Studies on Heparin Binding protein in bacterial infections

Abstract

Infectious diseases remain a major health problem, where sepsis and other severe bacterial infections are common causes of morbidity and mortality, and are associated with high costs for the community. The importance of early and appropriate treatment of sepsis and severe bacterial infections has been underlined by many and since sepsis is more prevalent and has a higher mortality rate than for instance acute myocardial infarction, there is a need for improvement.

The heparin-binding protein (HBP, azurocidin, CAP37) is a multifunctional neutrophil-derived protein. HBP has been shown to be a powerful inducer of vascular leakage. In this thesis we demonstrate that HBP could have a potential role as a new biomarker for severe infections. First, the levels of HBP in plasma were closely correlated to development of circulatory failure in sepsis. This could help improving early identification of patients in the emergency department in need of aggressive treatment. Furthermore, we found that serial HBP measurements in plasma might be useful in predicting outcome in critically ill intensive care unit patients. We also found HBP to be present in higher amount in the cerebrospinal fluid of patients with acute bacterial meningitis compared to non-bacterial meningitis. Finally, we demonstrated that activation of the contact-system and release of HBP is present in the inflamed skin in erysipelas, suggesting a pathophysiological role in this relatively prevalent condition.

In conclusion, this thesis provides some novel findings stressing the important role of HBP in severe infections, its potential usefulness as a new biomarker, and maybe a future target of treatment.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De senaste årens forskning har visat hur betydelsefullt vårt medfödda immunförsvar, ”Innate immunity”, är för kroppens möjligheter att bekämpa infektioner. Paradoxalt nog är det när detta mycket potenta immunförsvar överreagerar som allvarliga komplikationer till infektioner inträffar, som exempelvis vid sepsis och hjärnhinneinflammation (meningit).

Heparin-bindande protein (HBP) är ett multifunktionellt protein som är lagrat i neutrofila vita blodkroppar. HBP har visats vara antimikrobiellt, aktivera monocyter och orsaka läckage av plasma genom blodkärlsväggen (endotelet). HBP frisätts redan när neutrofilen kommer i kontakt med endotelytan och inducerar kapillärt läckage vilket möjliggör att blodkropparna kan ta sig från blodbanan till infektionshärden i vävnaden. Bakterier kan orsaka frisättning av HBP genom aktivering av specifika receptorer på neutrofilen, varvid kärlväggen blir läckande vilket leder till kardinalfyndet vid svår sepsis; cirkulationspåverkan.

Kontaktsystemet är också en del av det medfödda immunförsvaret. Systemet reglerar koagulationen men har även en viktig roll i inflammationssvaret vid infektioner. En aktivering av kontaktsystemet leder bland annat till frisättning av bradykinin. Bradykinin är en potent proinflammatorisk peptid som orsakar feber, ödem, smärta och hypotension. Flera studier har visat att kontaktsystemet aktiveras vid allvarliga infektioner som t.ex. sepsis.

I Arbete I samlade vi plasmaprover från 233 patienter som insjuknat akut med feber. HBP-nivåer analyserades med en ELISA-metod och resultaten jämfördes med några andra etablerade sepsismarkörer. Resultatet visade tydligt att de 38 patienter som vid inkomsten hade en svår infektion med lågt blodtryck som tecken på cirkulationssvikt, hade klart förhöjda nivåer av HBP i plasma. Än viktigare var upptäckten att majoriteten av de patienter som vid inkomsten inte visade tecken till cirkulationspåverkan, men som de kommande 12 timmarna utvecklade cirkulationssvikt, hade ett högt HBP-värde. Ett högt HBP-värde kunde identifiera 87% av patienterna med risk för sepsis och cirkulationssvikt och utesluta denna risk hos 95% av patienter med mildare infektioner. HBP visade sig vara en bättre biomarkör för sepsis än procalcitonin, interleukin-6, laktat och CRP. En biomarkör som tidigt signalerar svår sepsis kan medföra snabbare insatt behandling och korrekt vårdnivå.

I Arbete II ville vi veta mer om hur HBP nivåerna förändras över tid hos svårt sjuka patienter som vårdas på intensivvårdsavdelning (IVA). Plasmaprover från 179 patienter som vårdats på IVA analyserades och resultaten jämfördes med andra parametrar som idag används för att bedöma patientens prognos.

Resultaten visade att HBP-nivåerna var förhöjda hos 87% av patienterna med septisk chock under första IVA-dygnet. Det visade sig att HBP-nivåerna normaliserades hos de flesta som överlevde, medan HBP ofta var förhöjt eller stigande hos de som avled på sjukhuset. HBP korrelerade med flera av de parametrar som idag används för att bedöma sjukdomens allvarlighetsgrad, men var något bättre på att diagnosticera sepsis och även på att förutsäga vilka patienter som hade dålig överlevnadsprognos.

Sammanfattningsvis visar dessa två studier att HBP är frisatt i plasma hos patienter med sepsis och cirkulationspåverkan, d.v.s. det som brukar definieras som svår sepsis. Att mäta HBP i plasma kan vara till både diagnostisk och prognostisk nytta för patienter med sepsis. I teorin skulle blockering av HBP-frisättning kunna vara ett intressant alternativ för framtida sepsisbehandling.

I Arbete III ville vi undersöka om HBP är mätbart i ryggmärgsvätska (likvor) hos patienter med meningit och om HBP i så fall skulle kunna användas som en diagnostisk markör vid detta tillstånd. Vid bakteriell meningit aktiveras immunförsvaret och man får feber samt infiltration av bakterier och efterföljande vita blodkroppar in i centrala nervsystemet (CNS). Detta kan leda till en tilltagande hjärnsvullnad, där HBPs förmåga att inducera kapillär läckage skulle kunna ha en betydelse.

I denna studie analyserades HBP-nivån i likvor från 174 patienter. Resultatet visade att HBP-nivåerna oftast var förhöjda i likvor vid bakteriell meningit, medan patienter med virusmeningit hade samma HBP-nivåer som kontrollpatienterna utan CNS-infektion. HBP kunde bättre skilja mellan bakteriell och viral meningit än de andra undersökta traditionella markörerna. Tidig och rätt diagnostik av meningit är av största vikt för att minska komplikationer och mortalitet vid dessa infektioner. En biomarkör som tidigt och med stor precision kan diagnosticera bakteriell meningit kan vara viktig för att förbättra prognosen vid detta livshotande tillstånd.

I Arbete IV fann vi att kontaktsystemet aktiveras och HBP frisätts i den inflammerade vävnaden hos patienter med rosfeber (erysipelas). Vi använde två olika metoder och resultaten överensstämde med varandra. Vi kunde också påvisa att grupp-A streptokocker var den vanligaste orsaken till rosfeber. Denna bakterie har visats kunna aktivera kontaktsystemet på sin yta och orsaka HBP-frisättning. Bradykinin orsakar feber, smärta, rodnad och ödem vilket är symtom som karakteriserar rosfeber. Även HBP skulle kunna spela en roll i ödemutvecklingen och har även antibakteriell aktivitet. Hudinfektioner orsakar ett stort lidande och tar enorma sjukvårdsresurser i anspråk. Tidigt insatt ”riktad” antiinflammatorisk behandling tillsammans med adekvat penicillinbehandling skulle teoretiskt sett kunna förkorta sjukdomsförloppet och minska patientlidandet.

• author: Linder, Adam
• supervisor: Per Åkesson; Lars Björck; Bertil Christensson
• opponent: Gårdlund, Bengt, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2011:47
• pages: 138 pages
• defense location: Belfragesalen, BMC D15, Lund
• defense date: 2011-05-13 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86671-95-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 25108db0-cfbf-46d2-b21b-d2a1fc57219c (old id 1897890)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:59:15
• date last changed: 2023-04-18 20:46:46