title: The effects of augmentation therapy on systemic and pulmonary inflammationmarkers in patients with alpha-1 antitrypsin deficiency
title: Die Effekte der Augmentationstherapie auf systemische sowie pulmonale Inflammationsmarker beim hereditären alpha1-Antitrypsinmangel
Creators: name: Schmid, Severin Thomas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Inflammatory parameters
Exhaled breath condensate
Inflammationsmarker
Augmentation therapy
Atemwegskondensat
Alpha1-antitrypsin
COPD
Medizin, Gesundheit

description: Background. Alpha1-antitrypsin,
      also referred to as alpha1-proteinase inhibitor or SERPINA1,
      is an acute phase protein and one of the most abundant serine
      protease inhibitors in human plasma. Severe ZZ α1-antitrypsin
      deficiency (AATD) is one of the proven genetic risk factors
      which is associated with a predisposition to develop early
      onset, rapidly progressive COPD where emphysema is a major
      component. The only specific treatment for AATD consists in
      the substitution of usually weekly infusion of 3-5 g
      alpha1-antitrypsin (AAT) (60mg/kg body weight). The major
      concept behind augmentation therapy with human AAT is to
      raise the levels of AAT and to protect tissues from
      destruction by proteases. Whilst biochemical efficacy is
      generally considered proven, clinical efficacy of AAT
      augmentation therapy is still debated. Objective. To evaluate
      effects of Prolastin™ therapy on systemic as well as local
      cytokine/chemokine levels in PiZZ AAT deficiency-related
      emphysema patients in vivo as well as in vitro. By doing so
      the objective was to evaluate potential anti-inflammatory
      effects as well as functions of AAT that are carried out
      besides its role in the balance of proteases and
      antiproteases. Furthermore the objective was to evaluate the
      effects of substitution therapy on AAT polymers which are of
      great relevance in the current discussion of the pathogenesis
      of AAT related disease and their potentially associated
      pro-inflammatory effects. Materials and methods. We included
      24 patients with proven PiZZ genotype. Serum and exhaled
      breath condensate (EBC) samples from patients without (n=12)
      and with (n=12) weekly augmentation therapy were collected
      before, two hours after and on day three after AAT infusion.
      Concentrations of total and polymeric AAT,
      cytokines/chemokines and C-reactive protein were determined.
      Blood neutrophils isolated from 12 PiZZ homozygotic donors
      and primary epithelial cells were exposed to Prolastin™ or to
      its monomeric and polymeric fractions and
      cytokines/chemokines where measured in cell supernatants.
      Results. AAT serum levels significantly rise directly after
      augmentation therapy and drop on day 3 but remain
      significantly higher than before augmentation and are always
      higher than in non-augmented patients. In augmented patients
      serum AAT-polymer concentrations significantly rise after
      substitution and drop to baseline levels on day three. Within
      a week after augmentation therapy, significant fluctuations
      in serum levels of especially of IL-8 and MCP-1 but also of
      IL-6, TNFα and VEGF were observed. When compared to augmented
      patients, non-augmented patients had higher IL-8 and lower
      MCP-1 levels, and increased CRP levels in EBC. When added for
      3 h to PiZZ neutrophils, 1 mg/ml Prolastin™ and its high
      molecular fraction significantly reduced, whereas monomers
      enhanced IL-8 release relative to controls. When stimulating
      primary epithelial cells with Prolastin™ and its fractions,
      no significant differences in the secretion of IL-6, IL-8 and
      MCP-1 where observed. Conclusion. Besides its role in the
      balance of proteases and antiproteases AAT seems to have an
      important function the regulation of inflammation. Its strong
      effects on IL-8 and MCP-1 suggest a function in the
      recruitment of neutrophil granulocytes and monocytes.
      Comparing augmented to non-augmented patients, CRP levels in
      EBC as well as IL-8 peak concentrations are much higher in
      the non-augmented subgroup which provides further evidence
      for the overall anti-inflammatory effect of AAT substitution.
      After substitution serum AAT-polymers rise remarkably.
      Induction of IL-8 secretion by AAT seems to be one of its
      pro-inflammatory properties. These are not carried out in the
      same way by polymers and Prolastin™ as they are by monomeric
      AAT when stimulating neutrophil granulocytes in vitro. A
      toxic effect of non-modified AAT polymers on human primary
      bronchial epithelial cells could not be shown in this
      study.
description: Hintergrund: α1-Antitrypsin (AAT),
      auch als α1-Proteinase-Inhibitor oder SERPINA1 bezeichnet,
      ist ein im menschlichen Blutplasma vorkommendes Protein,
      welches eine wichtige Funktion im Proteasen-Antiproteasen
      Verhältnis erfüllt. Bei entsprechender genetischer
      Voraussetzung kommt es zu verminderter AAT Sekretion der
      Leber und damit zu einem Mangel an AAT im Plasma. Der
      AAT-Mangel (AATM) prädisponiert zu einer früh einsetzenden
      und schnell voranschreitenden chronisch obstruktiven
      Lungenerkrankung (COPD) mit Lungenemphysem und entzündlichen
      Lebererkrankungen. Die einzige spezifische Therapie für den
      AATM stellt die Substitution mit humanem AAT dar. Der Nutzen
      der Substitutionstherapie ist mangels eindeutigen Nachweises
      der Wirksamkeit in prospektiv randomisierten Studien
      weiterhin Gegenstand der Diskussion. Sowohl die
      immunmodulatorische Funktion des AAT wie auch die Rolle der
      bei an AATM erkrankten Patienten vermehrt auftretenden
      AAT-Polymere sind bisher nur unzureichend verstanden. Ziel:
      Ziel dieser Arbeit war es systemische sowie lokale
      Inflammationsmarker bei Patienten mit hereditärem AATM in
      vivo als auch in vitro zu evaluieren und deren Reaktion auf
      die Substitution mit AAT zu untersuchen. Hierdurch sollten
      die antiinflammatorischen sowie die immunologischen Effekte
      des AAT untersucht werden. Zudem sollte der Einfluss der
      Substitutionstherapie mit der kommerziell erhältlichen Form
      Prolastin™ auf die Bildung von AAT-Polymeren erfasst und
      deren potentiell proinflammatorische Effekte in vitro
      evaluiert werden. Methoden: Es wurden 24 AATM Patienten mit
      nachgewiesenem PiZZ Genotyp in die Studie eingeschlossen. 12
      Patienten erhielten eine wöchentliche Substitutionstherapie
      mit humanem AAT und 12 erhielten keine Substitution mit AAT.
      Serum und EBC Proben wurden vor Substitution, 2 Stunden
      danach und an Tag 3 nach Substitution mit AAT bei den
      augmentierten Patienten gewonnen. Es erfolgte die Bestimmung
      des totalen sowie polymeren AAT im Serum und der
      Zytokine/Chemokine und des C-reaktiven Proteins (CRP) im
      Serum und Atemwegskondensat (Exhaled Breath Condensate, EBC).
      Für die in vitro Versuche wurden neutrophile Granulozyten von
      12 PiZZ homozygoten Spendern sowie primäre humane
      Bronchialepithelzellen mit den verschiedenen AAT-Fraktionen
      stimuliert und die Zytokine/Chemokine bestimmt. Ergebnisse:
      Die gemessenen AAT Spiegel sind nach Substitution von AAT
      signifikant höher als vor Substitution. Die AAT
      Konzentrationen fallen an Tag 3 nach Substitution, bleiben
      jedoch signifikant höher als vor Substitution. Nicht
      substituierte Patienten haben signifikant niedrigere AAT
      Spiegel als substituierte Patienten. Bei substituierten
      Patienten sind die Polymerkonzentrationen nach Substitution
      signifikant höher. IL-8 und MCP-1, aber auch IL-6, TNF und
      VEGF zeigen im Serum nach Substitution signifikante
      Schwankungen. Bei nicht augmentierten Patienten werden höhere
      IL-8 und niedrigere MCP-1 Werte beobachtet. Im EBC werden
      signifikant höhere CRP Konzentrationen bei den nicht
      substituierten Patienten gemessen. Im Zellversuch zeigt sich
      nach Stimulation mit Prolastin™ und Polymeren eine
      signifikant niedrigere IL-8 Sekretion der NG im Vergleich zu
      Monomeren. Die gemessenen IL-8 Konzentrationen nach
      Stimulation mit Monomer sind signifikant höher als die der
      Kontrolle. Bei der Stimulation der primären humanen
      Bronchialepithelzellen zeigen die verschiedenen Fraktionen
      des AAT keine unterschiedlichen Effekte auf die Sekretion von
      IL-6, IL-8 und MCP-1. Schlussfolgerung: Neben seiner Funktion
      im Proteasen-Antiproteasen Verhältnis zeigt AAT auch eine
      Funktion in der Regulation des Immunsystems. Der Einfluss des
      substituierten AAT auf die Zytokine IL-8 und MCP-1 lässt auf
      eine Funktion bei der Rekrutierung von neutrophilen
      Granulozyten und Monozyten schließen. Im Vergleich der nicht
      substituierten mit den substituierten Patienten deuten die
      gemessenen höheren CRP Spiegel im EBC als auch die IL-8
      Konzentrationen im Serum auf einen antiinflammatorischen
      Effekt des augmentierten AAT hin. Im Zuge der Substitution
      kommt es zu einem Anstieg der AAT-Polymere im Serum. Bei
      Stimulation der NG mit den verschiedenen AAT-Fraktionen
      zeigen sich unterschiedliche Wirkungen, wobei sich die
      nachweisbare Wirkung der hochmolekularen AAT Fraktion ähnlich
      wie Prolastin™ verhält. Eine toxische Wirkung von nicht
      modifizierten AAT-Polymeren auf humane Bronchialepithelzellen
      konnte in dieser Arbeit nicht nachgewiesen werden.