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Transkriptionelle Sepsissignatur in Patienten mit Polytrauma

Felix Johannes Thierer


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Sepsis , Transkriptom , Mikroarray , Polytrauma
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Medizinische Mikrobiologie
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.03.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 29.03.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Trotz bester intensivmedizinischer Versorgung sind die Sepsis und der
septische Schock nach einem Trauma mit einer hohen Mortalitätsrate auf
Intensivstationen assoziiert. Ursächlich dafür ist unter anderem das fehlende
Wissen über die pathophysiologischen Mechanismen der Polytrauma
assoziierten Sepsis. Der Mangel am Verständnis spiegelt sich darüber hinaus in
einer späten Diagnose und Risikostratifikation wieder, was vor allem den
Beginn einer adäquaten Therapie verzögert.
In dieser prospektiven Studie werden Patienten eingeschlossen, die alle mit
einem schweren Polytrauma konfrontiert sind (n=26), von denen
Transkriptomdaten 12 Stunden nach dem initialen Trauma (Zp0) gewonnen
werden. Dies entspricht einem Zeitraum von 3 bis 5 Tagen vor der klinischen
Manifestation einer Sepsis. Diese Transkriptomdaten bieten den Vorteil, zum
Zeitpunkt eines einheitlichen klinischen Phänotyps bereits differenzielle
biologische Regulationen aufzuzeigen.
Ziel dieser Studie ist es, eine Qualitätssicherungspipeline für Mikroarraydaten
zu etablieren und aus dieser Analyse heraus frühzeitig die biologischen
Unterschiede zwischen einem komplikationslosen und einem septischen
posttraumatischen Krankheitsverlauf aufzuzeigen.
Wir verwenden Vollblut, aus welchem mit dem PaxGene System (PreAnalytiX,
Heidelberg, Germany) die mRNA isoliert wird und deren Quantität mit dem
CodeLink UniSet 10K Bioarray (GE Healthcare, Freiburg, Germany) für ca.
10.000 verschiedene Gene erfasst wird.
Mithilfe der neu entwickelten Qualitätssicherungspipeline verbessern wir die
Qualität der Mikroarraydaten signifikant. Die darauffolgende Analyse der
Transkriptomdaten zeigt signifikante Unterschiede zwischen im
Krankheitsverlauf septischen (S_Pat) und nicht septischen Patienten (NS_Pat).
Diese Unterschiede eignen sich als septische Signatur, welche in der
Clusteranalyse bereits 12 Stunden nach dem initialen Trauma S_Pat und
NS_Pat trennen kann. Darüber hinaus zeigen wir, dass in S_Pat zum Zp0
bereits einige biologische Funktionen differenziell reguliert sind. Unter anderem
zeigt sich eine Dysbalance in der TH1/TH2 Antwort mit einer dominierenden
TH2 Antwort. Der unausgeglichene TH1/TH2 Shift zusammen mit der
Inaktivierung von T Zellen, Neutrophilen, Monozyten und Makrophagen könnten
kritische auslösende Faktoren für eine Sepsis sein. Weiterhin zeigen sich eine
Aktivierung des Zellzyklus und eine Aktivierung der Komplementkaskade.
In dieser Studie präsentieren wir eine Pipeline, welche von den Rohdaten bis zu
der differenziellen Regulation in der Zukunft die Möglichkeit bietet, qualitativ
hochwertige standardisierte Mikroarrayanalysen durchzuführen.
Mithilfe dieser Pipeline ist es gelungen, eine transkriptionelle Signatur für die
Entwicklung einer Sepsis bereits 12 Stunden nach einem Polytrauma sichtbar
zu machen, obwohl die Sepsis sich erst 3-5 Tage später klinisch manifestiert.
Durch diese frühzeitig ausgebildete Signatur illustriert diese Arbeit die
Notwendigkeit einer sehr frühen Intervention in potentiell septischen Patienten.
Darüber hinaus kann diese Signatur dazu dienen, den späteren
posttraumatischen Verlauf vorherzusagen. Transkriptomdaten bieten die
Möglichkeit einer klinischen Applikation in der Zukunft, für die wir sowohl
potentielle diagnostische als auch therapeutische Ansatzpunkte demonstrieren.
Kurzfassung auf Englisch: Despite best supportive intensive care the development of severe sepsis and
septic shock after trauma still remains associated with a high mortality rate in
intensive care units. Our incomplete knowledge of the pathophysiological and
biochemical mechanisms underlying the onset of sepsis in critical care is
reflected in the delay of both diagnosis of the condition as well as in the
stratification of patients at risk. Thus the severe course of sepsis is
compounded by the inability to initiate adequate therapy in a timely manner.
In this prospective study we included 26 patients, with severe multiple trauma,
and performed a genome–wide transcriptome analysis of cells derived from
peripheral blood 12 hours after the onset of trauma (Zp0). Statistical analysis of
transcriptome data deriving from these patients allowed us to generate a
signature expression profile that is predictive of sepsis outcome and precedes
its clinical definition, which is based on clinical definitions and organ scores, by
at least 3 to 5 days. Indeed at a posttraumatic time point where no clinical
differences are apparent, changes at the transcriptome reveal already the onset
of dysfunction of cellular and biological processes.
In this study a robust pipeline for the quality-assurance of data deriving from
whole genome-based transcriptome studies was first established and
subsequently used to analyse large data sets in order to catalogue and uncover
dysfunctional regulation of the cellular pathways and biological processes
underlying questions as to why patients with multiple trauma can have
dramatically different outcomes despite suffering similar traumatic insults.
In this analysis mRNA isolated from whole blood from patients using the
PaxGene System (PreAnalytiX, Heidelberg, Germany) was labeled and
hybridized to pre-spotted glass slides harbouring the Codelink Uniset 10k
Bioarray (GE Healthcare, Freiburg, Germany) for simultaneous quantification of
approximately 10.000 different genes.
The establishment of a workflow incorporating the quality-assurance-pipeline
developed in this study enhanced both the quality and robustness of the data
obtained in this study. Thus analysis revealed significant differences between
patients confronted by sepsis (S_Pat) and patients with no complications
(NS_PAT) in their posttraumatic course. These differences were used to derive
a signature for the onset of sepsis following cluster analysis, and also to
discriminate S_Pat and NS_Pat only 12 hours after the initial trauma. Further
we were able to show that in S_Pat, biological functions are regulated
differentially even at this short time period after trauma. It was evident that
patients who developed sepsis in the course of the disease (3 to 5 days after
admission), showed an imbalance in the TH1/TH2 response leading to a
pronounced TH2 response soon after trauma. The imbalanced TH1/TH2
response is accompanied by cellular changes that suggest an inactivation of
T cells, neutrophils, monocytes and macrophages whose biological functions
are critical factors for the initiation of processes leading to sepsis. Furthermore,
evidence for an enhanced activation of cell cycle genes as well as genes
involved in activation of the complement cascade were evident.
An important outcome of this study is the use of peripheral blood as a source for
whole-genome transcriptome analysis and its suitability in providing information
on biological processes dysregulated during sepsis, the cell types that
contribute to these changes as well as to provide diagnostic information
allowing us to predict sepsis outcome, at least 3 to 5 days preceding currently
used clinical scoring systems. Thus transcriptome analysis provides us with a
wealth of information to generate diagnostic tests that will allow early clinical
intervention in combination with current treatment protocols to ameliorate
disease outcome as well as offering possible targets for therapy.