Die Rolle des Transkriptionsfaktors Hypoxia-inducible factor-1 in der Sepsis

Abstract

Der Transkriptionsfaktor hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) wird nicht nur durch Hypoxie, sondern auch durch eine Vielzahl weiterer Faktoren wie z.B. Zytokine, Wachstumsfaktoren sowie Umwelteinflüsse auch unter normoxischen Bedingungen induziert. In der Zeit von 2002 bis 2004 wurden die Expressionsdaten von 5268 humanen, inflammationsrelevanten Genen von 86 Patienten der Intensivstation des Universitätsklinikums Jena untersucht. In dieser Arbeit wurde speziell auf die Rolle von HIF-1 bei Sepsis-Patienten eingegangen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es aufzuzeigen, inwieweit sich bei septischen Patienten mit und ohne Vorliegen einer Hypoxie die Expression der HIF-1-induzierten Gene verändert. Zu diesem Zweck wurden die Sepsis-Patienten in Gruppen mit und ohne Lungenversagen respektive Gewebehypoxie eingeteilt und deren Expressionsmuster mit Hilfe von Microarray-Experimenten dargestellt. Die Kontrollgruppe, bestehend aus nicht oder nur kurzfristig postoperativ beatmeten Patienten ohne Sepsis, bildete bei den signifikant regulierten Genen in der dargestellten Heatmap einen eigenen Subcluster, die verschiedenen Sepsis-Gruppen waren jedoch nicht wesentlich voneinander zu unterscheiden. Dies könnte für die Hypothese sprechen, dass HIF-1 im Rahmen einer Sepsis induziert wird, ohne dass eine Hypoxie vorliegt. Jedoch ließ sich die theoretische Annahme, dass bei den Patienten aus den Sepsis-Gruppen eine einheitliche Induktion der HIF-1-regulierten Gene stattfindet, durch diese Arbeit nicht bestätigen. Vielmehr fand sich bei den 18 HIF-1-regulierten Genen bei den septischen Patienten ein gemischtes Bild aus drei signifikant induzierten Genen (nitric oxide synthase-2 (NOS-2), Endoglin (ENG) und Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (GAPDH)), zwei signifikant reprimierten Genen (Matrix-Metallopeptidase-2 (MMP-2) und Interleukin-1beta (IL-1beta) neben 13 nicht signifikant, ebenfalls heterogen regulierten HIF-1-Genen. Die nachfolgend angestellten theoretischen Überlegungen könnten hierbei als Erklärungsversuche dienen und der Ausgangspunkt für weitere erforderliche Untersuchungen auf diesem Gebiet sein: 1. Möglicherweise wird z.B. das Gen MMP-2 bei inflammatorischen Prozessen im Lungengewebe, jedoch nicht in den Zellen der Blutstrombahn induziert, so dass die Art der in dieser Arbeit entnommenen Proben (Vollblut) dies nicht widerspiegeln kann. 2. Die Sepsis-Patienten bildeten eine sehr heterogene Patientengruppe hinsichtlich ihres Geschlechts, Alters, Vorerkrankungen sowie des Stadiums der Sepsis, in dem sich die Patienten befanden, so dass sich möglicherweise einige Patienten im Stadium einer überschießenden proinflammatorischen Reaktion, andere hingegen sich in einem Stadium befanden, in dem die antiinflammatorische Reaktion stärker ausgeprägt war. 3. Die in dieser Arbeit untersuchten Gene werden nicht nur durch HIF-1, sondern auch durch eine Vielzahl anderer, die Ergebnisse möglicherweise überlagernde Faktoren reguliert. 4. Die Länge des Untersuchungszeitraums von etwa zwei Jahren könnte zu systematischen Fehlerquellen bei den Microarray-Experimenten geführt haben. 5. Die Kontrollgruppe bestand aus Patienten, die vor der Probeentnahme einem größeren operativen Eingriff unterzogen wurden, so dass sich bei diesen sicherlich höhere Konzentrationen von proinflammatorischen Mediatoren fanden, als dies bei gesunden – nicht intensivpflichtigen – Probanden der Fall gewesen wäre. Nicht zuletzt könnte eine Einteilung der in dieser Studie eingeschlossenen Patienten in eine Survivor- und eine Nonsurvivor-Gruppe und der Vergleich der Expressionsdaten dieser Gruppen untereinander einen Hinweis für das uneinheitliche Ergebnis liefern und weitere Aufschlüsse über die Rolle von HIF-1 in der Sepsis geben. Zusammenfassend lassen sich die Ergebnisse dieser Arbeit als ein kleiner Baustein in einem hochkomplexen System der HIF-1-Genexpression in der Sepsis verstehen, für dessen weiteres Verständnis noch zahlreiche weitere spezifische Untersuchungen erforderlich sind.

The hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) as a transcriptional activator is not only upregulated by hypoxia, but also by a broad variety of other factors like cytokines, growth factors and environmental influences even under normoxic conditions. The expression profiles of 5268 human inflammatory genes from 86 patients of the intensive care unit of the university hospital in Jena were analyzed from 2002 to 2004. In this study the main focus was on the role of HIF-1 in sepsis. The aim of this study was to figure out the extent of the alteration of HIF-1 gene expression in sepsis under normoxic and hypoxic conditions. For this purpose the septic patients were classified into groups with and without pulmonary failure respectively tissue hypoxia. The expression patterns were detected with microarray experiments. In the displayed heatmap the control group consisting of not or only for a short time postoperative mechanically ventilated patients without sepsis constituted an own subcluster, whereas the groups formed by the septic patients did not differ substantially from each other. This could provide evidence that HIF-1 is induced in sepsis also without manifested hypoxia. However the theory that all patients belonging to the sepsis groups show a uniform induction of the HIF-1 regulated genes could not be corroborated by this study. In fact there was a great variety of results between the 18 investigated HIF-1 regulated genes. Three HIF-1 regulated genes, namely nitric oxide synthase-2 (NOS-2), endoglin (ENG) and glyceraldehyde-3-phosphate-dehydrogenase (GAPDH) were significantly induced, whereas two HIF-1-regulated genes, namely matrix-metalloproteinase-2 (MMP-2) and interleukin-beta (IL-1beta) were significantly repressed besides 13 not significantly also heterogeneously regulated HIF-1 genes. The following considerations could serve as explanations for these inconsistent results and must be seen as an initial point for further essential investigations in this field of study: 1. In case of inflammatory processes for example the gene MMP-2 is possibly induced in the lung tissue but not in the blood stream so that the modality of sampling in this study (whole blood instead of bronchoalveolar lavage fluid) is not capable to reflect the inflammatory process in the lung tissue. 2. The septic patients formed a heterogenous group concerning gender, age, previous diseases and the stadium of sepsis. Some patients might have been in a sepsis stadium with an excessive proinflammatory reaction whereas other patients were in a sepsis stadium with an antiinflammatory reaction. 3. The genes investigated in this study are not only regulated by HIF-1 but also by a variety of other factors possibly overlapping the discovered results. 4. The test period lasted for two years which might have caused biased errors in the results of the microarray experiments. 5. The fact that the patients of the control group underwent a major surgical treatment before taking the blood samples led to higher concentrations of proinflammatory mediators caused by the operative trauma than healthy subjects would have shown. Different classification of the patients enclosed in this study could lead to an explanation for the inconsistent results found in this study. For instance the classification of the patients in a survivor and a nonsurvivor group and comparing the expression profiles of these groups with each other might achieve further comprehension of the role of HIF-1 in sepsis. In summary the results of this study must be regarded as a small component of a highly complex system of the HIF-1 gene expression in sepsis. Further specific investigations are necessary for a deeper comprehension of this complex subject.