zellen und Organe durch unbeschränkte Produktion von reaktiven Sauerstoffradikalen schädigen, und ist dadurch ein Hauptfaktor für Organschäden nach Hämolyse. Schon seit Langem wurde beobachtet, dass hämolytische Erkrankungen oder Hämolyse selbst Patienten für tödliche bakterielle Infektionen anfällig machen. Da Häm ein eisenhaltiger Protoporphyrin IX-Ring ist, wurde dies auf erhöhte Eisenverfügbarkeit für den bakteriellen Stoffwechsel zurückgeführt, obwohl dafür klare Beweise fehlen.

Die vorgestellte Arbeit leitet sich von der Hypothese ab, dass Hämfreisetzung für die erhöhte Infektanfälligkeit nach Hämolyse verantwortlich ist, wobei Häm die Immunantwort gegen Bakterien über seine potentielle Rolle als Eisenquelle hinaus negativ beeinflusst.

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass ein überhöhter Hämspiegel in der Blutbahn, wie er nach Hämolyse vorkommt, hinreichend ist um fulminante Bakteriämie und Tod durch Sepsis zu fördern. Überraschenderweise ist dieser Effekt unabhängig von der Aufnahme von Hämeisen durch Bakterien, da ein ähnlicher Überschuss an freiem Eisen die Effekte von Häm nicht replizierte. Des Weiteren wurde selbst eine Infektion mit Bakterien, die Häm nicht als Eisenquelle nutzen können, durch Überschuss von Häm gesteigert. Stattdessen stellte sich Häm als ein potenter Hemmer der Phagozytose und Zellmigration heraus, wodurch die Immunantwort gegen Bakterien wirksam unterdrückt wird und ein günstiges Umfeld für Bakterienwachstum entstehen kann. Dieser Effekt wird durch Störung der Dynamik des Aktin-Zytoskeletts herbeigeführt, indem Häm mit DOCK8 assoziiert und die Hyperaktivierung von nachgeschalteten Zielproteinen, Cdc42 und mDIA2, hervorruft, was zu dramatischen Veränderungen in Zellform und der Unfähigkeit adäquat auf Bakterien zu reagieren führt.

Als sekundäres Ziel zeigt die vorliegende Arbeit weiterhin, dass Chinin die schädlichen Effekte von Häm auf Phagozytose vollständig unterbinden kann, und die antibakterielle Antwort von phagozytischen Zellen in vivo und in vitro wiederherstellen kann. Dieser konzeptionelle Beweis hebt das Potential von immunoadjuvanten Therapieansätzen zur Umgehung von fehlschlagenden konventionellen Therapien (z.B. Antibiotika) hervor.

Zusammenfassung (Englisch)

Extensive intravascular hemolysis is a hallmark of sepsis, malaria infection and hemoglobinopathies, such as sickle cell disease or and thalassemias, and poses a serious threat to millions of patients worldwide. Erythrocyte destruction during hemolysis leads to the release of their intracellular contents into the circulation, and results in high plasma levels of hemoglobin and the subsequent release of its heme moiety. Excessive plasma heme levels can rapidly overwhelm the protective capacity of heme-scavenging plasma proteins, such as hemopexin, leaving heme free to interact with other plasma components, cell surface proteins and to cross plasma membranes at uncontrolled rates. Once released from hemoproteins, heme can damage cells and organs via the unfettered production of reactive oxygen species, and is one of the major driving factors for organ damage following hemolysis. Importantly, it has long been observed that hemolytic disorders, or hemolysis itself predispose to lethal bacterial infections. This is thought to be due to increased nutritional iron availability for bacteria, as heme is an iron-containing protoporphyrin IX ring, although clear evidence is lacking.

The work presented in this thesis derives from the main hypothesis that heme release is the culprit behind the increased susceptibility to infection following hemolysis, and that heme might negatively influence the immune response to bacteria beyond its potential as an iron source for pathogens.

This work now shows that excess heme levels in the circulation, as found following hemolysis, are sufficient to promote fulminant bacteremia and death in sepsis. Surprisingly, this effect is independent from heme-iron acquisition by bacteria as similar iron overload with free iron failed to replicate the effects of heme, and infection with bacteria unable to utilize heme as an iron source could still be enhanced by excess heme. Instead, heme potently inhibited phagocytosis of bacteria and cell migration, effectively suppressing the immune response to bacteria and creating a favorable environment for bacterial growth. This effect is mediated via the disruption of actin cytoskeletal dynamics through the association of heme with DOCK8 and the hyperactivation of its downstream targets Cdc42 and mDIA2, leading to dramatic changes in cell shape and the inability to adequately respond to bacteria.

Furthermore, as a secondary goal, this work now shows that quinine is able to completely prevent the deleterious effects of heme on phagocytosis, and is able to restore the anti-bacterial response of phagocytic cells both in vitro and in vivo. This proof-of-concept approach highlights the potential of immunoadjuvant therapies to circumvent failing conventional therapies (e.g. antibiotics).