Immunologische Charakterisierung von Pleuraergüssen pädiatrischer Patienten nach kardiochirurgischer Operation

Abstract

Pleuraergüsse sind definiert als eine pathologische Ansammlung von Flüssigkeit in der Pleurahöhle. Sie können als Komplikation nach kardiochirurgischen Operationen pädiatrischer Patienten auftreten und verschlechtern das klinische Outcome. Die Entstehung von Pleuraergüssen ist assoziiert mit systemischen immunologischen Veränderungen, die in Folge kardiochirurgischer Operationen auftreten. Jedoch fehlen bis dato grundlegende Informationen sowohl über Charakteristika lokaler Immunreaktionen in Pleuraergüssen als auch deren Zusammenhang mit systemischen Immunreaktionen im Blut. Folglich wurde in vorliegender Arbeit pädiatrischen Patienten bei Vorhandensein eines Pleuraergusses nach kardiochirurgischer Operation bei angeborenem Herzfehler simultan je eine Blut- und Pleurapunktatprobe entnommen. Daraufhin wurden in beiden Bioproben sich ergänzende immunologische Analysen auf Zell-, Protein- und Genexpressionsebene durchgeführt: Mittels Durchflusszytometrie wurden 37 Leukozytensubpopulationen detektiert, Multiplex-Immunoassays dienten der Quantifizierung von 12 Zytokinen und mittels quantitativer real-time Polymerasekettenreaktion wurde die Expressionsstärke von 5 Genen untersucht. Insgesamt wurden Blut- und Pleurapunktatproben von 30 Kindern mit einem medianen Alter von 22 Monaten akquiriert. Zunächst erfolgte die Etablierung einer Methode zur Aufarbeitung von Pleurapunktatproben, die eine Grundvoraussetzung für anschließende immunologische Analysen darstellte. Daraufhin konnten Subpopulationen von T-Zellen, B-Zellen, Natürlichen Killerzellen und Monozyten in korrespondierenden Blut- und Pleurapunktatproben nachgewiesen werden. Der Fokus lag dabei auf der Analyse von T-Zellen und es konnten signifikante Erhöhungen von T-Helferzellen Typ 1 und T-Helferzellen Typ 17 in Pleurapunktatproben gegenüber Blutproben festgestellt werden. Ein ebensolcher Trend konnte bei Gedächtnis Effektor T-Helferzellen, Gedächtnis Effektor Zytotoxischen T-Zellen und doppelt-negativen T-Zellen beobachtet werden. Zudem konnten proinflammatorische Zytokine wie TNF, IL-6 und IL-8 in Pleurapunktatproben in signifikant höheren Konzentrationen als in Blutproben detektiert werden. Gleichzeitig lag auch eine antiinflammatorische Komponente in Pleurapunktatproben in Form von IL-4, IL-10, IL-13 und Regulatorischen T-Zellen vor. Zusätzlich deutete eine Analyse klinischer Patientendaten auf eine Assoziation des Patientenalters und der Verwendung einer Herz-Lungen-Maschine mit immunologischen Charakteristika von Pleuraergüssen hin. Die vorliegende Arbeit stellt immunologische Charakteristika von Pleuraergüssen dar, die sowohl auf lokale Immunreaktionen hindeuten als auch einen Zusammenhang mit der systemischen Immunantwort nahelegen. Die hier gewonnenen Erkenntnisse dienen primär dem grundlegenden Verständnis der Immunologie von Pleuraergüssen pädiatrischer Patienten. Darauf aufbauend könnten zukünftige Verbesserungen in der Diagnostik und Therapie von Pleuraergüssen erzielt werden.

Pleural effusions are defined as pathological accumulations of fluid in the pleural cavity. They can occur as a complication after cardiac surgery in pediatric patients and worsen the clinical outcome. The development of pleural effusions is associated with systemic immunological changes that occur as a result of cardiac surgery. However, basic information on both the characteristics of local immune reactions in pleural effusions and their connection with systemic immune reactions in the blood is still lacking. Consequently, in the present study, pediatric patients with pleural effusion after cardiac surgery for congenital heart disease underwent simultaneous blood and pleural effusion sampling. Both specimens were subjected to complementary immunological analyses at the cellular, protein and gene expression levels: Flow cytometry was used to detect 37 leukocyte subpopulations, multiplex immunoassays were used to quantify 12 cytokines and real-time polymerase chain reaction was used to investigate the expression levels of 5 genes. In total, blood and pleural effusion samples were acquired from 30 children with a median age of 22 months. Initially, a method for processing pleural effusion samples was established, which was a fundamental requirement for subsequent immunological analyses. Then subpopulations of T cells, B cells, natural killer cells and monocytes were detected in corresponding blood and pleural effusion samples. The focus was on the analysis of T cells and significant increases in T helper cells type 1 and T helper cells type 17 were found in pleural effusion samples compared to blood samples. A similar trend was observed for memory effector T helper cells, memory effector cytotoxic T cells and double-negative T cells. In addition, pro-inflammatory cytokines such as TNF, IL-6 and IL-8 were detected in significantly higher concentrations in pleural effusion samples than in blood samples. Simultaneously, an anti-inflammatory component was also present in pleural effusion samples, represented by IL-4, IL-10, IL-13 and regulatory T cells. Moreover, an analysis of patient data indicated an association of patient age and use of cardiopulmonary bypass with immunologic characteristics of pleural effusions. The present study describes immunological characteristics of pleural effusions that indicate both local immune reactions and suggest a connection with the systemic immune response. The findings primarily serve to enhance the fundamental understanding of the immunology of pleural effusions in pediatric patients. Based on this, future improvements in the diagnosis and treatment of pleural effusions could be achieved.