Microbiota nei pazienti COVID-19 per futuri approcci terapeutici e preventivi (MICRO-COV)

Nel dicembre 2019 sono stati segnalati gravi casi di polmonite in relazione al mercato all'ingrosso di prodotti ittici di Huanan a Wuhan, in Cina. Quattro mesi e più di mille morti dopo, l'agente patogeno responsabile della più grande e critica emergenza sanitaria globale degli ultimi 100 anni è noto come sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2). La malattia da coronavirus 2019 (COVID-19) è caratterizzata come una malattia trasmissibile con un lungo periodo di incubazione compreso tra 7 e 14 giorni. In circa il 10% dei casi si osserva un decorso grave della malattia. Sebbene siano stati descritti fattori predisponenti come l'età avanzata, l'ipertensione arteriosa cronica, il diabete e altre comorbilità, si sa poco sul meccanismo fisiopatologico che induce l'insufficienza polmonare acuta, accoppiata al patognomonico di lesioni cardiache, renali e vascolari che spesso compaiono per il corso mortale di questa malattia.

L'infiammazione alveolare essudativa e interstiziale che compromette lo scambio di gas alveolo-capillare descritta in relazione a SARS-CoV-2 è conforme alla definizione di sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS). I meccanismi fisiopatologici alla base di questa lesione al polmone sono stati meglio descritti nell'ARDS indotta da sepsi batterica e sono principalmente indotti dallo stravaso di granulociti neutrofili dal sistema vascolare capillare nel polmone. Uno dei principali mediatori dello stravaso di neutrofili è la degenerazione dello strato superficiale endoteliale, vale a dire il glicocalice, indotta dall'eparan solfato attivato dall'endotossina. L'assottigliamento e la destrutturazione del glicocalice rivelano molecole di adesione alla superficie endoteliale nascoste come VCAM-1 e ICAM-1. La conseguente maggiore adesione dei neutrofili accoppiata allo spostamento infiammatorio mediato dalle citochine della VE-caderina all'interno delle cellule endoteliali, allentando le giunzioni strette endoteliali, consente un aumento dello stravaso dei neutrofili e la diffusione di fluido ricco di proteine ​​nell'interstizio . L'ambiente così creato induce l'attivazione e la degranulazione dei granulociti neutrofili e provoca il rilascio di mediatori tossici che distruggono l'epitelio alveolare e producono ulteriori immunocitochine, inducono una tempesta di citochine e aumentano il reclutamento dei neutrofili. Infine l'aggregazione del surfattante polmonare inattivato da parte dell'edema ricco di proteine ​​unito alle cellule epiteliali alveolari degenerate di tipo 1 e alla membrana basale alveolare coperta e denudata della membrana ialina interrompe la capacità di scambio gassoso della membrana alveolo-capilare, compromettendo il sangue ossigenazione e decarbossilazione.

Contrariamente all'ARDS indotta da batteri, gli agenti virali che causano l'ARDS raggiungono principalmente l'epitelio alveolare attraverso il trasporto virale dal rinofaringe, dal tratto respiratorio superiore a quello inferiore. Nelle infezioni virali, il danno al polmone è principalmente causato da un'invasione virale diretta di pneumociti di tipo 1 e 2. Ciò provoca l'accumulo di edema ricco di proteine ​​in modo duplice disabilitando i canali ENaC, principalmente responsabili della decongestionazione della camera alveolare attraverso la creazione di gradiente osmotico, e rompendo la barriera fisico-chimica stabilita dai pneumociti. Sebbene l'effetto della rottura della barriera alveolare per mezzo della disfunzione endoteliale vascolare sia ridotto in contrasto con la sepsi batterica, con l'avanzare dell'ARDS, sia l'endotelio che l'epitelio secernono chemiotattori per attrarre macrofagi e neutrofili al polmone infiammato, che in analogia con l'ARDS batterico inducono un danno secondario al polmone come già descritto. Tuttavia indicare una perdita capillare iniziale esagerata rispetto ad altre forme di ARDS, che suggerisce fortemente la disfunzione endoteliale come meccanismo primario.

Il danno delle cellule endoteliali può essere valutato utilizzando sia i prodotti di degradazione del glicocalice come syndecan-1, eparan solfato e VE-caderine sia la visualizzazione diretta delle proprietà del flusso dei globuli rossi all'interno dei capillari tramite microscopia vitale portatile (HVM) che utilizza la tecnica della microscopia a campo oscuro. I recenti progressi nel gruppo dei ricercatori hanno consentito l'accurata differenziazione delle modalità di insufficienza microcircolatoria mediante la quantificazione della diffusione microcircolatoria e della capacità di convezione. Da una prospettiva globale, la perdita alveolare è stata precedentemente quantificata utilizzando la termodiluizione transpolmonare. Questi strumenti forniscono i prerequisiti ottimali per rilevare in modo specifico (prodotti di degradazione del glicocalice nel fluido di lavaggio alveolare) e quantificare (termodiluizione transpolmonare) il danno delle cellule endoteliali nel polmone durante l'ARDS causato dall'infezione da SARS-CoV-2. Inoltre, nei rapporti preliminari è stato descritto che circa il 20% dei pazienti in condizioni critiche affetti da ARDS a causa di infezione da SARS-CoV-2 sviluppa una grave risposta infiammatoria sistemica e shock circolatorio. In questi pazienti, la relazione tra danno cellulare endoteliale alveolare e danno cellulare endoteliale sistemico è di interesse centrale e può essere valutata mediante misurazione HVM sublinguale concomitante.

A seguito del danno polmonare virale e infiammatorio mediato come fattore scatenante iniziale dell'ARDS, l'ulteriore deterioramento della funzione polmonare può dipendere principalmente dalla superinfezione. La superinfezione batterica e fungina è stata descritta come la principale responsabile della morbilità e della mortalità nell'ARDS virale di fase medio-tardiva durante pandemie simili, come l'influenza spagnola nel 1918. Nell'attuale epidemia in Cina, la presenza di superinfezioni batteriche e fungine è stata riscontrata nel 10-30%. La superinfezione sembrava rappresentare un importante fattore di rischio per la mortalità nei pazienti COVID-19. Sebbene non sia chiaro se il rilevamento di una superinfezione batterica e fungina abbia una rilevanza clinica e terapeutica, diversi autori sostengono un trattamento antibiotico empirico mirato principalmente a S. aureus e S. pneumonia.

Non solo la stratificazione del rischio associato alle superinfezioni batteriche e fungine è rilevante per la valutazione della gravità della progressione della malattia, ma resta da valutare fino a che punto la presenza di trasmissione di patogeni nosocomiali durante le pandemie esista e sia responsabile della morbilità e della mortalità in pazienti ricoverati. Le misure di prevenzione delle infezioni, come le precauzioni standard e di isolamento, hanno lo scopo di prevenire la trasmissione nosocomiale di agenti patogeni nelle strutture sanitarie. Queste misure includono l'igiene delle mani, l'uso di dispositivi di protezione individuale (DPI) (ad es. camici isolanti, guanti, mascherine, respiratori, protezione per gli occhi) e misure ambientali, come la pulizia e la disinfezione di superfici e attrezzature e strumenti medici. Tuttavia, i dispositivi mobili, come i telefoni cellulari privati ​​e professionali, sono stati ampiamente ignorati da tali linee guida. Questi dispositivi possono svolgere un ruolo importante nella trasmissione per contatto indiretto. Cioè, quando un oggetto intermedio contaminato è coinvolto nel trasferimento di un agente patogeno infettivo tra due individui.

Le prove attuali, sebbene limitate, hanno mostrato una maggiore vitalità di SARS-CoV-2 su plastica e acciaio inossidabile, materiali frequentemente impiegati su dispositivi mobili e coperture protettive, fino a 72 ore. Sebbene l'errata igiene delle mani, la mancanza di dispositivi di protezione individuale e altri errori igienici di routine siano i vettori più evidenti di agenti patogeni nosocomiali, i telefoni cellulari e altri dispositivi portatili si sono rivelati non sufficientemente disinfettati, consentendo la colonizzazione di agenti patogeni, di cui S. aureus è il più frequente. Ciò è aggravato dal fatto che gli operatori sanitari hanno toccato oggetti mobili, inclusi i telefoni cellulari, in media una volta ogni 6,9 secondi e hanno toccato il proprio corpo o il proprio viso ogni 40 secondi. Ciò è stato accompagnato da un'aderenza estremamente bassa ai protocolli di igiene delle mani prima della colonizzazione e degli eventi di infezione. Questi risultati sottolineano il potenziale dei dispositivi mobili di agire come vettori di trasmissione di agenti patogeni sia ai pazienti che agli operatori sanitari.

Nella lotta alle infezioni virali, la difesa immunitaria innata riconosce l'infezione virale principalmente attraverso il legame di modelli molecolari associati ai patogeni (PAMP) ai recettori di riconoscimento dei patogeni (PRR). La cascata di espressione indotta da questi legami recettoriali stimola la via dell'interferone (IFN) di tipo I e III. Il reclutamento dell'asse infiammatorio monocito-macrofago-neutrofilo da parte della via dell'IFN I è essenziale nella lotta contro la maggior parte delle infezioni virali. Tuttavia, virus come il virus dell'influenza A sono in grado di eludere l'inizio dell'IFN di tipo I e III, spostando il loro meccanismo di replicazione nel nucleo cellulare eludendo così i PRR localizzati nel citoplasma o inattivando gli mRNA dell'interferone attraverso le proteine. Il percorso IFN I può agire due volte in questi virus; da un lato può mediare l'azione iniziale contro il virus riducendo i titoli massimi raggiunti, dall'altro, in determinate circostanze, può comunque sovraesprimersi patologicamente inducendo una tempesta di citochine e aumentando il danno al parenchima polmonare.

SARS-CoV e SARS-CoV-2 sono virus a RNA a filamento positivo, che penetrano nella parete cellulare delle cellule infette mediante endocitosi mediata dal recettore ACE-2. Un inizio dell'espressione della via dell'IFN I può essere associato a una più forte attivazione della via dell'IFN II e all'induzione della tempesta di citochine pro-infiammatorie e di conseguenza a una più grave disregolazione del sistema infiammatorio monocito-macrofago e al grado di danno immunopatologico polmonare. I meccanismi fisiopatologici di questa nuova ARDS indotta da SARS-CoV-2 e le disregolazioni sistemiche che induce possono essere solo ipotizzati sulla base del suo predecessore SARS-CoV, e le intuizioni che chiariscono l'insolita presentazione clinica della nuova malattia sono disperatamente necessarie per derivare un trattamento ottimale approccio.

In sintesi, i meccanismi della gravità della malattia nell'ARDS SARS-CoV-2 in condizioni critiche sono molteplici e vanno da una risposta infiammatoria disregolata, alla presenza di superinfezioni batteriche e fungine, all'importanza della trasmissione nosocomiale come elemento chiave mirabile nella vita quotidiana assistenza giornaliera al paziente. Solo una valutazione globale di tutte le sfaccettature eventualmente responsabili della gravità della progressione della malattia nei pazienti COVID-19 può mirare a chiarire la miscela sottostante.

Obiettivi del progetto Lo scopo generale di questa ricerca è acquisire la comprensione fisiopatologica per migliorare la morbilità e la mortalità nell'ARDS dovuta all'infezione da SARS-CoV-2. Questa ricerca si concentra quindi su infiammazione, disfunzione microcircolatoria e superinfezione, con l'obiettivo di chiarire i fattori di rischio per lo sviluppo di ARDS grave di pazienti con infezione da SARS-CoV-2 e contribuire al razionale delle strategie terapeutiche.

Le singole ipotesi di lavoro sono:

1. Si ritiene che il danno primario al polmone nell'ARDS da SARS-CoV-2 sia mediato da un'esagerata risposta pro-infiammatoria che causa una disfunzione endoteliale primaria e che successivamente agisca duplicemente sulla degradazione del parenchima polmonare, attraverso la risposta primaria delle citochine, e attraverso il reclutamento dell'asse infiammatorio-monocita-linfocita-neutrofilo. L'infiammazione pronunciata e il danno primario al polmone interrompono il microbioma polmonare, portando secondariamente a superinfezioni polmonari.
2. Le superinfezioni batteriche polmonari (cioè S. pneumoniae, S. aureus, P. aeruginosa e altre) sono una causa significativa di morbilità e mortalità nei pazienti COVID-19. La colonizzazione del patogeno nelle vie aeree superiori è un prerequisito e il principale fattore di rischio per le infezioni del tratto respiratorio inferiore. Per stabilire la colonizzazione, i patogeni devono interagire con il microbiota locale (a.k.a. microbioma) e alcuni profili di microbioma saranno più resistenti all'invasione di agenti patogeni.
3. I dispositivi portatili utilizzati nella routine clinica sono portatori sia di SARS-CoV-2, sia di batteri che causano polmonite nosocomiale, rendendoli un potenziale serbatoio per la trasmissione per contatto indiretto. Un intervento mirato di prevenzione delle infezioni può ridurre questa contaminazione e quindi ridurre il rischio di trasmissione nosocomiale.