Raphael Romano Bruno

• Die Volumentherapie durch Infusionslösungen spielt eine herausragende Rolle im klinischen Alltag von Intensivmedizin, perioperativer Medizin und Notfallmedizin. Für diesen Zweck stehen verschiedene kristalloide und kolloidale Infusionslösungen zur Verfügung. Das in Deutschland am häufigsten eingesetzte Kolloid ist die Hydroxyethylstärke (HES). Dessen Stellenwert ist stark umstritten. Insbesondere die Wirkung von Hydroxyethylstärke auf die für den kritisch Kranken eine zentrale Rolle spielende Niere gilt als zentrales Problem. Die vorliegendeDie Volumentherapie durch Infusionslösungen spielt eine herausragende Rolle im klinischen Alltag von Intensivmedizin, perioperativer Medizin und Notfallmedizin. Für diesen Zweck stehen verschiedene kristalloide und kolloidale Infusionslösungen zur Verfügung. Das in Deutschland am häufigsten eingesetzte Kolloid ist die Hydroxyethylstärke (HES). Dessen Stellenwert ist stark umstritten. Insbesondere die Wirkung von Hydroxyethylstärke auf die für den kritisch Kranken eine zentrale Rolle spielende Niere gilt als zentrales Problem. Die vorliegende Arbeit untersuchte aufbauend auf die in vivo-Versuche von Schick et al. die Auswirkungen klinisch relevanter Dosierungen von Hydroxyethylstärke und anderen Infusionslösungen (Gelatine, Humanalbumin, 0,9% NaCl, Sterofundin® ISO) auf die Viabilität von immortalisierten humanen proximalen Tubulusepithelzellen (HK-2). Im Anschluss wurde die Relevanz des pH - Wertes, der Osmolalität, der Trägerlösung, des Molekülursprungs, der Molekülgröße, der HES - Generation und der Inkubationsdauer auf die von HES ausgelösten Effekte geprüft. Danach wurde gezeigt, ob der beobachtete Effekt reversibel war, ob es sich um ein direkt zytotoxisches Phänomen handelte, ob die HES _ Wirkung durch proinflammatorische Stimuli verstärkt und ob HES selbst eine Inflammation auf mRNA - Ebene induzieren konnte. HES bewirkte keine proinflammatorische Stimulation der Zellen und wird durch die Anwesenheit proinflammatorischer Stimuli in seiner schädigenden Wirkung nicht verstärkt. Die mitochondriale Leistungsfähigkeit als Schlüsselaspekt des kritisch Kranken wurde durch den EZ4U („Viabilität“) bestimmt. Ein Messartefakt konnte nicht identifiziert werden. HES reduziert mit steigender Dosis die Viabilität der HK - 2 Zellen in deutlichem Ausmaß, obwohl die Zellen immortalisiert und nicht vorgeschädigt waren. Diese Reduktion erfolgte durch alle untersuchten HES - Präparate. Dabei war niedermolekulares HES leicht weniger schädlich als hochmolekulares HES. Der HES - Effekt war unmittelbar nach Beginn der Inkubation nachweisbar. Der Viabilitätsreduktion stand eine verzögert einsetzende Zytoxoxizität gegenüber. Der HES - Effekt war auch nach einer „Regenerationsphase“ der Zellen nachweisbar und somit in vitro nur partiell reversibel. Gelatine erwies sich im Vergleich als ebenso bis schlechter verträglich. Gelatine war deutlich zytotoxischer. Humanalbumin zeigte in niedrigen Dosierungen protektive, in hohen Dosierungen ebenfalls negative Einfluss auf Zellviabilität und war in höheren Dosierungen zytotoxisch. Die balancierte Vollelektrolytlösung Sterofundin® ISO war größtenteils inert, in seiner Wirkung auf die mRNA im Vergleich zur 0,9% NaCl Kontrolllösung protektiv. Zusammenfassend konnte eine Übergelegenheit des HES der „3. Generation“ gegenüber anderen HES - Präparaten nicht gefunden werden. Alles deutete darauf hin, dass ausschließlich die applizierte Gesamtmasse von HES ausschlaggebend ist. Synthetische Kolloide sind in vitro nephrotoxisch und beeinträchtigen die mitochondriale Funktionsf ähigkeit deutlich. Diese Beobachtungen entsprechen denen großer klinischer Studien. Die Ursache dieses Phänomens bleibt unklar. Weitere Grundlagenforschung ist notwendig, um den zugrundeliegenden Pathomechanimus aufzuklären.…
• Background: Renal failure is a common complication of critically ill patients. Volume therapy is a standard procedure in daily perioperative care. There is an ongoing discussion about the benefits of colloid resuscitation with hydroxyethylstarch (HES), gelatin, or albumin. Furthermore reports about the nephrotoxic side effects of synthetic colloids in septic patients are increasing. Therefore, we investigated the influence of colloids (various HES-preparations, gelatin (Gelafundin®), human albumin, and the crystalloid Sterofundin® ISO on cellBackground: Renal failure is a common complication of critically ill patients. Volume therapy is a standard procedure in daily perioperative care. There is an ongoing discussion about the benefits of colloid resuscitation with hydroxyethylstarch (HES), gelatin, or albumin. Furthermore reports about the nephrotoxic side effects of synthetic colloids in septic patients are increasing. Therefore, we investigated the influence of colloids (various HES-preparations, gelatin (Gelafundin®), human albumin, and the crystalloid Sterofundin® ISO on cell viability of human proximal tubular (HK-2) cells. To validate that the HES molecule itself is harmful, regardless of its molecule size or origin, we conducted a comprehensive study to elucidate the influence of different HES preparations on human proximal tubular cells (PTC) viability in vitro. Methods: HK-2 cells were incubated with colloids (0.1%–4.35%) or with equivalent volumes of the crystalloid solution Sterofundin® ISO. The pH values of all applied solutions were adjusted to 7.4 (± 0.5). After 0, 2, 4 and 21 hours, cell viability of HK-2 cells was measured by EZ4U assay (dye XTT). Cell viability of human PTC was measured with a cytotoxicity assay, quantifying the reduction of tetrazolium salt to colored formazan. To investigate uptake of HES 130/0.4 into HK-2 cells, we labeled HES130/0.4 with fluorescent 8-aminopyrene-1, 3, 6 – trisulfonic acid (APTS). Furthermore HK-2 cells were cultured +/- lipopolysaccharid (LPS) and tumor necrosis factor-α (TNF-α), each with and without 1.5 % HES. Further experiments were performed by assessing the influence of different carrier solutions of HES (balanced, non-balanced or cell culture medium), different average molecular weights (70, 130, 200 kDa), different origins (potato or corn derived), and various durations of incubation (0–21 hours). In addition, HES 130/0.4 was fractionated by ultrafiltration. The impact on cell viability of average single-size fractions with <3, 3 to 10, 10 to 30, 30 to 50, 50 to 100, and >100 kDa was investigated. We also tested the possible synergistic effects of inflammation induced by tumor necrosis factor-α and LPS. Cell viability was measured with XTT- (EZ4U), cell toxicity after 4 and 21 hours with LDH-test. Quantitative polymerase chain reactions were run with fluorescein amidite– labeled TaqMan® probes to detect ICAM-1 and CCL-2. For statistical analysis a 2-sided t test with the same variances was used; P values ≤ 0.05 and 0.001 were classified as statistically significant. Results: Osmolarity as well as pH values of the solutions were in the physiological range, remained stable during the experiments, and showed no differences in comparison with the 0% control groups. HK-2 cells incubated with 4.35% APTS-HES for 21 hours showed both vesicular-like uptake of fluorescence but also bigger agglomerates of APTS-HES situated in gaps of red-stained DNA. In vitro neither LPS nor TNF-α did worsen the HES-induced reduction of cell viability in PTC cells. We hypothesized that HK-2 cells could be insensitive to TNF-α due to their immortalization, although HK-2 cells are commonly used for inflammatory investigations. Therefore, we measured the effect of TNF-α on CCL-2 and ICAM-1 mRNA expression and discovered a significantly increased level of both. Furthermore, there was no significant increase of CCL-2 or ICAM-1 mRNA expression after HES treatment, while gelatin shows proinflammatory and human albumin anti-inflammatory effects. Application of HES 130/0.4 alone decreased cell viability significantly in a concentration-dependent manner (86.80±10.79% by 0.5% HES down to 24.02±4.27% by 4% HES). Human albumin (>1.25%) as well as gelatin (>1%) also showed deleterious effects on HK-2 cells. Interestingly, in lower concentrations, human albumin and the crystalloid solution Sterofundin® ISO were cytoprotective in comparison with control. In conclusion, synthetic and natural colloids showed a harmful impact on HK-2 cells in higher concentrations without any prior proinflammatory stimulus. HES130/0.4 exhibited the most distinctive harmful impact, whereas the application of crystalloid Sterofundin® ISO revealed cytoprotective effects. All tested HES solutions, regardless of origin or carrier matrix, decreased cell viability in an equivalent, dose-dependent manner. Additional incubation with TNF - α did not worsen HES-induced reduction of cell viability. Minor differences were detected comparing 70, 130, and 200 kDa preparations. Analysis of fractionated HES revealed that each fraction decreased cell viability. Even small HES molecules (10–30 kDa) were significantly deleterious. Conclusion: We demonstrated that HES accumulated in renal proximal tubule cells (PTCs). Synthetic and natural colloids caused harmful side effects, whereas human albumin exhibited a cytoprotective effect at low concentrations. The crystalloid solution showed for the most part a cytoprotective pattern on the human PTCs in vitro. For the first time, we demonstrated in vitro that only the pure mass of HES molecules might be responsible for impairment of human PTC. Neither the carrier solution (balanced, sodium chloride based, or cell medium), the origin (potato or corn derived), the molecule size nor inflammation influenced the reduction of PTC viability. Our data show that HES itself has a negative impact on renal PTC, which should be considered when HES is used clinically. The related pathomechanism has not been discovered yet.…