S100A9 aggravates hepatic ischemia–reperfusion injury associated with hepatocyte CCL2 expression and macrophage recruitment

Wanneer een chirurg tijdelijk de bloedtoevoer naar een deel van de lever stopt om een tumor te verwijderen of een transplantatie voor te bereiden, wordt het orgaan geconfronteerd met een paradoxaal gevaar. Op het moment dat het bloed weer instroomt, kan dit een gewelddadige, zelfopgewekte ontstekingsstorm ontketenen. Dit fenomeen, bekend als ischemie-reperfusieletsel, treedt op omdat de plotselinge terugkeer van zuurstof en voedingsstoffen het immuunsysteem op een manier activeert die het weefsel beschadigt dat het juist probeert te redden. De levercellen, die al gestrest zijn door het gebrek aan bloed, sturen signalen uit die witte bloedcellen oproepen. Deze arriverende immuuncellen, bedoeld om de schade op te ruimen, veroorzaken vaak meer schade, wat leidt tot zwelling, celsterfte en soms orgaanfalen. Het begrijpen van de exacte manier waarop deze kettingreactie begint en hoe deze zich verspreidt, is cruciaal voor het verbeteren van de resultaten bij leverchirurgie en transplantaties, maar de specifieke moleculaire triggers die een noodzakelijke medische procedure in een gevaarlijk ontstekingsgebeurtenis veranderen, zijn tot nu toe enigszins verborgen gebleven.

Onderzoekers aan de Central South University in China hebben nu een specifiek pad door deze chaos getraceerd en een sleutelproteïne geïdentificeerd die fungeert als een gevaarlijke boodschapper tussen beschadigde levercellen en het immuunsysteem. Door geavanceerde computeranalyse van genetische en eiwitgegevens te combineren met experimenten in muizen en menselijke cellen, ontdekte het team dat een eiwit genaamd S100A9 een centrale rol speelt bij het verergeren van leverbeschadiging nadat de bloedstroom is hersteld. Ze ontdekten dat dit eiwit niet alleen passief in het weefsel aanwezig is; het instrueert gestreste levercellen actief om een chemisch baken vrij te geven dat meer immuuncellen rekruteert, waardoor een cyclus van letsel ontstaat die potentieel gestopt kan worden met gerichte behandeling.

Het onderzoek begon met een brede zoektocht naar aanwijzingen. De wetenschappers namen leverweefsel van muizen die een procedure hadden ondergaan die de menselijke leverchirurgie nabootst, waarbij 70 procent van de bloedtoevoer naar de lever gedurende één uur werd geblokkeerd voordat deze werd hersteld. Ze vergeleken dit weefsel met leverweefsel van muizen die dezelfde operatie hadden ondergaan, maar zonder de blokkade van de bloedtoevoer. Met behulp van krachtige sequencing-instrumenten lazen ze de genetische instructies en maten ze de eiwitniveaus in beide groepen. Deze massale gegevensvergelijking bracht S100A9 naar voren als een uitblinkende verdachte. In de beschadigde levers waren de niveaus van dit eiwit aanzienlijk hoger dan in de gezonde levers, waarbij het consistent voorkwam in zowel de genetische code als de werkelijke eiwitstructuren. De onderzoekers bevestigden deze bevinding vervolgens met standaard laboratoriumtechnieken, waarmee werd aangetoond dat het eiwit inderdaad overvloedig aanwezig was in het beschadigde weefsel en nauw samenhing met neutrofielen, een type witte bloedcel dat zich in een vroeg stadium van het proces naar de plaats van het letsel haast.

Om te bewijzen dat S100A9 daadwerkelijk de schade veroorzaakte in plaats van slechts een toeschouwer te zijn, testte het team twee verschillende strategieën om dit te stoppen. In de eerste aanpak injecteerden ze muizen met een gespecialiseerd antilichaam dat ontworpen is om S100A9 te neutraliseren, waardoor de mogelijkheid om te functioneren effectief werd geblokkeerd. In de tweede aanpak gebruikten ze muizen die genetisch gemanipuleerd waren om het gen dat S100A9 produceert volledig te missen. Beide methoden leverden hetzelfde geruststellende resultaat op: de leverbeschadiging was aanzienlijk verminderd. De muizen die het blokkerende antilichaam ontvingen of het eiwit misten, vertoonden minder zwelling, minder dode cellen en lagere niveaus van schadelijke ontstekingschemicaliën in hun bloed vergeleken met de controlegroep. Dit leverde sterk bewijs dat S1s100A9 een functionele drijfveer van het letsel is, en niet louter een symptoom ervan.

De studie verplaatste zich vervolgens naar het cellulaire niveau om het mechanisme achter deze schade te begrijpen. De onderzoekers stelden muislevercellen bloot aan een conditie die het gebrek aan zuurstof en glucose tijdens een operatie nabootst, gevolgd door een terugkeer naar normale omstandigheden. Wanneer ze S10100A9 aan deze gestreste cellen toevoegden, stierven de cellen met een hogere snelheid, wat bevestigde dat het eiwit de celsterfte direct verergert. Belangrijker nog, ze ontdekten wat het eiwit de cellen vertelde te doen. Door de genetische activiteit van de cellen na blootstelling aan S100A9 te analyseren, ontdekten ze dat de cellen grote hoeveelheden van een chemisch signaal genaamd CCL2 gingen produceren. Dit chemische signaal werkt als een baken, specifiek ontworpen om immuuncellen die bekend staan als macrofagen aan te trekken.

Het team verifieerde deze connectie door aan te tonen dat wanneer levercellen met S100A9 werden behandeld, de vloeistof rondom hen veel aantrekkelijker werd voor macrofagen, waardoor ze er agressiever naartoe werden getrokken. Omgekeerd produceerde het leverweefsel in de muizen die S100A9 misten veel minder van dit chemische baken, en accumuleerden er aanzienlijk minder macrofagen in het beschadigde gebied. Dit onthulde een duidelijke keten van gebeurtenissen: het initiële letsel triggert de afgifte van S100A9, die vervolgens de overlevende levercellen dwingt om CCL2 te produceren, wat op zijn beurt meer immuuncellen oproept die verdere schade veroorzaken. De onderzoekers keken ook naar menselijke patiënten die een gedeeltelijke leververwijdering ondergingen. Ze maten de niveaus van S100A9 in bloedmonsters die voor en na de operatie waren genomen en vonden dat de niveaus na de procedure aanzienlijk stegen, wat de veranderingen die bij de muizen werden gezien, weerspiegelde. Dit suggereert dat hetzelfde biologische proces dat in het laboratorium werd waargenomen, ook in mensen plaatsvindt.

Hoewel de studie een sterke link legt tussen S100A9, het chemische baken CCL2 en de aankomst van schadelijke immuuncellen, merken de auteurs op dat ze nog niet hebben bewezen dat het blokkeren van deze specifieke verbinding de enige manier is om het letsel te stoppen. Ze suggereren dat S100A9 ook via andere paden zou kunnen werken, en dat de exacte rol van neutrofielen als de primaire bron van het eiwit nog volledig verduidelijkt moet worden. De bewijslast is echter robuust genoeg om te suggereren dat S100A9 een belangrijke speler is in de ontstekingsstorm die volgt op leverchirurgie. Door dit eiwit en het pad dat het activeert te identificeren, hebben de onderzoekers een potentieel nieuw doelwit aangewezen voor medicijnen die de immuunrespons kunnen kalmeren, waardoor de lever beschermd wordt tijdens de kritieke momenten nadat de bloedstroom is hersteld. Dit werk biedt geen onmiddellijke genezing, maar biedt een duidelijke kaart van een gevaarlijk obstakel in het herstelproces, en wijst de weg naar toekomstige behandelingen die leverchirurgie veiliger kunnen maken voor patiënten.