Blodproppshämmaren heparin fungerar även antiinflammatoriskt

Erik Jorpes var professor i medicinsk kemi på Karolinska Institutet och gjorde där under 1930-talet banbrytande upptäckter angående polysackariden heparins struktur och roll i koagulationsprocessen. Han blev därigenom upphovsmannen bakom det globala utnyttjandet av heparin som läkemedel för att förebygga och behandla trombossjukdomar.

Heparin

Under det nu snart sekellånga bruket av heparin och derivat av heparin har det kommit motstridiga rapporter om att heparin också kan utöva anti-inflammatoriska effekter utöver kompetensen att förhindra blod från att koagulera. En avgörande brist i dessa rapporter är att det saknats identifierade mekanismer för den föreslagna anti-inflammatoriska förmågan. Under den nu pågående pandemin har terapi med heparin och lågmolekylära varianter av heparin gjort stor nytta vid svår covidsjukdom. Indikationen för heparin har varit omfattande trombotiska och emboliska komplikationer hos många av patienterna. De positiva behandlingsresultaten har väckt misstankar om att terapin dessutom bidragit gynnsamt till att lugna den livsfarliga hyperinflammationen, men kunskapsbristen angående heparinets eventuella interaktion med immunsystemet har gjort att dessa funderingar varken kunnat förkastas eller bekräftas.

I vår färska publikation i Immunity visar vi att heparinbehandling förbättrade överlevnaden för patienter med sepsis orsakad av gramnegativa bakterier, som finns i stora mängder i magtarm-kanalen och i infekterade urinvägar. Heparindosen som krävdes för dessa positiva terapieffekter var betydligt lägre än de som normalt krävs för att påverka koagulationssystemet. Patienter som drabbats av sepsis orsakad av grampositiva bakterier som stafylocker hade dock ingen förbättrad överlevnad, sannolikt på grund av att patogenesen vid sepsis med gramnegativa och grampositiva bakterier är olika.

Hur fungerade då heparin i våra studier? Vid gramnegativa infektioner är molekylen lipopolysackarid (LPS), som finns i cellväggen hos alla gramnegativa bakterier, av fundamental betydelse för att initiera inflammation. LPS aktiverar inflammatoriska celler till att producera och frisätta inflammationsframkallande molekyler, som bland annat inkluderar cytokiner, kemokiner och alarminer. Våra studier visar att heparin förhindrar LPS från att skapa denna hyperinflammation. Här behövs dock en mer detaljerad information nedan för att förklara mekanismen. Den Nobelprisbelönade upptäckten att LPS företrädesvis signalerar via cellreceptorn TLR4 är en sanning med modifikation. Heparin kan till exempel inte förhindra LPS från att binda till TLR4. Möss som gjorts gendefekta så att de saknar TLR4 receptorer är lika känsliga för allvarlig sjukdom orsakad av LPS som normala möss om de TLR4-defekta djuren förbehandlats med interferoner. De verkligt farliga receptorna för LPS finns i cellers cytoplasma och heter caspase-4 och caspase-5 hos människa och caspase-11 hos möss. När LPS binder till dessa intracellulära molekyler inträffar som följd en kaskad av händelser som inkluderar en lytisk proinflammatorisk celldöd (pyroptos), frisättning av mycket potenta cytokiner och initiering av koagulationskaskaden.  Heparinets terapeutiska funktion utövas genom att förhindra extracellulärt LPS att importeras till de intracellulära caspase-4/5 receptorerna. Extracellulärt LPS behöver binda till ett humant extracellulärt protein, som heter HMGB1, för att få hjälp med att transporteras in i celler för att slutligen nå sina reciproka receptorer i cytosolen. HMGB1 finns i alla cellkärnor och frisätts till omgivningen när celler dör en oväntad celldöd. Aktiverade inflammationsceller kan dessutom aktivt frisätta HMGB1. Extracellulärt HMGB1 har två bindningsställen för LPS, men heparin binder starkare än LPS till HMGB1 och förhindrar därigenom LPS att få HMGB1-medierad transport in i celler. LPS-HMGB1 komplex importeras i celler via att binda till en cellreceptor som heter RAGE, varvid LPS-HMGB1 internaliseras först till cellorganeller som heter endosomer och slutligen till cellens destruktionsanläggning, lysosomerna. Normalt sett så degraderas och elimineras molekyler som hamnat i lysosomerna, men i hög koncentration av HMGB1 i dessa organeller sker något annat. Vid det låga pH som föreligger i lysosomerna har HMGB1 en unik egenskap. Molekylen fungerar som ett detergent och gör hål i lysosomernas membran, varför intralysosomala molekyler undgår destruktion och istället läcker ut i cytosolen. Denna process gör att extracellulärt LPS kan nå sina inflammationsframkallande receptorer i cytoplasman, vilket de inte skulle gjort utan assistans av HMGB1.

Vårt arbete är intressant för att det påvisar en distinkt mekanism för hur heparin hämmar inflammation vid gramnegativa infektioner och våra resultat borde kunna initiera utvidgade kontrollerade kliniska sepsisstudier. Har våra fynd också relevans för positiva behandlingseffekter av heparin vid svår inflammation vid covid-19? Om detta kan bara spekuleras för närvarande. Den omfattande inflammationen vid allvarlig covid-19 drabbar ju många organ, inte minst slemhinnor i luftvägar och magtarmkanalen. Förutsättningar finns helt klart för omfattande läckage av LPS över dessa skadade slemhinnor, vilket skulle kunna bidraga till skapandet av hyperinflammationen. Om detta antagande stämmer borde heparin också kunna bidra med positiva behandlingseffekter vad gäller inflammationen utöver koagulationen.

Slutligen en avslutande personlig reflektion. Efter nu drygt 20 års kontinuerliga studier av HMGB1 biologi vet jag att HMGB1 har en mycket avancerad förmåga att binda en rad andra extramolekylära molekyler viktiga i patogenesen av andra allvarliga inflammatoriska sjukdomar. Dessa HMGB1-partnermolekylkomplex transporteras via RAGE på samma sätt som LPS till lysosomerna, som via HMGB1 kan skadas och möjliggöra för partnermolekyler att nå cytoplasmatiska proinflammatoriska receptorer inklusive inflammmasomerna. Extracellulärt HMGB1 binder till exempel modifierat endogent DNA eller viralt RNA mycket begärligt liksom nukleosomer och histoner. Eftersom bindningen mellan heparin och HMGB1 är oerhört stark är det tänkbart att heparin skulle kunna hämma ytterligare HMGB1-beroende transport utöver LPS och därmed lindra inflammationen vid ytterligare inflammationssjukdomar utöver gramnegativ sepsis.

Hela artikeln i original