Mikrobiota i COVID-19-patienter til fremtidige terapeutiske og forebyggende tilgange (MICRO-COV)

I december 2019 blev der rapporteret om alvorlige tilfælde af lungebetændelse i relation til Huanan Seafood Wholesale Market i Wuhan, Kina. Fire måneder og mere end tusinde dødsfald senere er det ansvarlige patogen for den største og mest kritiske globale sundhedsnødsituation i de sidste 100 år kendt som alvorligt akut respiratorisk syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Coronavirus-sygdommen 2019 (COVID-19) er karakteriseret som en overførbar sygdom med en lang inkubationstid på mellem 7 og 14 dage. I omkring 10 % af tilfældene observeres et alvorligt sygdomsforløb. Mens prædisponerende faktorer såsom højere alder, kronisk arteriel hypertension, diabetes, såvel som andre følgesygdomme er blevet beskrevet, er der kun lidt kendt om den patofysiologiske mekanisme, som inducerer akut lungesvigt, koblet til den ofte forekommende hjerte-, nyre- og vaskulære skade patognomonisk. for det dødelige forløb af denne sygdom.

Den alveolære ekssudative og interstitielle inflammation, der hæmmer alveolo-kapillær gasudveksling, beskrevet i relation til SARS-CoV-2, overholder definitionen af ​​akut respiratorisk distress syndrom (ARDS). Den patofysiologiske mekanik bag denne skade på lungen er bedst beskrevet i bakteriel sepsis-induceret ARDS og er hovedsageligt induceret af ekstravasation af neutrofile granulocytter fra kapillærvaskulaturen ind i lungen. En af de vigtigste mediatorer af neutrofil ekstravasation er degenerationen af ​​endoteloverfladelaget, nemlig glycocalyx, induceret af endotoksin-aktiveret heparansulfat. Udtyndingen og destruktureringen af ​​glycocalyx afslører skjulte endoteloverfladeadhæsionsmolekyler som VCAM-1 og ICAM-1. Den derved øgede adhæsion af neutrofiler koblet til den inflammatoriske cytokinmedierede forskydning af VE-cadherin til indersiden af ​​endotelcellerne, hvilket løsner endothelial tight junctions, muliggør en øget ekstravasation af neutrofiler og diffusion af proteinrig væske ind i interstitium . Det derved skabte miljø inducerer aktivering og degranulering af neutrofile granulocytter og fremkalder frigivelsen af ​​toksiske mediatorer, der ødelægger det alveolære epitel og producerer yderligere immuncytokiner, inducerer en cytokinstorm og øger neutrofilrekruttering. Til sidst forstyrrer aggregeringen af ​​det inaktiverede pulmonale overfladeaktive middel af det proteinrige ødem sammen med de degenererede type 1-alveolære epitelceller og den hyalinmembrandækkede, afnøgnede alveolære basalmembran gasudvekslingskapaciteten i den alveolo-kapilære membran, hvilket forringer blodet iltning og decarboxylering.

I modsætning til bakterie-induceret ARDS, når virale midler, der forårsager ARDS, hovedsageligt det alveolære epitel gennem viral transport fra nasopharynx, fra de øvre til de nedre luftveje. Ved virusinfektioner er skaden på lungen primært forårsaget af en direkte viral invasion af type 1 og 2 pneumocytter. Dette forårsager akkumulering af proteinrigt ødem på en dobbelt måde ved at deaktivere ENaC-kanalerne, hovedsageligt ansvarlige for dekongestion af det alveolære rum gennem osmotisk gradientdannelse, og ved at bryde den fysisk-kemiske barriere etableret af pneumocytterne. Skønt virkningen af ​​alveolær barriereafbrydelse ved hjælp af vaskulær endoteldysfunktion reduceres i modsætning til bakteriel sepsis, med ARDS fremadskridende, udskiller både endotelet og epitelet kemotaktorer for at tiltrække makrofager og neutrofiler til den betændte lunge, hvilket i analogi med bakteriel ARDS inducerer en sekundær skade på lungen som allerede beskrevet. Men peg på en overdreven initial kapillærlækage sammenlignet med andre former for ARDS, hvilket stærkt tyder på endoteldysfunktion som en primær mekanisme.

Endotelcellebeskadigelse kan vurderes ved hjælp af både glycocalyx-nedbrydningsprodukter såsom syndecan-1, heparansulfat og VE-cadheriner og direkte visualisering af røde blodlegemers strømningsegenskaber i kapillærerne via håndholdt vital mikroskopi (HVM) ved anvendelse af mørkefeltsmikroskopiteknikken. Nylige fremskridt i undersøgelsesgruppen har muliggjort den nøjagtige differentiering af måder for mikrocirkulationssvigt ved kvantificering af den mikrocirkulatoriske diffusions- og konvektionskapacitet. Fra et globalt perspektiv er den alveolære lækage tidligere blevet kvantificeret ved hjælp af transpulmonal termofortynding. Disse værktøjer giver de optimale forudsætninger for specifikt at detektere (glycocalyx-nedbrydningsprodukter i den alveolære skyllevæske) og kvantificere (transpulmonal termofortynding) endotelcelleskade i lungen under ARDS forårsaget af SARS-CoV-2-infektion. Yderligere er cirka 20 % af kritisk syge patienter, der lider af ARDS på grund af SARS-CoV-2-infektion, blevet beskrevet i foreløbige rapporter for at udvikle alvorlig systemisk inflammatorisk respons og kredsløbschok. Hos disse patienter er forholdet mellem alveolær endotelcelleskade og systemisk endothelcelleskade af central interesse og kan vurderes ved samtidig sublingual HVM-måling.

Efter den virale og inflammatoriske medierede lungeskade som den første trigger for ARDS, kan den yderligere forringelse af lungefunktionen hovedsageligt afhænge af superinfektion. Bakteriel og svampesuperinfektion er blevet beskrevet som hovedsageligt ansvarlig for sygelighed og dødelighed i mellem- til senfase viral ARDS under lignende pandemier, såsom den spanske syge i 1918. I det nuværende udbrud i Kina blev tilstedeværelsen af ​​bakterielle og svampe-superinfektioner fundet hos 10 til 30 %. Superinfektion så ud til at repræsentere en væsentlig risikofaktor for dødelighed hos COVID-19 patienter. Skønt det er uklart, om påvisning af bakteriel og svampe-superinfektion har en klinisk og terapeutisk relevans, anbefaler adskillige forfattere empirisk antibiotikabehandling rettet hovedsageligt mod S. aureus og S. pneumoni.

Ikke alene er stratificeringen af ​​risiko forbundet med bakterie- og svampe-superinfektioner relevant for vurderingen af ​​sværhedsgraden af ​​sygdomsprogression, men spørgsmålet skal stadig vurderes, i hvilken grad tilstedeværelsen af ​​nosokomiel patogentransmission under pandemier eksisterer og er ansvarlig for morbiditet og dødelighed i indlagte patienter. Infektionsforebyggende foranstaltninger, såsom standard- og isolationsforholdsregler, har til formål at forhindre nosokomiel overførsel af patogener i sundhedsmiljøer. Disse foranstaltninger omfatter håndhygiejne, brug af personlige værnemidler (PPE) (f. isoleringskjoler, handsker, masker, åndedrætsværn, øjenbeskyttelse) og miljøforanstaltninger - såsom rengøring og desinficering af overflader og medicinsk udstyr og instrumenter. Alligevel er mobile enheder, såsom private og professionelle mobiltelefoner, stort set ikke blevet behandlet af sådanne retningslinjer. Disse enheder kan spille en vigtig rolle i indirekte kontakttransmission. Det vil sige, når et kontamineret mellemobjekt er involveret i overførslen af ​​et infektiøst patogen mellem to individer.

Aktuelle beviser, selvom de er begrænsede, har vist en øget levedygtighed af SARS-CoV-2 på plastik og rustfrit stål, materialer, der ofte anvendes på mobile enheder og beskyttelsesovertræk, på op til 72 timer. Skønt ukorrekt håndhygiejne, mangel på personlige værnemidler og andre hygiejniske rutinefejl er de mest åbenlyse vektorer af nosokomielle patogener, har mobiltelefoner og andre håndholdte enheder vist sig at være utilstrækkeligt desinficeret, hvilket muliggør patogenkolonisering, hvoraf S. aureus er den mest hyppig. Dette forværres af det faktum, at sundhedsudbydere rørte ved mobile genstande, herunder mobiltelefoner, i gennemsnit én gang hvert 6,9 sekund og rørte ved deres egen krop eller ansigt hvert 40. sekund. Dette blev ledsaget af en ekstrem lav overholdelse af håndhygiejneprotokoller forud for kolonisering og infektionshændelser. Disse resultater understreger potentialet ved mobile enheder til at fungere som vektorer for transmission af patogener til både patienter og sundhedsudbydere.

Ved bekæmpelse af virusinfektioner genkender det medfødte immunforsvar virusinfektion hovedsageligt gennem binding af patogenassocierede molekylære mønstre (PAMP'er) til patogengenkendelsesreceptorer (PRR'er). Ekspressionskaskaden induceret af disse receptorbindinger stimulerer interferon (IFN) Type I og III pathway. Rekrutteringen af ​​den inflammatoriske monocyt-makrofag-neutrofil-akse via IFN I-vejen er afgørende i kampen mod de fleste virusinfektioner. Ikke desto mindre er vira såsom influenza A-virus i stand til at unddrage sig IFN type I og III-starten ved at flytte deres replikationsmaskineri ind i cellekernen og dermed undgå de cytoplasmatisk placerede PRR'er eller inaktivere interferon-mRNA'er gennem proteiner. IFN I-vejen kan virke dobbelt i disse vira; på den ene side kan det mediere indledende virkning mod viruset, hvilket reducerer maksimalt nåede titere, på den anden side kan det under visse omstændigheder ikke desto mindre patologisk overudtrykke, hvilket inducerer en cytokinstorm og øger skaden på lungeparenkymet.

SARS-CoV og SARS-CoV-2 er positivstrengede RNA-vira, som trænger ind i cellevæggen i de inficerede celler ved ACE-2-receptormedieret endocytose. En indtræden af ​​IFN I pathway-ekspressionen kan være forbundet med en stærkere IFN II pathway-aktivering og pro-inflammatorisk cytokinstorm-induktion og følgelig en mere alvorlig dysregulering af det inflammatoriske monocyt-makrofagesystem og graden af ​​lungeimmunopatologisk skade. Den patofysiologiske mekanik af denne nye SARS-CoV-2-inducerede ARDS og de systemiske dysreguleringer, den inducerer, kan kun spekuleres baseret på dens forgænger SARS-CoV, og indsigt, der belyser den usædvanlige kliniske præsentation af den nye sygdom, er desperat nødvendige for at opnå en optimal behandling nærme sig.

Sammenfattende er mekanismerne for sygdommens sværhedsgrad i kritisk syge SARS-CoV-2 ARDS mangfoldige, lige fra en dysreguleret inflammatorisk respons, over tilstedeværelsen af ​​bakterielle og svampe-superinfektioner til vigtigheden af ​​nosokomiel transmission som et nøgleelement, der kan målrettes i dag- til -daglig patientpleje. Kun en global vurdering af alle facetter, der muligvis er ansvarlige for sværhedsgraden af ​​sygdomsprogression hos COVID-19-patienter, kan sigte mod at belyse den underliggende sammenblanding.

Projektmål Det overordnede formål med denne forskning er at opnå den patofysiologiske forståelse for at forbedre sygelighed og dødelighed i ARDS på grund af SARS-CoV-2-infektion. Denne forskning fokuserer således på inflammation, mikrocirkulatorisk dysfunktion og superinfektion med det formål at belyse risikofaktorer for udvikling af alvorlig ARDS hos SARS-CoV-2-inficerede patienter og bidrage til begrundelsen for terapeutiske strategier.

De individuelle arbejdshypoteser er:

1. Den primære skade på lungen i SARS-CoV-2 ARDS menes at være medieret af et overdrevet pro-inflammatorisk respons, der forårsager primær endotel dysfunktion, og efterfølgende virker to gange på nedbrydningen af ​​lungeparenkymet gennem det primære cytokinrespons, og gennem rekruttering af den inflammatoriske-monocyt-lymfocyt-neutrofil akse. Den udtalte betændelse og primære skade på lungen forstyrrer lungemikrobiomet, hvilket sekundært fører til pulmonale superinfektioner.
2. Lungebakterielle superinfektioner (dvs. S. pneumoniae, S. aureus, P. aeruginosa og andre) er en væsentlig årsag til morbiditet og dødelighed hos COVID-19-patienter. Patogenkolonisering i de øvre luftveje er en forudsætning og den vigtigste risikofaktor for nedre luftvejsinfektioner. For at etablere kolonisering skal patogener interagere med den lokale mikrobiota (a.k.a. mikrobiom) og visse mikrobiomprofiler vil være mere modstandsdygtige over for patogeninvasion.
3. Håndholdte enheder, der bruges i klinisk rutine, er bærere af begge, SARS-CoV-2, såvel som bakterier, der forårsager nosokomiel lungebetændelse, hvilket gør dem til et potentielt reservoir for indirekte kontakttransmission. En målrettet infektionsforebyggende intervention kan reducere denne forurening og derved reducere risikoen for hospitalsoverførsel.