Analyse von Synovialpunktaten und mikroskopische Beurteilung der phänotypischen Ausprägung von Makrophagen bei juvenilen und adulten Pferden mit septischer Arthritis

Einleitung: Septische Arthritis (SA) ist ein häufiges und für Pferde potenziell lebensbedrohliches Erkrankungsbild, dass einer unverzüglichen, korrekten Diagnosestellung sowie unverzüglichen Einleitung therapeutischer Maßnahmen bedarf. Als wichtigstes objektives diagnostisches Mittel gilt weiterhin die zytologische Synoviaanalyse. Obwohl die routinemäßig implizierte Differenzierung der Leukozyten im Gelenkpunktat das Verhältnis von synovialen Makrophagen (SFM) zu polymorphkernigen neutrophilen Granulozyten (PMN) und Lymphozyten (LY) erfasst und SFM inklusive ihrer Polarisierungsstadien seit geraumer Zeit im Fokus der Wissenschaft stehen, ist ihr Einfluss auf entzündliche Gelenkerkrankungen und Wiederherstellung der Homöostase nicht abschließend geklärt. Die Charakterisierung von Makrophagen als katabole Entzündungsmediatoren konnte längst um eine antiinflammatorische, protektive Komponente erweitert werden und eröffnet damit den Horizont für eine zukünftige Nutzung als immuntherapeutisches Agens. Vor dem Hintergrund der bis dato überwiegend symptomatischen Behandlungsmöglichkeiten osteoarthrotischer Erkrankungen bei Mensch und Pferd ist die Aussicht auf gezielte Polarisierung von Makrophagen in pro-regenerative Subtypen besonders vielversprechend. Nicht zuletzt, weil sich equine Arthropathien zur Extrapolation auf entsprechende humanmedizinische Erkrankungszustände bewährt haben. Ziele der Untersuchungen: Um mehr Erkenntnisse über Funktion und Pathophysiologie von SFM bei Etablierung und Fortschreiten einer Gelenkinfektion und Wiederherstellung der Homöostase zu gewinnen, lag der Fokus dieser Studie auf Evaluierung von Quantität bzw. Proportion und Morphologie dieser Zellfraktion bei juvenilen und adulten Pferden mit SA unter Berücksichtigung des Einflusses einer arthroskopischen Lavage. Lichtmikroskopische Untersuchungen des Phänotyps von SFM im Ausstrichpräparat könnten zukünftig mit spezifischen Marker-Affinitäten und Aktivitätsstadien verknüpft werden. Material und Methoden: Nach Auswertung aller zwischen 2014 - 2018 entnommenen Synovialpunktate inklusive zugehöriger Patientenakten erfolgte eine Einteilung in drei unterschiedliche Gruppen: (1) nicht septisch, (2) hämatogene SA beim Fohlen und (3) traumatische/iatrogene SA. Das Verhältnis von SFM zu PMN, LY, Gesamtleukozytenzahl (WBCC) und Totalprotein (TP) wurde anhand der zytologischen Synoviaanalyse sowohl gruppenspezifisch als auch hinsichtlich der Auswirkungen einer arthroskopischen Lavage evaluiert. Als prospektiver Teil dieser Studie wurde die morphologische Ausprägung der SFM lichtmikroskopisch in Giemsa-gefärbten Ausstrichen septischer Synovialpunktate untersucht. Dabei wurden verschiedene Phänotypen identifiziert, ihr Auftreten vor bzw. nach der Gelenkspülung quantitativ ermittelt und die Übereinstimmung der Ergebnisse beider Untersucher*innen statistisch verifiziert. Ergebnisse: Es wurden insgesamt 167 Synovialpunktate von 74 Pferden evaluiert; 46 Proben von 32 Pferden lagen unterhalb des festgelegten Grenzwertes und bildeten die nicht-septische Gruppe 1. Vierunddreißig Punktate von 12 septikämischen Fohlen bildeten Gruppe 2. Gruppe 3 bestand aus 87 Proben von 28 Adulten und 2 Fohlen, darunter 24 mit SA auf Grund einer Verletzung mit Gelenkbeteiligung und 6 mit SA iatrogener Genese. Unabhängig von der Ätiologie der Erkrankung und dem Alter des Pferdes sinkt der Anteil synovialer Makrophagen bei SA auf 5-6 %, während in der nicht-septischen Gruppe 1 Medianwerte von 23,5 % ermittelt wurden. Nach arthroskopischer Lavage septischer Kavitäten kommt es zu einer signifikanten Verringerung von WBCC, PMN und SFM. Lichtmikroskopisch konnten erstmals vier unterschiedliche Makrophagen-Phänotypen identifiziert werden. Typ 1 weist morphologische Ähnlichkeiten zu Blut-Monozyten auf und überwiegt in nicht erkrankten Gelenken sowie nach arthroskopischer Spülung, während die vakuolen- bzw. phagosomhaltigen Phänotypen 3 und 4 vermehrt in septischen Synovialausstrichen vor Lavage auftraten. Schlussfolgerungen: Lichtmikroskopische Untersuchungen zur phänotypischen Ausprägung von Makrophagen tragen als niedrigschwellige und breit anwendbare Modalität zum besseren Verständnis der gelenkassoziierten Makrophagenpopulation bei. Es kann angenommen werden, dass SFM bei SA den Polarisationsgrad pro-inflammatorischer M1 mit großer Phagozytosekapazität annehmen. Die korrespondierende Morphologie könnte vom vakuolen- bzw phagosomhaltigen Phänotyp 3 und 4 repräsentiert werden. Typ 1 kann aus einem vermehrten Influx monozytärer Makrophagen-Progenitorzellen resultieren und ist möglicherweise an der Wiederherstellung der Gelenkhomöostase beteiligt. In zukünftigen Forschungsprojekten sollte der Fokus auf der Verknüpfung dieser 4 Phänotypen mit spezifischen Färbemethoden zum Rückschluss auf Aktivitätszustände liegen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis IV 1. Einleitung ...1 2. Literaturübersicht ...2 2.1. Anatomie und Physiologie von Gelenk und Synovia im Überblick ...2 2.2. Zelluläre Bestandteile des Immunsystems ...4 2.3. Makrophagen: Funktion und Pathophysiologie ...5 2.4. Charakterisierung verschiedener Subtypen - das Yin und Yang der Makrophagen ...8 2.5. Klinische und ökonomische Bedeutung der Osteoarthrose - das Pferd als Modell ...12 2.6. Makrophagen als immunmodulatorisches Therapeutikum ...13 2.7. Septische Arthritis ...17 2.7.1. Ätiologie ...17 2.7.2. Prognose...18 2.7.3. Prävalenz ...19 2.7.4. Pathophysiologie ...19 2.7.5. Diagnose ...20 2.7.6. Therapie ...23 3. Hypothesen und Zielstellung der vorliegenden Dissertation ... 29 4. Publikation ...31 5. Diskussion ...41 5.1. Limitationen hinsichtlich Gruppenformation und Bewertung eines Synovialpunktats als septisch anhand von Grenzwerten ...41 5.2. Die Kultivierung von Mikroorganismen als ‚diagnostischer Goldstandard'...42 5.3. Histomorphologie als möglicher Rückschluss auf Polarisationsstadien von Makrophagen ...43 6. Zusammenfassung ...47 7. Summary ...49 8. Literaturverzeichnis ...51Introduction: Septic arthritis (SA) is a common and for horses potentially life-threatening condition in need of immediate, solid diagnosis and treatment. The cytological synovial fluid (SF) examination remains the most important objective variable to diagnose SA. It comprises a leucocyte differentiation routinely providing proportions of polymorphonuclear leucocytes (PMN), lymphocytes (LY) and synovial fluid macrophages (SFM), but there is still little information about the way SFM act upon synovial sepsis and joint homeostasis. A key feature of this heterogenous cell population in promoting osteoarthritis is the expression of pro-inflammatory cytokines and catabolic enzymes when activated by microorganisms. However, the prevailing paradigm of macrophages solely as contributors to the onset and progression of inflammatory joint diseases is considered obsolete. According to microenvironmental cues, joint-associated macrophages can also provide anti-inflammatory and protective responses regulating synovitis and contribute to maintaining local homeostasis and synovial integrity. Thus, finding a way of enhancing these pro-regenerative, tissue-remodeling functions bears great potential as novel therapeutic avenue but requires further research. Objectives: In an approach to gain more insights into the way SFM act upon joint inflammation onset, clearance and restoration of homeostasis, this study focused on tracing SFM in septic synovial cavities of foals and adult horses by means of cytological SF analysis and light microscopy. It was aimed to describe SFM relative concentrations in SF from unaffected joints and septic joints of different aetiologies (hematogenous vs. traumatic/iatrogenic) and to analyse the effect of therapeutic arthroscopic lavage on cell proportions, especially SFM relative concentrations, in septic joints. Light microscopy was performed on SF smears to assess SFM morphology, which might one day be linked to specific marker affinities and hence functions. Material and Methods: All SF samples collected between 2014 – 2018 including associated patient records were evaluated and subdivided into different groups: (1) non-septic, (2) haematogenous SA in foals and (3) traumatic/iatrogenic SA. SF cytology regarding proportions of SFM, PMN, LY, white blood cell counts (WBCC) and TP were investigated in a group-specific manner and with respect to the effects of joint lavage. As a prospective part of this study, light microscopy was performed on SF smears to assess SFM morphology and to identify different phenotypes and their occurrence prior to and post joint lavage. Results: A total of 167 synovial samples from 74 horses were evaluated; 46 samples from 32 horses fell below the established threshold and formed non-septic group 1. Thirty-four punctates from 12 septicemic foals formed group 2. Group 3 consisted of 87 samples from 28 adults and 2 foals, thereof 24 with SA due to joint-involving injuries and 6 with SA of iatrogenic origin. Regardless of aetiology of the disease and age of the horse, macrophage concentrations in synovial sepsis were decreased to a median of 5–6 % and strongly negatively correlated to high PMN numbers, whereas non-septic joints showed SFM amounts up to 74 % (median 23.5 %). Joint lavage further diminished WBCC, relative PMN and absolute SFM numbers. The microscopic assessment of 24 Giemsa-stained smears led to the identification of four different phenotypes. Morphological characteristics of type 1 showed similarities to blood-derived monocytes and predominated in unaffected and in septic joints after lavage, whereas vacuole- and phagosome-containing phenotypes 3 and 4, respectively, were more prevalent in septic synovial smears before lavage. Conclusion: Light microscopic studies of macrophage phenotypes are easily applicable and contribute to a better understanding of the joint-associated macrophage population. SFM in SA probably polarize towards pro-inflammatory M1-subtypes with phagocytic capacity. The corresponding morphology could be represented by vacuole- and phagosome-containing phenotypes 3 and 4. Type 1 may result from an increased influx of monocytic macrophage progenitor cells and may be involved in restoring joint homeostasis. Future research projects should focus on linking these phenotypes to functional profiling with specific marker affinities.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis IV 1. Einleitung ...1 2. Literaturübersicht ...2 2.1. Anatomie und Physiologie von Gelenk und Synovia im Überblick ...2 2.2. Zelluläre Bestandteile des Immunsystems ...4 2.3. Makrophagen: Funktion und Pathophysiologie ...5 2.4. Charakterisierung verschiedener Subtypen - das Yin und Yang der Makrophagen ...8 2.5. Klinische und ökonomische Bedeutung der Osteoarthrose - das Pferd als Modell ...12 2.6. Makrophagen als immunmodulatorisches Therapeutikum ...13 2.7. Septische Arthritis ...17 2.7.1. Ätiologie ...17 2.7.2. Prognose...18 2.7.3. Prävalenz ...19 2.7.4. Pathophysiologie ...19 2.7.5. Diagnose ...20 2.7.6. Therapie ...23 3. Hypothesen und Zielstellung der vorliegenden Dissertation ... 29 4. Publikation ...31 5. Diskussion ...41 5.1. Limitationen hinsichtlich Gruppenformation und Bewertung eines Synovialpunktats als septisch anhand von Grenzwerten ...41 5.2. Die Kultivierung von Mikroorganismen als ‚diagnostischer Goldstandard'...42 5.3. Histomorphologie als möglicher Rückschluss auf Polarisationsstadien von Makrophagen ...43 6. Zusammenfassung ...47 7. Summary ...49 8. Literaturverzeichnis ...5