Mikrobiota bei COVID-19-Patienten für zukünftige therapeutische und präventive Ansätze (MICRO-COV)

Im Dezember 2019 wurden im Zusammenhang mit dem Huanan Seafood Wholesale Market in Wuhan, China, schwere Lungenentzündungsfälle gemeldet. Vier Monate und mehr als tausend Todesfälle später ist der verantwortliche Erreger des größten und kritischsten globalen Gesundheitsnotfalls der letzten 100 Jahre als Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mit schwerem akutem respiratorischem Syndrom bekannt. Die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) wird als übertragbare Krankheit mit einer langen Inkubationszeit zwischen 7 und 14 Tagen charakterisiert. In etwa 10 % der Fälle wird ein schwerer Krankheitsverlauf beobachtet. Während prädisponierende Faktoren wie höheres Alter, chronische arterielle Hypertonie, Diabetes sowie andere Komorbiditäten beschrieben wurden, ist wenig über die pathophysiologischen Mechanismen bekannt, die ein akutes Lungenversagen auslösen, gekoppelt mit den häufig auftretenden pathognomonischen Herz-, Nieren- und Gefäßverletzungen für den tödlichen Verlauf dieser Krankheit.

Die im Zusammenhang mit SARS-CoV-2 beschriebene alveoläre exsudative und interstitielle Entzündung, die den alveolokapillären Gasaustausch beeinträchtigt, entspricht der Definition des akuten Atemnotsyndroms (ARDS). Die pathophysiologischen Mechanismen hinter dieser Verletzung der Lunge wurden am besten bei durch bakterielle Sepsis induziertem ARDS beschrieben und werden hauptsächlich durch die Extravasation von neutrophilen Granulozyten aus dem Kapillargefäßsystem in die Lunge induziert. Einer der Hauptmediatoren der Extravasation von Neutrophilen ist die Degeneration der endothelialen Oberflächenschicht, nämlich der Glykokalyx, die durch Endotoxin-aktiviertes Heparansulfat induziert wird. Die Verdünnung und Destrukturierung der Glykokalyx enthüllt versteckte Endotheloberflächen-Adhäsionsmoleküle wie VCAM-1 und ICAM-1. Die dadurch erhöhte Adhäsion von Neutrophilen, gekoppelt mit der entzündungszytokinvermittelten Verdrängung von VE-Cadherin in das Innere der Endothelzellen, wodurch die endothelialen Tight Junctions gelockert werden, ermöglicht eine verstärkte Extravasation von Neutrophilen und Diffusion von proteinreicher Flüssigkeit in das Interstitium . Das dadurch geschaffene Milieu induziert die Aktivierung und Degranulation neutrophiler Granulozyten und provoziert die Freisetzung toxischer Mediatoren, die das Alveolarepithel zerstören und weitere Immunzytokine produzieren, einen Zytokinsturm auslösen und die Rekrutierung von Neutrophilen verstärken. Schließlich stört die Aggregation des inaktivierten Lungensurfactants durch das proteinreiche Ödem in Verbindung mit den degenerierten Typ-1-Alveolarepithelzellen und der hyaline Membran bedeckten, entblößten Alveolarbasalmembran die Gasaustauschkapazität der alveolokapillaren Membran, wodurch das Blut beeinträchtigt wird Oxygenierung und Decarboxylierung.

Im Gegensatz zum bakteriell induzierten ARDS gelangen virale Erreger des ARDS hauptsächlich durch Virustransport aus dem Nasopharynx von den oberen in die unteren Atemwege in das Alveolarepithel. Bei Virusinfektionen wird die Schädigung der Lunge hauptsächlich durch eine direkte Virusinvasion von Typ-1- und Typ-2-Pneumozyten verursacht. Dies verursacht die Akkumulation von proteinreichen Ödemen auf zweifache Weise, indem die ENaC-Kanäle deaktiviert werden, die hauptsächlich für die Dekongestion des Alveolarraums durch die Schaffung eines osmotischen Gradienten verantwortlich sind, und indem die von den Pneumozyten errichtete physikalisch-chemische Barriere durchbrochen wird. Obwohl die Wirkung der alveolären Barrierestörung durch vaskuläre endotheliale Dysfunktion im Gegensatz zur bakteriellen Sepsis reduziert wird, sezernieren mit fortschreitendem ARDS sowohl das Endothel als auch das Epithel Chemotaktoren, um Makrophagen und Neutrophile in die entzündete Lunge zu locken, was in Analogie zum bakteriellen ARDS induziert wird eine Sekundärschädigung der Lunge wie bereits beschrieben. Weisen Sie jedoch auf ein übertriebenes anfängliches Kapillarleck im Vergleich zu anderen Formen von ARDS hin, was stark auf eine endotheliale Dysfunktion als primären Mechanismus hindeutet.

Die Schädigung von Endothelzellen kann sowohl unter Verwendung von Glykokalyx-Abbauprodukten wie Syndecan-1, Heparansulfat und VE-Cadherinen als auch durch direkte Visualisierung der Fließeigenschaften roter Blutkörperchen in den Kapillaren mittels tragbarer Vitalmikroskopie (HVM) unter Verwendung der Dunkelfeldmikroskopietechnik beurteilt werden. Jüngste Fortschritte in der Forschergruppe haben die genaue Differenzierung der Arten des Mikrozirkulationsversagens durch Quantifizierung der mikrozirkulatorischen Diffusions- und Konvektionskapazität ermöglicht. Aus globaler Sicht wurde die alveoläre Leckage bisher mit transpulmonaler Thermodilution quantifiziert. Diese Werkzeuge bieten optimale Voraussetzungen, um Endothelzellschäden in der Lunge während eines ARDS durch eine SARS-CoV-2-Infektion spezifisch nachzuweisen (Glykokalyx-Abbauprodukte in der alveolären Lavageflüssigkeit) und zu quantifizieren (transpulmonale Thermodilution). Darüber hinaus wurde in vorläufigen Berichten beschrieben, dass etwa 20 % der kritisch kranken Patienten, die aufgrund einer SARS-CoV-2-Infektion an ARDS leiden, eine schwere systemische Entzündungsreaktion und einen Kreislaufschock entwickeln. Bei diesen Patienten ist der Zusammenhang zwischen alveolärer Endothelzellschädigung und systemischer Endothelzellschädigung von zentralem Interesse und kann durch begleitende sublinguale HVM-Messung beurteilt werden.

Nach der viral und entzündlich vermittelten Lungenschädigung als initialem Auslöser für ARDS kann die weitere Verschlechterung der Lungenfunktion hauptsächlich von einer Superinfektion abhängen. Bakterielle und pilzliche Superinfektionen wurden als hauptverantwortlich für Morbidität und Mortalität bei viralem ARDS in der mittleren bis späten Phase während ähnlicher Pandemien wie der Spanischen Grippe im Jahr 1918 beschrieben. Bei dem aktuellen Ausbruch in China wurde bei 10 bis 30 % das Vorhandensein von bakteriellen und pilzlichen Superinfektionen festgestellt. Die Superinfektion schien einen Hauptrisikofaktor für die Mortalität bei den COVID-19-Patienten darzustellen. Obwohl unklar ist, ob der Nachweis einer bakteriellen und pilzlichen Superinfektion eine klinische und therapeutische Relevanz hat, befürworten mehrere Autoren eine empirische Antibiotikabehandlung, die hauptsächlich auf S. aureus und S. pneumonia abzielt.

Nicht nur die Risikostratifizierung von bakteriellen und pilzlichen Superinfektionen ist für die Beurteilung der Schwere des Krankheitsverlaufs relevant, sondern es bleibt die Frage zu beurteilen, inwieweit das Vorhandensein einer nosokomialen Erregerübertragung während Pandemien vorliegt und für Morbidität und Mortalität verantwortlich ist Krankenhauspatienten. Infektionspräventive Maßnahmen wie Standard- und Isolationsvorkehrungen sollen die nosokomiale Übertragung von Krankheitserregern im Gesundheitswesen verhindern. Zu diesen Maßnahmen gehören Händehygiene, die Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) (z. Isolierkittel, Handschuhe, Masken, Atemschutzmasken, Augenschutz) und Umweltschutzmaßnahmen - wie die Reinigung und Desinfektion von Oberflächen und medizinischen Geräten und Instrumenten. Mobile Endgeräte, wie private und berufliche Handys, bleiben jedoch von solchen Richtlinien weitgehend unberücksichtigt. Diese Geräte können eine wichtige Rolle bei der indirekten Kontaktübertragung spielen. Das heißt, wenn ein kontaminiertes Zwischenobjekt an der Übertragung eines Infektionserregers zwischen zwei Personen beteiligt ist.

Aktuelle Beweise, obwohl begrenzt, haben eine erhöhte Lebensfähigkeit von SARS-CoV-2 auf Kunststoff und Edelstahl gezeigt, Materialien, die häufig für mobile Geräte und Schutzhüllen verwendet werden, von bis zu 72 Stunden. Obwohl falsche Händehygiene, fehlende persönliche Schutzausrüstung und andere hygienische Routinefehler die offensichtlichsten Überträger nosokomialer Krankheitserreger sind, wurde festgestellt, dass Mobiltelefone und andere tragbare Geräte unzureichend desinfiziert werden, was eine Ansiedlung von Krankheitserregern ermöglicht, von denen S. aureus am häufigsten ist häufig. Erschwerend kommt hinzu, dass Gesundheitsdienstleister mobile Gegenstände, einschließlich Mobiltelefone, im Durchschnitt alle 6,9 ​​Sekunden einmal und alle 40 Sekunden ihren eigenen Körper oder ihr Gesicht berührten. Begleitet wurde dies von einer extrem geringen Einhaltung von Handhygieneprotokollen vor Kolonisations- und Infektionsereignissen. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial mobiler Geräte, als Vektoren für die Übertragung von Krankheitserregern sowohl auf Patienten als auch auf Gesundheitsdienstleister zu fungieren.

Bei der Bekämpfung von Virusinfektionen erkennt die angeborene Immunabwehr eine Virusinfektion hauptsächlich durch die Bindung von Pathogen-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs) an Pathogen-Erkennungsrezeptoren (PRRs). Die durch diese Rezeptorbindungen induzierte Expressionskaskade stimuliert den Signalweg von Interferon (IFN) Typ I und III. Die Rekrutierung der entzündlichen Monozyten-Makrophagen-Neutrophilen-Achse durch den IFN-I-Weg ist im Kampf gegen die meisten Virusinfektionen unerlässlich. Dennoch sind Viren wie das Influenza-A-Virus in der Lage, der IFN-Typ-I- und -III-Eindringung zu entgehen, indem sie ihre Replikationsmaschinerie in den Zellkern verlagern und so die zytoplasmatisch lokalisierten PRRs umgehen oder Interferon-mRNAs durch Proteine ​​inaktivieren. Der IFN-I-Weg kann bei diesen Viren zweifach wirken; Einerseits kann es die anfängliche Wirkung gegen das Virus vermitteln, wodurch die maximal erreichten Titer reduziert werden, andererseits kann es unter bestimmten Umständen dennoch pathologisch überexprimieren, was einen Zytokinsturm und eine zunehmende Schädigung des Lungenparenchyms auslöst.

SARS-CoV und SARS-CoV-2 sind Positivstrang-RNA-Viren, die durch ACE-2-Rezeptor-vermittelte Endozytose in die Zellwand der infizierten Zellen eindringen. Ein Beginn der Expression des IFN-I-Signalwegs kann mit einer stärkeren Aktivierung des IFN-II-Signalwegs und einer proinflammatorischen Zytokinsturm-Induktion und folglich einer schwereren Dysregulation des entzündlichen Monozyten-Makrophagen-Systems und dem Grad der immunpathologischen Lungenschädigung einhergehen. Die pathophysiologischen Mechanismen dieses neuen SARS-CoV-2-induzierten ARDS und der systemischen Dysregulationen, die es induziert, können auf der Grundlage seines Vorgängers SARS-CoV nur spekuliert werden, und Erkenntnisse, die das ungewöhnliche klinische Erscheinungsbild der neuartigen Krankheit aufklären, sind dringend erforderlich, um eine optimale Behandlung abzuleiten Ansatz.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Mechanismen der Schwere der Erkrankung bei kritisch kranken SARS-CoV-2-ARDS vielfältig sind und von einer fehlregulierten Entzündungsreaktion über das Vorhandensein von bakteriellen und Pilz-Superinfektionen bis hin zur Bedeutung der nosokomialen Übertragung als wichtiges zielgerichtetes Element im Alltag reichen -tägige Patientenversorgung. Nur eine globale Bewertung aller Facetten, die möglicherweise für die Schwere des Krankheitsverlaufs bei COVID-19-Patienten verantwortlich sind, kann darauf abzielen, das zugrunde liegende Gebräu aufzuklären.

Projektziele Das übergeordnete Ziel dieser Forschung ist es, das pathophysiologische Verständnis zu gewinnen, um die Morbidität und Mortalität bei ARDS aufgrund einer SARS-CoV-2-Infektion zu verbessern. Diese Forschung konzentriert sich daher auf Entzündungen, Mikrozirkulationsstörungen und Superinfektionen mit dem Ziel, Risikofaktoren für die Entwicklung eines schweren ARDS bei SARS-CoV-2-infizierten Patienten aufzuklären und zur Begründung therapeutischer Strategien beizutragen.

Die einzelnen Arbeitshypothesen lauten:

1. Es wird angenommen, dass die primäre Schädigung der Lunge bei SARS-CoV-2 ARDS durch eine übertriebene entzündungsfördernde Reaktion vermittelt wird, die eine primäre endotheliale Dysfunktion verursacht und anschließend durch die primäre Zytokinreaktion zweifach auf den Abbau des Lungenparenchyms einwirkt. und durch Rekrutierung der entzündlichen Monozyten-Lymphozyten-Neutrophilen-Achse. Die ausgeprägte Entzündung und Primärschädigung der Lunge stört das pulmonale Mikrobiom, was sekundär zu pulmonalen Superinfektionen führt.
2. Bakterielle Lungensuperinfektionen (d. h. S. pneumoniae, S. aureus, P. aeruginosa und andere) sind eine bedeutende Ursache für Morbidität und Mortalität bei COVID-19-Patienten. Die Erregerbesiedlung in den oberen Atemwegen ist Voraussetzung und Hauptrisikofaktor für Infektionen der unteren Atemwege. Um eine Besiedelung zu etablieren, müssen Krankheitserreger mit der lokalen Mikrobiota (a.k.a. Mikrobiom) und bestimmte Mikrobiomprofile sind widerstandsfähiger gegen das Eindringen von Krankheitserregern.
3. Handgeräte, die in der klinischen Routine verwendet werden, sind Träger sowohl von SARS-CoV-2 als auch von Bakterien, die eine nosokomiale Pneumonie verursachen, was sie zu einem potenziellen Reservoir für eine indirekte Kontaktübertragung macht. Eine gezielte infektionspräventive Intervention kann diese Kontamination reduzieren und damit das Risiko einer nosokomialen Übertragung reduzieren.