Molecular and morphological studies on non-healing venous leg ulcers.

Abstract

Chronic skin ulcers are a major health problem and an increasing burden on health care providers. These ulcers have various underlying causes, such as venous or arterial insufficiency, diabetes, or vasculitis. Non-healing venous leg ulcers represent a condition characterized by excessive inflammation and presence of bacteria. The overall aim of this thesis has been to explore the pathogenesis of these ulcers, with particular focus on bacterial influence, capillary leakage, neutrophil efflux, and oxidative stress as well as cell growth. The results showed that cyclin A, a proliferation marker, was upregulated in the margins of chronic venous ulcers, at levels similar to those detected in acute wounds. Furthermore, several cell-associated proteoglycans were detected in the wound margins of venous ulcers, suggesting that epidermal cells in these ulcers are able to proliferate as well as express molecules important for cell homeostasis and growth. The venous ulcers contained significantly increased levels of chemotactic ?-defensins, as well as heparin binding protein (HBP), a factor known to induce capillary leakage. Secreted products of Pseudomonas aeruginosa, a bacterium often present in chronic ulcers, were found to induce release of HBP from human neutrophils. Chronic venous leg ulcers contained high levels of heme and porphyrin. Furthermore, a novel heme-scavenger, ?1-microglobulin, was identified in these ulcers. Taken together, the data suggests a possible link between bacterial presence, neutrophil activation and HBP-release in venous ulcers, which will help to explain the clinical observation of classic inflammatory signs such as high exudation, swelling, and erythema often accompanied by P. aeruginosa infected wounds. Thus, high HBP and defensin levels, promoting capillary leakage and chemotaxis, respectively, in concert with heme-mediated oxidative stress, may constitute a "vicious loop", which underlies the high inflammation noted in non-healing venous ulcers. These findings provide novel diagnostic markers and reinforce the view that future therapeutic approaches directed at venous ulcers should target inflammatory mechanisms and excessive bacterial influence.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den övergripande målsättningen med denna avhandling har varit att undersöka molekylära förändringar i icke läkande venösa bensår. Framförallt har fokus lagts på faktorer som underhåller den ständigt pågående inflammationen i venösa sår. Med tanke på att alla venösa sår alltid koloniseras av olika bakterier, har vi undersökt hur bakterier kan påverka sårläkning och inflammation. Slutligen har vi studerat huruvida det finns hållpunkter för defekt celldelning i sårkanter från kroniska sår.



I det normala fallet läker uppkomna sårskador. Vid hudskada initieras sårläkningsprocessen som en väl koordinerad kedja av enzymer och cytokiner vilket leder till invandring av vita blodkroppar som rensar upp i sårområdet (inflammationsfasen). Denna fas följs av celltillväxt och invandring av blodkärl och epitelceller (granulations och epitelialiseringsfasen). Vår hud är koloniserad med olika bakterier och svampar. Intakt hud och god sårläkning, tillsammans med olika antimikrobiella skyddssystem baserade på antikroppar, antimikrobiella peptider och olika vita blodkroppar vilket är förutsättningen för att vi inte skall drabbas av inträngande infektioner.



Ibland drabbas vi dock av kroniska sårskador. Cirka 2 % av populationen kommer att någon gång att drabbas av kroniska bensår. Behandlingen är resurskrävande och belastar sjukvården med stora kostnader. Den bakomliggande orsaken till icke läkande venösa bensår är multifaktoriell. Utredning av bakomliggande orsaker grundas på den sammantagna informationen om sjukhistoria, kliniskt status, laboratorieutredningar samt fysiologiska undersökningar, t ex mätning av ankelindex och kartläggning av venös insufficiens. Man räknar med att ca hälften av alla bensår är relaterade till venös insufficiens orsakade av defekta venklaffar, ofta till följd av djup ventrombos i benen vilket resulterat i ett patologiskt förhöjt intravenöst tryck. Det höga trycket fortleds vidare till de mindre kärlen i läderhuden som leder till ett ökat tryck i de minsta kapillärerna med ödemtendens som följd. Det är känt att när tillståndet blir kroniskt leder detta till permanenta vävnadsförändringar, bland annat fibros av läderhuden, tillväxt av kapillärer och kapillärväggsförtjockning genom bildning av så kallade fibrinkuffar runt de minsta kärlen.



Icke läkande venösa sår karakteriseras av en kontinuerlig inflammationsfas med hög vävnadsnedbrytning i sårområdet till skillnad från akuta, läkande sår där den inflammatoriska fasen är över på 3-5 dagar efter skada. Dessutom är kroniska sår alltid koloniserade av bakterier vilket sammantaget initierar en aktivering av immunförsvaret och leder till rekrytering av vita blodkroppar. Dessa celler innehåller olika proteiner, proteinfragment (peptider), och enzymer som är viktiga för både inflammation och infektionsförsvar. Heparin bindande protein (HBP) och ?-defensiner är två exempel på sådana ämnen som lagras i vita blodkroppar. HBP initierar en aktivering av kärlväggens celler vilket bidrar till läckage av vätska och utträde av röda och vita blodkroppar som deponeras i läderhuden. ?-defensiner bidrar till rekrytering av ytterligare vita blodkroppar från blodbanan vilket ytterligare förstärker den inflammatoriska aktiviteten. Höga koncentrationer av HBP och ?-defensin identifierades i sårvätska från venösa kroniska sår. Bakterier, framför allt P. aeruginosa (som ofta förekommer i kroniska sår), visade sig initiera frisättning av HBP, till skillnad från S. aureus som ej hade denna effekt på HBP frisättning. Fyndet kan förklara varför kolonisation med P. aeruginosa i kroniska sår vanligtvis är förenad med kliniska tecknen på inflammation, dvs. rodnad, svullnad, värmeökning och smärta.



Röda blodkroppar innehåller stora mängder järn och häm som är bundet till hemoglobin. När kärlen läcker ut röda blodkroppar går dessa i hemolys och järnet kommer att deponeras i läderhuden. Rent kliniskt resulterar denna deposition till den karaktäristiska hyperpigmenteringen på underbenen som ses vid venös insufficiens. Höga halter av häm och järn har uppmätts i kronisk sårvätska. Fritt järn och häm som via en kemisk reaktion reagerar med syre, bildar vävnadsskadande fria radikaler vilket resulterar i oxidativ stress. ?1-microglobulin är ett protein som förekommer i blod och vävnad vilket både binder och bryter ner häm. Detta protein har påvisats i kronisk sårvätska. Hypotetiskt bör förekomst av ?1-microglobulin kunna utgöra en skyddsmekanism mot oxidativ stress i sårbädden.



Sammanfattningsvis understryker resultaten i detta arbete betydelsen av hög inflammation (relaterad till hög oxidativ stress, bakteriebörda, höga halter av vita blodkroppar och kemotaktiska substanser) för utvecklingen av kroniska venösa sår. Ett flertal av de molekyler som studerats i detta arbete, som HBP och defensiner, skulle kunna tjäna som ?markörer? för utvecklingen av nya terapier designade för att blockera inflammationen i venösa sår.



Marknaden erbjuder ett stort och växande utbud av aktiva sårförband. Erfarenheter från klinisk verksamhet och från forskning har bidragit till ökad kunskap om vilka behandlingsalternativ som lämpar sig bäst vid olika kliniska sårtillstånd. Trots detta så lyckas vi inte läka alla sår. Hur det molekylärt ter sig i sårbädden före och efter olika typer av antiinflammatoriska eller antibakteriella behandlingar, eller när ett tidigare svårläkt sår växlar över till klinisk läkningsfas är många gånger okänt.



Avhandlingen identifierar flera nya mätbara sårmarkörer involverade i inflammationsprocessen, med möjlighet för koncentrationsbestämningar i sårvätska men också med möjlighet till att studera distributionsmönster i sårvävnad. Dessa inkluderar defensiner, HBP, olika proteoglykaner, celldelningsmarkörer, järn, och hem. Dessa ?markörer? kan vara värdefulla vid utvärdering genom analys av sårvätska före och efter behandling. Om kroniska venösa bensår på så sätt kan erbjudas förfinade terapier och individuellt designade behandlingsregimer och därmed snabbare växla över till läkningsfas så kan detta bidra till ett minskat lidande för de drabbade patienterna men också till betydande ekonomiska vinster för sjukvården.

• author: Lundqvist, Katarina
• supervisor: Artur Schmidtchen
• opponent: Professor Ståhle, Mona, Hudkliniken, Karolinska universitetssjukhuset i Solna, 171 76 Stockholm
• organization: Dermatology and Venereology (Lund)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Dermatology and Venereal Diseases
• keywords: Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), alpha1-microglobulin, heparin binding protein, venous leg ulcers, inflammation, alpha-defensin
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2006:118
• pages: 84 pages
• defense location: Hudklinikens föreläsningssal, plan 2, Lasarettsgatan 15, Universitetssjukhuset i Lund
• defense date: 2006-11-18 10:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85559-42-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: K Lundqvist and A Schmidtchen. 2001. Immunohistochemical studies on proteoglycan expression in normal skin and chronic ulcers. Br. J. Dermatol., vol 144 pp 254-259.; K Lundqvist and A Schmidtchen. 2006. Cyclin A expression in chronic leg ulcers. Acta Derm Venereol., vol 86 pp 61-62.; M Allhorn, K Lundqvist, A Schmidtchen and B Åkerström. 2003. Heme-scavenging role of alpha1-microglobulin in chronic ulcers. J. Invest. Dermatol., vol 121 pp 640-646.; K Lundqvist, A Sonesson, H Herwald and A Schmidtchen. 2004. Heparin binding protein is increased in chronic leg ulcer fluid and released from granulocytes by secreted products of Pseudomonas aeruginosa. Thromb. Haemost., vol 92 pp 281-287.; K Lundqvist and A Schmidtchen. . Human neutrophil alpha-defensins in chronic venous leg ulcers. (manuscript)
• id: fc298b86-c8bd-4045-8e03-824fb06b19c0 (old id 547449)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:33:02
• date last changed: 2019-05-22 01:45:34