Hyperinflammation and the role of neutrophil-recruiting chemokine CXCL5 in the course of murine pneumococcal pneumonia

Die ambulant erworbene Pneumonie ist mit ihrer hohen Inzidenz und Mortalität eine der bedeutendsten Infektionskrankheiten weltweit. Streptococcus pneumoniae (S. pn.) ist der häufigste Erreger der ambulant erworbenen Pneumonie. Eine wichtige Ursache für die hohe Sterblichkeit trotz wirksamer antibiotischer Therapie stellt die umgreifende Schädigung eines inadäquat aktivierten Immunsystems während der Infektion dar. Vor allem neutrophile Granulozyten (PMNs) können im Zuge der Pathogen-Eliminierung das Lungengewebe und die alveolokapilläre Barriere schädigen, weshalb es zur Entstehung von Lungenödemen kommen kann. Ferner kann sich die Inflammation in die Peripherie ausbreiten, wodurch sich eine lokale Infektion der unteren Atemwege oftmals zu einer lebensbedrohlichen Sepsis entwickelt. Die detaillierten Mechanismen hinter dem Therapieversagen trotz antibakterieller Behandlung sind bisher unbekannt, könnten aber wertvolle Ansatzpunkte für neue adjuvante Therapien darstellen. In dieser Doktorarbeit wurde deshalb der Fokus auf die Hyperinflammation gelegt, welche trotz Eliminierung der Erreger unter antibiotischer Therapie auftritt. Dazu wurden S. pn.-infizierte Mäuse, die eine Pneumonie ausgebildet hatten, beginnend früh (24 h p.i.) oder spät (48 h p.i.) nach der Infektion in 12 h-Intervallen mit Ampicillin therapiert. S. pn-infizierte Kontrollgruppen wurden analog mit Lösungsmittel behandelt. Detaillierte Analysen von Immunantwort und klinischen Parametern zu mehreren Zeitpunkten ermöglichten die Verfolgung des Infektionsverlaufs während der gesamten Therapie. Nach beiden Behandlungsstarts verliefen Pathogen-Eliminierung und Reduktion der lokalen inflammatorischen Mediatoren zeitlich analog ab. Dennoch konnte nur eine frühe Therapie infizierte Tiere retten. Faktoren, die mit dem Therapieversagen assoziiert werden konnten, waren eine erhöhte vaskuläre Permeabilität sowie das Auftreten einer systemischen Inflammation. Diese Prozesse konnten durch eine frühe Therapie verhindert werden, während eine späte Behandlung bereits etablierte Schädigungen weder verringern, noch eine systemische Inflammation eindämmen konnte. Weiterhin wurde der Einfluss des PMN-rekrutierenden Chemokins CXCL5 untersucht. In vivo und in vitro zeigte sich eine vermehrte CXCL5-Sekretion sowohl nach S. pn.-Infektion als auch im Anschluss an invasive Beatmung bzw. zyklischer Dehnung von Epithelzellen. Alveoläre Epithelzellen konnten als Hauptquelle des Chemokins identifiziert werden. In vivo führte eine Deletion von Cxcl5 zu einer reduzierten PMN-Migration in den Alveolarraum, was im Infektionsmodell mit einer Erhöhung der bakteriellen Last einherging. In beiden Modellen schützte die Abwesenheit von CXCL5 vor einer Schädigung der alveolokapilläre Barriere. Es konnte gezeigt werden, dass eine Reduktion von PMNs, die Stärkung der alveolokapillären Barriere oder eine Verminderung der systemischen Inflammation Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer adjuvanter Therapien sein könnten. In Verbindung mit einer adäquaten antibiotischen Therapie könnte so zukünftig eine Herabsetzung der Mortalität erreicht werden.Community-acquired pneumonia, due to its high incidence and morbidity rates, is one of the most clinically relevant infectious diseases worldwide. While the reasoning behind poor survival rates are complex, one major driving factor seems to be the overwhelming activation of the host immune system during infection with Streptococcus pneumoniae (S. pn.), the main pathogen of pneumonia. Especially polymorphonuclear neutrophils (PMNs) may cause damage to the lung and alveolar-capillary barrier during tissue infiltration and exertion of effector functions. Thus, common consequences are alveolar flooding. Further, the inflammation can spread into the circulation, whereby a local infection of the lower respiratory tract can develop into life-threatening sepsis. The underlying mechanisms behind therapeutic failure despite appropriate antibiotic treatment are still unknown, albeit important for the development of new adjunctive therapies. Therefore, the focus of this doctoral thesis was to examine host-specific hyperinflammation, which occurs despite pathogen-elimination. S. pn.-infected mice were treated every 12 h with Ampicillin, starting early (24 h p.i.) and late (48 h p.i.) following infection. Respective S. pn.-infected control groups were treated with solvent. At both starting points, infected animals showed characteristics of pneumonia together with bacteremia. Detailed analysis of local and systemic inflammatory processes and pneumonia symptoms at multiple experimental time points allowed for comprehensive monitoring of the course of infection during therapy. Following both therapeutic starting points, the degree of bacterial elimination accompanied by reduction of local inflammatory mediators were comparatively effective. However, only early antibiotic therapy commencement rescued S. pn.-infected mice. The main events causative for therapy failure are believed to be the breakdown of the alveolar-capillary barrier and development of a systemic inflammation. These processes were prevented by early therapy only while late therapy neither reversed established barrier damage nor reduced inflammatory mediators in the blood. Furthermore, the impact of the PMN-attracting chemokine CXCL5 was examined in models of murine pneumonia and mechanical ventilation. S. pn.-infection and mechanical ventilation evoked increased CXCL5 secretion in vivo, while in vitro experiments helped confirm epithelial cells as main source of CXCL5 in both models. Cxcl5-deficiency caused a strong decrease in PMN-migration into the alveolar space, accompanied by elevated bacterial burden in the S. pn.-infection model. However, in mice lacking CXCL5, the alveolar-capillary barrier was shown to be protected compared to the respective wild-type mice. A reduction of PMN infiltration, intactness of the alveolar-capillary barrier and diminishing of systemic inflammation were hereby indicated to be crucial for the development of new adjunctive therapies. With the aid of ongoing research accompanied by appropriate antibiotic regimen, these strategies may help to decrease the mortality of community-acquired pneumonia