Lonneke Van Vught

Sepsis is een levensbedreigende aandoening waarbij de ontstekingsreactie van de gastheer schade aan het eigen lichaam veroorzaakt. De op hol geslagen afweer tegen binnendringende pathogenen schiet zijn doel voorbij en tast weefsels en organen van de patiënt aan, waardoor de longen, nieren, lever, hersenen en het hart dreigen uit te vallen. Bloedvaten worden permeabel, gaan lekken en patiënten ontwikkelen stolsels en bloedingen. Sepsis is een belangrijke oorzaak van morbiditeit en wereldwijd een van de belangrijkste oorzaken van overlijden. In dit proefschrift hebben we de epidemiologie, de uitkomst en de afweerreactie onderzocht bij ernstig zieke patiënten opgenomen met sepsis op de intensive care (IC). Om dit te kunnen doen hebben we gebruik gemaakt van de ‘Moleculaire Diagnose en Risico Stratificatie van Sepsis’ (MARS) studie. Deze studie vond plaats in twee ICs in Nederlandse academische centra (Academisch Medisch Centrum Amsterdam en Universitair Medisch Centrum Utrecht). Gedurende 3 jaar vond van 8305 achtereenvolgens opgenomen patiënten op de IC uitgebreide dataverzameling plaats. In een groep van deze patiënten werden zowel eiwit biomarkers als genoom expressie profielen in witte bloed cellen in het bloed bepaald teneinde inzicht te verkrijgen in de gastheer reactie tijdens sepsis. Het doel van het MARS project is het ontwikkelen van instrumenten die snelle en accurate informatie verschaffen over de ernst van ziekte, de fase van de immuunreactie en de veroorzakende pathogenen, om vervolgens individuele en gerichte therapie te kunnen verschaffen aan patiënten met sepsis. In dit proefschrift worden enkele factoren onderzocht die van invloed zijn op de ontwikkeling van sepsis en de daarop volgende gastheer reactie, de ernst van ziekte en de uitkomst.

Onderdrukking van het immuunsysteem en secundaire infecties in patiënten met sepsis
In patiënten met sepsis vindt een extreme ontstekingsreactie plaats op een binnentredend pathogeen, de pro-inflammatoire fase. De gelijktijdig optredende onderdrukking van het immuunsysteem, de anti-inflammatoire fase, zorgt voor het in toom houden van deze excessieve ontstekingsreactie, teneinde schade aan het eigen lichaam te voorkomen. Echter, gedurende de sepsis response zijn deze reacties uit evenwicht, en kan deze disbalans doorslaan naar een onderdrukking van het immuunsysteem met uitputting, apoptose en hyporesponsiviteit van immuun cellen tot gevolg. In deze netto immuun suppressieve fase zijn sepsis patiënten verhoogd gevoelig voor de ontwikkeling van secundaire infecties. De meerderheid van de sepsis sterfgevallen vindt plaatst na de eerste week en wordt geweten aan de ontwikkeling van deze nosocomiale infecties in immuun suppressieve sepsis patiënten. Deze immuun suppressieve fase wordt verondersteld sepsis specifiek te zijn, en niet, of in een minderde mate, aanwezig te zijn bij patiënten met een niet-infectieuze kritieke ziekte. Sinds kort wordt daarom gepleit voor immuun stimulerende middelen in de behandeling van sepsis. Echter, omdat deze middelen schadelijke effecten kunnen hebben, zouden ze alleen gebruikt moeten worden bij patiënten die ervan kunnen profiteren. Hiervoor is informatie over de individuele gastheer response van essentieel belang gecombineerd met kennis over de bijdragende mortaliteit van IC-verworven infecties. In Deel I van dit proefschrift richtten we ons daarom op de immuun paralyse bij kritiek zieke patiënten op de IC. Als de aanname correct is dat immuun suppressie in sepsis patiënten leidt tot verhoogde gevoeligheid voor nosocomiale infecties, en dat immuun suppressie veel sterker is bij sepsis patiënten dan bij patiënten met niet-infectieuze ziekten, dan zouden IC-verworven infecties vaker moeten voorkomen bij eerst genoemde patiënten. In tegenstelling tot deze hypothese, vonden we in Hoofdstuk 2 van dit proefschrift een vergelijkbaar voorkomen van IC-verworven infecties in beide groepen, met zelfs een verhoogde incidentie in de eerste week na IC opname in patiënten met een niet-infectieuze opname diagnose. Deze bevinding suggereert dat IC-verworven infecties een minstens even groot probleem zijn in patiënten opgenomen op de IC met sepsis of met een niet-infectieuze kritieke ziekte.

In zowel sepsis als niet-infectieuze kritiek zieke patiënten bleken IC-verworven infecties gerelateerd aan toenemende mate van ziekte ernst (Hoofdstuk 2 en 3). Ziekere patiënten worden meer blootgesteld aan invasieve ondersteuning en hebben een langere ligduur op de IC, leidend tot een toegenomen risico op de ontwikkeling van IC-verworven infecties (Hoofdstuk 2 en 3). Daarbij werd gevonden dat de bijdrage van IC-verworven infecties aan de mortaliteit bescheiden was en bovendien hoger in patiënten met een niet-infectieuze opname diagnose. Deze relatief lage bijdrage van IC-verworven infecties aan de mortaliteit suggereert dat andere factoren, zoals orgaan falen en shock, van groter belang zijn bij sterfte van kritiek zieke patiënten dan IC-verworven infecties.

Hoewel de incidentie van IC-verworven infecties na de eerste week vergelijkbaar was tussen sepsis patiënten en niet-infectieuze opnames, werden er bij patiënten met sepsis wel aanwijzingen gevonden voor immuun paralyse. Bij deze patiënten werden IC-verworven infecties vaker veroorzaakt door opportunistische pathogenen en deze patiënten ontwikkelden vaker meerdere IC-verworven infecties gedurende IC opname. Daarnaast werd in genexpressie profielen in bloed leukocyten ten tijden van de IC-verworven infecties een verminderd glucosemetabolisme gevonden, suggestief voor immuun suppressie (Hoofdstuk 2). Dit werd niet gevonden bij sepsis patiënten die een niet-infectieuze IC-verworven complicatie doormaakten, zoals acuut nier falen of acuut long falen.

Bij IC opname werden geen verschillen gevonden in gen expressie profielen tussen patiënten die wel of geen IC-verworven infectie zouden gaan ontwikkelen (Hoofdstuk 2). De vergelijkbare genomische respons in witte bloedcellen suggereerde een stadium van gelijktijdige hyperinflammatie met immunoparalyse, zoals blijkend uit verhoogde expressie van pro- en anti-inflammatoire reacties gecombineerd met verminderde expressie van genen betrokken bij de verworven immuniteit. Bij onderzoek van de reactiviteit van witte bloedcel van kritiek zieke patiënten op een bacterieel product (lipopolysaccharide) vonden we evenmin een verband met de latere ontwikkeling van IC-verworven infecties (Hoofdstuk 4). Kritiek zieke patiënten toonden een verminderde capaciteit om een goede cytokine respons te initiëren in vergelijking met gezonde proefpersonen; er werden echter geen verschillen gevonden tussen patiënten die wel en degenen die geen IC-verworven infectie ontwikkelden. Sepsis patiënten die een IC-verworven infectie ontwikkelden toonden daarentegen wel een stijging van de plasma eiwit biomarkers die inzicht geven in activatie en deregulatie van afweerreacties in vergelijking met degenen die dat niet deden (Hoofdstuk 3). Deze meer ontregelde immuun response bleef intact na correctie voor ernst van ziekte, en nam zelfs toe in de dagen na IC opname. Hoewel onze analyses geen inzicht geven in de gastheerresponse in niet-infectieuze kritiek zieke patiënten, wordt in de literatuur bij deze patiënten een gelijktijdige activering van zowel pro- als anti-inflammatoire en immunosuppressieve processen beschreven. Uit Deel I van dit proefschrift concluderen wij dat deze persisterende hyperinflammatie gecombineerd met immuun suppressie aanwezig is bij kritiek ziekte patiënten ongeacht de opname diagnose en dat dit geassocieerd is met verhoogde vatbaarheid voor IC-verworven infecties.

Diabetes en glucose in sepsis
De incidentie van diabetes neemt toe en het risico op overlijden is verdubbeld in de populatie met diabetes. Patiënten met diabetes hebben verhoogde vatbaarheid voor het ontwikkelen van sepsis, en diabetes is een van de meest voorkomende comorbiditeiten in patiënten opgenomen met sepsis, aanwezig in 20-35% van de gevallen. Diabetes gaat gepaard met een laaggradige chronische ontsteking, en activatie van het endotheel en stollingssysteem, processen die ook aanwezig zijn bij patiënten met sepsis. Daarnaast hebben factoren geassocieerd met mortaliteit, zoals glucose en body mass index, een andere invloed op patiënten met en patiënten zonder diabetes. In Deel II van dit proefschrift richtten we ons daarom op het effect van diabetes (Hoofdstuk 5), opname glucose spiegels (Hoofdstuk 6) en een combinatie daarvan (Hoofdstuk 7) in patiënten met sepsis. In Hoofdstuk 5 concluderen we dat diabetes niet geassocieerd is met een veranderde ziekte presentatie, immuun reactie of uitkomst in patiënten met sepsis. Er werden vergelijkbare concentraties van afweer biomarkers in het plasma gevonden en ook lieten gen expressie profielen van witte bloedcellen geen verschillen zien tussen sepsis patiënten met of zonder diabetes. Daarnaast werd er geen effect gevonden van het gebruik van insuline dan wel metformine (twee veel gebruikte antidiabetica) voorafgaand aan IC opname op de onderzochte uitkomst maten. In Hoofdstuk 5 concluderen we daarom dat ondanks de verhoogde vatbaarheid van diabetes patiënten voor sepsis, eenmaal opgenomen op de IC diabetes niet geassocieerd is met een veranderde immuun response dan wel verslechterde uitkomst. In Hoofdstuk 6 werd het effect van verhoogde glucose spiegels, genaamd hyperglykemie, onderzocht in relatie tot de immuun response en uitkomst in sepsis. Milde hyperglykemie wordt gesuggereerd beschermend te zijn bij acute ziekten door de glucose opname in cellen te bevorderen; ernstige hyperglykemie is echter geassocieerd met verhoogde vatbaarheid voor sepsis, veranderd metabolisme en orgaan falen. Overeenkomstig hiermee wordt in Hoofdstuk 6 geconcludeerd dat ernstige hyperglykemie geassocieerd is met verslechterde uitkomst (hogere mortaliteit op dag 30 na IC opname) in zowel patiënten met diabetes als patiënten zonder diabetes. In tegenstelling tot eerdere studies, werd geen beschermend effect van diabetes gevonden op de negatieve gevolgen van hyperglykemie. In tegenstelling tot onze primaire hypothese werden er geen aanwijzingen gevonden voor de veronderstelde toegenomen deregulatie van de immuun response in patiënten met hyperglykemie. Integendeel, hyperglykemie patiënten zonder diabetes toonden verminderde veranderingen in de activering van het cytokine netwerk, het vasculaire endotheel en het stollingssysteem vergeleken met patiënten met normale glucose spiegels. We concluderen dan ook in Hoofdstuk 6 dat hyperglykemie geassocieerd is met sterfte door een ander mechanisme dan een veranderde gastheer reactie tijdens sepsis.

In Hoofdstuk 7 werd met behulp van de Nederlandse Nationale Intensive Care Evaluatie (NICE) registratie verder onderzocht of diabetes invloed heeft op de associatie van glucose met ziekte presentatie en uitkomst in patiënten opgenomen met sepsis. In dit cohort van rond de 130.000 sepsis patiënten, bevestigden we dat diabetes niet was geassocieerd met een verhoogd risico op sterfte gedurende de eerste 90 dagen na IC opname. In een vervolg analyse, waarin het effect van diabetes op mortaliteit in verschillende glucose spiegel categorieën werd onderzocht, bleek de aanwezigheid van diabetes geen additioneel nadelig effect op uitkomst te hebben. Afwijkende glucose spiegels in de eerste 24 uur na IC opname waren daarentegen wel geassocieerd met verminderde overleving in zowel patiënten met diabetes als patiënten zonder diabetes. In patiënten met diabetes was een ernstige daling van glucose spiegels, hypoglykemie, in de afwezigheid van hyperglykemie geassocieerd met sterfte. Bij patiënten zonder diabetes waren meerdere combinaties van afwijkende hyperglykemie en hypoglykemie geassocieerd met mortaliteit. Uit deze resultaten kan worden geconcludeerd dat patiënten met diabetes geen verhoogd risico hebben op mortaliteit en dat ontregelde glucose spiegels bij IC opname leiden tot verslechterde uitkomst afhankelijk van diabetes status. Patiënten met diabetes tolereren grotere glucose spiegel afwijkingen beter dan patiënten zonder diabetes.

Andere reeds aanwezige en verworden factoren van invloed op sepsis
Patiënten met sepsis vertonen een ontregeling van het stollingssysteem. Stollingsactivatie is een gevolg van bacteriële toxines en pro-inflammatoire reacties, primair gericht op het vangen en doden van binnendringende ziekteverwekkers. Tijdens sepsis leidt het bijkomende verbruik van stollingsfactoren tot zowel ernstige bloedingen als stolsels in kleine bloedvaten. Bloedplaatjes zijn onderdeel van het stollingssysteem en onlangs is aangetoond dat bloedplaatjes een cruciale rol spelen in de gastheer respons op een infectie. In Hoofdstuk 8 hebben we bestudeerd of het hebben van lage aantallen bloedplaatjes, genaamd trombocytopenie, geassocieerd is met een slechtere uitkomst in sepsis patiënten. We vonden dat patiënten met trombocytopenie een meer verstoorde immuun response hebben en dat trombocytopenie leidt tot een verhoogde associatie met mortaliteit.

In Hoofdstuk 9 onderzochten we of er een verschil is tussen mannen en vrouwen met betrekking tot ernst van ziekte, de immuun response en de uitkomst van sepsis. Het is bekend dat mannen vatbaarder zijn voor het ontwikkelen van sepsis, maar of dit ook leidt tot verhoogde mortaliteit in deze groep is niet duidelijk. Wij vonden inderdaad dat patiënten opgenomen op de IC met sepsis vaker mannen zijn; echter er waren geen geslachtsverschillen ten aanzien van ernst van ziekte of mortaliteit. Daarbij was ook de immuun response vergelijkbaar tussen mannelijke en vrouwelijke patiënten met sepsis, met uitzondering van een verhoogde activatie van het endotheel bij vrouwen. Dit resultaat was echter afwezig bij patiënten opgenomen met een leeftijd van ouder dan 55 jaar, wijzend op hormonale invloeden.

Pneumonie bij patiënten met sepsis
Pneumonie, ook wel longontsteking genoemd, is een belangrijke doodsoorzaak in de wereld en tevens de meest voorkomende bron waaruit sepsis ontstaat. Patiënten die een longontsteking oplopen in de gemeenschap verschillen klinisch en microbiologisch van patiënten die een longontsteking in het ziekenhuis oplopen. Ziekenhuispatiënten worden verondersteld gevoeliger te zijn voor opportunistische pathogenen vanwege een onderdrukt immuun systeem. In Hoofdstuk 10 werd de immuun response tussen patiënten met een longontsteking opgelopen in de gemeenschap vergeleken met patiënten die een longontsteking opliepen in het ziekenhuis. In tegenstelling tot wat werd verwacht, bleken deze groepen patiënten grotendeels vergelijkbaar in termen van klinische presentatie, immuun response en mortaliteit. Genexpressie profielen van ziekenhuispatiënten vertoonden een onderdrukking van interferon signalering, een bevinding die echter verdween na correctie van potentiële beïnvloedende factoren zoals comorbiditeiten en verwekkers. Daarnaast toonden bloed leukocyten van patiënten met ziekenhuis verworven pneumonie, in vergelijking met witte bloedcellen van patiënten met pneumonie verworven in de gemeenschap, een overexpressie van genen betrokken bij de hechting en de beweeglijkheid van cellen. Dit was overeenkomstig met het feit dat deze patiënten lagere plasma concentraties hadden van matrix metalloproteinase-8 en vrij E-selectine, indicatief voor een verhoogde bindingscapaciteit van leukocyten aan het endotheel.

Een hogere leeftijd is sterk geassocieerd met een verhoogde gevoeligheid voor infecties. De incidentie van in de gemeenschap opgelopen pneumonie neemt dan ook sterk toe met toenemende leeftijd. Dit kan ten dele worden verklaard door de toegenomen aanwezigheid van comorbiditeiten; echter een verandering van het immuunsysteem richting een laaggradige inflammatie speelt waarschijnlijk ook een rol. In Hoofdstuk 11 werd het verschil in immuun response tussen jonge en oudere patiënten met pneumonie onderzocht. Ondanks toegenomen ernst van ziekte in oudere patiënten was er een vergelijkbare immuun response, gemeten als concentraties van cytokinen in het plasma. Hieruit kon worden geconcludeerd dat een hogere leeftijd geassocieerd is met een verminderde capaciteit van het immuun systeem om een goede immuun response te genereren. Daarnaast werd een verlaagd niveau van het acute fase eiwit genaamd C-reactief eiwit gevonden. Veroudering was derhalve geassocieerd met een absolute (C-reactief eiwit) en een relatieve (cytokines) verminderde capaciteit van het immuunsysteem.

Algemene conclusies
In ernstig zieke patiënten met sepsis zijn meerdere risicofactoren geassocieerd met een slechtere uitkomst en een verandering in de immuun response. In dit proefschrift bleken geslacht en diabetes niet geassocieerd met veranderingen ten aanzien van immuun reactie, ernst van ziekte en uitkomst in kritiek zieke patiënten met sepsis. Factoren die wel van invloed waren op de immuun reactie, de mate van ziekte en de overleving in patiënten met sepsis waren gevorderde leeftijd, ontregelde glucose spiegels en trombocytopenie. IC-verworven infecties kwamen niet vaker voor bij patiënten met sepsis dan bij patiënten met niet-infectieuze opname redenen en de bijdragende mortaliteit van IC-verworven infecties bleek laag. De studies die in dit proefschrift beschreven staan zijn uniek door de integratie van gedetailleerde klinische en microbiologische gegevens met uitgebreide metingen van de afweerreactie in een van de grootste sepsis cohorten ter wereld. Het MARS cohort zal ongetwijfeld van grote waarde zijn voor toekomstige studies die tot doel hebben het inzicht in de pathogenese van sepsis te vergroten en nieuwe biomarkers te ontdekken die sepsis patiënten kunnen onderverdelen in subgruppeb gebaseerd op verschillende typen afweerreactie, hetgeen kan bijdragen aan het ontwikkelen en toepassen van gerichte therapieën.

List of contributing authors

Hakima Belkasim-Bohoudi, Center for Experimental and Molecular Medicine, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Rebecca Holman, Department of Medical Informatics; NICE foundation, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Douwe H Biesma, Department of Internal Medicine, Sint Antonius Hospital, Nieuwegein, the Netherlands.
Arie J. Hoogendijk, Center for Experimental and Molecular Medicine, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Marc J.M. Bonten, Department of Medical Microbiology; Department of Epidemiology, Julius Centre for Health Sciences and Primary Care, University Medical Centre Utrecht, Utrecht, the Netherlands.
Janneke Horn, Department of Intensive Care, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Olaf L. Cremer, Department of Intensive Care Medicine, University Medical Center Utrecht, Utrecht, the Netherlands.
Evert de Jonge, Department of Intensive Care Medicine, Leiden University Medical Center, Leiden, the Netherlands; NICE foundation, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Henrik Endeman, Department of Intensive Care, Onze Lieve Vrouwe Gasthuis, Amsterdam, The Netherlands.
Nicolette F. de Keizer, Department of Medical Informatics; NICE foundation, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Marek Franitza, Cologne Center for Genomics; Cologne Excellence Cluster on Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases, University of Cologne, Cologne, Germany.
Peter M.C. Klein Klouwenberg, Department of Intensive Care Medicine; Department of Medical Microbiology; Department of Epidemiology, Julius Centre for Health Sciences and Primary Care, University Medical Centre Utrecht, Utrecht, the Netherlands.
Jos F. Frencken, Department of Epidemiology, Julius Centre for Health Sciences and Primary Care, University Medical Centre Utrecht, Utrecht, the Netherlands.
Sabine C Meijvis, Department of Internal Medicine, Sint Antonius Hospital, Nieuwegein, the Netherlands.
Peter Nürnberg, Cologne Center for Genomics; Cologne Excellence Cluster on Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases; Center for Molecular Medicine Cologne, University of Cologne, Cologne.
Cristian Spitoni, Department of Mathematics, Utrecht University, Utrecht, the Netherlands.
David S.Y. Ong, Department of Intensive Care Medicine; Department of Medical Microbiology; Department of Epidemiology, Julius Centre for Health Sciences and Primary Care, University Medical Centre Utrecht, Utrecht, the Netherlands.
Mohammad R. Toliat, Cologne Center for Genomics, University of Cologne, Cologne, Germany.
Tom van der Poll, Center for Experimental and Molecular Medicine; Division of Infectious Diseases, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Maryse A. Wiewel, Center for Experimental and Molecular Medicine; Division of Infectious Diseases, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Marcus J. Schultz, Department of Intensive Care, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Brendon P. Scicluna, Center for Experimental and Molecular Medicine; Department of Clinical Epidemiology, Biostatistics and Bioinformatics, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands.
Aeiko H. Zwinderman, Clinical Epidemiology Biostatistics and Bioinformatics, Academic Medical Center Amsterdam, the Netherlands.