Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van sepsis door Gram-negatieve micro-organismen: passieve immunisatie met antistoffen gericht tegen endotoxinen

Klinische praktijk
S.J.H. van Deventer
J.W. ten Cate
B.J. Appelmelk
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 1987;131:1907-10
Download PDF

Inleiding

Ondanks de ontwikkeling van nieuwe antibiotica en verbeterde methoden voor hemodynamische bewaking van patiënten met septische shock door Gram-negatieve micro-organismen, blijft de sterfte zeer hoog, in de orde van 30-50.1 In de Verenigde Staten sterven ieder jaar ongeveer 75.000 patiënten aan de gevolgen van sepsis. Deze hoge sterfte is het gevolg van drie factoren. Ten eerste is er een toename van het aantal patiënten met een ernstig verzwakt afweersysteem, zoals kankerpatiënten. Ten tweede veroorzaken steeds vaker toegepaste behandelingen met cytostatica een verdere daling van de immuniteit. Tenslotte is het met de huidige behandeling van bacteriële infecties met antibiotica weliswaar mogelijk om bacteriën te doden, maar dit is in vele gevallen niet voldoende om septische shock te voorkomen. Antibiotica voorkomen namelijk niet de schadelijke werking van bacteriële endotoxinen, die door de meeste onderzoekers worden beschouwd als de belangrijkste factor voor het ontstaan van klinische verschijnselen van sepsis.2 Er zijn zelfs aanwijzingen dat behandeling met sommige antibiotica de concentratie van endotoxinen in de circulatie doet toenemen.3 Het is daarom niet verwonderlijk dat een aantal onderzoekers getracht heeft door toediening van antistoffen gericht tegen bacteriële endotoxinen de sterfte ten gevolge van sepsis door Gram-negatieve bacteriën te verminderen.

Het gebruik van antistoffen gericht tegen bacteriële endotoxinen kent een lange geschiedenis. In 1896 toonden Pfeiffer en Kolle bij Guineese biggetjes de beschermende werking aan van reconvalescentenserum van tyfuspatiënten,4 en Shwartzman beschreef in 1931 dat intravasale stolling ten gevolge van Salmonella typhi bij konijnen kon worden voorkomen door toediening van een antiserum opgewekt bij paarden.5 Toen in de zestiger jaren bleek dat de incidentie van sepsis door Gram-negatieve micro-organismen toenam, is men systematisch gaan onderzoeken of door toediening van antistoffen gericht tegen bacteriële endotoxinen de sterfte door deze vorm van sepsis verminderd kon worden. Hoewel met wisselend succes actieve vaccinatie tegen Pseudomonas aeruginosa is toegepast,6 hebben de meeste onderzoekers de laatste jaren om twee redenen passieve immunisatie verkozen. Ten eerste is sepsis door Gram-negatieve bacteriën een spoedeisende klinische situatie waarbij een werkzame titer van antistoffen onmiddellijk bereikt dient te worden. Ten tweede is van de groep patiënten met een verhoogde kans op sepsis door Gram-negatieve micro-organismen de immuniteit door de eraan ten grondslag liggende ziekten zodanig gestoord, dat actieve immunisatie tot een onvoldoende stijging van de titer van de beoogde antistof kan leiden.

Endotoxinen

Endotoxinen zijn lipopolysaccharidemoleculen in de buitenmembraan van Gram-negatieve bacteriën. Zij bestaan uit drie gedeelten (figuur):

1. Een perifeer polysaccharidegedeelte, bestaande uit een aantal identieke, repeterende oligosaccharide-eenheden, dat het O-antigeen wordt genoemd.

2. De endotoxine-kern (core), een niet-repeterende oligosaccharidestructuur, die aan de ene zijde covalent gebonden is aan het O-antigeen, en aan de andere zijde aan lipide A.

3. Lipide A, dat bestaat uit een disaccharidestructuur, waaraan een groot aantal vetzuren is gebonden.

Er bestaat een grote variatie in de structuur van het O-antigeen, zelfs binnen een species; zo zijn er meer dan 100 verschillende O-antigenen bekend van Escherichia coli. De structuur van de kern toont veel minder variabiliteit, en het lipide A heeft de meest constante moleculaire structuur.7 Er bestaan zogenaamde ‘ruwe’ mutanten van bacteriën, die het O-antigeen en – in sommige gevallen – een gedeelte van de kern missen. Twee van deze mutanten zijn veelvuldig gebruikt voor het opwekken van anti-endotoxine-antisera, namelijk de Salmonella minnesota-stam R595, en E. coli-mutant J5.

Biologische effecten van endotoxinen

De bevinding dat bij ongecompliceerde bacteriëmieën meestal geen biologisch actieve endotoxinen in het bloed kunnen worden aangetoond, terwijl dit bij patiënten met klinische verschijnselen van sepsis (zoals shock, oligurie, trombocytopenie) de regel is, wijst er op dat het vrijkomen van endotoxinen in vivo van belang is voor het ontstaan van septische verschijnselen.8 Endotoxinen hebben tal van biologische effecten.910 Soms wordt hierdoor het lichaam in staat gesteld tot een afweerreactie. Andere effecten zijn echter schadelijk. Van direct belang voor het ontstaan van shock is activatie van het contactsysteem van de bloedstolling, waardoor vasoactieve kinines ontstaan, die mede-verantwoordelijk zijn voor daling van de bloeddruk.11 Endotoxinen activeren het complementsysteem via de alternatieve en de klassieke route.12 Geactiveerde complementprodukten hebben een belangrijke rol bij het ontstaan van het adult respiratory distress syndrome.13 Hoewel het mechanisme nog niet is opgehelderd, stimuleren endotoxinen macrofagen, hetgeen uitstorting van tal van stoffen tot gevolg heeft, waarvan er drie voor het begrip van de pathofysiologie van sepsis van belang zijn. Ten eerste een procoagulant, waarvan de juiste identiteit nog omstreden is, maar waarvan het belang voor het ontstaan van intravasale stolling, met fibrinevorming en vasculaire perfusiestoornissen, die tot orgaanschade leiden, vaststaat.14 Ten tweede interleukine-1, dat koorts veroorzaakt, en daarnaast tal van andere, vaak schadelijke, effecten heeft zoals afbraak van spiereiwitten.15 Tenslotte tumor necrosis factor, dat identiek is aan cachectine, en lipoproteïnelipase remt, waardoor ontregeling van de energiehuishouding ontstaat.16 Cholestatische icterus, die vooral bij kinderen maar soms ook bij volwassenen een complicatie is van sepsis door Gram-negatieve bacteriën, wordt rechtstreeks door endotoxinen veroorzaakt.17 Een groot aantal klinische verschijnselen van deze sepsis is dus te verklaren door een schadelijke werking van endotoxinen.

Natuurlijke antistoffen tegen bacteriËle endotoxinen

Het is sinds lang bekend dat in het serum van gezonde donors antistoffen gericht tegen de endotoxine-kern aantoonbaar zijn. Soms worden zeer hoge titers waargenomen. Dat deze antistoffen een belangrijke rol spelen bij de afweer tegen infecties door Gram-negatieve bacteriën is waarschijnlijk geworden door de uitkomsten van drie onderzoekingen. In het eerste onderzoek werd serum afgenomen bij patiënten met een Gram-negatieve bacteriëmie.18 In deze sera werden antistoftiters gemeten tegen een endotoxine-kern-structuur, namelijk tegen S. minnesota R595-lipopolysaccharide. Het bleek dat shock minder vaak voorkwam bij patiënten met een hoge antistoftiter, en dat hun overlevingskans groter was dan die van patiënten met een lage titer. Deze waarneming werd later door een andere groep onderzoekers bevestigd.19 Tenslotte werd in een onderzoek bij patiënten met een P. aeruginosa-bacteriëmie een correlatie gevonden tussen een lage titer van antistoffen gericht tegen E. coli J5-lipopolysaccharide, en een hoge sterfte ten gevolge van sepsis.20 Het lijkt er dus op dat ‘natuurlijke’ antistoffen gericht tegen de endotoxine-kern in staat zijn om het beloop van een Gram-negatieve bacteriëmie gunstig te beïnvloeden. Bovendien wijzen de uitkomsten van deze onderzoekingen op kruisbeschermende effecten van anti-kern-antistoffen.

Passieve immunisatie bij proefdieren

Indien de ruwe mutanten E. coli J5 of S. minnesota R595 gebruikt worden als vaccin, worden antistoffen gevormd tegen de endotoxine-kern, waardoor een serumpreparaat met een hoge titer aan anti-kern-antistoffen ontstaat. Onderzoekingen bij proefdieren, waarbij eerst dergelijke antisera tegen ruwe mutanten werden toegediend, en vervolgens een gewoonlijk letale dosis bacteriën of gezuiverde endotoxinen, toonden aan dat een dergelijk preparaat beschermt tegen experimentele sepsis en bacteriëmie,21 Onlangs zijn ook monoklonale antistoffen beschreven die bij proefdieren beschermen tegen sepsis.22

Het is dus mogelijk om met behulp van een enkel antiserum de schadelijke gevolgen van infecties door verschillende bacteriële verwekkers te voorkomen, hetgeen voor klinische toepassing van groot belang is. Passieve immunisatie zal immers meestal plaatsvinden voordat de verwekker geïsoleerd en geïdentificeerd is.

Werkzaamheid van passieve immunisatie bij gram-negatieve sepsis

Er zijn vier klinische onderzoekingen naar de werkzaamheid van passieve immunisatie met antilipopolysaccharide-kern-antistoffen gepubliceerd. In het eerste, dubbelblinde en bekendste onderzoek werd gebruik gemaakt van bij vrijwilligers opgewekt J5-antiserum.23 In een periode van 7 jaar werden ernstig zieke patiënten bij wie sepsis door Gram-negatieve micro-organismen werd vermoed, met 500 ml van dit preparaat behandeld. De controlegroep kreeg pre-immuunserum toegediend, verkregen van dezelfde vrijwilligers. Het bleek dat de sterfte in de behandelde groep (22) bijna de helft zo laag was als in de controlegroep (39). Bovendien kon een vermindering van de hoge sterfte onder de patiënten met septische shock aan het preparaat worden toegeschreven: Van de 39 patiënten die het controlepreparaat toegediend kregen, overleden er 30 (77), tegen 18 van de 41 met het J5-preparaat behandelde patiënten (44). Behandeling met het J5-preparaat van patiënten die reeds in diepe shock waren, bleek dus effectief te zijn. In een tweede onderzoek werd J5-serum profylactisch toegediend aan patiënten met een ernstige neutropenie.24 In dit onderzoek had de behandeling geen enkel meetbaar effect op de sterfte, de incidentie van Gram-negatieve sepsis, en het aantal koortsperioden. Profylactische toediening van J5-plasma aan chirurgische patiënten met een grote kans op infecties met Gram-negatieve bacteriën bleek de incidentie en de sterfte ten gevolge van septische shock te verminderen.25 Het aantal waargenomen Gram-negatieve bacteriëmieën verminderde niet in de behandelde groep, maar wel het percentage bacteriëmieën dat gecompliceerd werd door shock.

In bovengenoemde onderzoekingen werden de toegediende sera niet ‘gepoold’. Iedere patiënt kreeg dus serum of plasma van één donor toegediend. Antistoftiters tegen de endotoxine-kern verschillen onderling sterk in dergelijke sera. Onlangs is uit een pool van immuunserum een anti-J5-IgG-preparaat bereid, dat geschikt is voor intraveneuze toediening. Dit preparaat bleek echter niet in staat om de sterfte door septische shock ten gevolge van Gram-negatieve bacteriën te verminderen.26

Een minder omslachtige methode om serum te verkrijgen met een hoge titer aan antistoffen tegen de endotoxine-kern is het ziften van bloedbanksera met een spontaan hoge titer. Een belangrijk praktisch probleem hierbij is de vraag of men moet kiezen voor een hoge titer tegen J5 of tegen R595. Bovendien is het nog niet zeker of IgG-, dan wel IgM-antistoffen effectiever zullen zijn. Er zijn echter al aanwijzingen dat uit plasma van bloeddonors een werkzaam preparaat bereid kan worden.27 Een belangrijk verschil met de eerder besproken antisera is, dat dit preparaat verkregen werd door pooling van plasma met hoge antistoftiters tegen O-antigenen. Het bleek echter dat dit preparaat toch kruisreagerende antistoffen bevatte, hoewel niet met zekerheid is bewezen dat deze gericht waren tegen de kern. Bij 14 vrouwen met een ernstige septische shock ten gevolge van gynaecologische of obstetrische complicaties bleek na behandeling met het preparaat de sterfte statistisch significant lager dan in de controlegroep.28 Ook absoluut was de daling van de sterfte indrukwekkend: 1 van de 14 behandelde vrouwen overleed, tegen 9 van de 19 onbehandelde vrouwen. Op soortgelijke wijze verkregen plasma verminderde de sterfte ten gevolge van endotoxinemie bij kinderen met een laag geboortegewicht niet, maar versnelde wel het herstel.29 Het aantal behandelde kinderen in dit onderzoek was echter slechts 10. De resultaten van onderzoek naar de werkzaamheid van antisera tegen endotoxinen bij zowel proefdieren als mensen zijn dus bemoedigend, maar variabel. Een mogelijke verklaring voor de discrepantie van de klinische onderzoeksuitkomsten is de recente bevinding dat J5-bacteriën zelf heterogeen zijn, en dat de J5-sera daardoor sterk in werkzame titer kunnen verschillen.30

Nieuwe ontwikkelingen

In prospectieve en gerandomiseerde klinische studies is de werkzaamheid van passieve immunisatie met polyklonale antistoffen, gericht tegen endotoxinen, aangetoond.232528 In een recent onderzoek werd deze gunstige werking echter niet bevestigd.26 Een mogelijke verklaring voor deze tegenstrijdige uitkomsten zou kunnen zijn, dat de gebruikte preparaten als gevolg van de wijze van bereiding heterogeen zijn.30 Een oplossing voor dit probleem wordt thans gezocht in de toepassing van (humane) monoklonale antistoffen en in het gebruik van bloedbanksera met een spontaan hoge titer van antistoffen gericht tegen de lipopolysaccharide-kern, waarbij de ontwikkeling van een verbeterde ELISA-techniek voor het aantonen van anti-lipopolysaccharide-antistoffen een belangrijke aanwinst betekent.31

Een ander probleem bij de toepassing van passieve immunisatie bij sepsis is gelegen in het feit dat het zeer moeilijk is om op klinische gronden patiënten met een dreigende sepsis te herkennen, zodat de behandeling voortdurend op de feiten achterloopt. De ontwikkeling van een snelle en betrouwbare test voor de opsporing van endotoxinen in bloed is in dit verband van groot belang.3233 Inderdaad wijzen voorlopige gegevens er op, dat deze test gebruikt zou kunnen worden om patiënten met een grote kans op Gram-negatieve sepsis vroegtijdig te herkennen.34

In de toekomst zal het dan mogelijk zijn om patiënten met een verhoogd risico voor sepsis door Gram-negatieve bacteriën te selecteren en in een vroeg stadium door middel van passieve immunisatie te behandelen. Wellicht kan door passieve immunisatie de sterfte die direct het gevolg is van septische shock, worden verminderd. De tijd die hiermee gewonnen wordt, dient gebruikt te worden om eraan ten grondslag liggende ziekten en infectiehaarden te behandelen. Hierbij zullen doeltreffende antibiotische en chirurgische behandeling van groot belang zijn voor de uitkomst.

Wij danken prof.dr.E.Th.Rietschel voor het ter beschikking stellen van de figuur.

Literatuur
  1. Wolff SM, Bennett JV. Gramnegative rod bacteremia. N EnglJ Med 1974; 291: 733.

  2. Ryan JL. Microbial factors in pathogenesis:Lipopolysaccharides. In: Root RK, Sande MA, eds. Septic shock. New York:Churchill Livingstone, 1985: 13-25.

  3. Shenep JL, Barton RP, Mogan KA. Role of antibiotic classin the rate of liberation of endotoxin during therapy for experimentalGramnegative bacterial sepsis. J Infect Dis 1985; 151: 1012-8.

  4. Pfeiffer R, Kolle W. Über die spezifischeImmunitätsreaktion der Typhus Bazillen. Z Hyg Infektionskr 1896; 21:203-14.

  5. Shwartzman G. Phenomenon of local skin reactivity tobacterial filtrates: passive immunity to reacting factors. J Exp Med 1931;54: 1-10.

  6. Young LS, Meyer RD, Armstrong D.Pseudomonas aeruginosa vaccine in cancer patients.Ann Intern Med 1973; 79: 518.

  7. Rietschel ETh, Brade H, Brade L, et al. Newer aspects ofthe chemical structure and biological activity of bacterial endotoxins. In:Cate JW ten, Buller HR, Sturk A, Levin J, eds. Bacterial endotoxins:structure, biomedical significance and detection with the limulus amebocytelysate test. New York: Alan Liss, 1985: 31-50.

  8. Deventer SJH van, Pauw W, Cate JW ten, et al. Clinicalevaluation in febrile patients of an optimized endotoxin assay in blood. In:Watson SW, Levin J, Novitsky TJ. Detection of bacterial endotoxins with theLimulus lysate test. New York: Alan Liss, 1987: 489-99.

  9. Morrison DC, Ulevitch RJ. The effects of bacterialendotoxins on host mediation systems. Am J Pathol 1978; 93:527-618.

  10. Morrison DC, Ryan JC. Endotoxin and disease mechanisms.Annu Rev Med 1987; 38: 417-32.

  11. Kimball HR, Melmon KL, Wolff SM. Endotoxin induced kininproduction in man. Proc Soc Exp Biol Med 1972; 132: 139.

  12. Morrison DC, Kline LF. Activation of the classical andproperdin pathways of complement by bacterial lipopolysaccharides (LPS). JImmunol 1977; 118: 362-8.

  13. Jacob HS, Craddock PR, Hammerschmidt DE, Moldow CF.Complement-induced granulocyte aggregation: An unsuspected mechanism ofdisease. N Engl J Med 1980; 302: 789.

  14. Maier RV, Hahnel GB. Microthrombosis duringendotoxinemia: Potential role of hepatic versus alveolar macrophages. J SurgRes 1984; 36: 362-70.

  15. Dinarello C. Interleukin-1. Rev Infect Dis 1984; 6:51-95.

  16. Beutler B, Krochin N, Milsark IW, Leudke C, Cerami A.Control of cachectin (tumor necrosis factor) synthesis: Mechanisms ofendotoxin resistence. Science 1986; 232: 977-80.

  17. Zimmerman HJ. Jaundice due to bacterial infection.Gastroenterology 1979; 20: 553-68.

  18. McCabe WR, Kreger BE, Johns M. Type-specific andcross-reactive antibodies in Gram-negative bacteremia. N Engl J Med 1972;287: 261-7.

  19. Clumeck N, Delespesse G, Butzler JP. Humoral immunity andcirculating immune complexes in Gram-negative bacteremia and septic shock.In: Agarwal MK, ed. Bacterial endotoxins and host response. Amsterdam:ElsevierNorth Holland, 1980.

  20. Pollack M, Huang AI, Prescott RK, et al. Enhancedsurvival in Pseudomonas aeruginosa septicemiaassociated with high levels of circulating antibody toEscherichia coli endotoxin core. J Clin Invest1983; 72: 1874-81.

  21. Proctor RA. Role of antibody in the prevention andpathogenesis of endotoxin and Gram-negative septic shock. In: Proctor RA, ed.Handbook of endotoxin. Vol 4. Amsterdam: Elsevier, 1986: 161-84.

  22. Teng NH, Kaplan HS, Hebert JM, et al. Protection againstGram-negative bacteremia and endotoxemia with human monoclonal IgMantibodies. Proc Natl Acad Sci USA 1985; 82: 1790-4.

  23. Ziegler EJ, McCutchan JA, Fierer J, et al. Treatment ofGramnegative bacteremia and shock with human antiserum to a mutantEscherichia coli. N Engl J Med 1982; 307:1225-30.

  24. McCutchan JA, Wolf JL, Ziegler EJ, Braude AI.Ineffectiveness of single dose human antiserum to core glycolipid(E. coli J5) for prophylaxis of bacteremicGram-negative infections in patients with prolonged neutropenia. Schweiz MedWochenschr 1983; 113 (suppl 14): 40-5.

  25. Baumgartner JD, Glauser MP, McCutchan JA, et al.Prevention of Gramnegative shock and death in surgical patients by antibodyto endotoxin core glycolipid. Lancet 1985; ii: 59-63.

  26. Calandra T, Schellekens J, Verhoef J, et al. Acomparative study of standard (IGIV) versus E. coli J5-hyperimmune intravenous gammaglobulins (J5-IGIV) in the treatment ofGramnegative septic shock. Abstracts of the 4th International Symposium oninfections in the immunocompromized host. Ronneby Brunn, Zweden,1986.

  27. Gaffin SL, Badsha N, Brock-Utne J, Vorster B, Conradie J.An ELISA procedure for detecting human anti-endotoxin antibodies in serum.Ann Clin Biochem 1982; 19: 191-4.

  28. Lachman E, Pitsoe SB, Gaffin S. Antilipopolysaccharideimmunotherapy in management of septic shock of obstetric gynaecologicalorigin. Lancet 1984; i: 981-3.

  29. Adhikari M, Coovadia HM, Gaffin SL, Brock-Utne JG,Marivate M, Pudifin DJ. Septicaemic low birth weight neonates treated withhuman antibodies to endotoxin. Arch Dis Child 1985; 60: 382-4.

  30. Appelmelk BJ, Rapson NT, Verwey-van Vught ANJJ, et al.Heterogeneity of Escherichia coli J5 vaccins.Lancet 1986; ii: 1273-4.

  31. Appelmelk BJ, Verwey-van Vught ANJJ, MacLaren DM, ThijsLG. An Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) for the measurement ofantibodies to different parts of the Gramnegative lipopolysaccharide coreregion. J Immunol Methods 1985; 82: 199-207.

  32. Thomas LLM, Sturk A, Kahle LH, Cate JW ten. Quantitativeendotoxin determination in blood with a chromogenic substrate. Clin Chim Acta1981; 116: 63-8.

  33. Thomas LL, Sturk A, Buller HR, Cate JW ten, Spijker RE,Cate H ten. Comparative investigation of a quantitative chromogenic endotoxinassay and blood cultures. Am J Clin Pathol 1984; 82: 203-6.

  34. Deventer SJH van, Pauw W, Statius van Eps LW, Buller HR,Cate JW ten. Accurate prediction of clinical outcome of patients withdeepseated renal infection, using a new chromogenic endotoxin assay(abstract). Kidney Int 1986; 29: 207.

Auteursinformatie

Slotervaartziekenhuis, afd. Interne Geneeskunde, Amsterdam.

S.J.H.van Deventer (thans: Academisch Medisch Centrum, afd. Maag-, darm- en leverziekten, Meibergdreef 9, 1105 AZ Amsterdam), assistent-geneeskundige.

Academisch Medisch Centrum, afd. Hemostase en Thrombose, Amsterdam.

Dr.J.W.ten Cate, internist.

Vrije Universiteit, afd. Medische Microbiologie, Amsterdam.

Drs.B.J.Appelmelk, biochemicus.

Contact S.J.H.van Deventer

Gerelateerde artikelen

Reacties