Blockade of three Toll-like receptors or single immune checkpoint molecules to inhibit the hyper- and hypoinflammation in sepsis patients' whole blood within 24 hours after first sepsis diagnosis

Die Sepsis ist eine komplexe Erkrankung in Reaktion des Wirtskörpers auf eindringende Pathogene, bestehend aus mehreren, zum Teil gegenläufigen Komponenten von Hyper- und Hypoinflammation. Erkenntnisse zum genauen Ablauf der Sepsispathologie basieren oft auf tierexperimentellen oder in vitro Modellen, was die Translation vielversprechender Sepsistherapien erschwert. Das in dieser Studie etablierte Experimentalsystem basierend auf Vollblut von Sepsispatienten entnommen während der ersten 24 Stunden nach Diagnosestellung ermöglichte die Modellierung wesentlicher Aspekte der menschlichen Sepsis und präklinische Testung verschiedener Therapieansätze in einem patientennahen Modell. Die Hauptergebnisse sind: 1. Vollblut von Sepsispatienten setzt die in corpore begonnene Immunreaktion unter physiologischen Bedingungen (37°C, wasserdampfgesättigte Atmosphäre, 5% CO2) ex vivo für circa einen Tag fort. Dies wird durch Mikroben oder zumindest deren Produkte (Pathogenassoziierte molekulare Muster; PAMPs) sowie körpereigene Immunstimulanzien (Gefahrassoziierte molekulare Muster) unterhalten und bedarf keiner extrinsischen Stimulation. 2. Durch eine kombinierte Inhibition von Toll-like Rezeptor (TLR) 2, -4, sowie endosomaler TLR wird diese fortlaufende Immunreaktion blockiert. Die verwendeten Substanzen sind für die Anwendung im Menschen etabliert. 3. Die Reaktion des Vollbluts von Sepsispatienten auf extrinsische PAMPs ist im Vergleich zum Vollblut gesunder Probanden deutlich reduziert. Dies repräsentiert das Vorliegen einer frühzeitigen Hypoinflammation innerhalb der ersten 24 Stunden nach Diagnosestellung der Sepsis. 4. Eine Gabe von Immuncheckpoint-Inhibitoren in Vollblutkultur von Sepsispatienten verstärkt die autonome Immunaktivität von 32% der untersuchten Patientenproben.
In sepsis a dysregulated immune reaction consisting of both hyper- and hypoinflammation towards invading pathogens or products thereof damages the host. Current knowledge on pathophysiology, course, and timing is mainly based on animal and in vitro experiments complicating translation of promising findings towards a clinical setting. The experimental system established in this study, which is based on patient blood drawn within 24 hours of first sepsis diagnosis, allowed to model core aspects of sepsis and to preclinically test potential therapies while staying close to the clinic. Main results are: 1. Patients‘ whole blood continues the immune reaction started in corpore for about one day when incubated ex vivo under physiological conditions (37°C, 100% humidity, 5% CO2). This immune activity is maintained by continued contact to microbes, products thereof (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) and to host immune stimulants (danger associated molecular patterns, DAMPs); no extrinsic immune stimulation is necessary. 2. This continued immune reaction is inhibited by a combined blockade of Toll-like receptor (TLR) 2, 4 and endosomal TLRs. The blocking substances used in this study are established for use in humans. 3. The immune reaction of sepsis patients‘ whole blood towards extrinsic PAMPs is markedly reduced in comparison to whole blood samples from healthy volunteers. This represents an early septic hypoinflammation present within 24 hours of first sepsis diagnosis. 4. Blockade of immune checkpoints increased the autonomous immune activity of 32% of the analyzed sepsis patients’ samples.