Microbiota bij COVID-19-patiënten voor toekomstige therapeutische en preventieve benaderingen (MICRO-COV)

In december 2019 werden ernstige gevallen van longontsteking gemeld in verband met de Huanan Seafood Wholesale Market in Wuhan, China. Vier maanden en meer dan duizend doden later staat de verantwoordelijke ziekteverwekker van de grootste en meest kritieke wereldwijde gezondheidscrisis in de afgelopen 100 jaar bekend als ernstig acuut respiratoir syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2). De Coronavirusziekte 2019 (COVID-19) wordt gekenmerkt als een overdraagbare ziekte met een lange incubatietijd van 7 tot 14 dagen. In ongeveer 10% van de gevallen wordt een ernstig ziekteverloop waargenomen. Hoewel predisponerende factoren zoals hogere leeftijd, chronische arteriële hypertensie, diabetes en andere comorbiditeiten zijn beschreven, is er weinig bekend over het pathofysiologische mechanisme dat acuut longfalen veroorzaakt, gekoppeld aan de vaak voorkomende pathognomonische hart-, nier- en vaatletsels. voor het dodelijke verloop van deze ziekte.

De alveolaire exsudatieve en interstitiële ontsteking die de alveolo-capillaire gasuitwisseling belemmert, beschreven met betrekking tot SARS-CoV-2, voldoet aan de definitie van acute respiratory distress syndrome (ARDS). De pathofysiologische mechanismen achter dit letsel aan de long zijn het best beschreven in door bacteriële sepsis geïnduceerde ARDS, en worden voornamelijk geïnduceerd door de extravasatie van neutrofiele granulocyten van de capillaire vasculatuur in de long. Een van de belangrijkste mediatoren van extravasatie van neutrofielen is de degeneratie van de endotheliale oppervlaktelaag, namelijk de glycocalyx, geïnduceerd door endotoxine-geactiveerd heparansulfaat. Het dunner worden en destructie van de glycocalyx onthult verborgen adhesiemoleculen aan het endotheeloppervlak, zoals VCAM-1 en ICAM-1. De daardoor verhoogde adhesie van neutrofielen gekoppeld aan de inflammatoire cytokine-gemedieerde verplaatsing van VE-cadherine naar de binnenkant van de endotheelcellen, waardoor de endotheliale tight junctions loskomen, zorgt voor een verhoogde extravasatie van neutrofielen en diffusie van eiwitrijke vloeistof in het interstitium . Het daardoor gecreëerde milieu induceert activering en degranulatie van neutrofiele granulocyten, en lokt de afgifte uit van toxische mediatoren die het alveolaire epitheel vernietigen en verdere immunocytokines produceren, een cytokinestorm veroorzaken en de rekrutering van neutrofielen vergroten. Ten slotte verstoort de aggregatie van de geïnactiveerde longsurfactant door het eiwitrijke oedeem, verbonden met de gedegenereerde type 1 alveolaire epitheelcellen en het met hyalinemembraan bedekte, ontblote alveolaire basaalmembraan, de gasuitwisselingscapaciteit van het alveolo-capillairmembraan, waardoor het bloed wordt aangetast. oxygenatie en decarboxylatie.

In tegenstelling tot door bacteriën geïnduceerde ARDS, bereiken virale agentia die ARDS veroorzaken voornamelijk het alveolaire epitheel via viraal transport van de nasopharynx, van de bovenste naar de onderste luchtwegen. Bij virale infecties wordt de schade aan de long voornamelijk veroorzaakt door een directe virale invasie van type 1 en 2 pneumocyten. Dit veroorzaakt de accumulatie van eiwitrijk oedeem op een tweevoudige manier door de ENaC-kanalen uit te schakelen, die voornamelijk verantwoordelijk zijn voor de decongestie van de alveolaire kamer door het creëren van osmotische gradiënt, en door de fysisch-chemische barrière te doorbreken die door de pneumocyten wordt gevormd. Hoewel het effect van verstoring van de alveolaire barrière door middel van vasculaire endotheliale disfunctie wordt verminderd in tegenstelling tot bacteriële sepsis, scheiden het endotheel en het epitheel bij voortschrijdende ARDS chemotactoren af ​​om macrofagen en neutrofielen naar de ontstoken long te lokken, wat in analogie met bacteriële ARDS induceert een secundaire schade aan de long zoals reeds beschreven. Wijs echter op een overdreven aanvankelijk capillair lek in vergelijking met andere vormen van ARDS, wat sterk suggereert dat endotheliale disfunctie een primair mechanisme is.

Endotheelcelbeschadiging kan worden beoordeeld met behulp van zowel glycocalyx-afbraakproducten zoals syndecan-1, heparansulfaat en VE-cadherines als directe visualisatie van de stroomeigenschappen van rode bloedcellen in de haarvaten via handheld vitale microscopie (HVM) met behulp van de donkerveldmicroscopietechniek. Recente vorderingen in de onderzoeksgroep hebben de nauwkeurige differentiatie van vormen van microcirculatiefalen mogelijk gemaakt door kwantificering van de microcirculatoire diffusie en convectiecapaciteit. Vanuit een mondiaal perspectief is de alveolaire lekkage eerder gekwantificeerd met behulp van transpulmonale thermodilutie. Deze tools bieden de optimale voorwaarden om endotheelcelbeschadiging in de longen tijdens ARDS veroorzaakt door SARS-CoV-2-infectie specifiek te detecteren (glycocalyx-afbraakproducten in de alveolaire lavagevloeistof) en te kwantificeren (transpulmonale thermodilutie). Verder is in voorlopige rapporten beschreven dat ongeveer 20% van de ernstig zieke patiënten die lijden aan ARDS als gevolg van een SARS-CoV-2-infectie een ernstige systemische ontstekingsreactie en circulatoire shock ontwikkelen. Bij deze patiënten is de relatie tussen alveolaire endotheelcelbeschadiging en systemische endotheelcelbeschadiging van centraal belang en kan worden beoordeeld door gelijktijdige sublinguale HVM-meting.

Na de virale en inflammatoire gemedieerde longschade als de eerste trigger voor ARDS, kan de verdere verslechtering van de longfunctie voornamelijk afhangen van superinfectie. Er is beschreven dat superinfectie door bacteriën en schimmels voornamelijk verantwoordelijk is voor morbiditeit en mortaliteit bij virale ARDS in de midden- tot late fase tijdens soortgelijke pandemieën, zoals de Spaanse griep in 1918. Bij de huidige uitbraak in China werd bij 10 tot 30% de aanwezigheid van superinfecties door bacteriën en schimmels gevonden. Superinfectie leek een belangrijke risicofactor te zijn voor mortaliteit bij de COVID-19-patiënten. Hoewel het onduidelijk is of detectie van superinfectie door bacteriën en schimmels een klinische en therapeutische relevantie heeft, pleiten verschillende auteurs voor een empirische behandeling met antibiotica die zich voornamelijk richt op S. aureus en S. pneumonia.

Niet alleen is de risicostratificatie van superinfecties door bacteriën en schimmels relevant voor de beoordeling van de ernst van de ziekteprogressie, maar de vraag moet nog worden beoordeeld in welke mate de aanwezigheid van nosocomiale pathogeenoverdracht tijdens pandemieën bestaat en verantwoordelijk is voor morbiditeit en mortaliteit in gehospitaliseerde patiënten. Infectiepreventiemaatregelen, zoals standaard- en isolatievoorzorgsmaatregelen, zijn bedoeld om de nosocomiale overdracht van ziekteverwekkers in zorgomgevingen te voorkomen. Deze maatregelen omvatten handhygiëne, het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) (bijv. isolatiejassen, handschoenen, maskers, ademhalingstoestellen, oogbescherming) en milieumaatregelen - zoals het reinigen en desinfecteren van oppervlakken en medische apparatuur en instrumenten. Toch zijn mobiele apparaten, zoals particuliere en professionele mobiele telefoons, grotendeels niet aangepakt door dergelijke richtlijnen. Deze apparaten kunnen een belangrijke rol spelen bij indirecte contactoverdracht. Dat wil zeggen, wanneer een besmet intermediair object betrokken is bij de overdracht van een besmettelijke ziekteverwekker tussen twee individuen.

Het huidige bewijs, hoewel beperkt, heeft een verhoogde levensvatbaarheid aangetoond van SARS-CoV-2 op plastic en roestvrij staal, materialen die vaak worden gebruikt op mobiele apparaten en beschermhoezen, tot wel 72 uur. Hoewel onjuiste handhygiëne, gebrek aan persoonlijke beschermingsmiddelen en andere hygiënische routinefouten de meest voor de hand liggende vectoren zijn van nosocomiale ziekteverwekkers, bleken mobiele telefoons en andere draagbare apparaten onvoldoende te zijn gedesinfecteerd, waardoor kolonisatie van ziekteverwekkers mogelijk is, waarvan S. aureus de meest voorkomende is. veel voorkomend. Dit wordt versterkt doordat zorgverleners gemiddeld eens per 6,9 seconden mobiele objecten, waaronder mobiele telefoons, hebben aangeraakt en elke 40 seconden hun eigen lichaam of gezicht hebben aangeraakt. Dit ging gepaard met een extreem lage naleving van handhygiëneprotocollen voorafgaand aan kolonisatie en infectiegebeurtenissen. Deze bevindingen onderstrepen het potentieel van mobiele apparaten om te fungeren als vectoren voor de overdracht van ziekteverwekkers naar zowel patiënten als zorgverleners.

Bij het bestrijden van virale infecties herkent de aangeboren immuunafweer virale infectie voornamelijk door binding van pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's) aan pathogeenherkenningsreceptoren (PRR's). De expressiecascade die door deze receptorbindingen wordt geïnduceerd, stimuleert de interferon (IFN) Type I- en III-route. De rekrutering van de inflammatoire monocyt-macrofaag-neutrofielen-as door de IFN I-route is essentieel in de strijd tegen de meeste virale infecties. Desalniettemin zijn virussen zoals het Influenza A-virus in staat om de aanvang van IFN type I en III te omzeilen door hun replicatiemachinerie naar de celkern te verplaatsen en zo de cytoplasmatisch gelokaliseerde PRR's te omzeilen of interferon-mRNA's door eiwitten te inactiveren. De IFN I-route kan bij deze virussen tweevoudig werken; aan de ene kant kan het de initiële werking tegen het virus bemiddelen door maximaal bereikte titers te verminderen, aan de andere kant kan het onder bepaalde omstandigheden niettemin pathologisch een overexpressie veroorzaken, waardoor een cytokinestorm en toenemende schade aan het longparenchym wordt veroorzaakt.

SARS-CoV en SARS-CoV-2 zijn RNA-virussen met een positieve streng, die de celwand van de geïnfecteerde cellen binnendringen door middel van ACE-2-receptor-gemedieerde endocytose. Een begin van de expressie van de IFN I-route kan worden geassocieerd met een sterkere activatie van de IFN II-route en pro-inflammatoire cytokinestorm-inductie en dientengevolge een ernstigere ontregeling van het inflammatoire monocyt-macrofaagsysteem en de mate van longimmunopathologische schade. De pathofysiologische mechanica van deze nieuwe door SARS-CoV-2 geïnduceerde ARDS en de systemische ontregelingen die het veroorzaakt, kunnen alleen worden gespeculeerd op basis van zijn voorganger SARS-CoV, en inzichten die de ongebruikelijke klinische presentatie van de nieuwe ziekte verhelderen, zijn hard nodig om een ​​optimale behandeling af te leiden. benadering.

Samengevat, de mechanismen van de ernst van de ziekte bij ernstig zieke SARS-CoV-2 ARDS zijn talrijk, variërend van een ontregelde ontstekingsreactie, over de aanwezigheid van superinfecties door bacteriën en schimmels tot het belang van nosocomiale transmissie als een belangrijk doelwitelement in de dagelijkse -dagelijkse patiëntenzorg. Alleen een globale beoordeling van alle facetten die mogelijk verantwoordelijk zijn voor de ernst van de progressie van de ziekte bij COVID-19-patiënten, kan het onderliggende brouwsel ophelderen.

Projectdoelstellingen Het overkoepelende doel van dit onderzoek is het verkrijgen van pathofysiologisch inzicht om de morbiditeit en mortaliteit bij ARDS als gevolg van SARS-CoV-2-infectie te verbeteren. Dit onderzoek richt zich dus op ontsteking, disfunctie van de microcirculatie en superinfectie, met als doel risicofactoren voor de ontwikkeling van ernstige ARDS van met SARS-CoV-2 geïnfecteerde patiënten op te helderen en bij te dragen aan de grondgedachte voor therapeutische strategieën.

De individuele werkhypothesen zijn:

1. Aangenomen wordt dat de primaire schade aan de long bij SARS-CoV-2 ARDS wordt gemedieerd door een overdreven pro-inflammatoire respons die primaire endotheliale disfunctie veroorzaakt en vervolgens tweevoudig werkt op de afbraak van het longparenchym, via de primaire cytokinerespons, en door rekrutering van de inflammatoire-monocyt-lymfocyt-neutrofielen-as. De uitgesproken ontsteking en primaire schade aan de longen verstoren het longmicrobioom, wat secundair leidt tot superinfecties van de longen.
2. Pulmonale bacteriële superinfecties (d.w.z. S. pneumoniae, S. aureus, P. aeruginosa en anderen) zijn een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit bij COVID-19-patiënten. Pathogene kolonisatie in de bovenste luchtwegen is een voorwaarde en de belangrijkste risicofactor voor infecties van de onderste luchtwegen. Om kolonisatie tot stand te brengen, moeten ziekteverwekkers interageren met de lokale microbiota (ook bekend als microbioom) en bepaalde microbioomprofielen zullen beter bestand zijn tegen de invasie van pathogenen.
3. Handheld-apparaten die in klinische routine worden gebruikt, zijn een drager van zowel SARS-CoV-2 als bacteriën die nosocomiale longontsteking veroorzaken, waardoor ze een potentieel reservoir zijn voor indirecte contactoverdracht. Een gerichte infectiepreventie-interventie kan deze besmetting verminderen en daarmee het risico op nosocomiale overdracht verminderen.