Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war die Untersuchung von Sepsis-assoziierten Veränderungen des Arachidonsäure (AA)-Metabolismus und die Identifikation differentiell regulierter AA-Metabolite mit Prüfung ihres diagnostischen Potentials bei Patienten mit Sepsis unter Anwendung eines in-vitro Lipopolysaccharid (LPS) Vollblutaktivierungs-Modells. In Zellüberständen von nicht-aktiviertem und LPS-aktiviertem Heparinblut (25 Sepsis- Patienten, 15 Gesunde) wurden AA-Metabolite mittels Flüssigkeitschromatographie-Tandem- Massenspektrometrie analysiert. In einer unabhängigen Kohorte (10 Sepsis-Patienten, 3 Gesunde) wurden nach RNA-Isolation aus Zellmaterial zusätzlich Target-Gene des AAMetabolismus (Cyclooxygenase (COX)-2 und mikrosomale Prostaglandin-E-Synthase (mPGES)-1 mittels quantitativer Reverse Transkriptase-Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) untersucht. Es konnte eine differentielle Freisetzung von AA, AA-Analoga und der COX-assoziierten Metabolite Prostaglandin (PG) E2, 11-Hydroxyeicosatetraensäure (HETE) und Thromboxan (TX) B2 zwischen Patienten und gesunden Kontrollpersonen gezeigt werden. Sepsis-Patienten wiesen dabei gegenüber Gesunden eine deutlich reduzierte Freisetzung von AA und den COXassoziierten Metaboliten 11-HETE und PGE2 auf. Das Ausmaß der reduzierten Mediatorenfreisetzung bei Sepsis-Patienten war mit der Schwere der Erkrankungssymptomatik und dem klinischen Outcome assoziiert. Auf Genexpressionsebene zeigte sich eine reduzierte Induzierbarkeit der COX-2 mRNA-Expression bei Sepsis-Patienten gegenüber Gesunden, jedoch eine erhaltene Induzierbarkeit auf der Ebene der mPGES-1.

Die Sepsis stellt eine pathophysiologisch komplexe systemische Reaktion auf eine zugrundeliegende Infektion dar. Septische Erkrankungen sind die dritthäufigste Todesursache in Deutschland. Um die bisher vorliegenden Erkenntnisse zur Epidemiologie der schweren Sepsis und des septischen Schocks in Deutschland zu aktualisieren und insbesondere erstmals direkte Daten zur Inzidenz zu ermitteln, wurde die INSEP-Studie als prospektive multizentrische Studie auf Intensivstationen in Deutschland durchgeführt. Für die Mitwirkung an der Studie rekrutierten die beteiligten SepNet-Zentren weitere Kliniken außerhalb des SepNet. Die Teilnahme aller Kliniken erfolgte auf freiwilliger Basis. Die im November 2013 durchgeführte Studie umfasste einen Erhebungszeitraum von 4 Wochen. Von allen Patienten, die sich in diesem Zeitraum auf Intensivstation befanden, wurden allgemeine Daten erfasst. Sofern eine schwere Sepsis oder ein septischer Schock (gemäß der zum Zeitpunkt der Studie gültigen Sepsis-1 Definition) auftrat, erfolgte die Dokumentation sepsis-spezifischer Parameter. 133 Intensivstationen aus 95 Krankenhäusern beteiligten sich an der Studie. Insgesamt waren die Daten von 11883 Aufnahmen auf Intensivstation auswertbar. Das Alter der Patienten betrug im Median 69 Jahre (IQR: 57-77), 57,7% der Patienten waren männlich. Bei 1503 (12,6%) Patienten wurde die Diagnose einer schweren Sepsis oder eines septischen Schocks gestellt. Die ermittelte Inzidenzdichte betrug 11,6 pro 1000 Patiententage auf ITS [95%-KI: 10,5-12,9]. Die für den 1. Tag des Erhebungszeitraums bestimmte Punktprävalenz lag bei 17,9% [95%-KI: 16,3-19,7]. Die Sterblichkeit auf Intensivstation betrug für die Patienten mit schwerer Sepsis / septischem Schock 34,3%. Im Vergleich dazu verstarben nur 6% der Patienten, die keine Sepsis hatten, auf ITS. Die Krankenhaussterblichkeit betrug für Patienten mit schwerer Sepsis / septischem Schock 40,4% bzw. 9,6% für Patienten ohne Sepsis. Schwere Sepsis und septischer Schock entwickelten sich bei 860 (57,2%) Patienten auf der Basis einer nosokomialen Infektion. Die häufigsten Infektionen waren Pneumonien, die bei 700 (46,6%) Patienten auftraten. Intraabdominelle und gastrointestinale Infektionen lagen bei 431 (28,7%) und urogenitale Infektionen bei 190 (12,6%) Patienten vor. Sowohl die Sterblichkeit auf Intensivstation, als auch die Sterblichkeit im Krankenhaus war bei Patienten im septischen Schock mit 37,3% bzw. 43,3% signifikant höher (p<0,001) als bei Patienten mit schwerer Sepsis (16,7% bzw. 23,4%). Aufgrund der nicht repräsentativen Stichprobe konnte die Inzidenz nicht auf die Gesamtbevölkerung in Deutschland hochgerechnet werden. In der INSEP-Studie konnte im Rahmen eines pragmatischen Ansatzes gezeigt werden, dass sowohl die schwere Sepsis als auch der septische Schock auf Intensivstationen in Deutschland immer noch häufig auftreten und eine hohe Mortalität aufweisen. Es bleibt zu wünschen, dass insbesondere aufgrund der mittlerweile im Alltag eingeführten neuen Sepsis-Definition (Sepsis-3) die Epidemiologie der Sepsis im Rahmen einer repräsentativen Studie ermittelt werden kann.:1 Abkürzungsverzeichnis 4 2 Einführung 6 2.1 Definition Sepsis 6 2.2 SepNet 10 2.3 Epidemiologie der Sepsis 11 3 Aufgabenstellung 14 4 Material und Methoden 15 4.1 Dokumentierte Fälle 16 4.2 Statistische Auswertung 17 5 Ergebnisse 21 5.1 Beteiligte Krankenhäuser und Intensivstationen 21 5.2 Beschreibung der Patientenpopulation 23 5.3 Inzidenz und Prävalenz 25 5.4 Überlebensstatus 30 5.5 Infektionen und Mikrobiologie der Sepsis 30 5.6 SIRS-Kriterien und Organdysfunktionen 31 5.7 Auswertung gemäß Sepsis-3-Definition 33 6 Diskussion 39 6.1 Inzidenz und Prävalenz 39 6.2 Sterblichkeit 41 6.3 SIRS und Organdysfunktionen 42 6.4 Neue Definition der Sepsis (Sepsis-3) 43 6.5 Limitationen 44 6.6 Zusammenfassung und Ausblick 44 7 Zusammenfassung der Arbeit 45 8 Literaturverzeichnis 49 9 Anlage – Statistischer Analyseplan 55 10 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 81 Lebenslauf 82 Publikationen 82 Danksagung 85

In einer prospektiven, randomisierten, doppelblinden, Placebo-kontrollierten Cross-over-Studie wurden hämodynamische und immunologische Effekte einer dreitägigen adjunktiven Therapie mit niedrig dosiertem Hydrocortison (HC) (100 mg Bolus + 10 mg/Stunde) bei 40 Patienten im septischen Schock untersucht. Die Therapie mit HC führte zum Anstieg des mittleren arteriellen Drucks und des systemischen Gefäßwiderstands sowie zur Reduktion des Herzzeitvolumens und der Herzfrequenz, die pulmonalvaskulären Widerstände blieben unverändert. Die Nitrit/Nitrat-Plasmaspiegel (Stickstoffmonoxid-Synthese) und der Katecholaminverbrauch nahmen ab. Die Immunreaktionen waren komplex: Abnahme proinflammatorischer (Interleukin-(IL)-6, 8) und antiinflammatorischer (IL-10, lösliche Tumor-Nekrosefaktor-Rezeptoren) Mediatoren, Anstieg proinflammatorischer Zytokine (IL-12 und Interferon-?), Reduktion der Endothel- (E-Selektin) und Granulozytenaktivierung (CD11b, CD64), Reduktion der T-Helfer- und Suppressorzellzahl und der eosinophilen und basophilen Granulozyen, die Monozytenzahl stieg an und die neutrophilen Granulozyten sowie die Gesamtleukozytenzahl blieben unverändert. Parameter der unspezifischen (Respiratory Burst, Phagozytose) und der spezifischen Immunreaktion (HLA-DR auf Monozyten, Antigenpräsentation) wurden nicht oder nicht wesentlich supprimiert, die Phagozytosefähigkeit von Monozyten nahm zu. Eine Beendigung der HC-Therapie führte zu ausgeprägten hämodynamischen und immunologischen Rebound-Phänomenen. Die Wirkung von niedrig dosiertem HC im septischen Schock kann daher als kreislaufstabilisierend und immunmodulatorisch charakterisiert werden, Zeichen einer ausgeprägten Immunsuppression fanden sich nicht. / In a prospective, double-blind, randomised, placebo-controlled cross-over study, hemodynamic and immune effects of a three-day adjunctive treatment with low doses of hydrocortisone (HC) (100 mg bolus followed by 10 mg per hour) were investigated in forty patients with septic shock. HC-therapy induced a rise of mean arterial pressure and systemic vascular resistance and a decline of cardiac index and heart rate without altering pulmonary vascular resistance. Both, nitrite/nitrate levels (nitric oxide formation) and cathecholamine requirement were reduced. Immune responses were complex and included: reduction of proinflammatory (interleukin-(IL)-6, 8) and antiinflammatory (IL-10, soluble tumor necrosis factor receptors) mediators, an increase of proinflammatory cytokines (IL-12 and interferon-?), a reduction of endothelial (E-selectin) and granulocyte activation (CD11b, CD64), and a decrease of T-helper and suppressor cells as well as eosinophil and basophil granulocytes; monocytes increased and total granulocyte and leukocyte counts remained unaltered. Parameters of innate (respiratory burst, phagocytosis) and adaptive immune responses (HLA-DR-expression on monocytes, antigen presentation) were not essentially affected, monocyte phagocytosis rather increased. HC-withdrawal induced marked hemodynamic and immunologic rebound effects. In conclusion, effects of low dose HC-therapy in septic shock is characterised by hemodynamic stabilisation and immunomodulation, without inducing severe immunosuppression.

Bei Patienten mit ARDS führt eine selektive pulmonale Vasodilatation durch inhaltives NO (iNO) zu einer Shuntreduktion. Die zusätzliche Gabe eines selektiven pulmonalen Vasokonstriktors führt zu einer additiven Verbesserung der Oxygenierung. Die Anzahl der NO-Responder ist bei vorliegender Sepsis reduziert. Es ist bekannt, dass hemoglobin based oxygen carriers (HBOC) durch NO-Scavenging einen pulmonalarteriellen Druckanstieg bewirken und dass dieser Effekt durch iNO antagonisierbar ist. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine generalisierte Vasokonstriktion durch ein HBOC die Effektivität einer iNO-Therapie in einem Modell von ARDS mit LPS-induziertem Schock erhöht. Hierzu wurde bei 40 narkotisierten und instrumentierten Ratten mittels VILI und alveolärer Lavage ein stabiles ARDS etabliert und anschließend 1,5mg/kg LPS i.v. verabreicht. Es wurden 4 Versuchsgruppen gebildet: 1) und 3) erhielten 5ml/h HES10%, 2) und 4) 5ml/h Hämoglobin-glutamer 200 (Oxyglobin HBOC 301), 3) und 4) erhielten anschließend iNO. Die bekannten hämodynamischen Effekte eines HBOC und die Reduktion dieses Blutdruckanstiegs durch iNO wurden erstmals im ARDS mit LPS-induziertem Schock nachgewiesen. Zum Versuchsende zeigte keine Gruppe eine signifikante Änderung des MAP im Vergleich zum Ausgangspunkt. Bei alleiniger iNO-Therapie fiel der RVP (36,2 [30,0; 41,1] vs. 30,6mmHg [18,4; 36,3], p<0,05) und der PaO2 stieg von 82,6 [65,1; 107,3] auf 176,5mmHg [89,4; 207,5] (p<0,05). Die Kombination aus HBOC und iNO zeigte einen nicht signifikanten Abfall des RVP (32,8mmHg [28,5; 47,2] vs. 29,4mmHg [17,6; 49,1]) und Anstieg des PaO2 (65,76mmHg [61,0; 86,6] vs. 86,8mmHg [54,2; 203,0]). Es ergab sich kein additiver Effekt auf die Oxygenierung, wie er für pulmonale Vasokonstriktoren beschrieben ist. Eine Ursache dafür könnte die hohe endogene NO-Produktion nach LPSGabe sein, sodass die NO-Scavanging Kapazität im kombinierten Modell nicht ausreicht. Zukünftig sollte untersucht werden, ob dieser Effekt mit einer höheren Dosierung des HBOC erreichbar ist.

Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war die Untersuchung von Sepsis-assoziierten Veränderungen des Arachidonsäure (AA)-Metabolismus und die Identifikation differentiell regulierter AA-Metabolite mit Prüfung ihres diagnostischen Potentials bei Patienten mit Sepsis unter Anwendung eines in-vitro Lipopolysaccharid (LPS) Vollblutaktivierungs-Modells. In Zellüberständen von nicht-aktiviertem und LPS-aktiviertem Heparinblut (25 Sepsis- Patienten, 15 Gesunde) wurden AA-Metabolite mittels Flüssigkeitschromatographie-Tandem- Massenspektrometrie analysiert. In einer unabhängigen Kohorte (10 Sepsis-Patienten, 3 Gesunde) wurden nach RNA-Isolation aus Zellmaterial zusätzlich Target-Gene des AAMetabolismus (Cyclooxygenase (COX)-2 und mikrosomale Prostaglandin-E-Synthase (mPGES)-1 mittels quantitativer Reverse Transkriptase-Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) untersucht. Es konnte eine differentielle Freisetzung von AA, AA-Analoga und der COX-assoziierten Metabolite Prostaglandin (PG) E2, 11-Hydroxyeicosatetraensäure (HETE) und Thromboxan (TX) B2 zwischen Patienten und gesunden Kontrollpersonen gezeigt werden. Sepsis-Patienten wiesen dabei gegenüber Gesunden eine deutlich reduzierte Freisetzung von AA und den COXassoziierten Metaboliten 11-HETE und PGE2 auf. Das Ausmaß der reduzierten Mediatorenfreisetzung bei Sepsis-Patienten war mit der Schwere der Erkrankungssymptomatik und dem klinischen Outcome assoziiert. Auf Genexpressionsebene zeigte sich eine reduzierte Induzierbarkeit der COX-2 mRNA-Expression bei Sepsis-Patienten gegenüber Gesunden, jedoch eine erhaltene Induzierbarkeit auf der Ebene der mPGES-1.:I Bibliographische Beschreibung………………………………………………………2 II Abkürzungen……………………………..……………………………………………4 III Einleitung 1. Epidemiologie und Definition der Sepsis……………………………………………..…6 2. Pathophysiologie der Sepsis……………………………………………………………..7 3. Stellenwert und Limitationen labordiagnostischer Marker bei Sepsis…………………..8 4. Eicosanoide und Sepsis…………………………………………………………………10 5. In-vitro LPS Vollblutaktivierungs-Modell für die Prüfung der Eicosanoidantwort auf Genexpressions- und Mediatorenebene……………..................12 6. Bestimmung von Eicosanoiden mittels LC-MS/MS........................................................16 7. Zielstellung der Arbeit……………………………………………………………….....18 IV Publikation…………………………………………………………….......................19 V Zusammenfassung der Arbeit………………………………………………………29 VI Literatur……………………………………………………………………………...32 VII Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit.………..…………….....35 VIII Lebenslauf………………………………………………………………………........36 IX Spezifizierung des wissenschaftlichen Beitrages zur Publikation...........................38 X Danksagung………………………………………………………………………......39

Der septische Schock geht bis heute mit einer hohen Mortalität einher und stellt für die Intensivmedizin ein schwer beherrschbares Krankheitsbild dar. Er ist die häufigste Todesursache auf nicht kardiologischen Intensivstationen und es wird davon ausgegangen, dass der Anteil septischer Patienten relativ wie absolut zunehmen wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, den Einfluss von Hydrokortison auf die Schockdauer und die Wirkung von Hydrokortison in Abhängigkeit der Nebennierenrindenfunktion sowie den Einfluss auf die Morbidität, gemessen am SOFA-Score zu untersuchen. Es wurden 41 Patienten mit frühem septischem Schock in eine doppelblinde, placebokontrollierte, randomisierte Studie eingeschlossen. Zur Beurteilung der Nebennierenfunktion wurde vor Beginn der Studie ein ACTH-Test durchgeführt und je nach Anstieg wurden die Patienten in „Non-Responder“ und „Responder“ unterteilt. Es zeigte sich, dass Hydrokortison zu einer signifikanten Verkürzung der Schockdauer führte. Die Frage nach dem unterschiedlichen Effekt von Hydrokortison bei „Respondern“ und „Non-Respondern“ konnte nicht abschließend geklärt werden; es zeigte sich bei den „Respondern“ und „Non-Respondern“, die Hydrokortison erhalten hatten, ein Trend zu einer kürzeren Schockdauer, der aber keine statistische Signifikanz erreichte, vermutlich weil die Gruppengröße durch die Aufteilung zu klein wurde. Die vorliegenden Ergebnisse sind insofern mit anderen Studien kongruent, bedürfen aber noch der weiteren Abklärung in Studien mit größeren Patientenkollektiven. Der SOFA-Score war unter Hydrokortison in den ersten 48 Stunden signifikant reduziert. In anderen Studien war dies mit einer geringeren Mortalität assoziiert. Die Behandlung mit Hydrokortison reduziert also die Schockdauer und stellt eine wichtige Therapierationale zur Vorbeugung des sepsis-induzierten Organversagens dar. / Up to the present day septic shock is often accompanied with high mortality. For the medical intensive care field it is a hardly controllable disease pattern. Septic shock is the most frequent cause of death at non-cardiological intensive care units. It is believed that the number of septic patients will increase relatively as well as absolutely. The aim of this paper was to examine the influence of hydrocortisone on shock duration, the effect of hydrocortisone dependent on the adrenal function and the influence on morbidity, measured with SOFA score. 41 patients with early septic shock participated in a double-blind, placebo-controlled, randomised study. In the beginning of the study an ACTH-test was conducted in order to assess the adrenal function. Dependent on the increase of ACTH, the patients were classified into "non-responder" and "responder". It became apparent that hydrocortisone leads to a significant reduction of shock duration. The question about the different effect of hydrocortisone on “responder“ and “non-responder“ could not cleared up conclusively. “Responder“ and „non-responder“ who received hydrocortisone showed a trend towards shorter shock duration. There was, however, no statistic significance, probably because the groups became too small because of the division. The present results are insofar congruent with other studies, but they need further clarification through studies with bigger patient groups. For those using hydrocortisone the SOFA score was significantly reduced during the first 48 hours. In other studies this fact was associated with less mortality. The treatment with hydrocortisone therefore reduces the shock duration and is an important therapy rationale for the prevention of septic induced multi-organ failure.