Medizin

Erstmals Rätsel der Blutvergiftung gelöst

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Akribische Forschung trägt Früchte: Immunologen haben erstmals entdeckt, dass eine Sepsis von den "Kraftwerken" in den Zellen ausgelöst wird.

Trotz aller Fortschritte in der Intensivmedizin ist eine Blutvergiftung (Sepsis) nach wie vor lebensbedrohlich. Die Sterberate liegt je nach Lebensalter und Art der Bakterien im Organismus zwischen 30 und 50 Prozent. Im Zeitalter potenter Antibiotika scheint das schwer verständlich, es erklärt sich aber dadurch, dass Sepsis nicht nur eine Vergiftung durch Bakterien oder deren Stoffe ist, sondern zugleich eine Entgleisung des ganzen Immunsystems mit Organversagen.

Warum die Abwehr außer Rand und Band gerät, blieb lange ein Rätsel. Jetzt präsentieren US-Forscher eine Erklärung: Schuld sind die Mitochondrien, die „Kraftwerke“ jeder Zelle. Wenn infolge eines Infekts oder einer Verletzung massenhaft Körperzellen absterben, gelangen Mitochondrien und ihre Zerfallsprodukte ins Blut und lösen einen Amoklauf des Immunsystems aus. Der Hintergrund: Mitochondrien waren eigenständige Organismen, die mit den Vorfahren der Säugetiere symbiotisch lebten. Dann wurden sie in die Zellen integriert, blieben aber fremdartig – sie verwirren das Immunsystem.

Auf die Spur dieser Zusammenhänge sind die Forscher um Carl J. Hauser von der Boston University unter anderem durch heftige, nicht infektiöse Entzündungsreaktionen gekommen, das Systemische Inflammatorische Response-Syndrom (SIRS). Eine akute, durch massiven Alkoholgenuss verursachte Bauchspeicheldrüsenentzündung ist ein Musterbeispiel für ein SIRS. Relativ neu ist die Erkenntnis, dass Sepsis und SIRS, obwohl anders ausgelöst, eine fast identische Reaktionskette zugrunde liegt. Deshalb bezeichnen Experten ein SIRS schlicht als Sepsis ohne Keime. Auch ein SIRS führt häufig zu Mehrorganversagen und Tod.

Eine Gruppe von Forschern um Albert Castellheim vom Universitätsklinikum Oslo hat ein Modell entwickelt, in dem Sepsis und SIRS eng verwandte „Strickmuster“ sind, mit denen das evolutionsgeschichtlich alte angeborene Immunsystem auf unterschiedliche Arten von Gefahren reagiert. Diese angeborene Abwehr unterscheidet sich von der erworbenen anpassungsfähigen Variante dadurch, dass ihre Reaktion sehr schnell erfolgt, jedoch unspezifisch und nur schwer steuerbar ist. Nach dem Modell der Osloer Forscher reagiert das angeborene Abwehrsystem stereotyp, wenn Gewebe unter Stress gerät.

Dabei können zwei Gruppen von Ereignissen eine fatale Reaktionskaskade auslösen. Im Blut zirkulierende Keime und ihre Bestandteile sind „klassische“ durch Mikroorganismen verursachte Auslöser. Von innen gerät das Immunsystem immer dann aus dem Gleichgewicht, wenn plötzlich Zellen in großer Zahl zugrunde gehen und ihre Abbauprodukte massenhaft in die Blutbahn geraten. Diese Gruppe von Stressmolekülen trägt den bezeichnenden Namen Alarmine. Beide Arten von Stressfaktoren werden als DAMPs – danger-associated molecular patterns – bezeichnet.

Immer, wenn im Körper alle immunologischen Weichen auf Entzündung gestellt sind, hat das angeborene Immunsystem solche Alarmsignale erhalten und spult seinen „Notfallplan“ ab. Die Folge ist eine umfassende Kaskade von Entzündungen. Dadurch werden einzelne Organe in ihrer Funktion beeinträchtigt, und es kommt zu einer Schädigung der Zellkraftwerke, der Mitochondrien. Dies wiederum bewirkt einen akuten Sauerstoff- und Energiemangel in dem betreffenden Gewebe

Nach dem Konzept der norwegischen Immunologen ist die unkontrollierte Entzündungsreaktion SIRS wie eine Flotte von Tankern mit hochbrisanter Ladung, die, wenn einmal Fahrt aufgenommen, nicht mehr zu stoppen sind. Übertragen auf den Körper, entspricht der unvermeidbare Crash einem multiplen Organversagen am Ende einer Sepsis oder eines SIRS.

Eine in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichte Studie offenbart, dass die ohnehin schon schwer durchschaubaren Reaktionsmuster des unflexiblen angeborenen Immunsystems auf Alarmsignale tatsächlich noch sehr viel komplexer ist.

Seit einiger Zeit ist bekannt, dass bei einer massiven Zellschädigung infolge schwerer innerer Verletzungen DAMPs in das Blut gelangen. Welche Art von Alarminen dabei freigesetzt und welche Rezeptoren genau auf den Immunzellen von den DAMPs aktiviert werden, war bislang allerdings unbekannt.

Hausers Team wollte das herausfinden und hat 15 Patienten mit schweren inneren Verletzungen mit aufwendigen Labormethoden nach Markern für ein Entzündungschaos untersucht. Die Patienten hatten keine Infektion, jedoch waren ganze Organe geschädigt.

Ausgehend von der Überlegung, dass bei der Zerstörung von Gewebe Zellen zerreißen und die normalerweise im Zellinneren vorhandenen Strukturen ins Blut gelangen, suchten die Forscher nach Hinweisen für Fragmente aus Mitochondrien und Mitochondrien-DNA im Blut ihrer Patienten.

Tausendfach höhere Mitochondrien-DNA-Konzentration als bei Gesunden

Tatsächlich war bei den Patienten die Konzentration von Mitochondrien-DNA tausendfach höher als bei Gesunden. Injizierten die Forscher zudem freie Mitochondrien oder Mitochondrien-DNA in das Bauchfell von Versuchstieren, entwickelte sich rasch eine sterile Bauchfellentzündung, die im multiplen Organversagen endete. Ein weiteres Indiz dafür, dass Mitochondrienbestandteile eine neue Gruppe von internen Alarmsignalen sind.

Diese Beobachtung ist nicht nur für die Behandlung schwer traumatisierter Patienten wichtig, sondern auch von grundlegender Bedeutung. Mitochondrien aus menschlichen Zellen haben zwar ihr eigenes Genom, aber ihre DNA erinnert in zwei Aspekten an die von Bakterien: Die Erbsubstanz liegt in einem Ring vor, und auch ihre biochemischen Eigenschaften weichen etwas ab. Diese Anomalien haben schon in den 90er-Jahren zu der These veranlasst, dass Mitochondrien einst Bakterien waren, die mit tierischen Wirten in Symbiose lebten.

Wie passen nun Hausers Erkenntnisse in das Gefahrenmodell der Immunantwort der norwegischen Immunologen? Werden Zellen bei einem schweren Trauma zerstört, gelangen mitochondriale DAMPs in die Zirkulation. Diese enthalten über Millionen Jahre konservierte bakterielle Strukturen.

Das angeborene Immunsystem hält die Mitochondrienfragmente für äußere Gefahrensignale und reagiert mit einer umfassenden Entzündung. So wird klar, warum es so schwierig ist, eine allgemeine Entzündungskaskade zu stoppen und den Patienten vor einem Multiorganversagen zu bewahren. Es spielen einfach zu viele „Musiker“ im Kakophonieorchester von SIRS und Sepsis. Je nach Krankheitsauslöser ist das Immunorchester bei einem Patienten noch bei der „Ouvertüre“ und bei einem anderen bereits in einem fortgeschrittenen „Satz“, wenn Sepsis oder SIRS diagnostiziert werden.