Markers of systemic inflammation in diagnostics and in prediction of outcome of community-acquired infection

Abstract

Sepsis is associated with a systemic inflammatory response. It is characterised by an early proinflammatory response and followed by a state of immunosuppression. In order to improve the outcome of patients with infection and sepsis, novel therapies that influence the systemic inflammatory response are being developed and utilised. Thus, an accurate and early diagnosis of infection and evaluation of immune state are crucial. In this thesis, various markers of systemic inflammation were studied with respect to enhancing the diagnostics of infection and of predicting outcome in patients with suspected community-acquired infection.

A total of 1092 acutely ill patients admitted to a university hospital medical emergency department were evaluated, and 531 patients with a suspicion of community-acquired infection were included for the analysis. Markers of systemic inflammation were determined from a blood sample obtained simultaneously with a blood culture sample on admission to hospital. Levels of phagocyte CD11b/CD18 and CD14 expression were measured by whole blood flow cytometry. Concentrations of soluble CD14, interleukin (IL)-8, and soluble IL-2 receptor α (sIL-2Rα) were determined by ELISA, those of sIL-2R, IL-6, and IL-8 by a chemiluminescent immunoassay, that of procalcitonin by immunoluminometric assay, and that of C-reactive protein by immunoturbidimetric assay. Clinical data were collected retrospectively from the medical records.

No marker of systemic inflammation, neither CRP, PCT, IL-6, IL-8, nor sIL-2R predicted bacteraemia better than did the clinical signs of infection, i.e., the presence of infectious focus or fever or both. IL-6 and PCT had the highest positive likelihood ratios to identify patients with hidden community-acquired infection. However, the use of a single marker failed to detect all patients with infection. A combination of markers including a fast-responding reactant (CD11b expression), a later-peaking reactant (CRP), and a reactant originating from inflamed tissues (IL-8) detected all patients with infection. The majority of patients (86.5%) with possible but not verified infection showed levels exceeding at least one cut-off limit of combination, supporting the view that infection was the cause of their acute illness.

The 28-day mortality of patients with community-acquired infection was low (3.4%). On admission to hospital, the low expression of cell-associated lipopolysaccharide receptor CD14 (mCD14) was predictive for 28-day mortality. In the patients with severe forms of community-acquired infection, namely pneumonia and sepsis, high levels of soluble CD14 alone did not predict mortality, but a high sCD14 level measured simultaneously with a low mCD14 raised the possibility of poor prognosis.

In conclusion, to further enhance the diagnostics of hidden community-acquired infection, a combination of inflammatory markers is useful; 28-day mortality is associated with low levels of mCD14 expression at an early phase of the disease.

Sairaalan päivystysvastaanotolle lähetetyllä äkillisesti sairaalla potilaalla sairauden yleinen syy on infektio eli elimistöön joutuneen mikrobin aiheuttama oireinen sairaus. Infektio voi aiheuttaa elimistössä paikallisen tulehduspesäkkeen eli fokuksen tai se voi synnyttää yleistyneen tulehdusvasteen, jossa verenkiertoon vapautuu suuria määriä tulehduksen välittäjäaineita. Infektion aiheuttamaa yleistynyttä tulehdusvastetta kutsutaan sepsikseksi. Sepsiksen vastine puhekielessä on verenmyrkytys, jolla perinteisesti on tarkoitettu mikrobien esiintymistä veressä ja veriviljelyn positiivisuutta. Äkillisesti kotona sairastuneella potilaalla kyseessä on ns. avohoito- eli kotisyntyinen infektio. Useimmiten infektio ja fokus pystytään toteamaan sairaalaan tullessa ja antibioottilääkehoito parantaa taudin. Toisilla potilailla äkillisen sairauden syy ei selviä ensimmäisen vuorokauden aikana eikä piilevän infektion mahdollisuutta pystytä poissulkemaan. Erityisesti sepsiksen varmistuminen saattaa viivästyä, jos infektiofokusta ei tulovaiheessa löydy ja veriviljelyn tulosta joudutaan odottamaan useita päiviä. Infektiopotilaiden yleistila voi huonontua nopeasti ja johtaa verenkierron lamaantumiseen eli sokkiin, jopa kuolemaan. Näiden potilaiden tunnistaminen varhaisvaiheessa esimerkiksi verestä mitattavilla tulehduksen merkkiaineilla auttaisi tehostamaan hoitotoimenpiteitä sekä kohdentamaan uusia, kalliita tulehdusvasteeseen vaikuttavia lääkehoitoja.

Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli selvittää verestä mitattavien, pääasiassa synnynnäiseen immuniteettiin (engl. innate immunity) kuuluvien tulehduksen merkkiaineiden käyttökelpoisuutta sairaalan päivystysvastaanotolle tulevilla potilailla. Erityisesti tutkittiin tulehduksen merkkiaineiden käyttökelpoisuutta positiivisen veriviljelyn ennustamisessa ja piilevän kotisyntyisen infektion toteamisessa. Lisäksi selvitettiin, onko merkkiaineista taudin alkuvaiheessa hyötyä kotisyntyistä infektioita sairastavien potilaiden kuolleisuuden ennustamisessa.

Meilahden sairaalan eettinen toimikunta hyväksyi tutkimussuunnitelman. Tutkimusprojektia varten tutkittiin 1092 äkillisesti sairasta potilasta Helsingin yliopistollisen sairaalan Meilahden sisätautien päivystyspoliklinikalla vuosina 1997–98. Päivystävän lääkärin epäiltyä sepsistä potilaista otettiin päivystyspoliklinikalla veriviljelynäytteet, ja samalla otettiin rinnakkainen verinäyte tutkimusta varten. Näytteistä mitattiin vuorokauden sisällä virtaussytometrilla solusitoisia tulehduksen merkkiaineita, minkä jälkeen loppu plasmanäyte pakastettiin myöhempiä liukoisten merkkiaineiden mittauksia varten. Lopulliseen analyysiin otettiin 531 potilasta, joilla varmentui kotisyntyinen infektio tai oli vahva epäily siitä.

Veriviljelyn positiivisen tuloksen ennustaminen tulehduksen merkkiaineilla mukaan lukien C-reaktiivinen proteiini (CRP), prokalsitoniini (PCT), interleukiini (IL)-6, IL-8 ja liukoinen IL-2 reseptori (sIL-2R) ei onnistunut paremmin kuin pelkillä kliinisillä mittareilla. Kliinisinä ennustekijöinä käytettiin kuumetta, infektiofokusta, verenpainetta (MAP) ja pulssia.

Piilevän kotisyntyisen infektion diagnostiikkaa voitiin parantaa tulehduksen merkkiaineilla. Parhaita merkkiaineita olivat PCT ja IL-6 mitattuna positiivisella uskottavuusosamäärällä (positive likelihood ratio). Mikään yksittäinen merkkiaine ei kuitenkaan löytänyt kaikkia potilaita, joilla oli piilevä infektio. Sen sijaan yhdistelmä sisältäen nopeasti reagoivan merkkiaineen (CD11b), hitaammin nousevan merkkiaineen (CRP) ja kudoslähtöisen merkkiaineen (IL-8) kykeni tunnistamaan kaikki infektiopotilaat. Tätä yhdistelmää käytettiin myös niiden potilaiden tarkasteluun, joilla infektiota ei löytynyt, mutta sitä ei voitu varmuudella poissulkeakaan. Näistä potilaista 86,5%:lla ainakin jokin yhdistelmän merkkiaineista ylitti raja-arvon vahvistaen infektion mahdollisuutta.

Kotisyntyistä infektiota sairastavien potilaiden 28-päivän kuolleisuus oli matala, 3,4%. Monimuuttuja-analyysissä korkea ikä ja monosyyttien solusitoisen lipopolysakkaridireseptorin eli CD14-molekyylin alhainen määrä ennustivat kuolleisuutta taudin alkuvaiheessa. CD14-reseptoria esiintyy myös liukoisessa muodossa (sCD14), mutta korkea sCD14 pitoisuus ei ollut kuoleman suhteen ennusteellinen. Korkeampi kuolleisuus todettiin potilailla, joilla oli samanaikaisesti matala solusitoisen CD14-reseptorin määrä ja korkea sCD14-pitoisuus.

Tulehduksen merkkiaineet parantavat piilevien kotisyntyisten infektioiden diagnostiikkaa taudin alkuvaiheessa, mutta yksittäisiä potilaita tutkittaessa täytyy käyttää useiden merkkiaineiden yhdistelmää mieluummin kuin yksittäistä merkkiainetta. Sairaalaan tulovaiheessa matala solusitoisen lipopolysakkaridireseptorin (mCD14) määrä ennustaa kuolemaa kotisyntyistä infektiota sairastavalla potilaalla.