PROSAIC-19 - Prospectieve longitudinale beoordeling in een met COVID-19 geïnfecteerd cohort (PROSAIC-19)

INVOERING

1.1 ACHTERGROND

Coronavirusziekte 2019 (COVID-19) veroorzaakt door SARS-CoV-2-infectie is een nieuwe, zich snel verspreidende infectieziekte zonder bewezen behandelingsopties. Het virus veroorzaakt een spectrum van ziekten, variërend van milde coryzale symptomen tot ernstige respiratoire problemen die beademingsondersteuning vereisen. Richtlijnen van Public Health England identificeren verschillende groepen die risico lopen op ernstige ziekten, waaronder ouderen en personen met chronische longziekte. Bovendien is er ook discussie over de rol van corticosteroïden, waarbij sommige ziekenhuisrichtlijnen het gebruik ervan aanbevelen, ondanks de richtlijnen van de WHO die dit tegenspreken vanwege bezorgdheid dat ze de antivirale immuniteit kunnen aantasten en de ziekte kunnen verergeren. De mechanismen die de ernst van de ziekte bepalen bij bepaalde personen die met COVID-19 zijn geïnfecteerd, worden slecht begrepen. We moeten deze mechanismen dringend begrijpen om de snelle ontwikkeling van nieuwe effectieve therapieën en vaccins mogelijk te maken

1. Immunogevoeligheid voor ernstige ziekte van COVID-19

Er zijn verschillende vermeende mechanismen waardoor SARS-CoV-2 een grotere ziekte-ernst zou kunnen veroorzaken bij personen met aanleg. Deze omvatten:

1. Verminderde aangeboren antivirale immuunresponsen

   Na virale binnenkomst omvat de aangeboren immuunrespons op respiratoire virussen de inductie van type I en III interferonen (IFN). Dit initieert een cascade die de expressie op gang brengt van een reeks interferon-gestimuleerde genen die eiwitten tot expressie brengen die samenwerken om virale replicatie te beperken. Chronische longziekten, met name astma, cystische fibrose (CF) en COPD, worden in verband gebracht met een verstoorde of ontregelde inductie van interferon voor veel voorkomende virussen zoals het rhinovirus en influenza, en soortgelijke ontregeling kan optreden bij SARS-CoV-2. Geïnhaleerd interferon-β wordt momenteel getest als een antivirale therapie voor astma en COPD.

2. Overdreven ontstekingsreacties op virale infectie

   Veel voorkomende respiratoire virale infecties zoals influenza en respiratoir syncyitiaal virus (RSV) kunnen virale pathologie bevorderen die wordt gemedieerd door antilichamen en T-celreacties. Vroeg bewijs suggereert dat ernstige COVID-19-ziekte geassocieerd is met hyperinflammatie, een kenmerk dat rechtstreeks kan worden veroorzaakt door virusbelasting of kan optreden als gevolg van onafhankelijke hyperactivering van het immuunsysteem. Menselijke coronavirusinfecties, waaronder SARS-CoV, kunnen immunopathologie in de longen induceren via een aantal verschillende mechanismen, waaronder antilichaamverbetering van SARS-CoV-infectie door menselijke macrofagen. Significante toenames in CD4 en CD8 die pro-inflammatoire cytokines tot expressie brengen, zijn aangetoond bij ernstige SARS-CoV-ziekte in vergelijking met milde/matige ziekte.

   Dienovereenkomstig is er aanzienlijke belangstelling geweest voor een mogelijke rol van herbestemming van bestaande immunosuppressieve therapieën voor de behandeling van ernstige COVID-19. De belangrijkste bemiddelaars en routes die hyperinflammatie bij COVID-19 veroorzaken, zijn onduidelijk en meer opheldering van deze processen zal leiden tot herbestemming van bestaande therapieën of ontwikkeling van nieuwe benaderingen voor effectieve behandeling. De implicatie van baseline ontregelde T-celresponsen zoals die worden gezien bij chronische longziekte (bijv. astma, COPD, Cystic Fibrosis) is opnieuw onduidelijk en vereist meer mechanistisch inzicht. Als zodanig is het tot nu toe onduidelijk of immunosuppressieve therapieën die momenteel in klinische onderzoeken worden uitgevoerd, gunstig of schadelijk zullen zijn bij deze grote cohorten van gevoelige patiënten.

3. Ontregelde interferon-afhankelijke endotheliale functie voor COVID-19

   Acute respiratory distress syndrome (ARDS) wordt gekenmerkt door hydrostatisch longoedeem, verhoogde pulmonale vasculaire weerstand en coagulopathie, er is een verstoring van de endotheliale functie met ontregelde afgifte van de endotheel afgeleide vasoactieve hormonen. Circulerende niveaus van endotheline-1 zijn verhoogd bij patiënten met ARDS [16], waarschijnlijk als gevolg van verhoogde productie en verminderde klaring in de longen die mogelijk worden gereguleerd door angiopoëtine-1.

   Ernstige SARS-CoV-2-infectie wordt geassocieerd met cytokinestorm. Verhoogde serumspiegels van een aantal belangrijke inflammatoire cytokines waaronder IFN-gamma, TNF-alfa, IP10, IL-8 en IL-10 en verhoogde niveaus van IL-6 zijn sterk geassocieerd met mortaliteit. IL-6-afgifte wordt synergetisch geïnduceerd door IFN-gamma en TNF-alfa en in een positief feedbackmechanisme versterkt een lage dosis IL-6 de cellulaire reacties op IFN-alfa sterk en moduleert interferon-gestimuleerde genexpressie. In een experimenteel muizenmodel ontdekten we dat infectie met rhinovirus met IFN-co-stimulatie leidt tot verhoogde bronchoalveolaire lavage-niveaus van IL-6 (Singanayagam et al, niet-gepubliceerde waarnemingen). Deze gegevens suggereren dat bij patiënten met ernstige COVID-19 een hyperinflammatoir proces ontstaat en we veronderstellen dat door ontregelde en ongecontroleerde IFN-productie, belangrijke vasculo-inflammatoire interferon-gestimuleerde genen, waaronder IP10 en ET-1, tot slechtere resultaten leiden met verhoogde parenchymale en pulmonale vasculaire aandoeningen. ontsteking. Dit resulteert in een dichotomie waarbij initiële IFN-inductie vereist is om virale replicatie te beperken, maar late ongecontroleerde productie kan de pathofysiologie verergeren. Dit wordt ondersteund door opkomende klinische gegevens die wijzen op een uniek fenotype voor SARS-CoV-2-patiënten op de intensive care, gekenmerkt door ernstige hypoxie met bijna normale longcompliantie.

4. Veranderde expressie van de virale ingangsreceptor: recente gegevens wijzen erop dat SARS-CoV-2 het angiotensine-converterend enzym (ACE)2 gebruikt als receptor voor virale hechting en ook het protease TMPRSS2 dat het spike(S)-eiwit splitst om fusie van het virus met cellulaire membranen. ACE2 en TMPRSS2 worden vaak tot co-expressie gebracht in het longepitheel. Een recente studie toonde ook aan dat ACE2 een interferon gestimuleerd gen (ISG) is (d.w.z. direct geïnduceerd door de antivirale respons) en daarom kan SARS-CoV-2 zijn eigen receptor opwaarts reguleren om infectie te verspreiden. Recente gegevens geven aan dat rokers en personen met chronische obstructieve longziekte (COPD) een verhoogde pulmonale ACE2-expressie hebben, wat suggereert dat chronische longziekte een grotere infectie met SARS-CoV-2 zou kunnen vergemakkelijken. Omgekeerd beschermt ACE2-expressie tegen acuut longletsel in de context van zure aspiratie of sepsis en daarom, als ACE2-inductie door SARS-CoV's wordt verstoord bij chronische longziekte, zou dit vatbaar kunnen zijn voor een nadelig resultaat.
5. Verhoogde secundaire bacteriële en/of schimmelinfecties

In vroege casusreeksen zijn secundaire infecties vaker waargenomen bij proefpersonen met ernstige COVID-19-ziekte. Secundaire bacteriële infectie is een algemeen erkend fenomeen na rhinovirus, influenza of respiratoir syncytieel virus en kan mechanistisch worden aangedreven door een reeks mogelijke mechanismen, waaronder fagocytose van macrofagen of door neutrofielen elastase gemedieerde splitsing van antimicrobiële peptiden. Deze processen kunnen worden verergerd door het gebruik van corticosteroïden28 en met name een groter deel van de patiënten met secundaire infecties na COVID-19 kreeg steroïden voorgeschreven.

Invasieve schimmelziekte consistent met aspergillose is ook waargenomen voor zowel ernstig acuut respiratoir syndroom coronavirus (SARS-CoV-2003) als Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS-CoV), en anekdotische rapporten van postmortale onderzoeken bij patiënten met COVID-19 van China suggereert dat Aspergillus longinfecties voorkomen. Deze gegevens zijn vroege waarschuwingssignalen dat secundaire invasieve schimmelinfecties een steeds ernstigere complicatie kunnen vormen bij patiënten met COVID-19 naarmate de pandemie voortschrijdt. Het begrijpen van de mechanistische basis voor immuungevoeligheid voor secundaire bacteriële/schimmelinfecties en het vermogen om deze secundaire infecties te voorkomen, zou een belangrijke stap kunnen zijn naar het verbeteren van de resultaten van de ziekte.

1.2 RATIONALE VOOR HUIDIGE ONDERZOEK

In deze studie zullen de onderzoekers bloed- en luchtwegmonsters analyseren van personen met bevestigde COVID-19 om de immuunmechanismen te begrijpen die tot ernstige ziekte leiden. We zullen specifieke mechanismen ophelderen die leiden tot ernstigere pathologie bij personen met een hoger risico, zoals mensen met chronische longziekte. Door middel van gedetailleerde immunoprofilering zullen we de belangrijkste routes en doelwitten voor medicijnen identificeren die we kunnen benutten in toekomstige klinische interventiestudies.

Hypothesen:

1. Personen met een hoog risico, waaronder personen met chronische longziekte, hebben een verminderde antivirale immuunrespons op SARS-CoV-2, waardoor door virussen veroorzaakte ontstekingen toenemen.
2. Interferon-afhankelijke endotheliale disfunctie stimuleert de pathogeniciteit bij SARS-CoV-2-infectie.
3. Gevoeligheid voor secundaire bacteriële en schimmelinfectie bij chronische longziekte is gerelateerd aan selectieve paddefecten in de aangeboren immuunfunctie.

2. STUDIEDOELSTELLINGEN

Hoofddoel:

1. Begrijp de immuunmechanismen die de ziekte van COVID-19 aandrijven bij patiënten met een voorgeschiedenis van longziekte

Secundaire doelstellingen

1. Identificeer immuuncorrelaten van bescherming en longpathologie bij SARS-CoV-2-infectie.
2. Analyse van de endotheelfunctie bij milde en ernstige COVID-19-patiënten en ex vivo met behulp van virusgestimuleerde, van bloed afkomstige endotheelcellen van patiënten met COVID-19.
3. Evaluatie van veranderingen in de microbiota en mycobiota van de bovenste/onderste luchtwegen tijdens COVID-19.
4. Evaluatie van ex vivo immuunresponsen van perifeer bloed op virale, bacteriële en schimmelstimuli bij patiënten met COVID-19 en chronische longziekte in vergelijking met patiënten met COVID-19 en geen chronische longziekte.
5. Analyse van de impact op de kwaliteit van leven van COVID-19-infectie bij chronische longziekte.

3. STUDIEONTWERP

Door middel van een 24 maanden durende prospectieve longitudinale multicenter (Royal Brompton & Harefield NHS Trust Chelsea en Westminster NHS Foundation Trust, en Imperial College Healthcare NHS Trusts) observationele studie, zal het onderzoeksteam bloed-, sputum- en neusmonsters analyseren naast niet-invasieve EndoPAT-apparaattesten in in totaal 230 proefpersonen. Het onderzoeksteam zal perifeer bloed, sputum, neusspoeling, borstels en nasale synthetische absorberende matrix (SAM)-monsters afnemen en niet-invasieve EndoPAT-testen uitvoeren op de dag van opname in het ziekenhuis en met wekelijkse tussenpozen tijdens de klinische setting en vervolgens tijdens poliklinische bezoeken na de opname in het ziekenhuis. ontslag over een follow-up periode van 12 maanden. Het onderzoeksteam zal klinische informatie verzamelen, waaronder demografische gegevens, routinematige laboratoriumonderzoeken, klinische symptoomscores en resultaten. Gekoppelde pseudo-geanonimiseerde radiologische beeldvorming zal ook worden overgedragen voor analyse.

Spontaan opgehoest sputum, nasale lavage, poetsbeurten en nasale synthetische absorberende matrix (SAM) monsters zullen worden genomen en verwerkt zoals eerder beschreven en opgeslagen bij -80°C voor downstream-analyses, waaronder ELISA/MSD, virale belastingsmeting en microbioomanalyse. Veneus bloed (60 ml) wordt in lithiumheparinebuisjes en PAXgene RNA-buisjes genomen en overgebracht naar Imperial College (RBH) voor verwerking en opslag. PBMC's zullen worden geëxtraheerd voor in vitro stimulatietesten en volbloed (1 ml) en serum (2 ml) worden geïsoleerd en bewaard bij -80oC voor verdere analyse. PAXgene-buisjes worden bewaard bij -80C voor verdere analyse van de genetische sequentie van de gastheer. Verdere immunologische analyse met behulp van gistoppervlakweergave voor serumantilichaamprofilering, enkele B-celsortering om monoklonale antilichamen te genereren en ELISPOT om CD4- en CD8 T-cel ELISPOT naar SARS CoV-2-peptidepools te analyseren. Verdere diepgaande immunologische profilering met behulp van cytokine-analyse, PBMC-cytokinerespons op virale (of virale PRR-agonist), schimmelstimuli, weergave van het gistoppervlak voor profilering van serumantilichamen, klonering van enkelvoudige B-celexpressie zal worden uitgevoerd. CD4 en CD8 T-cel ELISPOT zullen worden uitgevoerd zoals eerder beschreven. Niet-invasieve EndoPAT-testen zullen ook worden uitgevoerd zoals eerder beschreven.