PROSAIC-19 - Prospektiv longitudinel vurdering i en COVID-19-inficeret kohorte (PROSAIC-19)

INTRODUKTION

1.1 BAGGRUND

Coronavirus sygdom 2019 (COVID-19) forårsaget af SARS-CoV-2 infektion er en ny hurtigt spredende infektionssygdom uden dokumenterede behandlingsmuligheder. Virussen forårsager et spektrum af sygdomme, der spænder fra milde forkølelsessymptomer til alvorlig respiratorisk kompromittering, der kræver ventilatorstøtte. Vejledning fra Public Health England identificerer flere grupper, der er i risiko for alvorlig sygdom, herunder ældre og personer med kronisk lungesygdom. Derudover er der også debat om kortikosteroiders rolle, og nogle hospitalsretningslinjer anbefaler deres brug på trods af WHO-vejledning, der modsiger dette på grund af bekymring for, at de kan forringe den antivirale immunitet og forværre sygdommen. Mekanismerne, der driver sygdommens sværhedsgrad hos visse individer inficeret med COVID-19, er dårligt forstået. Vi har et presserende behov for at forstå disse mekanismer for at lette hurtig udvikling af nye effektive terapier og vacciner

1. Immunmodtagelighed over for alvorlig COVID-19 sygdom

Der er flere formodede mekanismer, gennem hvilke SARS-CoV-2 kan føre til større sygdomssværhedsgrad hos prædisponerede individer. Disse omfatter:

1. Nedsat medfødte antivirale immunresponser

   Efter viral indtræden involverer det medfødte immunrespons på respiratoriske vira induktion af type I og III interferoner (IFN). Dette initierer en kaskade, der udløser ekspression af en række interferon-stimulerede gener, der udtrykker proteiner, der virker sammen for at begrænse viral replikation. Kroniske lungesygdomme, især astma, cystisk fibrose (CF) og KOL er forbundet med svækket eller dysreguleret induktion af interferon til almindeligt forekommende vira såsom rhinovirus og influenza og lignende dysregulering kan forekomme med SARS-CoV-2. Inhaleret interferon-β er i øjeblikket i forsøg som en antiviral behandling mod astma og KOL.

2. Overdrevne inflammatoriske reaktioner på virusinfektion

   Almindelige respiratoriske virale infektioner såsom influenza og respiratorisk syncyitial virus (RSV) kan fremme viral patologi medieret af antistoffer og T-celleresponser. Tidlige beviser tyder på, at alvorlig COVID-19-sygdom er forbundet med hyperinflammation, en funktion, der kan være direkte drevet af virusbyrde eller opstå på grund af uafhængig hyperaktivering af immunsystemet. Humane coronavirus-infektioner inklusive SARS-CoV kan inducere immunopatologi i lungerne gennem en række forskellige mekanismer, herunder antistofforstærkning af SARS-CoV-infektion af humane makrofager. Signifikante stigninger i CD4- og CD8-udtrykkende pro-inflammatoriske cytokiner er blevet vist ved svær SARS-CoV-sygdom sammenlignet med mild/moderat sygdom.

   Derfor har der været betydelig interesse for en potentiel rolle med at genbruge eksisterende immunsuppressive terapier til behandling af svær COVID-19. De vigtigste mediatorer og veje, der driver hyperinflammation i COVID-19, er uklare, og større belysning af disse processer vil informere om genanvendelse af eksisterende terapier eller udvikling af nye tilgange til effektiv behandling. Implikationen af ​​baseline dysregulerede T-celleresponser, såsom dem, der ses ved kronisk lungesygdom (f. astma, KOL, Cystisk Fibrose) er igen uklar og kræver yderligere mekanistisk forståelse. Som sådan er det endnu uklart, om immunsuppressive terapier i øjeblikket i kliniske forsøg vil være gavnlige eller skadelige i disse store kohorter af modtagelige patienter.

3. Dysreguleret interferonafhængig endotelfunktion til COVID-19

   Akut respiratorisk distress syndrom (ARDS) er karakteriseret ved hydrostatisk lungeødem, forhøjet pulmonal vaskulær modstand og koagulopati, der er forstyrrelse af endotelfunktionen med dysreguleret frigivelse af de endotelafledte vasoaktive hormoner. Cirkulerende niveauer af endothelin-1 er forhøjet hos patienter med ARDS[16], sandsynligvis på grund af øget produktion og nedsat clearance i lungerne, potentielt reguleret af Angiopoietin-1.

   Alvorlig SARS-CoV-2-infektion er forbundet med cytokinstorm. Forhøjede serumniveauer af en række inflammatoriske nøglecytokiner inklusive IFN-gamma, TNF-alpha, IP10, IL-8 og IL-10 og forhøjede niveauer af IL-6 er stærkt forbundet med dødelighed. IL-6-frigivelse induceres synergistisk af IFN-gamma og TNF-alfa, og i en positiv feedback-mekanisme øger en lav dosis IL-6 kraftigt de cellulære responser på IFN-alfa og modulerer interferon-stimuleret genekspression. I en eksperimentel murin model fandt vi, at infektion med rhinovirus med IFN co-stimulering fører til forhøjede bronkoalveolære udskylningsniveauer af IL-6 (Singanayagam et al, upublicerede observationer). Disse data tyder på, at der hos patienter med svær COVID-19 opstår en hyperinflammatorisk proces, og vi antager, at gennem dysreguleret og ukontrolleret IFN-produktion vil nøgle vaskulo-inflammatoriske interferon-stimulerede gener, herunder IP10 og ET-1, skabe dårligere resultater med øget parenkymal og pulmonal vaskulær betændelse. Dette resulterer i en dikotomi, hvorved initial IFN-induktion er påkrævet for at begrænse viral replikation, men sen ukontrolleret produktion kan forværre patofysiologien. Dette understøttes af nye kliniske data, der tyder på en unik fænotype for SARS-CoV-2 kritiske plejepatienter karakteriseret ved svær hypoxi med næsten normal lungecompliance.

4. Ændret viral indgangsreceptorekspression: Nylige data indikerer, at SARS-CoV-2 anvender angiotensin-konverterende enzym (ACE)2 som en receptor for viral vedhæftning og også proteasen TMPRSS2, som spalter spike(S)-proteinet for at tillade fusion af viruset med cellulært membraner. ACE2 og TMPRSS2 er hyppigt co-udtrykt i det pulmonale epitel. En nylig undersøgelse viste også, at ACE2 er et interferon-stimuleret gen (ISG) (dvs. direkte induceret af det antivirale respons), og derfor kan SARS-CoV-2 opregulere sin egen receptor for at udbrede infektion. Nylige data indikerer, at rygere og forsøgspersoner med kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) har øget pulmonal ACE2-ekspression, hvilket tyder på, at kronisk lungesygdom kan lette større infektion med SARS-CoV-2. Omvendt beskytter ACE2-ekspression mod akut lungeskade i forbindelse med syreaspiration eller sepsis, og derfor, hvis ACE2-induktion af SARS-CoVs er svækket ved kronisk lungesygdom, kan dette disponere for et ugunstigt resultat.
5. Øgede sekundære bakterielle og/eller svampeinfektioner

I tidlige tilfældeserier er sekundære infektioner blevet observeret hyppigere hos personer med svær COVID-19-sygdom. Sekundær bakteriel infektion er et velkendt fænomen efter rhinovirus, influenza eller respiratorisk syncytialvirus og kan være mekanisk drevet af en række mulige mekanismer, herunder makrofagfagocytose eller neutrofil elastase-medieret spaltning af antimikrobielle peptider. Disse processer kan blive forværret ved brug af kortikosteroider28, og især en større andel af patienter med sekundære infektioner efter COVID-19 havde fået ordineret steroider.

Invasiv svampesygdom i overensstemmelse med aspergillose er også blevet observeret for både alvorligt akut respiratorisk syndrom coronavirus (SARS-CoV-2003) og Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS-CoV), og anekdotiske rapporter om obduktioner hos patienter med COVID-19 fra Kina foreslår, at Aspergillus lungeinfektioner forekommer. Disse data er tidlige advarselstegn på, at sekundære invasive svampeinfektioner kan udgøre en stadig mere alvorlig komplikation hos patienter ramt af COVID-19, efterhånden som pandemien skrider frem. Forståelse af det mekanistiske grundlag for immunfølsomhed over for sekundær bakteriel/svampeinfektion og en evne til at forhindre disse sekundære infektioner kan være et vigtigt skridt i retning af at forbedre resultaterne af sygdommen.

1.2 BEGRUNDELSE FOR NUVÆRENDE UNDERSØGELSE

I denne undersøgelse vil efterforskerne analysere blod- og luftvejsprøver fra personer med bekræftet COVID-19 for at forstå de immunmekanismer, der fører til alvorlig sygdom. Vi vil belyse specifikke mekanismer, der driver mere alvorlig patologi hos personer med højere risiko, såsom dem med kronisk lungesygdom. Gennem detaljeret immunprofilering vil vi identificere vigtige veje og lægemiddelbare mål til at udnytte i fremtidige kliniske interventionsstudier.

Hypoteser:

1. Højrisikoindivider, herunder personer med kronisk lungesygdom, har nedsat antiviralt immunrespons på SARS-CoV-2, hvilket øger virusinduceret inflammation.
2. Interferonafhængig endoteldysfunktion driver patogenicitet i SARS-CoV-2-infektion.
3. Modtagelighed for sekundær bakteriel og svampeinfektion ved kronisk lungesygdom er relateret til selektive vejdefekter i medfødt immunfunktion.

2. STUDIEMÅL

Primært mål:

1. Forstå de immunmekanismer, der driver COVID-19 sygdom hos patienter med en historie med lungesygdom

Sekundære mål

1. Identificer immunkorrelater af beskyttelse og lungepatologi ved SARS-CoV-2-infektion.
2. Analyse af endotelfunktion hos milde og svære COVID-19-patienter og ex vivo ved hjælp af virusstimulerede blod-afledte endotelceller fra patienter med COVID-19.
3. Evaluering af ændringer i øvre/nedre luftvejsmikrobiota og mycobiota, der forekommer under COVID-19.
4. Evaluering af ex vivo perifert blods immunrespons på virale, bakterielle og svampestimuli hos patienter med COVID-19 og kronisk lungesygdom sammenlignet med patienter med COVID-19 og ingen kronisk lungesygdom.
5. Analyse af livskvalitetspåvirkning af COVID-19-infektion ved kronisk lungesygdom.

3. STUDIEDESIGN

Gennem et 24 måneders prospektivt longitudinalt multicenter (Royal Brompton & Harefield NHS Trust Chelsea og Westminster NHS Foundation Trust, og Imperial College Healthcare NHS Trusts) observationsstudie, vil undersøgelsesholdet analysere blod, opspyt og næseprøver sammen med ikke-invasiv EndoPAT-enhedstest i i alt 230 fag. Undersøgelsesteamet vil indhente prøver af perifert blod, opspyt, næseskylning, børster og nasal syntetisk absorptiv matrix (SAM) og udføre non-invasiv EndoPAT-test på dagen for hospitalspræsentationen og med ugentlige intervaller under indlæggelse og derefter under ambulante besøg post- udskrivelse over en 12 måneders opfølgningsperiode. Undersøgelsesholdet vil indsamle klinisk information, herunder demografi, rutinemæssige laboratorieundersøgelser, kliniske symptomscore og resultater. Sammenkædet pseudoanonymiseret radiologisk billeddannelse vil også blive overført til analyse.

Spontant ekspektoreret sputum, næseskylning, børster og nasal syntetisk absorptive matrix (SAM) prøver vil blive taget og behandlet som tidligere beskrevet og opbevaret ved -800C til nedstrømsanalyser, herunder ELISA/MSD, viral belastningsmåling og mikrobiomanalyse. Venøst ​​blod (60 ml) vil blive taget ind i lithium heparin rør og PAXgene RNA rør og overført til Imperial College (RBH) til behandling og opbevaring. PBMC'er vil blive ekstraheret til in vitro-stimuleringsassays, og fuldblod (1 ml) og serum (2 ml) isoleres og opbevares ved -80oC til yderligere analyse. PAXgene-rør vil blive opbevaret ved -80C til yderligere værtsgenetisk sekventeringsanalyse. Yderligere immunologisk analyse ved hjælp af gæroverfladedisplay til serumantistofprofilering, enkelt B-cellesortering for at generere monoklonale antistoffer og ELISPOT til at analysere CD4 og CD8 T-celle ELISPOT til SARS CoV-2 peptidpuljer. Yderligere dyb immunologisk profilering ved hjælp af cytokinanalyse, PBMC-cytokinrespons på viral (eller viral PRR-agonist), svampestimuli, gæroverfladevisning til serumantistofprofilering, enkelthukommelses-B-celleekspressionskloning vil blive udført. CD4 og CD8 T-celle ELISPOT vil blive udført som tidligere beskrevet. Ikke-invasiv EndoPAT-test vil også blive udført som tidligere beskrevet.