Algemeen > nieuws > promoties

Promoties Geneeskunde

Korte samenvatting:

Meconium is de eerste ontlasting van een baby. Het is een teerachtige substantie, die uit veel verschillende stoffen bestaat. Als het kind dit via het vruchtwater in de longen krijgt, kan dat ernstige longproblemen geven: het Meconium Aspiratie Syndroom. Neonatoloog Arend Jan de Beaufort onderzocht de ontstekingsbevorderende eigenschappen van meconium en ontdekte dat zowel directe als indirecte processen daarbij een rol spelen. Dit opent de weg naar de ontwikkeling van specifieke ontstekingsremmende therapieën en behandelstrategieën die de schade door zuurstof kunnen beperken.

Samenvatting:

Dit proefschrift beschrijft onderzoek naar de pathogenese en gevolgen van behandeling van het meconium aspiratie syndroom (MAS).

Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van de huidige inzichten in de pathogenese en pathofysiologie van respiratoire distress syndromen (RDS), in het bijzonder van het meconium aspiratie syndroom (MAS).

Het meconium aspiratie syndroom begint waarschijnlijk al voor de feitelijke inademing van meconium (-houdend vruchtwater). Chronische hypoxie en chorioamnionitis spelen een centrale rol bij het ontstaan van postnatale longschade door meconium. Dezelfde processen, chronische intra-uteriene hypoxie en chorioamnionitis, zijn ook belangrijke factoren bij het ontstaan van hersen- en long schade (resp. cerebral palsy en bronchopulmonale dysplasie) bij zuigelingen. Een voor de geboorte aanwezige ontstekingsreactie kenmerkt deze ziektebeelden. Na de geboorte kan meconium (na aspiratie) de longschade verergeren, opnieuw door een ontstekingsreactie. Luchtwegobstructie, die leidt tot mechanische rek van kleine luchtwegen (‘shear stress’), locale hypoxie en/ of samenvallen van longweefsel (atelectase) kunnen alle een ontstekingsreactie veroorzaken. Bovendien versterken zowel kunstmatige beademing, zuurstof en/of stikstofmonoxide, ter behandeling van hypercapnie en hypoxie, de ontstekingreactie.

Onze hypothese was dat meconium een directe ontstekingsreactie in de long teweeg kan brengen en een eventueel aanwezige ontstekingsreactie kan versterken. De combinatie van deze directe en indirecte effecten veroorzaakt het klinisch beeld van respiratoire distress, o.a. door surfactantschade, en hoge zuurstofbehoefte als gevolg van persisterende pulmonale hypertensie. Samen met (de behandeling van) hypercapnie en hypoxie ontstaat een vicieuze cirkel die de locale ontsteking steeds verder aanwakkert. Hoofdstukken 2, 3 en 4 bevatten onderzoeksgegevens met betrekking tot de rol van meconium als een directe bron van pro-inflammatoire factoren.

Hoofdstuk 2 beschrijft studies naar de aanwezigheid en rol van interleukine 8 (IL-8) in meconium. IL-8 is een chemokine. Chemokines ‘lokken’ neutrofiele granulocyten, ontstekingscellen, naar plaatsen van ontsteking. Dit proces heet chemotaxie. Meconium bevat interleukine 8 en induceert chemotaxie van neutrofiele granulocyten in vitro. Neutrofiele granulocyten zijn een potentiële bron van schadelijke stoffen als vrije zuurstof- en stikstof radicalen, fosfolipasen (o.a PLA2, vetsplitsend enzym) en proteasen (eiwitsplitsende enzymen). De veronderstelling is dat IL-8 in meconium een rol speelt bij het aantrekken van neutrofiele granulocyten naar de long bij MAS en dientengevolge een plaats heeft in de ontstaanswijze van de longontsteking bij MAS (chemische pneumonitis).

Hoofdstuk 3 gaat in op de rol van fosfolipase A2 (PLA2) in meconium. PLA2 speelt bij volwassenen een centrale rol in de pathogenese van inflammatoire longziekten en katalyseert de snelheidsbepalende stap bij de vorming van arachidonzuur. Arachidonzuur is voorloper van prostaglandines en leukotrienes, belangrijke ontstekingsmediatoren, o.a. door chemotaxie van neutrofiele granulocyten, en nauw betrokken bij de regulering van de vaattonus. PLA2 is in meconium aanwezig. In vitro reduceert PLA2 het oppervlakte spanningsverlagende effect van surfactant door splitsing van surfactant fosfolipiden. De veronderstelling is dat PLA2 in meconium surfactant inactiveert, atelectase en mogelijk ook pulmonale hypertensie veroorzaakt bij kinderen met MAS.

Hoofdstuk 4 beschrijft onderzoek naar andere ontstekingsmediatoren in meconium en het vermogen van meconium om gekweekte longepitheel cellen (A549) aan te zetten tot cytokine productie. Onderzochte meconium samples bevatten variabele hoeveelheden van IL-1β, IL-6, IL-8, TNF-α en haem. Alle onderzochte meconium samples induceerden IL-8 release en sommige induceerden TNF-α release in gekweekte A549 epitheel cellen. Pro-inflammatoire factoren in meconium zouden op twee verschillende manieren een ontsteking in de long bij een meconium aspiratie kunnen veroorzaken. Enerzijds kunnen cytokines en haem in meconium direct een ontstekingsreactie teweegbrengen. Anderzijds kan meconium via stimulatie van cytokine release door longepitheel cellen inflammatie induceren.

Hoofdstuk 5 beschrijft de effecten van klinisch toegepaste exogene surfactant preparaten op de chemotaxie van neutrofiele granulocyten van konijnen en volwassen mensen. Exogeen surfactant wordt bij kinderen met IRDS en MAS vaak toegediend ter suppletie van (geïnactiveerd) surfactant. Echter behandeling met exogeen surfactant is niet altijd effectief bij pasgeborenen met RDS. De hypothese was dat exogeen surfactant mogelijk een rol speelt bij het onderhouden van de ontstekingsreactie. In vitro zijn zowel Curosurf, Survanta als Exosurf chemotactisch voor konijnen en humane neutrofiele granulocyten. Mogelijk vermindert deze chemotaxie de effectiviteit van surfactant behandeling van patiënten met RDS.

Hoofdstuk 6 beschrijft onderzoek naar de effecten van stikstofmonoxide (NO) inhibitie. NO is een van de reactieve stikstofradicalen (reactive nitrogen species, RNS) en speelt een cruciale rol bij reperfusie schade na hypoxie- ischemie in zowel longen als hersenen. Foetale hypoxie- ischemie leidt tot meconium in het vruchtwater. Pulmonale hypertensie is een gangbaar probleem bij kinderen met MAS en/of hypoxie-ischemie dat behandeld kan worden met NO inhalatie. Endogeen of geïnhaleerd NO kan vervolgens een locale ontstekingsreactie aanzwengelen via de productie van RNS met name als er ook reactieve zuurstofradicalen (reactive oxygen species, ROS) aanwezig zijn. Ontstekingscellen, bijvoorbeeld macrofagen, zijn een belangrijke bron van ROS(8). NO- inhibitie zou als een tweesnijdend zwaard kunnen werken. Bij kinderen met meconium aspiratie zou NO-inhibitie aan de ene kant de post hypoxisch-ischemische hersen- en longschade kunnen beperken en aan de andere kant de pulmonale hypertensie doen toenemen.

In vitro en proefdier studies liggen ten grondslag aan de in dit proefschrift beschreven resultaten. Toepasbaarheid op de humane situatie is niet zonder meer vanzelfsprekend. Een volgende stap is onderzoek waarin hypoxie-ischemie in combinatie met meconium aspiratie vergeleken wordt met hypoxie-ischemie alleen. Dergelijk onderzoek zal het inzicht in de plaats van reactieve zuurstof- en stikstof radicalen bij reperfusie schade, ontsteking en pulmonale hypertensie in MAS doen toenemen. Daarnaast zijn in vitro en dierstudies nodig om de plaats van specifieke –op meconium gerichte- ontstekingsremmers en andere behandelingen van het meconium aspiratie syndroom te beoordelen alvorens klinische trials bij kinderen met MAS te kunnen starten.

Summary:

This thesis discusses the pathogenesis and implications of treatment of newborn infants with meconium aspiration syndrome.

Chapter 1 summarizes current ideas on the pathogenesis and pathophysiology of RDS and in particular meconium aspiration syndrome. MAS probably has its origin before the actual aspiration of meconium (1). Intra-uterine chronic hypoxia and chorioamnionitis are implicated in the pathogenesis of brain (cerebral palsy) and lung injury (bronchopulmonary dysplasia) in infants (2). These processes have also been stressed in the pathophysiology of meconium induced postnatal lung injury. The key feature of all these diseases is antenatal inflammation. Upon aspiration, meconium may aggravate these deleterious effects, again by inflammation, incited by airway obstruction with distal mechanical ‘shear’ stress, local hypoxia and/or atelectasis (see chapter 1). The treatment of the associated hypercapnia and hypoxemia with mechanical ventilation, as well as oxygen and nitric oxide therapy may further propagate the inflammatory cascade (3) (see scheme). In addition to antenatal and the above indirect effects of meconium, we hypothesize that meconium per se can directly induce and amplify the inflammatory response in the lung. The combined direct and indirect effects may further consolidate the clinical picture of respiratory distress, with surfactant breakdown, persistent pulmonary hypertension and lead to (treatment of) hypercapnia and hypoxia and maintain a vicious inflammatory cycle. Chapters 2, 3 and 4 provide data on the role of meconium as a source of pro-inflammatory substances.

Chapter 2 describes studies on interleukin 8 in meconium. Interleukin 8 is present in meconium and induces chemotaxis of neutrophils in vitro. IL-8 is one of the chemokines attracting polymorphonuclear leukocytes to sites of inflammation. PMN are inflammatory cells and a potential source of injurious substances, e.g. reactive oxygen and nitrogen species, enzymes like phospholipase A2 (PLA2), and proteases. Possibly, IL-8 in meconium has a role in recruiting neutrophils to the lung in MAS and thus a role in the pathogenesis of MAS pneumonitis.

Chapter 3 discusses the role of phospholipase A2 (PLA2) in meconium. We have shown that PLA2 is present in meconium and inhibits the activity of pulmonary surfactant in vitro. Therefore, PLA2 in meconium may contribute to surfactant inactivation and alveolar atelectasis in MAS and possibly to pulmonary hypertension. Surfactant injury is a common feature of inflammatory lung disorders, i.e. ARDS, neonatal RDS and MAS (4,5,6). PLA2 plays a key role in the pathogenesis of inflammatory lung diseases and catalyses the rate-limiting step in the formation of arachidonic acid, the precursor of prostaglandins and leukotrienes, which are important mediators in inflammation and vasomotor regulation (7).

Chapter 4 focuses on other inflammatory substances in meconium and the potential of meconium to induce cytokine production in a lung epithelial cell line (A549). Meconium samples contained variable amounts of IL-1β, IL-6, IL-8, TNF-α and heme. All samples induced IL-8 release and some induced TNF-α release in cultured A549 epithelial cells. We speculate that pro-inflammatory substances in meconium can induce lung inflammation in MAS in two ways: directly via cytokines and heme present in meconium and indirectly by inducing cytokine release by the lung epithelial cells.

Chapter 5 discusses studies on chemotactic effects of exogenous surfactant preparations. Exogenous surfactant is often used in infants with MAS and neonatal RDS to replace (inactivated) surfactant. Treatment with exogenous surfactant is not always effective in respiratory distress syndromes. We hypothesize that exogenous surfactant may play a role in maintaining the inflammatory response. Curosurf, Survanta and Exosurf all show neutrophil chemotactic activity in vitro.

Chapter 6 shows that inhibition of nitric oxide, a free radical considered to play a key role in cerebral as well as lung inflammatory reperfusion injury after hypoxia- ischemia, increases pulmonary blood pressure in animals. Hypoxia-ischemia causes meconium release. Endogenous or inhaled NO, used as treatment of pulmonary hypertension, may actually propagate local inflammation through reactive nitrogen species (RNS), particularly in the presence of reactive oxygen species (ROS) produced by e.g. macrophages (8). Therefore, nitric oxide inhibition could act as a double-edged sword. It may mitigate post-asphyxial cerebral and pulmonary damage, but lead to pulmonary hypertension. Thus, limiting post hypoxic-ischemic cerebral injury in MAS by nitric oxide inhibition may adversely augment pulmonary hypertension.

The results described in this thesis stem from in vitro and animal studies. Although valuable, these data should be used cautiously with respect to applicability to in vivo situations. Future animal studies in which hypoxia-ischemia and meconium aspiration are combined as opposed to hypoxia-ischemia alone, will increase our understanding of the effects of reactive oxygen and nitrogen species in reperfusion injury, inflammation and pulmonary hypertension in MAS. Furthermore, in vitro and animal studies, designed to define the place of specific inhibition of inflammatory substances in meconium and other meconium associated treatments, will set the stage for subsequent clinical trials in infants with MAS.