PATOFIZJOLOGIA SEPSY
opracował prof Bogdan Kamiński na podst.: Snowden Ch., Kirkman E. The pathophysiology of sepsis. Br.J.Anaesth. CEPD Reviews,2002;2:11-14
Ważne punkty
Wrodzona odpowiedź immunologiczna wzbudza reakcję na zakażenie
Procesem zapalnym steruje błona wewnętrzna naczyń krwionośnych
W zaburzeniach funkcji mitochondriów i hipoksji komórkowej w przebiegu posocznicy odgrywa rolę tlenek azotu
Głównym zaburzeniem, jakie stwierdza się w posocznicy, jest śródnaczyniowe wykrzepianie w najdrobniejszych naczyniach
Aktualnie uzgodnione definicje zespołu układowej odpowiedzi zapalnej (SIRS, systemic inflammatory response syndrome), posocznicy (sepsy) i wstrząsu septycznego koncentrują się na kryteriach klinicznych w nadziei uporządkowania wielu empirycznych prób leczenia. Żadna z tych definicji nie odnosi się do patofizjologicznego tła posocznicy. W miarę gromadzenia wiedzy o sposobach opanowania odczynu septycznego i jego relacji ze stanem klinicznym pacjenta nabierają znaczenia kryteria patofizjologiczne. Będą one nieodzowne w trakcie poszukiwań nowoczesnych metod terapii i wysiłków zmierzających do poprawienia ostatecznych wyników leczenia tych pacjentów, których zalicza się do grupy wysokiego ryzyka.
Odpowiedź immunologiczna na zakażenie
Na ogólną reakcję gospodarza na zakażenie składa się złożona kombinacja wrodzonych i nabytych odczynów immunologicznych. Odporność nabyta polega na wytwarzaniu wielkiej rozmaitości receptorów dla swoistych antygenów, czerpiących z pamięci czynników chorobotwórczych, z którymi ustrój zetknął się w przeszłości. Odporność wrodzona oznacza odpowiedź gospodarza w stosunku do swoistych komponentów cząsteczki atakującego patogenu. Są wśród nich lipopolisacharydy (LPS) i peptydoglikany bakterii, glikolipidy prątków oraz RNA o podwójnym łańcuchu, pochodzące z wirusów.
Uważa się, że odpowiedź wrodzona odgrywa kluczową rolę w zasygnalizowaniu obecności zakażenia i zaninicjowaniu reakcji immuno-zapalnej. Wrodzona odpowiedź na zakażenie Gram-ujemne (które w OIT stanowią 60% przypadków septycznych) jest wzbudzana przez endotoksynę (LPS). LPS w postaci kompleksu ze swoistym białkiem osocza (LBP) ulega związaniu z receptorem błonowym (CD14) na komórkach efektorowych, jak makrofagi i komórki śródbłonka. Inicjuje to śródkomórkową transdukcję sygnalną za pośrednictwem swoistego mechanizmu receptorowego (TLR, toll-like receptor). Odpowiedź na zakażenia Gram-dodatnie (pozostałe 40% przypadków w OIT) rozwija się wtórnie w stosunku do wytwarzania swoistej endotoksyny lub - częściej - wskutek oddzielania się fragmentów błony komórkowej.
Odczyn zapalny na zakażenie
Gdy doszło już do wyzwolenia odpowiedzi immunologicznej, śródbłonek naczyń krwionośnych steruje rozwojem procesu zapalnego kierując w miejsce zakażenia elementy komórkowe (głównie leukocyty). Istotnym prekursorem, podtrzymującym odczyn zapalny, są złożone interakcje śródbłonka i leukocytów. Steruje nimi precyzyjnie rozłożona w czasie sekwencja ekspresji cząsteczkowej.
Adhezja i migracja kompleksu śródbłonkowo-leukocytarnego
Początkowe gromadzenie się i rulonizacja leukocytów wzdłuż ściany śródbłonka jest regulowane przez grupę glikoprotein zwanych selektynami, występujących na powierzchni zarówno komórek śródbłonka (selektyny-P i E), jak i leukocytów (selektyny L). Proces ten jest wzbudzany przez szereg mediatorów prozapalnych, w tym czynnik martwicy guza (TNF-a, interleukinę I (IL-1), histaminę, dopełniacz, leukotrieny i wolne rodniki tlenowe. Zachodzące interakcje o niskim powinowactwie powodują okresową adhezję leukocytów do śródbłonka, a powstawanie i zanikanie więzi między nimi staje się przyczyną rulonizacji komórek przy ścianie śródbłonka. Związki te utrwalają się dzięki powstawaniu więzi o wyższym powinowactwie, czym zarządzają kolejne grupy odpowiednich cząsteczek adhezyjnych na komórkach śródbłonka i leukocytach. Wśród cząsteczek występujących na komórkach śródbłonka wyróżnia się cząsteczki adhezji międzykomórkowej 1 i 2 (ICAM-1 i ICAM-2), cząsteczki adhezji do komórek naczyniowych 1 (VCAM-1) oraz cząsteczki adhezji płytkowo-śródbłonkowej 1 (PECAM-1). Do receptorów obecnych na leukocytach zalicza się cząsteczki adhezyjne z grupy b2-integryn (np. CD11b i CD18).
Po wytworzeniu się silnej adhezji między leukocytami i śródbłonkiem następuje transmigracja leukocytów z naczynia krwionośnego do okolicznych tkanek. Odbywa się to głównie poprzez ściany żyłek postkapilarnych, aczkolwiek w pewnych okolicach, jak np. w płucach, może to następować również we włośniczkach. Migrację tę ułatwia retrakcja śródbłonka, powodująca pojawianie się luk między poszczególnymi jego komórkami; równocześnie wiedzie to do zwiększenia przepuszczalności naczyń i lokalnego obrzęku.
Odpowiedź śródbłonka i miejscowych tkanek
Rezultatem interakcji śródbłonkowo-leukocytarnej jest uszkodzenie tak komórek śródbłonka, jak i okolicznych tkanek. Cytokiny prozapalne i uaktywnione neutrofile prowadzą do uszkodzenia komórek śródbłonka. Uznaje się, że cytokiny indukują apoptozę (zaprogramowaną śmierć komórki) w komórkach śródbłonka. Uaktywnione przywierające do nich neutrofile powodują uszkodzenie w trakcie pewnej kaskady zjawisk, powodujących powstawanie w komórkach śródbłonkowych wolnych rodników tlenowych O2* i OH*.
Dopóki cały ten proces przebiega miejscowo, uznaje się go za zjawisko korzystne, gdyż spełnia on istotną rolę w usuwaniu uszkodzonych i zakażonych tkanek. Rozmaite mediatory przeciwzapalne przeciwstawiają się reakcji prozapalnej powodując lokalizację tej odpowiedzi. Należą tu takie substancje parakrynowe i autokrynowe, jak tlenek azotu (NO), adenozyna, prostacyklina (PGI2)i lipokortyna-1, oraz substancje endokrynowe, jak glikokortykoidy, inhibitor wydzielniczej proteazy leukocytarnej (SLPI),a takż IL-10 i IL-13. W przebiegu sepsy odpowiedź zapalna wyłamuje się spod zabezpieczeń przeciwzapalnych i szerzy się na cały ustrój powodując uszkodzenia układowe. Przypuszczalnie dzieje się tak w mechanizmie wieloczynnikowym. Wydaje się jednak, że kluczowe znaczenie dla patofizjologii ma uogólnione zaburzenie metabolizmu komórkowego, związane z nieprawidłowym wywarzaniem NO.
Tlenek azotu i jego potencjalny wpływ na oddychanie komórkowe w przebiegu sepsy
NO jest wytwarzany z argininy dzięki działaniu enzymu - syntazy tlenkoazotowej (NOS). Znane są trzy izoformy NOS:
eNOS występująca w śródbłonku,
nNOS w neuronach, oraz
iNOS, indukowana postać pojawiająca się w wielu tkankach i komórkach (jak np. makrofagi, mięśnie gładkie i śródbłonek).
eNOS i nNOS są enzymami konstytucjonalnymi, które czasem rozpatruje się grupowo jako cNOS. W przeciwieństwie do nich ekspresja iNOS jest indukowana przez szereg bodźców związanych z procesem zapalnym; przy tym iNOS wytwarza znacznie większe ilości NO niż cNOS. Jego aktywacja utrzymuje się często przez wiele dni. Ostatnio odkryto bardzo ciekawe fakty dotyczące roli NO w regulacji oddychania komórkowego. Fizjologiczny poziom NO reguluje oddychanie komórkowe działając na oksydazę mitochondrialnego cytochromu C (kompleks IV), redukującego użytkowanie tlenu. Ponieważ NO może być kompetycyjnie wypierany przez O2, interakcja O2 i fizjologicznego poziomu NO chroni komórkę na drodze zmniejszania przez nią zużycia O2, gdy spada jego stężenie. W sepsie jednakże bodźce prozapalne już po kilku godzinach wiodą do indukcji iNOS, co powoduje nadmierne wytwarzanie NO. W takiej sytuacji nie ma dość O2, by wyprzeć NO z kompleksu IV. Wskutek tego następuje zredukowanie łańcucha oddechowego i w mitochondriach powstaje O2*. O2* z kolei wchodzi w reakcję z wolnym NO tworząc anion nadtlenkowo-azotynowy (ONOO*). W przeciwieństwie do odwracalnego wpływu NO na kompleks IV, ONOO* w sposób nieodwracalny uszkadza kompleksy I i III, co ostatecznie inicjuje zjawiska prowadzące do apoptozy. Dysponujemy obecnie dowodami, iż w trakcie sepsy dochodzi do zaburzeń funkcji mitochondriów w wielu tkankach, w tym w monocytach, błonie śluzowej jelit, w wątrobie i w mięśniach szkieletowych. Stopień tych zaburzeń - jak się wydaje - warunkuje nasilenie procesu septycznego, a w pewnej mierze również wynik końcowy. Według zgodnej opinii we wczesnej fazie sepsy funkcja mitochondriów może być wzmożona ustępując później miejsca jej osłabieniu.
Zaburzenia funkcji narządów
Bez względu na mechanizm zaburzenia metabolizmu komórkowego w przebiegu sepsy łączny rezultat polega na uogólnionej dysfunkcji układów narządowych. Nie są znane mechanizmy, które decydują o różnym nasileniu uszkodzenia licznych narządów przez proces zapalny. W sensie klinicznym nasza wiedza o dysfunkcji poszczególnych narządów zależy od możliwości ich badania. Dla przykładu, poświęcono wiele badań reakcji płuc na sepsę, podczas gdy odpowiedź ze strony wątroby, mimo że jak wiadomo odgrywa ona kluczową rolę w procesie septycznym, nie jest tak łatwa do oceny. Z takim zastrzeżeniem omówimy poniżej dysfunkcję poszczególnych układów u osoby z posocznicą.
Układ krążenia
Poza zaburzeniem zużycia tlenu na poziomie komórek i mitochondriów sepsa prowadzi do poważnego uszkodzenia funkcji serca i naczyń.
Zaburzenia regulacji naczynioruchowej
Posocznicy towarzyszy uogólnione rozszerzenie łożyska naczyniowego i utrata reakcji na katecholaminy. W znacznej mierze ma to związek z wadliwą regulacją przez NO (p. wyżej). MO odgrywa kluczową rolę śródbłonkowej regulacji naczynioruchowej, a zatem i dla hemodynamiki najdrobniejszych naczyń krwionośnych. W zwykłych warunkach fizjologicznych następuje podstawowa synteza i uwalnianie NO w komórkach śródbłonka. Następnie NO dyfunduje do okolicznych komórek mięśnia gładkiego, gdzie aktywuje cyklazę guanylową powodując narastanie stężenia 3',5'-cyklicznego monofosforanu (cGMP). Wzbudza to we wnętrzu komórki kaskadę, której kulminacją jest spadek stężenia wolnego wapnia i relaksacja mięśnia. W posocznicy nadmierne wytwarzanie NO prowadzi do rozległego rozszerzenia naczyń układowych, co może podziałać bardzo niekorzystnie na regionalną podaż tlenu, gdyż dochodzi wtedy do nierównomiernego podziału dopływu krwi do poszczególnych regionów.
Zaburzenia funkcji serca
Udowodniono osłabienie czynności mięśnia sercowego w odpowiedzi na sepse, co prowadzi do zwolnienia szybkości skurczu i relaksacji serca. Może to mieć związek z wychwytywaniem i uwalnianiem Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej przez sterowane napięciem kanały Ca2+ w sarkolemie, czasem zwane receptorem ryanodinowym. Zmniejszenie liczby tych receptorów w hipodynamicznej fazie posocznicy redukuje szybkość uwalniania Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej, co ogranicza jego interakcję z kurczliwymi białkami mięśnia sercowego podczas skurczu serca. Równocześnie następuje spowolnienie wychwytu zwrotnego do siateczki sarkoplazmatycznej, wskutek czego opóźnia się wystąpienie relaksacji, a więc rozkurczu serca. Mechanizm powodujący zmniejszenie liczby wspomnianych receptorów Ca2+ może mieć związek z mediatorami, jak TNF-a i NO, które mogą zaburzać uwalnianie Ca2+ za pośrednictwem receptora ryanodinowego.
Zaburzenia hematologiczne
Posocznica może być przyczyną ostrego rozsianego wykrzepiania śródnaczyniowego (DIC) z obniżeniem liczby płytek, wydłużeniem czasów krzepnięcia i spadkiem poziomu fibrynogenu w osoczu, prowadzącego do powikłań krwotocznych i zakrzepowych. Rozległa zakrzepica drobnych naczyń wskutek zaburzenia układów antykoagulacyjnych (antytrombiny III i trombomoduliny) oraz indukcji przez cytokiny zewnątrzpochodnych układów krzepnięcia dodatkowo nasila wadliwą podaż i zużytkowanie tlenu w komórkach. W przebiegu sepsy dochodzi do obniżenia poziomu endogennego aktywowanego białka C, które sprzyja fibrynolizie, a hamuje zakrzepicę i stan zapalny. Wykazano, że podanie aktywowanego białka C redukuje śmiertelność części pacjentów z posocznicą; trwają dalsze badania kliniczne tego zjawiska.
Zaburzenia czynności wątroby
Dysfunkcja wątroby, która można zdefiniować jako hiperbilirubinemię i niewielki wzrost poziomu enzymów wątrobowych, zdarza się w przebiegu posocznicy równie często jak niewydolność płuc i nerek. Zwiększone w sepsie zapotrzebowanie wątroby na tlen jest tylko częściowo pokrywane przez zwiększenie przepływu krwi w obszarze wątrobowo-trzewnym jako wynik ogólnego zwiększenia minutowej pojemności serca. Do zaburzenia czynności wątroby dochodzi, gdy wątrobowy przepływ krwi nie pokrywa wzmożonego regionalnej zapotrzebowania tlenowego lub gdy występują inne zaburzenia czynności tego narządu, niezależne od przepływu krwi. Prawidłowa czynność wątroby, zanim dojdzie do posocznicy, korzystnie wpływa na rokowanie.
Zaburzenia czynności płuc
Do ostrego uszkodzenia płuc, czyli zespołu ostrych zaburzeń oddechowych (ARDS), dochodzi u 60% pacjentów z posocznicą. Pierwotnym procesem, jaki prowadzi do wynaczyniania bogatego w białko płynu do tkanki śródmiąższowej i do pęcherzyków płucnych, jest zaburzenie czynności śródbłonka spowodowane przez nacieczenie obojętnochłonnymi krwinkami białymi. Wśród następstw patofizjologicznych trzeba wymienić zapadanie się pęcherzyków, przeciek nieutlenowanej krwi przez płuca (shunt), hipoksemię, pogorszenie podatności i zmniejszenie czynnościowej pojemności zalegającej (FRC) oraz wzmożenie pracy oddychania. Z uszkodzeniem płuc kojarzy się wytwarzanie IL-8 przez obfitą populację pęcherzykowych makrofagów, co ma wpływ na ostateczne zejście procesu chorobowego.
Zaburzenia czynności nerek
Pogorszenie perfuzji nerek w przebiegu posocznicy wynika pierwotnie z rozszerzenia układowego łożyska naczyniowego i spowodowanego przez to stanu względnej hipowolemii. Inne ważne czynniki neurohumoralne to endotelina i tromboksan A2, jak i dopływ substancji komórkowych (np. obojętnochłonnych krwinek białych i czynników krzepnięcia), co wiedzie do pogorszenia funkcji nerek aż do ich ostrej niewydolności. Wprawdzie typowy obraz kliniczny to skąpomocz, może też dojść do niewydolności nerek z poliurią wskutek nie w pełni poznanej swoistej dysfunkcji kanalików.
Zaburzenia metaboliczne
Zmiany metaboliczne w przebiegu posocznicy mają związek ze stanem hiperdynamicznym i współistniejącymi niedoborami żywieniowymi, co sprawia, iż nasila się zwykła reakcja na stres, głodzenie lub oba te czynniki łącznie. Odpowiedź metaboliczna na sepsę jest też rezultatem pogorszonego użytkowania tlenu, co zmienia metabolizm substratów na poziomie komórkowym. Nasilenie tych zmian ma związek z etapem posocznicy.
Zaburzenia przemiany glukozy
W stanie hipermetabolizmu dochodzi do przyspieszenia wytwarzania glukozy. Jest to rezultat podwyższenia poziomu hormonów antyregulacyjnych (jak np. glukagon, katecholaminy). Jednakże w przebiegu sepsy wysokiemu stężeniu glukozy w osoczu często towarzyszy wysoki poziom insuliny. Sytuację taką można wyjaśnić swoistą indukcją czynnościowej oporności na insulinę wskutek depresji kluczowych mitochondrialnych enzymów glikolitycznych (jak glukokinaza i dehydrogenaza pirogronianowa) lub też działaniem na same receptory insulinowe.
Zaburzenia przemiany białkowej
W warunkach zaburzonego wykorzystywania glukozy zapotrzebowanie energetyczne jest pokrywane przez rozpad białka, zwłaszcza pochodzącego z mięśni szkieletowych. Ważnego substratu glukoneogenetycznego w postaci glutaminy dostarcza zwykle metabolizm alaniny. Niestety sepsa w sposób bezpośredni zaburza śródkomórkową przemianę glutaminy w glukozę wskutek zmniejszenia aktywności enzymów ograniczających szybkość tej przemiany (jak np. glutaminaza). Ponadto - mimo że glutamina ma zalety jako źródło wytwarzania glukozy -zagrożona jest ściana jelita, gdyż stan błony śluzowej pewnych części przewodu pokarmowego jest w sposób bezpośredni uwarunkowany obecnością glutaminy. W związku z tym suplementacja glutaminy w przebiegu sepsy może mieć działanie ochronne dla przewodu pokarmowego, ma zatem szansę na zapobieganie przechodzeniu sepsy w niewydolność wielonarządową.
Przemiana lipidowa
We wczesnej fazie stanu septycznego dominują bodźce kataboliczne, powodujące rozkład lipidów do wolnych kwasów tłuszczowych (FFA). Stają się one zarówno źródłem energii dla mięśni szkieletowych, jak i prekursorem wytwarzania ciał ketonowych, wykorzystywanych przez komórki obwodowe. W późniejszych fazach sepsy dochodzi do upośledzenia wykorzystywania FFA, co staje się pośrednio przyczyną zahamowania wytwarzania glukozy, glikolizy i powstawania ciał ketonowych (ketogenezy).
Przemiana mleczanów
Tak metabolizm beztlenowy w komórkach, jak i niedotlenienie i hipoksja tkanek mikrokrążenia doprowadzają do powstawania mleczanów. Wytwarzanie mleczanów w trakcie przemiany beztlenowej jest zjawiskiem korzystnym, gdyż umożliwia powstawanie wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych bez hamującego wpływu gromadzących się pirogronianów. W takich warunkach zachowana zostaje równowaga mleczany/pirogroniany. Niedotlenienie i niedokrwienie prowadzi do spadku wytwarzania pirogronianów, wskutek czego wspomniany stosunek mleczany/pirogroniany ulega obniżeniu. Nierzadko na podstawie oznaczania tego stosunku, nie zaś izolowanego badania stężenia mleczanów, udaje się odróżnić kompensacyjny metabolizm beztlenowy od niedotlenienia i niedokrwienia komórek. Niestety w warunkach sepsy podwyższone stężenie mleczanów ma też związek ze wzmożonym ich wytwarzaniem, z obniżeniem klirensu mleczanów i zmianami w obrębie szlaku przemiany lipidów, wskutek czego enzymy mitochondrialne nie są w stanie korzystać ze szlaków tlenowych. W przebiegu sepsy zatem podwyższenie stężenia mleczanów czy zwiększenie stosunku mleczany/pirogroniany nie zawsze oznacza niedotlenienie tkanek.
Podsumowanie
W przyszłości definicja sepsy będzie zapewne w większej mierze uwzględniała mechanizmy patofizjologiczne tego stanu. Zakażenie sprzyja kompleksowej odpowiedzi odpornościowo-zapalnej, które - dopóki pozostaje ograniczona - chroni ustrój i sprzyja procesowi zdrowienia. Sepsa układowa prowadzi do szerokiego uszkodzenia naczyń z następowymi zakrzepami drobnej ich sieci i uogólnionym zaburzeniem komórkowego metabolizmu tlenowego. Wydaje się, że kluczową rolę w zaburzeniach wielonarządowych, jako kolejnym etapie choroby, odgrywa rolę nieprawidłowe wytwarzanie NO. W niedalekiej przyszłości poprawa ostatecznych wyników terapeutycznych będzie wymagała swoistego ukierunkowania na takie właśnie mechanizmy.
opracował prof Bogdan Kamiński na podst.: Snowden Ch., Kirkman E. The pathophysiology of sepsis. Br.J.Anaesth. CEPD Reviews,2002;2:11-14