Inhaled Interleukin-10 before and after induction of experimental endotoxemia in the rat : effects on the inflammatory response

To determine the effects of inhaled IL-10 at different doses and different time points on the pulmonary and systemic inflammatory response during endotoxemia, 48 ventilated, anaesthetized rats (mean body weight ± standard deviation, 500 ± 33g) were randomly assigned to six groups (n = 8, each). Interleukin-10 was nebulised either prior to or following the intravenous injection of LPS (5mg/kg) at two doses (5.0 mycro-g or 0.5 mycro-g) in our groups. Eight rats received the same insult with no further treatment (LPS-only group). Another eight rats served as controls without endotoxemia but with aerosolized phosphate-buffered saline, the solvent of IL-10 (Sham group). Concentrations of TNF-alpha, IL-1beta, IL-6, and IFN-gamma were analyzed in plasma and bronchoalveolar lavage fluid (BALF). In addition, the nitrite release from ex-vivo cultured alveolar macrophages was determined. As compared to the LPS-only group, the concentrations of the proinflammatory cytokines TNF-alpha, IL-1beta, IL-6, and IFN-gamma in plasma were significantly reduced in the group, which inhaled 5 mycro-g IL-10 before LPS injection (p< 0.0125). Spontaneous nitrite release from exvivo cultured alveolar macrophages was suppressed in this group (p< 0.0125). Inhalation of 0.5 mycro-g IL-10 before LPS injection and both dosages of IL-10 inhalation (5 mycro-g or 0.5 mycro-g) after LPS injection did not significantly influence either inflammatory cytokine concentrations in BALF, in plasma or the nitrite release from ex-vivo cultured alveolar macrophages. In this study, inhaled IL-10 only demonstrated anti-inflammatory effects when it was administered at 5 mycro-g prior to the induction of experimental endotoxemia. Interleukin-10 aerosol had no effect when it was given either following induction of endotoxemia or given at a lower dosage (which here was 0.5 mycro-g) either before or following injection of lipopolysaccharide.Das "Acute Respiratory Distress Syndrome" (ARDS) ist eine akut auftretende, überwiegend Sepsis-induzierte, inflammatorische Erkrankung der Lunge mit hoher Letalität. Ein komplexes Netzwerk aus Zytokinen und anderen proinflammatorischen Mediatoren unterhält die pulmonale Entzündungreaktion. Dem Zytokin Interleukin-10 (IL-10) könnte in diesem Zusammenhang aufgrund seines spezifisch antiinflammatorischen und immunmodulierenden Wirkspektrums eine therapeutische Bedeutung zukommen. In tierexperimentellen Untersuchungen konnten die protektiven Wirkungen von systemisch appliziertem Interleukin-10 bezüglich verringerter Wirkspiegel proinflammatorischer Mediatoren sowie des Überlebens der Versuchstiere bei Sepsis belegt werden. In einer Untersuchung an ARDS-Erkrankten wiesen Patienten, deren bronchoalveoläre Lavage (BAL) hohe Konzentrationen an Interleukin-10 enthielt, eine signifikant niedrigere Letalität auf als Patienten mit niedriger IL-10-Konzentration. Die Inhalation von IL-10 über den Luftweg könnte lokal in der Lunge die Freisetzung von Entzündungsmediatoren verringern und so den Verlauf eines ARDS positiv beeinflussen. Im Rahmen einer bereits durchgeführten Studie der eigenen Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass die Inhalation von IL-10 (0.19 mycro-g/Tier) vor Induktion einer experimentellen Endotoxinämie (Beobachtungszeitraum 6h) zur signifikanten Reduktion proinflammatorischer Zytokine im Plasma sowie der BAL führte. Daneben bewirkte IL-10 Aerosol eine signifikante Verringerung der Nitritproduktion aus ex vivo kultivierten Alveolarmakrophagen (AM). Mit der vorliegenden Studie sollte untersucht werden, ob vernebeltes IL-10 auch in einer geringeren Dosierung als in der ersten Studie angewandt antiinflammatorisch wirksam ist. Daneben sollte geklärt werden, ob der Zeitpunkt der Applikation des IL-10 Aerosol relevant ist. Konkret sollte untersucht werden, ob die Inhalation von IL-10 erst nach Induktion der experimentellen Endotoxinämie ebenfalls antinflammatorisches Potential besitzt. Die Generierung und Verneblung des IL-10 Aerosols erfolgte in der vorliegenden Untersuchung mittels eines speziell für diesen Einsatz von der eigenen Arbeitsgruppe entwickelten und charakterisierten Verneblersystems. Der Vernebler produziert stabil Aerosopartikel, deren Größenverteilung (rund 2 mycro-m) mit hoher Wahrscheinlichkeit in alvelären Bereichen deponiert. Die alveoläre Depositionsfraktion des Verneblers beträgt rund 4% und liegt damit in einem Bereich, der aus der Humanmedizin für die Verneblung bei intubierten Patienten bekannt ist. An 48 narkotisierten, kontrolliert beatmeten Ratten wurde die antiinflammatorische Wirkung eines IL-10-Aerosols untersucht. Die Induktion des experimentellen Lungenschadens erfolgte durch intravenöse Injektion von Endotoxin (Lipopolysaccharid; LPS, in einer Dosierung von 5mg/kg). Als löslicher Bestandteil der Membran gram-negativer Bakterien führt LPS über die Freisetzung proinflammatorischer Substanzen zu entzündlichen Reaktionen, die lokal beschränkt oder auch systemisch auftreten können. Bei Versuchstieren unterschiedlicher Spezies bewirkt die systemische Applikation von LPS pulmonale Veränderungen, die denen des septisch bedingten ARDS des Menschen qualitativ entsprechen. Die Tiere wurden zufällig in eine der sechs Versuchsgruppen eingeteilt (je n=8): Die LPS-Gruppe erhielt eine LPS-Injektion (5 mg/kg/KG) ohne anschließende therapeutische Intervention. Die mit IL-10 behandelten Tiere erhielten das IL-10-Aerosol entweder vor oder nach Induktion der experimentellen Endotoxinämie nach unten genanntem Protokoll. In einer Kontroll (Sham)-Gruppe wurde die Auswirkung von Narkose, chirurgischer Präparation, Beatmung und Aerosolapplikation (IL-10-Trägerlösung; phosphatgepufferte Kochsalzlösung) evaluiert. Neben der in vivo Beobachtung von Hämodynamik (Herzfrequenz, mittlerer arterieller Blutdruck), Lungenmechanik, arteriellen Blutgasen und Blutbild, untersuchten wir anhand von Blutproben und einer Bronchoalveolären Lavage (BAL) die systemische und pulmonale Inflammation (inflammatorische Zytokine TNFalpha, IL-1beta, IL-6 und IFNgamma in Plasma und BAL). Die Verneblung von IL-10 erfolgte in zwei Dosierungen und zu zwei Zeitpunkten: in einer Gruppe wurde IL-10 in einer Dosierung von 5.0 mycro-g (0.19 mycro-g/Tier) vor, und in einer weiteren Gruppe nach Induktion der experimentellen Endotoxinämie vernebelt. In zwei weiteren Versuchgruppen wurde IL-10 in einer Dosierung von 0.5 mycro-g (0.019 mycro-g/Tier) ebenfalls vor sowie nach Injektion von LPS vernebelt. Die Endotoxinämie führte nur zu geringen Verschlechterungen der klinischen Parameter, aber sowohl pulmonal (BAL) als auch systemisch (Plasma) zeigte sich ein Anstieg proinflammatorischer Mediatoren. Gegenüber den Tieren, deren Endotoxinämie unbehandelt blieb, bewirkte nur die Inhalation von IL-10 in der höheren Dosierung (5 mycro-g) das signifikante Abfallen der proinflammatorischen Zytokine TNFalpha, IL-1beta, IL-6 und IFNgamma im Plasma sowie der Freisetzung von Nitrit aus kultivierten AM. IL-10 Aerosol hatte in keiner Dosierung respektive zu keinem Applikationszeitpunkt antiinflammatorische Effekte auf die Zytokinkonzentrationen in der BAL. Die präemptive Vernebelung von IL-10 in einer Dosierung von 5 mycro-g (0.19 mycro-g/Tier) vor Induktion einer experimentellen Endotoxinämie zeigte sowohl auf die AM Kultur als auch systemisch (Plasma) antinflammatorisches Wirkprofil. Demgegenüber zeigte IL-10 keine antinflammatorische Effekte, wenn es erst nach Injektion von LPS oder aber in geringerer Dosierung vernebelt wurde. Zur antiinflammatorischen Therapie der experimentellen Endotoxinämie durch LPS Injektion in der Spezies Ratte erscheint IL-10 Aerosol nur wirksam, wenn es in ausreichender Dosierung (5 mycro-g) sowie vor Injektion von LPS appliziert wird

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