PROSAIC-19 – Prospektive Längsschnittbewertung in einer COVID-19-infizierten Kohorte (PROSAIC-19)

EINLEITUNG

1.1 HINTERGRUND

Die durch eine SARS-CoV-2-Infektion verursachte Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) ist eine neue, sich schnell ausbreitende Infektionskrankheit ohne bewährte Behandlungsoptionen. Das Virus verursacht ein breites Krankheitsspektrum, das von leichten Schnupfensymptomen bis hin zu schweren Beeinträchtigungen der Atemwege reicht, die eine Beatmungsunterstützung erfordern. In den Leitlinien von Public Health England werden mehrere Gruppen identifiziert, bei denen das Risiko schwerer Erkrankungen besteht, darunter ältere Menschen und Personen mit chronischen Lungenerkrankungen. Darüber hinaus wird auch die Rolle von Kortikosteroiden diskutiert, wobei einige Krankenhausrichtlinien ihre Verwendung empfehlen, obwohl die WHO-Richtlinien dem widersprechen, da Bedenken bestehen, dass sie die antivirale Immunität beeinträchtigen und Krankheiten verschlimmern könnten. Die Mechanismen, die die Schwere der Krankheit bei bestimmten mit COVID-19 infizierten Personen beeinflussen, sind kaum bekannt. Wir müssen diese Mechanismen dringend verstehen, um eine schnelle Entwicklung neuartiger wirksamer Therapien und Impfstoffe zu ermöglichen

1. Immunanfälligkeit gegenüber schwerer COVID-19-Erkrankung

Es gibt mehrere mutmaßliche Mechanismen, durch die SARS-CoV-2 bei prädisponierten Personen zu einer größeren Krankheitsschwere führen könnte. Diese beinhalten:

1. Beeinträchtigte angeborene antivirale Immunantwort

   Nach dem Eindringen des Virus umfasst die angeborene Immunantwort auf Atemwegsviren die Induktion der Typ I- und III-Interferone (IFN). Dies initiiert eine Kaskade, die die Expression einer Reihe von Interferon-stimulierten Genen auslöst, die Proteine ​​exprimieren, die gemeinsam wirken, um die Virusreplikation zu begrenzen. Chronische Lungenerkrankungen, insbesondere Asthma, zystische Fibrose (CF) und COPD, sind mit einer beeinträchtigten oder fehlregulierten Induktion von Interferon bei häufig vorkommenden Viren wie Rhinovirus und Influenza verbunden, und eine ähnliche Fehlregulierung kann bei SARS-CoV-2 auftreten. Inhaliertes Interferon-β wird derzeit als antivirale Therapie für Asthma und COPD getestet.

2. Übertriebene Entzündungsreaktionen auf eine Virusinfektion

   Häufige respiratorische Virusinfektionen wie Influenza und Respiratory Syncyitial Virus (RSV) können durch Antikörper und T-Zell-Antworten vermittelte virale Pathologien fördern. Frühe Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine schwere COVID-19-Erkrankung mit einer Hyperinflammation einhergeht, ein Merkmal, das direkt durch die Viruslast verursacht werden oder aufgrund einer unabhängigen Hyperaktivierung des Immunsystems auftreten könnte. Humane Coronavirus-Infektionen, einschließlich SARS-CoV, können durch eine Reihe verschiedener Mechanismen, einschließlich der Antikörperverstärkung der SARS-CoV-Infektion durch menschliche Makrophagen, eine Immunpathologie in der Lunge induzieren. Bei schwerer SARS-CoV-Erkrankung wurde im Vergleich zu leichter/mittelschwerer Erkrankung ein signifikanter Anstieg der CD4- und CD8-exprimierenden entzündungsfördernden Zytokine gezeigt.

   Dementsprechend besteht ein erhebliches Interesse an einer potenziellen Rolle der Umnutzung bestehender immunsuppressiver Therapien zur Behandlung von schwerem COVID-19. Die wichtigsten Mediatoren und Wege, die die Hyperinflammation bei COVID-19 vorantreiben, sind unklar, und eine genauere Aufklärung dieser Prozesse wird die Umnutzung bestehender Therapien oder die Entwicklung neuer Ansätze für eine wirksame Behandlung unterstützen. Die Auswirkungen von fehlregulierten T-Zell-Antworten zu Studienbeginn, wie sie bei chronischen Lungenerkrankungen (z. Asthma, COPD, zystische Fibrose) ist wiederum unklar und erfordert ein weiteres mechanistisches Verständnis. Daher ist noch unklar, ob immunsuppressive Therapien, die sich derzeit in klinischen Studien befinden, bei diesen großen Kohorten anfälliger Patienten nützlich oder schädlich sein werden.

3. Dysregulierte Interferon-abhängige Endothelfunktion für COVID-19

   Das akute Atemnotsyndrom (ARDS) ist gekennzeichnet durch hydrostatisches Lungenödem, erhöhten Lungengefäßwiderstand und Koagulopathie, es kommt zu einer Störung der Endothelfunktion mit fehlregulierter Freisetzung der vom Endothel stammenden vasoaktiven Hormone. Zirkulierende Endothelin-1-Spiegel sind bei Patienten mit ARDS erhöht[16], wahrscheinlich aufgrund einer erhöhten Produktion und verringerten Clearance in der Lunge, die möglicherweise durch Angiopoietin-1 reguliert werden.

   Eine schwere SARS-CoV-2-Infektion ist mit einem Zytokinsturm verbunden. Erhöhte Serumspiegel einer Reihe wichtiger entzündlicher Zytokine, einschließlich IFN-gamma, TNF-alpha, IP10, IL-8 und IL-10, und erhöhte Spiegel von IL-6 sind stark mit der Mortalität verbunden. Die Freisetzung von IL-6 wird synergistisch durch IFN-gamma und TNF-alpha induziert, und in einem positiven Rückkopplungsmechanismus verstärkt eine niedrige Dosis von IL-6 die zellulären Reaktionen auf IFN-alpha stark und moduliert die Interferon-stimulierte Genexpression. In einem experimentellen Mausmodell fanden wir heraus, dass eine Infektion mit Rhinovirus mit IFN-Kostimulation zu erhöhten Konzentrationen von IL-6 in der bronchoalveolären Lavage führt (Singanayagam et al., unveröffentlichte Beobachtungen). Diese Daten deuten darauf hin, dass bei Patienten mit schwerem COVID-19 ein hyperinflammatorischer Prozess folgt, und wir nehmen an, dass durch dysregulierte und ungeprüfte IFN-Produktion wichtige vaskulo-inflammatorische Interferon-stimulierte Gene, einschließlich IP10 und ET-1, zu schlechteren Ergebnissen mit erhöhten parenchymalen und pulmonalen Gefäßen führen Entzündung. Dies führt zu einer Dichotomie, bei der eine anfängliche IFN-Induktion erforderlich ist, um die virale Replikation zu begrenzen, aber eine späte unkontrollierte Produktion die Pathophysiologie verschlechtern kann. Dies wird durch neue klinische Daten gestützt, die auf einen einzigartigen Phänotyp für SARS-CoV-2-Intensivpatienten hindeuten, der durch schwere Hypoxie mit nahezu normaler Lungencompliance gekennzeichnet ist.

4. Veränderte Expression des viralen Eintrittsrezeptors: Jüngste Daten deuten darauf hin, dass SARS-CoV-2 das Angiotensin-Converting-Enzym (ACE)2 als Rezeptor für die virale Anheftung und auch die Protease TMPRSS2 verwendet, die das Spike(S)-Protein spaltet, um die Fusion des Virus mit zellulären zu ermöglichen Membranen. ACE2 und TMPRSS2 werden häufig im Lungenepithel koexprimiert. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte auch, dass ACE2 ein Interferon-stimuliertes Gen (ISG) ist (d.h. direkt induziert durch die antivirale Reaktion) und daher könnte SARS-CoV-2 seinen eigenen Rezeptor hochregulieren, um die Infektion zu verbreiten. Jüngste Daten deuten darauf hin, dass Raucher und Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) eine erhöhte pulmonale ACE2-Expression aufweisen, was darauf hindeutet, dass eine chronische Lungenerkrankung eine stärkere Infektion mit SARS-CoV-2 begünstigen könnte. Umgekehrt schützt die ACE2-Expression vor akuter Lungenschädigung im Zusammenhang mit Säureaspiration oder Sepsis, und daher könnte eine beeinträchtigte ACE2-Induktion durch SARS-CoVs bei chronischen Lungenerkrankungen zu einem nachteiligen Ausgang führen.
5. Erhöhte sekundäre bakterielle und/oder Pilzinfektionen

In frühen Fallserien wurden Sekundärinfektionen häufiger bei Personen mit schwerer COVID-19-Erkrankung beobachtet. Sekundäre bakterielle Infektionen sind ein bekanntes Phänomen nach Rhinovirus, Influenza oder Respiratory Syncytial Virus und können mechanistisch durch eine Reihe möglicher Mechanismen angetrieben werden, darunter Makrophagen-Phagozytose oder neutrophile Elastase-vermittelte Spaltung antimikrobieller Peptide. Diese Prozesse können durch die Anwendung von Kortikosteroiden verschlechtert werden28, und insbesondere wurden einem größeren Anteil von Patienten mit Sekundärinfektionen nach COVID-19 Steroide verschrieben.

Eine invasive Pilzerkrankung im Zusammenhang mit Aspergillose wurde auch sowohl für das Coronavirus mit schwerem akutem respiratorischem Syndrom (SARS-CoV-2003) als auch für das Coronavirus mit Atemwegssyndrom im Nahen Osten (MERS-CoV) beobachtet, und anekdotische Berichte über Obduktionen bei Patienten mit COVID-19 stammen von China schlägt vor, dass Aspergillus-Lungeninfektionen auftreten. Diese Daten sind frühe Warnsignale dafür, dass sekundäre invasive Pilzinfektionen bei Patienten, die von COVID-19 betroffen sind, mit fortschreitender Pandemie eine zunehmend schwerwiegende Komplikation darstellen können. Das Verständnis der mechanistischen Grundlage für die Immunanfälligkeit für sekundäre Bakterien-/Pilzinfektionen und die Fähigkeit, diese Sekundärinfektionen zu verhindern, könnte ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Krankheitsergebnisse sein.

1.2 BEGRÜNDUNG FÜR DIE AKTUELLE STUDIE

In dieser Studie werden die Forscher Blut- und Atemwegsproben von Personen mit bestätigtem COVID-19 analysieren, um die Immunmechanismen zu verstehen, die zu schweren Erkrankungen führen. Wir werden spezifische Mechanismen aufklären, die bei Personen mit höherem Risiko, wie z. B. Personen mit chronischen Lungenerkrankungen, zu einer schwereren Pathologie führen. Durch detailliertes Immunprofiling werden wir Schlüsselwege und medikamentöse Ziele identifizieren, die in zukünftigen klinischen Interventionsstudien genutzt werden können.

Hypothesen:

1. Personen mit hohem Risiko, einschließlich Personen mit chronischer Lungenerkrankung, haben eine beeinträchtigte antivirale Immunantwort auf SARS-CoV-2, wodurch die virusinduzierte Entzündung verstärkt wird.
2. Interferon-abhängige endotheliale Dysfunktion treibt die Pathogenität bei SARS-CoV-2-Infektionen voran.
3. Die Anfälligkeit für sekundäre Bakterien- und Pilzinfektionen bei chronischen Lungenerkrankungen hängt mit selektiven Stoffwechselwegsdefekten der angeborenen Immunfunktion zusammen.

2. STUDIENZIELE

Hauptziel:

1. Verstehen Sie die Immunmechanismen, die die COVID-19-Krankheit bei Patienten mit Lungenerkrankungen in der Vorgeschichte antreiben

Sekundäre Ziele

1. Identifizieren Sie Immunkorrelate von Schutz und Lungenpathologie bei einer SARS-CoV-2-Infektion.
2. Analyse der Endothelfunktion bei leichten und schweren COVID-19-Patienten und ex vivo unter Verwendung virusstimulierter, aus Blut stammender Endothelzellen von Patienten mit COVID-19.
3. Bewertung von Veränderungen der Mikrobiota und Mykobiota der oberen/unteren Atemwege, die während COVID-19 auftreten.
4. Bewertung der Ex-vivo-Immunantworten des peripheren Blutes auf virale, bakterielle und pilzliche Stimuli bei Patienten mit COVID-19 und chronischer Lungenerkrankung im Vergleich zu Patienten mit COVID-19 und ohne chronische Lungenerkrankung.
5. Analyse der Auswirkungen einer COVID-19-Infektion auf die Lebensqualität bei chronischen Lungenerkrankungen.

3. STUDIENDESIGN

Im Rahmen einer 24-monatigen prospektiven multizentrischen Längsschnitt-Beobachtungsstudie (Royal Brompton & Harefield NHS Trust Chelsea und Westminster NHS Foundation Trust und Imperial College Healthcare NHS Trusts) wird das Studienteam neben nicht-invasiven EndoPAT-Gerätetests Blut-, Sputum- und Nasenproben analysieren insgesamt 230 Fächer. Das Studienteam wird Proben von peripherem Blut, Sputum, Nasenspülung, Bürsten und nasaler synthetischer Absorptionsmatrix (SAM) entnehmen und nicht-invasive EndoPAT-Tests am Tag der Krankenhauseinweisung und in wöchentlichen Abständen während der stationären Behandlung und dann während ambulanter Besuche nach der Behandlung durchführen. Entlassung über einen Nachbeobachtungszeitraum von 12 Monaten. Das Studienteam sammelt klinische Informationen, einschließlich Demographie, routinemäßige Laboruntersuchungen, klinische Symptomwerte und Ergebnisse. Verknüpfte pseudoanonymisierte radiologische Bildgebungen werden ebenfalls zur Analyse übermittelt.

Spontan ausgespucktes Sputum, Nasenspülungen, Bürsten und nasale synthetische Absorptionsmatrix (SAM)-Proben werden wie zuvor beschrieben entnommen und verarbeitet und für nachgelagerte Analysen, einschließlich ELISA/MSD, Viruslastmessung und Mikrobiomanalyse, bei -80 °C gelagert. Venöses Blut (60 ml) wird in Lithium-Heparin-Röhrchen und PAXgene-RNA-Röhrchen entnommen und zur Verarbeitung und Lagerung an das Imperial College (RBH) überführt. PBMCs werden für In-vitro-Stimulationsassays extrahiert und Vollblut (1 ml) und Serum (2 ml) isoliert und zur weiteren Analyse bei -80 °C gelagert. PAXgene-Röhrchen werden für weitere genetische Sequenzierungsanalysen des Wirts bei -80 °C gelagert. Weitere immunologische Analyse unter Verwendung von Hefe-Oberflächen-Display für Serum-Antikörper-Profiling, einzelne B-Zell-Sortierung zur Erzeugung monoklonaler Antikörper und ELISPOT zur Analyse von CD4- und CD8-T-Zell-ELISPOT zu SARS-CoV-2-Peptid-Pools. Weitere tiefe immunologische Profilerstellung unter Verwendung von Zytokinanalyse, PBMC-Zytokinreaktion auf virale (oder virale PRR-Agonisten), Pilzreize, Hefe-Oberflächen-Display für Serum-Antikörper-Profilierung, Klonen der Expression von Einzelgedächtnis-B-Zellen werden durchgeführt. CD4- und CD8-T-Zell-ELISPOT wird wie zuvor beschrieben durchgeführt. Nicht-invasive EndoPAT-Tests werden ebenfalls wie zuvor beschrieben durchgeführt.