Complement and toll-like receptors determine ischemia/reperfusion injury - universal mechanism and benefit of double inhibition

Skaden som oppstår i følge av iskemi (stopp i blodtilførsel) og reperfusjon (gjenopprettelse av blodtilstrømning) er en nøkkel utfordring i behandling av potensiell livstruende tilstander som hjerteinfarkt, hjertestans, traume og organ transplantasjon. Betennelsesreaksjon er den avgjørende faktoren i utvikling av iskemi/reperfusjonsskaden. Spesielt viktig er aktivering av det medfødte immunsystemet som er første linje forsvar til kroppen mot ytre (bakterier mm.) og indre trusler (skadete celler). Sentralt i det medfødte immunsystemet er komplementsystemet og toll-like reseptorer som CD14. I dette prosjektet har vi undersøkt et nytt, banebrytende konsept for terapi av iskemi/reperfusjonsskade som er dobbel hemning av sentrale molekyler fra komplementsystemet (C5) og toll-like reseptor aktivering via CD14. To studier i dette prosjektet har oppdaget og bekreftet viktigheten av det medfødte immunsystemet for langtids utkomme i pasienter med iskemi/reperfusjonsskade. Første studie undersøkte betydning av komplementaktivering etter iskemi/reperfusjonsskade til hele kroppen etter hjertestans og fant at grad av aktivering av C5 er forbundet med død og nedsatt funksjonsevne 6 måneder etter hjertestans når tid brukt til gjennoppliving har vært mindre enn 25 minutter (artikkel og blogginnlegg publisert). Denne studien har allerede ført til bred vitenskapelig diskusjon på dette feltet og planlegging av en klinisk studie med komplementhemming er under evaluering. Andre studie undersøkte aktivering av det medfødte immunsystemet etter lokalisert iskemi/reperfusjonsskade i pasienter utsatt for isolert lettgradig hjerneskade (hjernerystelse). Vi fant at det medfødte immunsystemet målt i blodprøver er aktivert i en periode over 12 måneder etter skaden sammenliknet med friske frivillige. At immunsystemet var aktivert så lenge etter en egentlig lett skade er nytt og banebrytende siden dette kan forklare senskader og åpner for nye behandlingsstrategier (artikkel publisert). For å beskrive mekanismen bak aktivering av det medfødte immunsystemet som følge av iskemi/reperfusjonsskade har vi etablert en avansert cellemodell med celler fra innersiden av karvegger hvor oksygenfattige (hypoksiske) celler blir reoxygenert med humant blod. I denne modellen har vi funnet (i) at steril inflammasjon oppstår og (ii) at denne inflammasjonen er mulig å hemme med kombinert komplement- og CD14-hemning. Modellen har blitt presentert som posterpresentasjon på en internasjonal kongress og manuskript ferdigstilles nå. Endelig har vi undersøkt effekten av komplement hemning i en klinisk orientert nyretransplantasjonsmodell i gris: Nyrer ble oppbevart uten blodsirkulasjon i 20 timer før blodtilførsel ble gjenopprettet med oksygenrikt blod i en maskin som brukes i klinisk transplantasjon. Komplement hemning førte til fravær av komplementaktivering og reduksjon i inflammasjon. Dessverre førte COVID-19 pandemi til forsinkelser i dette prosjektet, slik at dobbelthemning av komplement og CD14 ikke kunne blitt undersøkt i prosjektperioden, men dette planlegges til et senere tidspunkt. Effekt av dobbelthemning vil kunne føre til enda mindre betennelse i nyrevev og blod og bedre urinproduksjon og -kvalitet i forhold til komplement hemning alene. COVID-19 nedstenging mars-may 2020 har påvirket prosjektet betydelig, siden det ikke vær mulig å gjennomføre ikke-COVID-19 relatert arbeid i laboratoriet og enda lengre med dyreforsøk. Ansatte i dette prosjektet har allikevel kunne bruke denne tiden for å gjennomføre COVID-19 relatert forskning i perioden hvor arbeidet i prosjektet ikke var mulig: vi har analysert betydning av komplementsystemet i COVID-19 pasienter som ble innlagt på sykehuset og denne publikasjonen har blitt veiledende for COVID-19 relatert terapeutisk forskning og har blitt sitert svært mye. Forskningsgruppen i dette prosjektet har bestått av høyt etablerte nasjonale og internasjonale forskere og vi akter å fortsette med en klinisk studie i lever- og nyretransplantasjons pasienter etter prosjektet. PhD stipendiat er i skrivefase for å ferdigstille artikler og PhD arbeidet nå. PostDoc har gjennomført prosjektene og har begynt i en jobb i industrien hvor kompetansen som ble oppnådd innen dette prosjektet var ettertraktet. Prosjektleder har fått finansiell støtte fra andre organisasjoner enn Norges Forskningsråd i løpet av prosjektperioden, slik at arbeidet med dette temakomplekset vil fortsette. Selskaper som produserer komplementhemmere har blitt kontaktet og vi vil fortsette med planlegging av kliniske studier på pasienter med hjertestans og organtransplantasjoner. Utfyllende informasjon finnes også på gruppens nyetablerte nettside ncrg.no.

Prosjektleder har etablert egen forskningsgruppe, fått tildeling av forskningsmidler fra Universitet i Oslo og Helse Sør-Øst og har startet opp internasjonalt samarbeid med Universitet i Aarhus (Prof. Bente Jespersen) og Universitet i Groningen, Nederlande (Prof. Henri Leuvenink). PhD stipendiat og PostDoc har gjennomført prosjektene sine etter planen. Videre forskning vil fokusere på behandling av transplanterbare organer før transplantasjon for å rekonstituere og forbedre organer. Hovedmål er å utvide antall transplanterbare organer, noe som vil være nyttig for samfunnet. Vi akter til å søke EU forskningsmidler for felles prosjekter. Komplementhemning har blitt vist til å være av stor betydning for inflammasjon og generelt pasientutkomme. Dette har allerede blitt lagt merke til internasjonalt og betydning av inflammasjon utløst av iskemi/reperfusjon og en klinisk studie i hjertestanspasienter med intervensjon i komplementsystemet anses som neste steg etter dette prosjektet.

Ischemia and reperfusion injury is a key challenge of potentially life-threatening conditions like heart infarction, circulatory arrest, trauma, vascular diseases, and organ transplantation. Inflammation is a decisive part of the pathophysiology of ischemia/reperfusion injury, in particular, activation of the innate immune system with the complement system and the Toll-like receptor molecules such as CD14. We hypothesize that: Double inhibition of key molecules of the complement system (C3/C5) and Toll-like receptor activation via CD14 is a novel, ground-breaking concept of therapy for ischemia and reperfusion injury, being directly correlated to decreased activation of the complement system and TLRs. The present proposal represents translational research with patient studies as well as animal and cell culture studies. Complement activation, cytokines release, etc. will be correlated with acute and long term complications in patients with ischemia/reperfusion injury either to the whole body after cardiac arrest (n=259) or localized after mild to moderate head injury (n=209). The effect of double inhibition in acute sterile inflammation will be evaluated in endothelial cell cultures and in an ex vivo porcine model of renal ischemia/reperfusion injury. Hypoxic endothelial cells will be reoxygenated with whole human blood. Harvested pig kidneys will be preserved for 19 hours and reperfused with oxygenated whole blood. The multidisciplinary research group includes top national and international experts. All equipment, assays, and techniques are established and available for our world-leading laboratory on inflammation studies. Dual blockade of inflammation targeting key complement and Toll-like receptor molecules can act as a novel and highly improved therapeutic approach for conditions involving ischemia and reperfusion. Due to the very large number of patients suffering from these diseases, the benefit for the individual patient and for society will be substantial.