The influence of cardiac surgery on the activity of alveolar macrophages and the development of postoperative pneumonia

Einleitung: Nach einem herzchirurgischen Eingriff mit kardiopulmonalem Bypass (CPB) haben Patienten ein erhöhtes Risiko, eine postoperative Pneumonie zu entwickeln. Unklar sind bislang die pathophysiologischen Ursachen für dieses erhöhte Risiko. Bekannt ist, dass herzchirurgische Operationen mit CPB das systemische Immunsystem stark beeinflussen. Auch eine Veränderung der pulmonalen Immunabwehr, insbesondere der Alveolarmakrophagen (AM), scheint daher als ein Grund für die Entwicklung einer postoperativen Pneumonie möglich. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, haben wir prä- und postoperativ die Oberflächenmoleküle Human-Leukozyten-Antigen-DR (HLA-DR) und Toll-like-Rezeptor 2 und 4 (TLR2/4) auf AM untersucht. Zusätzlich erfolgte eine in vitro-Stimulation der AM mit Lipopolysaccharid (LPS) und die anschließende Messung von pro- und antiinflammatorischen Zytokinen. Die Ergebnisse haben wir mit der Entwicklung einer postoperativen Pneumonie in Beziehung gesetzt. Methoden: Nach Freigabe durch die zuständige Ethikkommission und der schriftlichen Einwilligung der Patienten erfolgte der Einschluss von 33 Studienpatienten, die für eine elektive Operation eines Koronararterien-Bypasses stationär aufgenommen wurden. Direkt nach Einleitung der Anästhesie und zwei Stunden nach Beendigung des CPB erfolgte bei jedem Studienpatienten eine periphere Blutabnahme und eine bronchoalveoläre Lavage (BAL). Mittels Durchflusszytometrie wurde die Expression von HLA-DR auf Monozyten und AM sowie die Expression von TLR2/4 auf AM bestimmt. Monozyten und AM wurden mit LPS stimuliert und die Konzentration der Zytokine (TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8 und IL-10) durchflusszytometrisch gemessen. Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Wilcoxon-Test und dem Mann-Whitney-U-Test. Ergebnisse: Eine Gesamtzahl von drei Patienten (9%) entwickelte im Verlauf eine postoperative Pneumonie. Nach der Operation war bezogen auf die gesamte Patientengruppe sowohl die HLA-DR-Expression auf AM (p-Wert = 0,001*) als auch die HLA-DR-Expression auf Monozyten (p-Wert = 0,001*) im Vergleich zu den Ausgangswerten signifikant reduziert. Bei der Gruppe der Patienten mit postoperativer Pneumonie zeigte sich postoperativ im Vergleich zur Gruppe der Patienten ohne Pneumonie eine signifikante Abnahme sowohl der HLA-DR- Expression auf AM (p-Wert = 0,024*) als auch der TLR4-Expression auf AM (p-Wert = 0,041*). Bereits vor der Operation war der Wert der TLR2-Expression auf AM bei Patienten mit postoperativer Pneumonie signifikant niedriger (p-Wert = 0,027*). Postoperativ zeigte sich die Konzentration der Zytokine TNF-α, IL-1β, IL-6 und IL-8 nach LPS-Stimulation der Monozyten signifikant reduziert. Nach LPS-Stimulation der AM konnte hingegen postoperativ keine statistisch signifikante Abnahme der Konzentration der Zytokine TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8 und IL-10 festgestellt werden. Schlussfolgerung: In der vorliegenden Arbeit konnte unseres Wissens nach erstmals gezeigt werden, dass herzchirurgische Operationen zu einer frühzeitigen Veränderung der lokalen pulmonalen Immunabwehr führen. Die Ergebnisse stützen die Hypothese, dass diese pulmonalen Veränderungen mit der Entstehung einer postoperativen Pneumonie in Verbindung stehen.Introduction: Patients undergoing cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB) have an increased risk of developing postoperative pneumonia. The pathophysiological causes for this increased risk are still unclear. However it is known that cardiac surgery with CPB strongly influences the systemic immune system. Therefore a change in the pulmonary immune defense, in particular the alveolar macrophages (AMs), could be a reason for the development of postoperative pneumonia. In order to investigate this relationship, we examined the surface molecules of human leukocyte antigen DR (HLA-DR) and toll-like receptor 2 and 4 (TLR2/4) on AMs pre- and postoperatively. In addition, an in vitro stimulation of AMs with lipopolysaccharide (LPS) and the subsequent measurement of pro- and anti- inflammatory cytokines were performed. The results have been correlated to the development of postoperative pneumonia. Methods: After ethical approval and written informed consent, 33 patients undergoing elective coronary artery bypass grafting (CABG) surgery were included in this observational study. Peripheral blood cells and alveolar lavage fluid were collected directly after induction of anesthesia and two hours after separation from CPB. HLA-DR expression on monocytes and on AMs as well as TLR2/4 expression on AMs were assessed by flow cytometry. Monocytes and AMs were in vitro stimulated with LPS and the concentration of cytokines (TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8 and IL-10) was determined by flow cytometry. Statistical analysis was performed with the Wilcoxon test and the Mann-Whitney-U test. Results: A total of three patients (9%) developed postoperative pneumonia. Postoperatively HLA-DR expression on AMs (p = 0.001*) and HLA-DR expression on peripheral blood monocytes (p = 0.001*) was significantly reduced compared to baseline in all patients. After surgery HLA-DR expression on AMs (p = 0.024*) and TLR4 expression on AMs (p = 0.041*) was significantly reduced in patients who developed postoperative pneumonia compared to patients without pneumonia. Already before surgery the baseline of TLR2 expression on AMs was significantly lower (p = 0.027*) in patients who developed postoperative pneumonia. After surgery the concentration of cytokines TNF-α, IL-1β, IL-6 and IL-8 was significantly reduced after stimulation of the monocytes with LPS. Postoperatively the concentration of the investigated cytokines TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8 and IL-10 was not significantly reduced after stimulation of AMs with LPS. Conclusions: As far as we know this is the first study that shows an early impairment of lung cellular immune response after cardiac surgery. The findings support the hypothesis that these pulmonary changes are associated with the development of postoperative pneumonia