Mikrobiota i COVID-19-pasienter for fremtidige terapeutiske og forebyggende tilnærminger (MICRO-COV)

I desember 2019 ble det rapportert om alvorlige tilfeller av lungebetennelse i forbindelse med Huanan Seafood Wholesale Market i Wuhan, Kina. Fire måneder og mer enn tusen dødsfall senere er det ansvarlige patogenet for den største og mest kritiske globale helsekrisen de siste 100 årene kjent som alvorlig akutt respiratorisk syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) karakteriseres som en smittsom sykdom med en lang inkubasjonstid på mellom 7 og 14 dager. I rundt 10 % av tilfellene observeres et alvorlig sykdomsforløp. Mens disponerende faktorer som høyere alder, kronisk arteriell hypertensjon, diabetes, så vel som andre komorbiditeter er beskrevet, er lite kjent om den patofysiologiske mekanismen, som induserer akutt lungesvikt, koblet til den ofte forekommende hjerte-, nyre- og vaskulære skaden patognomonisk. for det dødelige forløpet til denne sykdommen.

Den alveolære eksudative og interstitielle betennelsen som svekker alveolo-kapillær gassutveksling beskrevet i forhold til SARS-CoV-2, samsvarer med definisjonen av akutt respiratorisk distress syndrom (ARDS). Den patofysiologiske mekanikken bak denne skaden på lungen er best beskrevet i bakteriell sepsis-indusert ARDS, og er hovedsakelig indusert av ekstravasasjon av nøytrofile granulocytter fra kapillærvaskulaturen inn i lungen. En av hovedmediatorene for nøytrofil ekstravasasjon er degenerasjonen av endoteloverflatelaget, nemlig glykokalyxen, indusert av endotoksinaktivert heparansulfat. Tynningen og destruktureringen av glykokalyxen avslører skjulte endoteloverflateadhesjonsmolekyler som VCAM-1 og ICAM-1. Den derved økte adhesjonen av nøytrofiler koblet til den inflammatoriske cytokinmedierte forskyvningen av VE-cadherin til innsiden av endotelcellene, og løsner de endoteliale tette koblingene, muliggjør en økt ekstravasasjon av nøytrofiler og diffusjon av proteinrik væske inn i interstitium . Det derved skapte miljøet induserer aktivering og degranulering av nøytrofile granulocytter, og provoserer frigjøring av giftige mediatorer som ødelegger det alveolære epitelet og produserer ytterligere immuncytokiner, induserer en cytokinstorm og øker nøytrofilrekruttering. Til slutt forstyrrer aggregeringen av det inaktiverte pulmonale overflateaktive stoffet av det proteinrike ødemet sammen med de degenererte type 1-alveolære epitelceller og den hyalinmembrandekkede, avnakne alveolære basalmembranen gassutvekslingskapasiteten til den alveol-kapilære membranen, og svekker blodet. oksygenering og dekarboksylering.

I motsetning til bakterieindusert ARDS, når virale midler som forårsaker ARDS hovedsakelig alveolepitelet gjennom viral transport fra nasopharynx, fra øvre til nedre luftveier. Ved virusinfeksjoner er skaden på lungen primært forårsaket av en direkte viral invasjon av type 1 og 2 pneumocytter. Dette forårsaker akkumulering av proteinrikt ødem på en to ganger måte ved å deaktivere ENaC-kanalene, hovedsakelig ansvarlige for dekongessjonen av det alveolære rommet gjennom dannelse av osmotisk gradient, og ved å bryte den fysiokjemiske barrieren etablert av pneumocyttene. Selv om effekten av forstyrrelse av alveolar barriere ved hjelp av vaskulær endotel dysfunksjon reduseres i motsetning til bakteriell sepsis, med ARDS fremme, utskiller både endotelet og epitelet kjemotaktorer for å tiltrekke makrofager og nøytrofiler til den betente lungen, som i analogi med bakteriell ARDS induserer en sekundær skade på lungen som allerede beskrevet. Men pek på en overdreven innledende kapillærlekkasje sammenlignet med andre former for ARDS, noe som sterkt antyder endoteldysfunksjon som en primær mekanisme.

Endotelcelleskade kan vurderes ved å bruke både glykokalyx-nedbrytningsprodukter som syndekan-1, heparansulfat og VE-cadheriner og direkte visualisering av røde blodlegemers strømningsegenskaper i kapillærene via håndholdt vital mikroskopi (HVM) ved bruk av mørkefeltsmikroskopiteknikken. Nylige fremskritt i etterforskergruppen har muliggjort nøyaktig differensiering av moduser for mikrosirkulasjonssvikt ved kvantifisering av mikrosirkulatorisk diffusjon og konveksjonskapasitet. Fra et globalt perspektiv er alveollekkasjen tidligere blitt kvantifisert ved hjelp av transpulmonal termodilusjon. Disse verktøyene gir de optimale forutsetningene for å spesifikt oppdage (glykokalyx-nedbrytningsprodukter i den alveolære skyllevæsken) og kvantifisere (transpulmonal termodilusjon) endotelcelleskade i lungen under ARDS forårsaket av SARS-CoV-2-infeksjon. Videre har omtrent 20 % av kritisk syke pasienter som lider av ARDS på grunn av SARS-CoV-2-infeksjon blitt beskrevet i foreløpige rapporter for å utvikle alvorlig systemisk inflammatorisk respons og sirkulasjonssjokk. Hos disse pasientene er forholdet mellom alveolær endotelcelleskade og systemisk endotelcelleskade av sentral interesse og kan vurderes ved samtidig sublingual HVM-måling.

Etter den virale og inflammatoriske medierte lungeskaden som den første triggeren for ARDS, kan den videre forverringen av lungefunksjonen hovedsakelig avhenge av superinfeksjon. Bakteriell og soppsuperinfeksjon er blitt beskrevet som hovedansvarlig for sykelighet og dødelighet i mellom- til senfase viral ARDS under lignende pandemier, som Spanskesyken i 1918. I det nåværende utbruddet i Kina ble tilstedeværelse av bakterie- og soppsuperinfeksjoner funnet hos 10 til 30 %. Superinfeksjon så ut til å representere en viktig risikofaktor for dødelighet hos COVID-19-pasientene. Selv om det er uklart om påvisning av bakteriell og soppsuperinfeksjon har en klinisk og terapeutisk relevans, tar flere forfattere til orde for empirisk antibiotikabehandling rettet hovedsakelig mot S. aureus og S. pneumoni.

Ikke bare er stratifiseringen av risiko assosiert med bakterie- og soppsuperinfeksjoner relevant for vurderingen av alvorlighetsgraden av sykdomsprogresjonen, men spørsmålet gjenstår å vurdere i hvilken grad tilstedeværelsen av nosokomial patogenoverføring under pandemier eksisterer og er ansvarlig for sykelighet og dødelighet i innlagte pasienter. Infeksjonsforebyggende tiltak, for eksempel standard- og isolasjonsforholdsregler, er ment å forhindre nosokomial overføring av patogener i helsevesenet. Disse tiltakene inkluderer håndhygiene, bruk av personlig verneutstyr (PPE) (f. isolasjonskjoler, hansker, masker, åndedrettsvern, øyevern), og miljøtiltak - som rengjøring og desinfisering av overflater og medisinsk utstyr og instrumenter. Likevel har mobile enheter, som private og profesjonelle mobiltelefoner, stort sett ikke blitt adressert av slike retningslinjer. Disse enhetene kan spille en viktig rolle i indirekte kontaktoverføring. Det vil si når et forurenset mellomobjekt er involvert i overføringen av et smittsomt patogen mellom to individer.

Nåværende bevis, selv om det er begrenset, har vist en økt levedyktighet av SARS-CoV-2 på plast og rustfritt stål, materialer som ofte brukes på mobile enheter og beskyttelsesdeksler, på opptil 72 timer. Selv om feil håndhygiene, mangel på personlig verneutstyr og andre hygieniske rutinefeil er de mest åpenbare vektorene for sykehuspatogener, har mobiltelefoner og andre håndholdte enheter vist seg å være utilstrekkelig desinfisert, noe som tillater patogenkolonisering, hvorav S. aureus er den mest hyppig. Dette forverres av det faktum at helsepersonell berørte mobile gjenstander, inkludert mobiltelefoner, i gjennomsnitt én gang hvert 6,9 sekund og berørte sin egen kropp eller ansikt hvert 40. sekund. Dette ble ledsaget av en ekstremt lav overholdelse av håndhygieneprotokoller før kolonisering og infeksjonshendelser. Disse funnene understreker potensialet til mobile enheter, for å fungere som vektorer for overføring av patogener til både pasienter og helsepersonell.

Ved bekjempelse av virusinfeksjoner gjenkjenner det medfødte immunforsvaret virusinfeksjon hovedsakelig gjennom binding av patogenassosierte molekylære mønstre (PAMPs) til patogengjenkjenningsreseptorer (PRR). Ekspresjonskaskaden indusert av disse reseptorbindingene stimulerer interferon (IFN) Type I og III pathway. Rekrutteringen av den inflammatoriske monocytt-makrofag-nøytrofilaksen ved IFN I-banen er avgjørende i kampen mot de fleste virusinfeksjoner. Ikke desto mindre er virus som influensa A-viruset i stand til å unngå IFN type I og III-begynnelsen, ved å flytte replikasjonsmaskineriet deres inn i cellekjernen og dermed unngå de cytoplasmatisk lokaliserte PRR-ene eller inaktivere interferon-mRNA-er gjennom proteiner. IFN I-banen kan virke dobbelt i disse virusene; på den ene siden kan det formidle innledende handling mot viruset og redusere maksimalt oppnådde titere, på den annen side kan det under visse omstendigheter likevel patologisk overuttrykke indusere en cytokinstorm og øke skaden på lungeparenkymet.

SARS-CoV og SARS-CoV-2 er positiv-tråd RNA-virus, som penetrerer celleveggen til de infiserte cellene ved ACE-2-reseptormediert endocytose. Et utbrudd av IFN I-baneuttrykket kan være assosiert med en sterkere IFN II-veiaktivering og pro-inflammatorisk cytokinstorm-induksjon og følgelig en mer alvorlig dysregulering av det inflammatoriske monocytt-makrofagesystemet og graden av lungeimmunopatologisk skade. Den patofysiologiske mekanikken til denne nye SARS-CoV-2-induserte ARDS og de systemiske dysreguleringene den induserer kan bare spekuleres basert på forgjengeren SARS-CoV, og innsikt som belyser den uvanlige kliniske presentasjonen av den nye sykdommen er desperat nødvendig for å oppnå en optimal behandling nærme seg.

Oppsummert er mekanismene for sykdommens alvorlighetsgrad i kritisk syke SARS-CoV-2 ARDS mangfoldige, alt fra en dysregulert inflammatorisk respons, over tilstedeværelsen av bakterielle og soppsuperinfeksjoner til viktigheten av nosokomial overføring som et sentralt målbart element i daglig til -daglig pasientbehandling. Bare en global vurdering av alle fasetter som muligens er ansvarlige for alvorlighetsgraden av sykdomsprogresjon hos COVID-19-pasienter, kan ta sikte på å belyse den underliggende blandingen.

Prosjektmål Det overordnede målet med denne forskningen er å oppnå patofysiologisk forståelse for å forbedre sykelighet og dødelighet ved ARDS på grunn av SARS-CoV-2-infeksjon. Denne forskningen fokuserer derfor på betennelse, mikrosirkulatorisk dysfunksjon og superinfeksjon, med sikte på å belyse risikofaktorer for utvikling av alvorlig ARDS hos SARS-CoV-2-infiserte pasienter og bidra til begrunnelsen for terapeutiske strategier.

De individuelle arbeidshypotesene er:

1. Den primære skaden på lungen i SARS-CoV-2 ARDS antas å være mediert av en overdreven pro-inflammatorisk respons som forårsaker primær endotel dysfunksjon, og som deretter virker to ganger på nedbrytningen av lungeparenkymet, gjennom den primære cytokinresponsen, og gjennom rekruttering av den inflammatoriske-monocytt-lymfocytt-nøytrofile aksen. Den uttalte betennelsen og primære skaden på lungen forstyrrer lungemikrobiomet, og fører sekundært til lungesuperinfeksjoner.
2. Lungebakterielle superinfeksjoner (dvs. S. pneumoniae, S. aureus, P. aeruginosa og andre) er en betydelig årsak til sykelighet og dødelighet hos COVID-19-pasienter. Patogenkolonisering i de øvre luftveiene er en forutsetning og den viktigste risikofaktoren for nedre luftveisinfeksjoner. For å etablere kolonisering må patogener samhandle med den lokale mikrobiotaen (a.k.a. mikrobiom) og visse mikrobiomprofiler vil være mer motstandsdyktige mot patogeninvasjon.
3. Håndholdte enheter som brukes i klinisk rutine er en bærer av begge, SARS-CoV-2, så vel som bakterier som forårsaker nosokomial lungebetennelse, noe som gjør dem til et potensielt reservoar for indirekte kontaktoverføring. En målrettet infeksjonsforebyggende intervensjon kan redusere denne forurensningen og dermed redusere risikoen for sykehusoverføring.