University of Oulu

Tissue repair and metabolic dysfunction in sepsis

Saved in:
Author: Jaurila, Henna1,2,3,4,5
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
3Medical Research Center Oulu
4Oulu University Hospital
5University of Eastern Finland
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526228617
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-03-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic Dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium 1 of Oulu University Hospital (Kajaanintie 50), on 19 March 2021, at 12 noon
Tutor: Docent Vesa Koivukangas
Professor Tuula Salo
Professor Tero Ala-Kokko
Reviewer: Docent Katri Vuopala
Docent Jyrki Kössi
Opponent: Docent Pirkka Vikatmaa
Description:

Abstract

The skin is the largest organ of the body. Sepsis is a life-threatening organ dysfunction caused by a dysregulated host response to infection. The protective function of the skin is compromised in sepsis, and septic patients are prone to problems in tissue repair, which causes increased morbidity. However, there are only a few human studies exploring wound healing in sepsis.

In this study we observed skin wound healing and the molecular mechanisms behind it in 44 septic patients and 14 healthy controls. From sepsis and healthy sera, metabolites were analyzed with proton nuclear magnetic spectroscopy, and cytokines using multiplex assay. The effect of sepsis and healthy sera was tested in vitro on keratinocyte proliferation, migration and viability. Suction blister wounds were induced on 15 patients and 10 controls and biopsied for immunohistochemical analyses.

Serum levels of glucose, glycine, 3-hydroxybutyrate, creatinine and glycoprotein acetyls were significantly higher in sepsis patients compared to healthy controls, whereas levels of histidine and citrate were significantly lower in sepsis. Keratinocyte viability, proliferation and migration were reduced in sepsis in vitro. Sepsis sera supplemented with epithelial growth factor (EGF) or tumor necrosis factor alpha (TNF-α) improved and EGF receptor inhibition reduced keratinocyte migration in healthy and septic wounds. Extracellular vesicles added to healthy or sepsis serum media inhibited keratinocyte migration. Higher serum concentrations of TNF-α and vascular endothelial growth factor (VEGF) and lower levels of EGF were detected in sepsis sera compared to healthy sera. In skin immunohistochemistry samples, the levels of EGF, VEGF and transforming growth factor beta as well as syndecan-1 were increased in septic patients compared to healthy controls. Extracellular matrix (ECM) components tenascin-C and laminin-332 had lower expression in septic skin compared to healthy skin.

The results of this study support the clinical findings concerning impaired wound healing in sepsis and provide new information about the underlying mechanisms: hypermetabolism, catabolism and organ dysfunction as well as altered cell signaling and interplay of cytokines and ECM. Understanding the cell level details of wound healing and skin homeostasis in sepsis provides opportunities to improve surgical treatments and their timing.

see all

Tiivistelmä

Elimistön väärin mitoitettu vaste tulehdukseen vaurioittaa sen omia kudoksia sepsiksessä. Iho on ihmisen suurin elin ja suoja ulkoisia haittatekijöitä vastaan. Kudosparanemisesta sepsiksessä on vain vähän tietoa. Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää ihohaavan paranemista ja taustalla vaikuttavia molekyylitason mekanismeja sepsiksessä.

Tutkimusta varten otettiin verinäytteet 44 sepsispotilaalta ja 14 terveeltä verrokilta. Lisäksi 15 potilaalle ja 10 terveelle verrokille tehtiin imurakkulahaavat iholle, ja yksi paraneva haava poistettiin kudosnäytteeksi. Aineenvaihduntatuotteiden määrää veressä tutkittiin ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla. Haavan paranemista sepsiksessä tutkittiin mittaamalla keratinosyyttien elinkykyisyyttä, lisääntymistä ja liikkumista soluviljelymenetelmin. Lisäksi mitattiin veren kasvutekijäpitoisuuksia. Imurakkulahaavanäytteille tehtiin immunohistokemialliset tutkimukset.

Veren glukoosin, glysiinin, 3-hydroksibutyraatin, kreatiniinin ja glykoproteiiniasetyylien pitoisuudet olivat sepsispotilailla korkeammat ja sitraatin ja histidiinin pitoisuudet matalammat terveisiin verrattuna. Keratinosyyttien elinvoimaisuus, liikkuminen ja lisääntyminen keinotekoisessa haavassa olivat alentuneet sepsiksessä terveisiin verrokkeihin verrattuna. Solunulkoiset vesikkelit estivät ja epiteliaalisen kasvutekijän (EGF) tai tuumorinekroositekijä alfan (TNF-α) lisäys haavoille paransi keratinosyyttien liikkumista. Veren TNF-α:n ja verisuonikasvutekijän (VEGF) pitoisuudet olivat sepsiksessä korkeammat, kun taas EGF:n pitoisuus oli matalampi. Paranevan ihohaavan solunulkoisen väliaineen komponenttien tenaskiini-C:n sekä laminiini-332:n määrä oli sepsiksessä vähäisempi ja solun pintareseptori syndekaani-1:n, transformoivan kasvutekijä beetan (TGF-β), VEGF:n ja EGF:n määrä puolestaan korkeampi.

Tässä tutkimuksessa saadut tulokset tukevat aiempia kliinisiä havaintoja heikentyneestä haavan paranemisesta sepsiksessä sekä antavat lisätietoa taustalla vaikuttavista mekanismeista: hypermetabolia, proteiinikatabolia, elinvauriot, muutokset solujen välisessä viestinnässä sekä kasvutekijöiden ja solunulkoisen väliaineen vuorovaikutuksessa. Kudosparanemista olisi mahdollista tehostaa vaikuttamalla näihin solutason rakenteisiin ja prosesseihin. Tämä edesauttaisi sepsispotilaiden hoitoa ja ennustetta sekä vähentäisi yhteiskunnalle aiheutuvia kustannuksia.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Jaurila, H., Koivukangas, V., Koskela, M., Gäddnäs, F., Myllymaa, S., Kullaa, A., Salo, T., & Ala-Kokko, T. I. (2020). ¹H NMR Based Metabolomics in Human Sepsis and Healthy Serum. Metabolites, 10(2), 70. https://doi.org/10.3390/metabo10020070

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Jaurila, H., Koivukangas, V., Koskela, M., Gäddnäs, F., Salo, S., Korvala, J., Risteli, M., Karhu, T., Herzig, K.-H., Salo, T., & Ala-Kokko, T. I. (2017). Inhibitory effects of serum from sepsis patients on epithelial cell migration in vitro: a case control study. Journal of Translational Medicine, 15(1). https://doi.org/10.1186/s12967-016-1110-7

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Jaurila, H., Koskela, M., Koivukangas, V., Gäddnäs, F., Salo, T., & Ala-Kokko, T. I. (2021). Growth factor expression is enhanced, and extracellular matrix proteins are depressed in healing wounds in septic patients compared with healthy controls. Manuscript submitted for publication.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-2861-7
ISBN Print: 978-952-62-2860-0
Issue: 1604
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 3126 Surgery, anesthesiology, intensive care, radiology
Subjects:
ECM
iho