SZ nr 80–81/2000z 12 października 2000 r.
Sepsa
Zarys patogenezy posocznicy
Jacek Juszczyk
W latach 1991–1992 zaproponowano inne niż dotąd ujęcie problemu posocznicy. Przez jednych zostało to przyjęte nieomal z entuzjazmem, przez innych z rezerwą. American College of Chest Physicians and American Society of Critical Care Medicine wprowadziły pojęcie zespołu uogólnionej reakcji zapalnej (systemic inflammatory response syndrome, SIRS). Jest to odpowiedź na różne czynniki, zakaźne i niezakaźne (np. oparzenia, rozległe urazy, ostre zapalenie trzustki). Przebieg sprowadza się do wieloczynnikowej, nadmiernej reaktywności zapalnej, ze szczególnym znaczeniem pobudzenia sieci cytokinowej. Posocznica w tym ujęciu jest jednym z wariantów SIRS, rozwijającym się na podłożu infekcyjnym.
Posocznicę rozpoznaje się u chorych demonstrujących co najmniej dwa objawy z zespołu złożonego z następujących składowych, jeżeli jednocześnie występują objawy kliniczne:
- Ciepłota > 38 st. C lub < 36 st. C
- Tętno > 90/min
- Częstość oddechów > 20/min lub ciśnienie parcjalne tlenu < 32 mmHg
- Liczba leukocytów > 12 000/mm lub < 4000/mm lub >10% pałeczek.
Wśród czynników etiologicznych posocznicy dominują bakterie. Wymienia się przede wszystkim E. coli, enterokoki oraz gronkowce. Bakterie Gram-dodatnie jako przyczyna posocznicy odzwierciedlają charakterystyczną zmianę w częstości występowania ciężkich zakażeń szpitalnych, wśród których jeszcze w latach 60. dominowały bakterie Gram-ujemne. Zróżnicowanie etiologiczne posocznicy ma wyraźny związek z coraz agresywniejszymi metodami diagnostycznymi i terapeutycznymi (np. linie naczyniowe), zwiększaniem liczby chorych znajdujących się w stanie immunosupresji związanej z chemoterapią, AIDS, cukrzycą, marskością etc.
Oprócz bakterii posocznicę mogą wywołać także grzyby (np. Candida sp.), riketsje (Rickettsia rickettsi), pierwotniaki (Plasmodia falciparum), jak również niektóre wirusy (denga). Niezależnie od etiologii, posocznica jest nadal stanem zagrażającym życiu, ze śmiertelnością ocenianą w połowie lat 90. na 40%, a ze wstrząsem – na 70%.
Patogeneza
Rozpoznanie obcych antygenów prowadzi do odpowiedzi zapalnej w miejscu zakażenia. Istotą tych złożonych reakcji (określanych czasami jako „splątana sieć”) jest wytwarzanie czynników prozapalnych. Dochodzi do powstania tzw. kaskady zapalnej, która bardzo skutecznie doprowadza do ograniczenia, a następnie likwidacji ogniska zakażenia. Bardzo wiele czynników, zarówno ze strony drobnoustroju, jak i zaatakowanego makroorganizmu, powoduje, iż taki przebieg procesu zapalnego może przybierać bardzo niekorzystne formy. Realizuje się wtedy scenariusz, który jest istotą uogólnionej reakcji zapalnej, w tym posocznicy. Odpowiedź jest nadmierna lub też nie poddaje się skutecznym zwykle mechanizmom regulacyjnym. Jeżeli nie dochodzi do skutecznego ograniczenia zakażenia, następuje jego rozsiew. Możliwy jest także jeszcze jeden wariant. W niektórych sytuacjach egzogenne produkty bakteryjne, jak i składniki ich budowy wyzwalane w dużych ilościach, przy braku adekwatnej obrony, mogą doprowadzać do SIRS bez wyraźnych objawów rozsiewu. Oddziałują toksycznie z jednego, pierwotnego źródła na cały ustrój. Są to np. peptydoglikany i kwasy tejchojowe, niektóre egzotoksyny bakteryjne, jak również składowe ściany komórkowej grzybów.
Drobnoustroje i ich produkty ulegają rozsiewowi przez układ limfatyczny lub krwionośny. W warunkach rozsiewu, oczywiście, o wiele łatwiej dochodzi do uogólnienia odpowiedzi zapalnej.
Czynniki drobnoustrojowe: lipopolisacharydy bakteryjne (LPS) i superantygeny
Najlepiej przebieg tego procesu poznano na zwierzęcych modelach wstrząsu septycznego, wywołanego przez LPS bakterii Gram-ujemnych (endotoksyny) oraz gronkowcową toksynę 1 powodującą zespół wstrząsu toksycznego (TSST-1). LPS jest integralnym składnikiem zewnętrznej części błony komórkowej bakterii Gram-ujemnych. Zawiera czynnik toksyczny w swej strukturze wielocukrowej i w lipidzie A (dwucukier D-glukozaminylowy połączony z kwasami tłuszczowymi). Podanie zwierzętom lipidu A powoduje śmiertelny wstrząs. Interakcja LPS z monocytami/makrofagami i z neutrofilami obejmuje najpierw związanie LPS z wiążącym go surowiczym białkiem (LBP). Powstały kompleks łączy się z cząsteczkami o własnościach receptorowych, w tym z cząsteczką CD14 znajdującą się na powierzchni ww. komórek. Ważne jest także i to, że ww. cząsteczka występuje także w formie rozpuszczalnej w surowicy. Kompleks rozpuszczalny CD4+LBP ma własności uszkadzania sródbłonka. Ostatnio stwierdzono, że cząstka CD14 może także być receptorem dla bakterii Gram-dodatnich. Związanie kompleksu z powierzchnią błony komórkowej uruchamia enzymatyczne sygnały aktywujące. Oddziałują one na metabolizm, uruchamiając wytwarzanie dużych ilości czynników prozapalnych.
Specyficzny mechanizm oddziaływania posiadają superantygeny bakteryjne, wchodzące w skład struktury Staphylococcus aureus i Streptococcus pyogenes. Istota ich oddziaływania polega na omijaniu systemu uruchomiania „konwencjonalnej” aktywności komórek T nastawionych na wysoce swoiste rozpoznawanie obcych antygenów. Superantygen łączy się nieswoiście z receptorami TCR limfocytów T, co wywołuje syntezę dużych ilości IL-2, stymulującej wytwarzanie licznych mediatorów zapalenia. Wiążą się także nietypowo z cząsteczkami układu MHC-II. W efekcie tego „przeskakiwania” zwykłych mechanizmów oddziałują poza restrykcją MHC, co doprowadza do głębokiego spaczenia odpowiedzi odpornościowej typu komórkowego. Procesy zapalne są szczególnie nasilone i dochodzi do niewydolności narządowej.
Aktywacja sieci cytokinowej i jej skutki
Aktywacja komórek opisaną wyżej drogą prowadzi do wytwarzania i uwalniania cytokin, z których największe znaczenie patogenetyczne mają: czynnik martwiczy guzów (TNF-α), IL-1 i interferon-g (IFN-g). Kluczowe znaczenie tych cytokin udowodniono w wielu eksperymentach na zwierzętach, in vitro, a także w badaniach u chorych z SIRS, jak i na ochotnikach. Można stwierdzić, iż SIRS, a w tym posocznica, jest wynikiem nasilonej, nie dającej się wyregulować aktywacji skomplikowanej sieci cytokinowej. Nie wszystkie z cytokin wzmagają procesy zapalne. Na przykład IL-10 ma odwrotne działanie.
TNF-α i IL-1 powodują adhezję leukocytów do komórek śródbłonka, uwalniając proteazy i metabolity kwasu arachidowego oraz aktywują powstawanie zakrzepów. Oddziaływanie cytokin powoduje zwiększenie wytwarzania cząstek adhezyjnych na powierzchni komórek śródbłonka oraz uwalnianie chemokin. Umożliwia to przyciąganie leukocytów do miejsca zapalenia. Ten korzystny efekt może ulec spaczeniu wówczas, kiedy produkty bakteryjne doprowadzają do nadmiernej jego aktywacji i leukocyty wędrują poza pierwotne miejsce, naciekając tkanki i powodując rekrutację następnych populacji leukocytów uszkadzających narządy. Jest to efekt niszczenia tkanek przez pobudzone neutrofile.
INF-a i IL-1 są wytwarzane przez liczne komórki, w tym monocyty, makrofagi, śródbłonkowe, mikroglej i astrocyty. TNF-α poza aktywacją komórek układu siateczkowo-sródbłonkowego hamuje kurczliwość komórek mięśnia sercowego z konsekwencjami z tego wynikającymi. U chorych z posocznicą w plazmie wykrywa się wysokie wartości TNF-α.
Współdziałanie TNF-α, IFN-g i IL-1 indukuje aktywność enzymów określanych wspólnym mianem jako syntaza tlenku azotu (NOS), a ten – ma działanie rozszerzające naczynia. W posocznicy/SIRS w moczu wykrywa się zwiększone stężenie związków azotowych, co może pośrednio wskazywać na zwiększoną syntezę NO. Wzmożone wytwarzanie NO może być jednym z ważnych powodów hipotonii w przebiegu posocznicy.
Szczególne znaczenie w podtrzymywaniu zapalenia mają IL-6 i IL-8, czynniki chemotaktyczne leukocytów. Z kolei IL-10 ma własności kontrregulujące. Hamuje wytwarzanie TNF-α, nasila oddziaływanie czynników wyzwalanych w reakcji ostrej fazy oraz immunoglobulin, a także hamuje funkcje komórek T i makrofagów.
LPS oraz mediatory zapalenia wzmagają aktywność wytwarzania i uwalniania tromboksanu A oraz prostaglandyn poprzez aktywację cyklooksygenazy, natomiast leukotrienów przez aktywację lipooksygenazy. O ile PG1 i PG2 (przedstawiciele prostaglandyn) poprawiają ukrwienie i hamują procesy krzepnięcia, o tyle tromboksan A i leukotrieny odgrywają istotną rolę w ostrej niewydolności oddechowej (ARD: adult respiratory distress syndrome). Cytokiny prozapalne oddziałując pobudzająco na makrofagi i neutrofile, przyczyniają się także do wzmożenia fagocytozy. Granulocyty wykazują zwiększony metabolizm tlenowy, wytwarzają zwiększone ilości rodników tlenowych, przez co nasilają własności bójcze tych komórek. Nadmiar tych związków prowadzi z kolei do uszkodzenia tkanek, co jest istotą dysfunkcji wielonarządowej. Istotne jest tutaj toksyczne oddziaływanie na lipidy, które ulegają peroksydacji, co szczególnie się odbija na płynności błon komórkowych. Jest to proces typu lawinowego z powstawaniem toksycznych aldehydów oddziaływających daleko poza pierwotnym miejscem ich syntezy. Hipermetabolizm tlenowy jest zjawiskiem towarzyszącym posocznicy, przybierającym postać tzw. wybuchu tlenowego, warunkowanego aktywnością układu oksydazy NADPH+ z powstawaniem zredukowanej formy tlenu, w postaci anionorodnika ponadtlenkowego (O2). Pozwala to na powstawanie innych wysoko reaktywnych związków tlenu.
Dopełniacz
Układ dopełniacza w zakażeniach odgrywa niezwykle ważną rolę przez bezpośrednie niszczenie drobnoustrojów (liza). Z kolei – opsonizacja ułatwia fagocytozę. Poza tym skutkiem aktywacji tego układu jest uwalnianie prozapalnych czynników C3a, C4a i C5a (anafilotoksyny). O ile droga klasyczna uaktywnienia dopełniacza wymaga obecności przeciwciał, o tyle droga alternatywna – nie. Jest więc wczesną linią obrony uruchamianą przez liczne drobnoustroje lub produkty bakteryjne i aktywowanych komórek niezależnie od przeciwciał. Na układ dopełniacza mają wpływ zaburzenia krzepnięcia (patrz niżej: DIC). Kaskada krzepnięcia uruchamia alternatywną drogę aktywizacji dopełniacza (oddziaływanie na komponent C3) poprzez plazminę. Jest to wielofunkcyjna proteaza o własnościach litycznych wobec skrzepów fibrynowych. Ten rodzaj aktywacji może jednak prowadzić także do nasilania kaskady dopełniacza i wzmagania efektu prozapalnego. Anafilotoksyny mają różne oddziaływanie prozapalne, w tym na aktywację komórek tucznych i bazofilów z wyzwalaniem histaminy, aktywacją i nasilaniem chemotaksji granulocytów obojętnochłonnych. Dochodzi do skurczu mięśni gładkich, wzrostu przepuszczalności naczyń i miejscowego uszkodzenia śródbłonka. Prowadzi to do zaburzeń dystrybucji płynów w obwodowym łożysku naczyniowym z konsekwencjami hemodynamicznymi (zmniejszenia objętości powrotu żylnego, spadku ciśnienia tętniczego krwi) w postaci wstrząsu.
Rozsiane krzepnięcie śródnaczyniowe (DIC)
DIC (disseminated intravascular coagulation) jest zespołem rozsianej aktywacji układu krzepnięcia, powodującym powstawanie mnogich zakrzepów w mikrokrążeniu, a rzadziej – w większych naczyniach. Skutkuje to niedokrwiennym uszkodzeniem narządów i tkanek. Każdy drobnoustrój może wywołać to ciężkie zaburzenie krzepnięcia, jednakże najczęściej powodem są bakterie, i to zarówno Gram-ujemne, jak i Gram-dodatnie. W posocznicy wywołanej przez bakterie Gram-ujemne DIC występuje w 30–50% przypadków. Kaskadę krzepnięcia uruchamiają drobnoustrojowe komponenty błony komórkowej (endotoksyny i egzotoksyny) poprzez uruchomienie wytwarzania cytokin. Kluczową rolę odgrywa IL-6; natomiast TNF-α działa poprzez swój wpływ na IL-6.
Uogólnione wytwarzanie fibryny jest rezultatem zwiększonego wytwarzania trombiny, jednoczesnego zahamowania mechanizmów inhibitorów krzepnięcia oraz przedłużenia procesu usuwania fibryny na skutek zaburzenia fibrynolizy. Powstawanie trombiny jest generowane przez czynnik tkankowy o bliżej nieznanym pochodzeniu i aktywację czynnika VIIa. Zaburzenia procesu hamowania krzepnięcia polegają przede wszystkim na zmniejszeniu aktywności antytrombiny III, co spowodowane jest przez nie kontrolowane wykrzepianie, degradację przez elastazę uwalnianą z aktywowanych neutrofili oraz zaburzenia syntezy antytrombiny III. Także inne czynniki, jak białko C oraz inhibitor czynnika tkankowego wykazują niedobór. Procesy fibrynolityczne są niewydolne na skutek wzrostu stężenia aktywatora plazminogenu typu I; aktywność fibrynolityczna jest nieproporcjonalnie obniżona w stosunku do ilości odkładającej się fibryny. Fibrynopeptydy powstające w trakcie DIC zwiększają przepuszczalność naczyń, co stanowi niezwykle ważny fragment obrazu zmian hemodynamicznych w posocznicy. Czynnik XII (Hagemana) uaktywniony przez LPS wzbudza system kininowy, co prowadzi do wytwarzania bradykininy, czynnika potencjalnie wzoaktywnego. Bradykinina wywołuje wzrost przepuszczalności naczyń, skurcz mięśni gładkich i poszerzenie naczyń. Oddziałują niekorzystnie, hemodynamicznie poszerzając łożysko naczyniowe. Wzrasta przepuszczalność naczyń i chemotaksja leukocytów.
β-endorfiny (produkty przysadki mózgowej, w odpowiedzi na stres) uczestniczą w wywoływaniu niedociśnienia we wstrząsie septycznym poprzez oddziaływanie na funkcję mięśnia sercowego i rozszerzanie naczyń.
Niewydolność wielonarządowa
Proces rozwoju posocznicy jest dynamiczny: rozpoczyna się od zaburzeń naczyniowych (wzrost przepuszczalności naczyń, zmniejszenie obwodowego oporu naczyniowego, zmniejszenie utlenienia tkanek). W miarę pogłębiania się zaburzeń hemodynamicznych chronione są podstawowe funkcje ustrojowe, tj. czynność mózgu i serca poprzez faworyzowanie utlenowania tych narządów, co prowadzi do zubożenia w tlen innych obszarów tkankowych. Uszkodzenie tkanek staje się coraz bardziej rozległe i doprowadza do niewydolności wielonarządowej. Przyczyną jest niemożność zahamowania procesów zapalnych.
Na poziomie tkankowym niewydolność narządowa jest rezultatem niedotlenienia powodowanego ciężkimi zaburzeniami lokalnego mikrokrążenia; giną komórki. Ulegają dysfunkcji praktycznie wszystkie narządy.
Czynniki zależne od gospodarza
Istotne znaczenie ma pierwotny stan chorego i jego wydolność w opanowaniu zakażenia. Jeżeli u chorego występowały zaburzenia syntezy przeciwciał, jest on szczególnie podatny na zakażenia drobnoustrojami otoczkowymi (np. Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae). Pacjenci neutropeniczni są bardzo wrażliwi na zakażenia wywołane przez bakterie Gram-ujemne i grzyby, jak Aspergillus sp. i Candida sp. W zaburzeniach odporności wywołanych dysfunkcją lub niedoborem odporności zależnej od komórek T występują zakażenia drobnoustrojami pasożytującymi wewnątrzkomórkowo (Mycobacterium sp., wirusy).
Najważniejsze wnioski terapeutyczne wynikające z patogenezy
Najistotniejsze kierunki postępowania to:
- leczenie zakażenia;
- zapewnienie właściwej perfuzji krwi narządom;
- podtrzymywanie utlenienia tkanek i
- zapobieganie powikłaniom.
Pomijam tu problem antybiotykoterapii. Oczywiste jest także dążenie do usunięcia, jeżeli to możliwe, ogniska rozsiewu drobnoustrojów. Leczenie pacjenta w OIOM może mieć wpływ na szanse przeżycia; 70% versus 39% w jednym z doniesień. Nie jest zalecany ani dekstran, ani albuminy i immunoglobuliny. Nadmierne stosowanie wlewów dożylnych krystaloidów może grozić przewodnieniem i ARDS. Preparaty o działaniu intropowo-presyjnym są wskazane, jeżeli uzupełnianie płynów jest nieskuteczne. We wstrząsie podawanie tlenu i wentylacja mechaniczna są najczęściej niezbędne. W razie wystąpienia DIC-u stosuje się świeże mrożone osocze lub krioprecypitat w celu uzupełnienia niedoboru czynników krzepnięcia. Wymaga to jednak precyzyjnej oceny rzeczywistych potrzeb chorego, a nie – rutynowego stosowania. Podawanie heparyny jest kontrowersyjne. Inhibitory trombiny niezależne od antytrombiny-III (desirudin) nie zostały ostatecznie ocenione. Leczenie antyfibrynolityczne nie jest rekomendowane.
Obecnie są prowadzone badania nad nowymi metodami leczenia posocznicy. Jest to rozwijająca się dziedzina, obejmująca wiele możliwości, z których część jest w trakcie realizacji, najczęściej dość odległej od praktycznego zastosowania.
Dotyczy to następujących bloków tematycznych:
- czynniki neutralizujące endotoksynę (np. przeciwciała monoklonalne, w tym przeciwciała monoklonalne, blokowanie receptorów komórkowych dla LPS [np. lipid A]);
- czynniki neutralizujące mediatory reakcji zapalnej (np. przeciwciało anty-TNF-α, rekombinowany inhibitor tej cytokiny), czynniki neutralizujące aktywność IL-1, IL-10.
Podkreśla się, że ze względu na skomplikowane zależności w sieci cytokinowej niezbędne jest indywidualne analizowanie pacjenta w celu określenia jego statusu pod tym względem i ewentualnego stosowania odpowiednich inhibitorów lub aktywatorów. Wysoka nadal śmiertelność w posocznicy pozostaje wyzwaniem dla specjalistów różnych dziedzin. Jest to choroba interdyscyplinarna.
Prof. dr hab. med. Jacek Juszczyk, kierownik Kliniki Chorób Zakaźnych Instytutu Mikrobiologii i Chorób Zakaźnych AM w Poznaniu