Alex Schuurman

DEEL I VORMT DE INLEIDING EN ACHTERGROND VOOR DE REST VAN DIT PROEFSCHRIFT. IN HOOFDSTUK WORDEN DE MEESTE OMICS TECHNIEKEN BESPROKEN DIE MOMENTEEL WORDEN GEBRUIKT IN BIOMEDISCH ONDERZOEK EN DAN SPECIFIEK IN DE CONTEXT VAN SEPSIS: GENOMICS, EPIGENOMICS, TRANSCRIPTOMICS, PROTEOMICS, LIPIDOMICS, METABOLOMICS EN MICROBIOMICS. DEZE OMICS VERTEGENWOORDIGEN ALLEMAAL METINGEN VAN VERSCHILLENDE MOLECULAIRE LAGEN DIE ELK INFORMATIE BEVATTEN OVER HOE DE GASTHEER - IN DIT PROEFSCHRIFT ALTIJD EEN MENS - REAGEERT OP EEN INFECTIE: DE HOST RESPONSE. DIT SOORT DATA ZIJN VOORNAMELIJK GEBRUIKT OM SLEUTELMECHANISMEN VAN DE PATHOFYSIOLOGIE VAN INFECTIE TE ONDERZOEKEN, NIEUWE DIAGNOSTIEK TE ONTWIKKELEN OM MEER GEINDIVIDUALISEERDE ZORG TE KUNNEN BIEDEN EN OM KLINISCH RELEVANTE CLUSTERS BINNEN HETEROGENE PATIENTENGROEPEN TE ONTDEKKEN. HOEWEL DE MEESTE ONDERZOEKEN ZICH RICHTEN OP EEN OMICS TYPE IS HET BELANGRIJK OM OP TE MERKEN DAT MOLECULAIRE LAGEN IN WERKELIJKHEID NIET GEISOLEERD BESTAAN. BIOLOGIE EN ZIEKTE BEPERKEN ZICH BIJVOORBEELD NIET TOT ALLEEN EIWITTEN MAAR ZIJN HET RESULTAAT VAN HET SAMENSPEL TUSSEN ALLE MOLECULAIRE LAGEN. EEN ALOMVATTENDE AANPAK ZOU ZIJN OM MEERDERE LAGEN TEGELIJKERTIJD TE METEN EN TE ANALYSEREN OM MECHANISMEN ZO OP EEN MEER HOLISTISCHE MANIER TE BEOORDELEN. DIT IS HET ONDERLIGGENDE CONCEPT VAN MULTI-OMICS DAT WE AAN HET EINDE VAN DIT HOOFDSTUK BESPREKEN. AL DEZE MOLECULAIRE LAGEN SPELEN EEN ROL BIJ DE IMMUNOLOGISCHE RESPONS OP EEN INFECTIE DIE GEDETAILLEERD WORDT BESCHREVEN IN HOOFDSTUK. HIER HEBBEN WE DE IMMUNOLOGISCHE AFWEER TEGEN VIRALE LUCHTWEGINFECTIES SAMENGEVAT DIE BESTAAT UIT FYSIEKE EN CHEMISCHE BARRIERES, DE MOBILISATIE EN ACTIVATIE VAN IMMUUNCELLEN, INTRACELLULAIRE SIGNAALROUTES, CHEMOKINES, CYTOKINES, HET DODEN VAN HET PATHOGEEN EN NOG VEEL MEER. HET EINDDOEL IS OM HET BINNENDRINGENDE PATHOGEEN TE ELIMINEREN EN IMMUNOLOGISCH GEHEUGEN OP TE BOUWEN TERWIJL BIJKOMENDE SCHADE TEGELIJKERTIJD WORDT BEPERKT EN OPGELOST.

VEEL VAN DEZE MECHANISMEN EN SUBSETS VAN CELLEN WORDEN ONDERZOCHT IN DEEL II, DAT DRAAIT OM EIWITTEN. IN HOOFDSTUK HEBBEN WE DE HOST RESPONSE VERGELEKEN TUSSEN GROEPEN PATIENTEN DIE IN HET ZIEKENHUIS WAREN OPGENOMEN VOOR BUITEN HET ZIEKENHUIS OPGELOPEN PNEUMONIE (COMMUNITY ACQUIRED PNEUMONIA, CAP) MET EEN VERSCHILLENDE ETIOLOGIE - PNEUMONIE VEROORZAAKT DOOR VERSCHILLENDE PATHOGENEN ZOALS INFLUENZA A/B, SARS-COV EN STREPTOCOCCUS PNEUMONIAE. BIJ PATIENTEN HEBBEN WE EIWIT BIOMARKERS IN BLOEDPLASMA GEMETEN DIE SAMEN VERSCHILLENDE BELANGRIJKE PATHOFYSIOLOGISCHE DOMEINEN WEERSPIEGELEN. NA CORRECTIE VOOR VERSCHILLEN IN LEEFTIJD, GESLACHT EN ERNST VAN ZIEKTE HEBBEN WE ZOWEL GEDEELDE ALS UNIEKE PATHOFYSIOLOGISCHE MECHANISMEN TUSSEN DE PATIENTENGROEPEN MET VERSCHILLENDE VERWEKKERS VAN PNEUMONIE GEVONDEN. DEZE DATA HELPEN OM TE ONDERSCHEIDEN WELK DEEL VAN DE HOST RESPONSE UNIEK IS VOOR EEN PATHOGEEN EN WELK DEEL HETZELFDE IS TUSSEN ALLE GROEPEN. DIT KAN HELPEN BIJ DE ONTWIKKELING VAN IMMUUNMODULERENDE THERAPIEN DIE GERICHT ZIJN OP SPECIFIEKE VERWEKKERS VAN LONGONTSTEKING ZOALS BIJVOORBEELD GEDAAN IS VOOR SARS-COV. IN HOOFDSTUK HEBBEN WE OOK EEN REEKS EIWIT BIOMARKERS GEMETEN MAAR NU SPECIFIEK BIJ PATIENTEN MET COVID DIE OP DE INTENSIVE CARE (IC) WAREN OPGENOMEN. BOVENDIEN HEBBEN WE BIOMARKERS ZOWEL IN BRONCHOALVEOLAIRE VLOEISTOFFEN ALS IN BLOEDPLASMA GEMETEN WAARDOOR WE HET PULMONALE EN HET SYSTEMISCHE COMPARTIMENT KONDEN VERGELIJKEN. WE VONDEN DAT COAGULATIE, HET COMPLEMENTSYSTEEM, ONTSTEKING EN GROEIFACTOREN VOORNAMELIJK ONTREGELD WAREN IN HET LONGCOMPARTIMENT. HOEWEL DIT SOORT PROCESSEN EERDER AAN COVID GELINKT WAREN SUGGEREREN DEZE RESULTATEN DAT EEN STERKE LOKALE PULMONALE RESPONS DE BELANGRIJKSTE STOLLINGS- EN ONTSTEKINGSMOTOR IS BIJ ERNSTIGE COVID ZIEKTE IN PLAATS VAN EEN SYSTEMISCHE "CYTOKINESTORM" ZOALS EERDER WERD GEDACHT. DE STUDIE IN HOOFDSTUK GAAT OVER SPECTRALE FLOWCYTOMETRIE - DE METING VAN SPECIFIEKE EIWITTEN OP DE BUITENSTE MEMBRAAN VAN CELLEN EN DAN PER INDIVIDUELE CEL - VAN PERIFERE MONONUCLEAIRE BLOEDCELLEN (PBMC'S) VAN PATIENTEN MET CAP VERGELEKEN MET CONTROLES ZONDER ACTIEVE INFECTIE EN PATIENTEN MET COVID. DE MEEST PROMINENTE VERANDERINGEN WAREN IN DE FREQUENTIE EN HET FENOTYPE VAN DENDRITISCHE CELLEN EN MONOCYTEN WAARBIJ MET NAME VRIJWEL ALLE KLASSIEKE MONOCYT-CLUSTERS TEKENEN VAN IMMUUNSUPPRESSIE LIETEN ZIEN (LAGE HLA-DR, HOGE GEPROGRAMMEERDE CELDOODPROTEINE PD EN GEPROGRAMMEERDE DOOD PD LIGAND) EN DUIDELIJKE TOEGENOMEN EXPRESSIE VAN CHEMOKINE RECEPTOREN HADDEN MET NAME CCR EN CXCR. DAARNAAST KONDEN WE OP BASIS VAN DEZE MEMBRAANEIWITTEN OP KLASSIEKE MONOCYTEN EN DAN MET NAME MET CCR EN CXCR DE PATIENTEN IN TWEE CLUSTERS SCHEIDEN DIE ELK EEN ANDER ZIEKTEVERLOOP LIETEN ZIEN. DIT SOORT GEDETAILLEERDE ANALYSES VAN DE IMMUNOLOGISCHE RESPONS BIJ NIET-COVID CAP ONTBRAKEN IN DE LITERATUUR EN KUNNEN DE BASIS VORMEN VOOR DE ONTWIKKELING VAN NIEUWE IMMUUNMODULERENDE BEHANDELINGEN VOOR PATIENTEN MET CAP.

DE VOLGENDE ONDERZOCHTE LAAG IS TRANSCRIPTOMICS (RNA) ZOALS BESCHREVEN IN DEEL III. IN HOOFDSTUK HEBBEN WE SINGLE CELL TRANSCRIPTOMICS - EN PROTEOMICS TER VALIDATIE - UITGEVOERD OP PBMC'S GEISOLEERD VAN PATIENTEN MET COVID, CAP VEROORZAAKT DOOR STREPTOCOCCUS PNEUMONIAE EN CAP VEROORZAAKT DOOR INFLUENZA A/B. WE VONDEN ZOWEL GEDEELDE ALS UNIEKE TRANSCRIPTIONELE EN FENOTYPISCHE IMMUNOLOGISCHE PATRONEN WAARONDER VERHOOGDE NIVEAUS VAN TYPE I INTERFERON GESTIMULEERDE NK CELLEN IN COVID, CYTOTOXISCHE CD8 T TERMINAAL GEDIFFERENTIEERDE EFFECTOR GEHEUGENCELLEN DIE CD45RA OPNIEUW TOT EXPRESSIE BRENGEN (TEMRA CELLEN) IN ZOWEL COVID ALS INFLUENZA EN VERSCHILLENDE MONOCYT KENMERKEN TUSSEN ALLE GROEPEN. DEZE STUDIE WAS EEN VAN DE EERSTEN OM MET DIT SOORT GEDETAILLEERDE ANALYSES COVID PATIENTEN TE VERGELIJKEN MET ANDERE VORMEN VAN LONGONTSTEKING IN EEN POGING OM PATHOGEEN SPECIFIEKE IMMUNOLOGISCHE KENMERKEN TE ONDERSCHEIDEN VAN DE ALGEMENE IMMUNOLOGISCHE ONTREGELING DIE GEPAARD GAAT MET ERNSTIGE LONGONTSTEKING. HOOFDSTUK GAAT VERDER MET SINGLE CELL TRANSCRIPTOMICS MAAR HIER IN EEN IN VITRO SETTING MET BEHULP VAN PRIMAIRE HUMANE BRONCHIALE EPITHEELCELLEN DIE GROEIEN IN EEN LUCHT-VLOEISTOF INTERFACE. WE HEBBEN DE TRANSCRIPTIONELE EN METABOLISCHE RESPONS VAN MENSELIJKE EPITHEELCELLEN GEANALYSEERD NA STIMULATIE MET FLAGELLINE EEN BELANGRIJK BACTERIEEL EIWIT. WE IDENTIFICEERDEN ZEVEN VERSCHILLENDE CELSUBSETS ONDER DEZE MENSELIJKE EPITHEELCELLEN ELK MET SUBSET SPECIFIEKE REACTIES OP FLAGELLINE. EEN BELANGRIJKE BEVINDING WAS DAT ALLEEN SECRETOIRE CELLEN MET EEN INFLAMMATOIR BEELD TEKENEN VERTOONDEN VAN EEN METABOLISCHE SWITCH NAAR AEROBE GLYCOLYSE NA STIMULATIE WAT VOORKOMEN KON WORDEN DOOR RAPAMYCINE. DEZE STUDIE GEEFT INZICHT IN SUBSET SPECIFIEKE METABOLE HERPROGRAMMERING VAN HET MENSELIJK EPITHEEL BIJ STIMULATIE WAT IMPLICATIES KAN HEBBEN VOOR DE LOKALE ONTSTEKINGSREACTIE. DEZE DATA KUNNEN HELPEN BIJ DE ONTWIKKELING VAN NIEUWE OP CELLULAIR METABOLISME GERICHTE INTERVENTIES DIE DE MUCOSALE RESPONS OP LUCHTWEGINFECTIES WILLEN VERBETEREN.

CELLULAIR METABOLISME IS OOK HET HOOFDONDERWERP VAN DEEL IV DAT ALLEEN UIT HOOFDSTUK BESTAAT. HOEWEL ER UITGEBREIDE EXPERIMENTELE LITERATUUR BESTAAT DIE BESCHRIJFT HOE NEUTROFIELEN AFHANKELIJK ZIJN VAN GLYCOLYSE VOOR HUN EFFECTORFUNCTIES IS ER WEINIG BEKEND OVER HET PROFIEL VAN NEUTROFIELEN IN DE BLOEDCIRCULATIE - DUS VOOR VOLLEDIGE ACTIVERING - BIJ PATIENTEN MET EEN INFECTIE. IN DEZE STUDIE COMBINEERDEN WE FLOWCYTOMETRIE EX VIVO STIMULATIE ASSAYS TRANSCRIPTOMICS EN METABOLOMICS OM HET PROFIEL VAN BLOEDNEUTROFIELEN TE ONDERZOEKEN BIJ PATIENTEN DIE IN HET ZIEKENHUIS WAREN OPGENOMEN MET CAP. WE VONDEN VERHOOGDE NEUTROFIEL DEGRANULATIE NA EX VIVO STIMULATIE MET LIPOPOLYSACCHARIDE EN TOEGENOMEN ACTIVITEIT VAN INFLAMMATOIRE TRANSCRIPTIONELE PROGRAMMA'S. DIT FENOTYPE VAN NEUTROFIELEN GING GEPAARD MET EEN HOOGENERGETISCHE CELLULAIRE STAAT MET TOEGENOMEN INTRACELLULAIR ATP EN ACTIVATIE VAN GLYCOLYSE EN GLYCOGENOLYSE. EEN MAAND NA ZIEKENHUISOPNAME WAREN DEZE METABOLE EN TRANSCRIPTIONELE VERANDERINGEN GROTENDEELS GENORMALISEERD. DEZE DATA BIEDEN DE EERSTE IN VIVO BEVESTIGING VAN HET CONCEPT DAT GLYCOLYSE DE ACTIVERING VAN BLOEDNEUTROFIELEN AANDRIJFT BIJ PATIENTEN MET INFECTIE EN VERBINDEN EERDER EXPERIMENTEEL WERK MET EEN RELEVANTE KLINISCHE SETTING.

DEEL V IS GEWIJD AAN LIPIDOMICS WAARIN DE EERSTE TWEE HOOFDSTUKKEN DE ALLEREERSTE ONDERZOEKEN BEVATTEN DIE LIPIDOMICS HEBBEN UITGEVOERD IN IMMUUN CELLEN EN BLOEDPLAATJES VAN PATIENTEN MET EEN INFECTIE. IN HOOFDSTUK HEBBEN WE HONDERDEN CELLULAIRE LIPIDEN (VETMOLECULEN) GEMETEN IN MONOCYTEN EN NEUTROFIELEN VAN PATIENTEN MET CAP EN NIET-INFECTIEUZE CONTROLES. DE CELLULAIRE LIPIDOMEN VERTOONDEN INGRIJPENDE VERANDERINGEN TIJDENS LONGONTSTEKING MET ZOWEL GEDEELDE ALS UNIEKE VERANDERINGEN TUSSEN DE TWEE CELTYPEN. DEZE VERANDERINGEN HADDEN BETREKKING OP ELK NIVEAU VAN HET CELLULAIRE LIPIDOOM: VERSCHILLENDE LIPIDE SOORTEN, GEORGANISEERDE VERSCHUIVINGEN VAN GROEPEN LIPIDEN EN VERANDERDE VERZADIGINGSPATRONEN. EEN MAAND NA DE ZIEKENHUISOPNAME WAREN DEZE VERANDERINGEN VOLLEDIG VERDWENEN IN MONOCYTEN EN GEDEELTELIJK IN NEUTROFIELEN. INTEGRATIE VAN TRANSCRIPTIONELE EN LIPIDE GEGEVENS ONTHULDE EEN STERK VERANDERD SFINGOLIPIDEN METABOLISME IN BEIDE CELTYPEN EN EX VIVO REMMING VAN SFINGOSINE FOSFAAT EN CERAMIDESYNTHESE IN GEZONDE MONOCYTEN EN NEUTROFIELEN RESULTEERDE IN VERMINDERDE CYTOKINERESPONSEN NA STIMULATIE. SAMEN WIJZEN DEZE RESULTATEN OP EEN BELANGRIJKE EN ONDERGEWAARDEERDE ROL VOOR CELLULAIRE LIPIDEN IN DE HOST RESPONSE TIJDENS LONGONTSTEKING WAT VERDER LIPIDE GERELATEERD ONDERZOEK IN ANDERE CELTYPEN INFECTIES EN ZIEKTEN AANMOEDIGT. IN HOOFDSTUK GEBRUIKTEN WE EEN VERGELIJKBARE METHODE BIJ HET ANALYSEREN VAN HET LIPIDOOM VAN BLOEDPLAATJES BIJ PATIENTEN MET COVID WAARIN GEACTIVEERDE BLOEDPLAATJES EEN BELANGRIJKE ROL SPELEN IN DE VERHOOGDE STOLLINGSNEIGING VAN PATIENTEN. WE ONTDEKTEN DAT VAN DE GEMETEN EN GEANNOTEERDE BLOEDPLAATJESLIPIDEN EEN DEEL SIGNIFICANT VERANDERD WAS IN VERGELIJKING MET NIET-INFECTIEUZE CONTROLES. MEESTAL WAREN LIPIDEN IN LAGERE MATE AANWEZIG IN BLOEDPLAATJES VAN PATIENTEN MET COVID (LAGER, HOGER, ONGEWIJZIGD). DE NIVEAUS VAN SPECIFIEKE LIPIDE KLASSEN CORRELEERDEN STERK MET EX VIVO BLOEDPLAATJESREACTIVITEIT BIJ ZOWEL PATIENTEN ALS CONTROLES. SAMEN BESCHRIJVEN DEZE GEGEVENS UITGEBREIDE LIPIDOMISCHE VERANDERINGEN IN BLOEDPLAATJES TIJDENS INFECTIE EN SUGGEREREN ZE EEN FUNDAMENTEEL VERBAND TUSSEN BLOEDPLAATJESFUNCTIONALITEIT EN HET CELLULAIRE LIPIDOOM. TEN SLOTTE HEBBEN WE IN HOOFDSTUK LIPIDEN GEMETEN IN HET BLOEDPLASMA VAN PATIENTEN DIE OP DE INTENSIVE CARE WAREN OPGENOMEN MET SEPSIS ALS GEVOLG VAN CAP BIJ ERNSTIG ZIEKE PATIENTEN ZONDER INFECTIE EN BIJ CONTROLES DIE OP DE POLIKLINIEK VAN HET ZIEKENHUIS KWAMEN. WE VONDEN EEN STERKE AFNAME VAN DE MEESTE PLASMALIPIDEN BIJ PATIENTEN MET SEPSIS IN VERGELIJKING MET POLIKLINISCHE CONTROLES. WE TOONDEN AAN DAT SPECIFIEKE LIPIDEN ZOALS CHOLESTEROLESTERS EN TRIGLYCERIDEN STERK GEASSOCIEERD WAREN MET DE ERNST VAN DE ZIEKTE EN MET PLASMA BIOMARKERS DIE SYSTEMISCHE ONTSTEKING AANGEVEN. OPMERKELIJK GENOEG VERTOONDEN PATIENTEN DIE MINSTENS VIER DAGEN OP DE IC VERBLEVEN EEN TEMPORELE TOENAME VAN BIJNA ALLE LIPIDENKLASSEN EN DEZE TEMPORELE VERANDERINGEN VAN SPECIFIEKE LIPIDENKLASSEN WAREN STERK GERELATEERD AAN DAGEN MORTALITEIT. TEN SLOTTE TOONDE DE VERGELIJKING TUSSEN PATIENTEN MET CAP SEPSIS EN ERNSTIG ZIEKE CONTROLES DAT ER EEN SUBSTANTIEEL DEEL VAN DE LIPIDE VERANDERINGEN HETZELFDE WAS TUSSEN DE GROEPEN TERWIJL SOMMIGE BEVINDINGEN SPECIFIEK VOOR CAP SEPSIS WAREN. SAMEN POSITIONEREN DEZE RESULTATEN HET PLASMA LIPIDOOM ALS EEN BELANGRIJKE BRON VAN INFORMATIE OVER DE HUIDIGE EN TOEKOMSTIGE TOESTAND VAN EEN PATIENT OP DE INTENSIVE CARE.

HOEWEL ZE VAAK - EN DIT PROEFSCHRIFT VORMT DAAROP GEEN UITZONDERING - AFZONDERLIJK WORDEN ONDERZOCHT ZIJN ALLE MOLECULAIRE LAGEN PATHOFYSIOLOGISCHE MECHANISMEN EN KLINISCHE KENMERKEN DYNAMISCH IN DE TIJD EN ONDERLING VAN ELKAAR AFHANKELIJK. DE TOTALITEIT VAN AL DEZE COMPONENTEN RESULTEERT IN EEN DUIZELINGWEKKENDE COMPLEXITEIT WAT HET ONDERWERP IS VAN DEEL VI. IN HOOFDSTUK BESCHRIJVEN WE DE COMPLEXITEIT VAN SEPSIS DE GRENZEN VAN EEN REDUCTIONISTISCHE AANPAK EN DE WAARDE VAN COMPLEXITEITSTHEORIE. WE BEARGUMENTEREN DAT SEPSIS MOET WORDEN GEZIEN ALS EEN EMERGENTE STAAT VAN EEN ZEER COMPLEX NON-LINEAIR EN DYNAMISCH SYSTEEM DAT FUNDAMENTEEL NIET VOLLEDIG KAN WORDEN BEGREPEN DOOR REDUCTIONISTISCHE BENADERINGEN. WE BESPREKEN DE CONCEPTEN EN STUDIES DIE DIT ONDERSTEUNEN EN BESCHRIJVEN WAT HET ZOU BETEKENEN ALS WE SEPSIS GAAN ZIEN ALS ZO'N STAAT VAN EEN DYNAMISCH NON-LINEAIR SYSTEEM. WE BESPREKEN DE WAARDE VAN METHODEN DIE ZIJN AFGELEID VANUIT COMPLEXITEITSTHEORIE VOOR ONDERZOEK NAAR SEPSIS EN WE STELLEN DAT NON-LINEAIR HOLISTISCH DENKEN CRUCIAAL IS OM HET VELD VOORUIT TE HELPEN.