Murine Scald Models Characterize the Role of Neutrophils and Neutrophil Extracellular Traps in Severe Burns

Abstract

Schwere Verbrennungen führen zu charakteristischen pathophysiologischen Veränderungen, die besonders das Immunsystem betreffen. Um die Immunantwort auf thermische Verletzungen besser zu verstehen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein murines Verbrühungsmodell entwickelt. Erkenntnisse über die Funktionen von NETs und DNasen können den Weg für neue chirurgische oder pharmakologische Behandlungsoptionen schwerer Verbrühungen ebnen. In dieser Studie wurden C57BL/6-Mäuse verwendet. Es wurden vier verschiedene Verbrühungsprotokolle mit unterschiedlichen Expositionszeiten gegenüber 98 °C heißem Wasser untersucht. Eine zusätzliche Gruppe mit einer kürzeren Beobachtungszeit wurde etabliert, um die Mortalität zu minimieren und die frühe Phase der Pathophysiologie zu untersuchen. 24 h und 72 h nach der Verbrühung wurden Blut- und Gewebeproben, einschließlich Wund-, Leber-, Lungen- und Milzproben, entnommen und auf NETose (cfDNA, Nukleosomen, H3cit, NE, MPO), DNasen (DNase1, DNase1L3), oxidativen Stress (GPx, MDA), Apoptose (cC3), bakterielle Translokation (CFU, LPS), dermale Destruktion (H&E, MG) und eine Umstrukturierung der extrazellulären Matrix (PSR) untersucht. Zudem wurden Transkriptomanalysen an Lungen- und Lebergewebeproben durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Exposition für 7 s bedeutende systemische und lokale Effekte sowie eine beträchtliche Mortalität nach 72 h verursachte, was zur Verkürzung der Beobachtungszeit auf 24 h in dieser Gruppe führte. Um spätere Stadien der Verbrennungspathologie nach 72 h zu untersuchen, erwies sich das 6 s Modell als optimal. Beide Expositionszeiten führten zu einer deutlichen Kollagendesorganisation, erhöhtem oxidativen Stress, NETose, Apoptose und Veränderungen in den Spiegeln von DNase1 und DNase1L3. Die Daten der Transkriptomanalyse offenbarten signifikante Veränderungen in Genen, die an Akutphase-Signalwegen, Zellkohäsion, Strukturierung der extrazellulären Matrix und Immunantwort beteiligt sind. Die vorliegende Forschungsarbeit identifizierte somit zwei reproduzierbare sowie standardisierte Verbrühungsmodelle, die die Analyse der frühen oder späten Effekte schwerer Verbrühungen ermöglichen. Die Studie hob die entscheidende Beteiligung der Neutrophilen Granulozyten und die Rolle der NETs bei Verbrennungsverletzungen hervor. Umfassende Transkriptomanalysen zeigen Veränderungen der Akute-Phase-Reaktion und Remodelingprozesse und bieten somit eine Basis für die Entwicklung zukünftiger experimenteller Fragestellung.

Severe burns lead to distinctive pathophysiological changes, particularly impacting the immune system. For a better understanding of the immune response to heat-induced damage, a murine scald model was developed. Insights into the functions of NETs and DNases can pave the way for new surgical or pharmacological treatments for severe burns. In this study, C57BL/6 mice were used to test four different scalding protocols with varying exposure times to 98 °C hot water. Observation time was 72 h but an additional group with a shorter observation period was included to minimize mortality and focus on the initial phase of pathophysiology. After 24 h and 72 h blood and tissue samples including wound, liver, lung, and spleen samples, were collected and analyzed for NET formation (cfDNA, nucleosome, H3cit, NE, MPO), DNases (DNase1, DNase1L3), oxidative stress (GPx, MDA), apoptosis (cC3), bacterial translocation (CFU, LPS), dermal destruction (H&E, MG) and reorganization of the extracellular matrix (PSR). Moreover, transcriptome analyzes were conducted on lung and liver tissue samples. Results demonstrated that a 7 s exposure to hot water caused significant systemic and local effects, as well as considerable mortality, leading to an optimal observation period of 24 h. To study later stages of burn pathology at 72 h, a 6 s exposure was used. Both exposure durations resulted in notable collagen disorganization, increased oxidative stress, NET formation, apoptosis, and changes in the levels of DNase1 and DNase1L3. LPS level in liver was altered after 7 s only. Transcriptomic data revealed significant changes in genes involved in acute phase signaling, cell cohesion, extracellular matrix reorganization, and immune response. Thus, this research identified two scald models allowing analysis of early and late severe burn effects, providing reproducible and standardized injury assessments. The study highlighted the critical involvement of neutrophil activity and the role of NETs in burn injuries. Comprehensive transcriptome analysis detailed the acute phase and tissue remodeling processes essential for healing, offering a foundational understanding for future research.