PROSAIC-19 – Prospektiv longitudinell vurdering i en cohort-infisert kohort (PROSAIC-19)

INTRODUKSJON

1.1 BAKGRUNN

Koronavirussykdom 2019 (COVID-19) forårsaket av SARS-CoV-2-infeksjon er en ny infeksjonssykdom som sprer seg raskt uten påviste behandlingsalternativer. Viruset forårsaker et spekter av sykdommer som spenner fra milde koryzasymptomer til alvorlig respiratorisk kompromittering som krever ventilasjonsstøtte. Veiledning fra Public Health England identifiserer flere grupper som er utsatt for alvorlig sykdom, inkludert eldre og personer med kronisk lungesykdom. I tillegg er det også debatt om rollen til kortikosteroider med noen sykehusretningslinjer som anbefaler bruk til tross for WHO-veiledning som motsier dette på grunn av bekymring for at de kan svekke antiviral immunitet og forverre sykdommen. Mekanismene som driver sykdommens alvorlighetsgrad hos visse individer infisert med COVID-19 er dårlig forstått. Vi trenger snarest å forstå disse mekanismene for å lette rask utvikling av nye effektive terapier og vaksiner

1. Immunfølsomhet for alvorlig COVID-19 sykdom

Det er flere antatte mekanismer som SARS-CoV-2 kan føre til større sykdomsgrad hos disponerte individer. Disse inkluderer:

1. Nedsatt medfødt antiviral immunrespons

   Etter virusinntreden involverer den medfødte immunresponsen mot luftveisvirus induksjon av type I og III interferoner (IFN). Dette initierer en kaskade som utløser ekspresjon av en rekke interferon-stimulerte gener som uttrykker proteiner som virker sammen for å begrense viral replikasjon. Kroniske lungesykdommer, spesielt astma, cystisk fibrose (CF) og KOLS er assosiert med svekket eller dysregulert induksjon av interferon til vanlige virus som rhinovirus og influensa og lignende dysregulering kan forekomme med SARS-CoV-2. Inhalert interferon-β er for tiden i forsøk som en antiviral terapi for astma og KOLS.

2. Overdreven inflammatorisk respons på virusinfeksjon

   Vanlige respiratoriske virusinfeksjoner som influensa og respiratorisk syncyitialvirus (RSV) kan fremme viral patologi mediert av antistoffer og T-celleresponser. Tidlige bevis tyder på at alvorlig COVID-19-sykdom er assosiert med hyperinflammasjon, en funksjon som kan være direkte drevet av virusbelastning eller oppstå på grunn av uavhengig hyperaktivering av immunsystemet. Humane koronavirusinfeksjoner inkludert SARS-CoV kan indusere immunpatologi i lungene gjennom en rekke forskjellige mekanismer, inkludert antistoffforsterkning av SARS-CoV-infeksjon av humane makrofager. Signifikante økninger i CD4- og CD8-uttrykkende pro-inflammatoriske cytokiner er vist ved alvorlig SARS-CoV-sykdom sammenlignet med mild/moderat sykdom.

   Følgelig har det vært betydelig interesse for en potensiell rolle med å gjenbruke eksisterende immunsuppressive terapier for behandling av alvorlig COVID-19. De viktigste mediatorene og veiene som driver hyperinflammasjon i COVID-19 er uklare og større belysning av disse prosessene vil informere om bruk av eksisterende terapier eller utvikling av nye tilnærminger til effektiv behandling. Implikasjonen av baseline dysregulerte T-celleresponser som de som sees ved kronisk lungesykdom (f. astma, KOLS, cystisk fibrose) er igjen uklart og krever ytterligere mekanistisk forståelse. Som sådan er det foreløpig uklart om immunsuppressive terapier som for tiden er i kliniske studier vil være fordelaktige eller skadelige i disse store gruppene av mottakelige pasienter.

3. Dysregulert interferonavhengig endotelfunksjon til COVID-19

   Akutt respiratorisk distress syndrom (ARDS) er preget av hydrostatisk lungeødem, forhøyet pulmonal vaskulær motstand og koagulopati, det er forstyrrelse av endotelfunksjonen med dysregulert frigjøring av de endotelavledede vasoaktive hormonene. Sirkulerende nivåer av endotelin-1 er økt hos pasienter med ARDS [16], sannsynligvis på grunn av økt produksjon og redusert clearance i lungene som potensielt er regulert av angiopoietin-1.

   Alvorlig SARS-CoV-2-infeksjon er assosiert med cytokinstorm. Økte serumnivåer av en rekke viktige inflammatoriske cytokiner inkludert IFN-gamma, TNF-alfa, IP10, IL-8 og IL-10 og forhøyede nivåer av IL-6 er sterkt assosiert med dødelighet. IL-6-frigjøring induseres synergistisk av IFN-gamma og TNF-alfa, og i en positiv tilbakemeldingsmekanisme øker en lav dose IL-6 sterkt de cellulære responsene på IFN-alfa og modulerer interferon-stimulert genuttrykk. I en eksperimentell murin modell fant vi at infeksjon med rhinovirus med IFN-kostimulering fører til forhøyede bronkoalveolære lavage-nivåer av IL-6 (Singanayagam et al, upubliserte observasjoner). Disse dataene tyder på at hos pasienter med alvorlig COVID-19, oppstår en hyperinflammatorisk prosess, og vi antar at gjennom dysregulert og ukontrollert IFN-produksjon vil viktige vaskulo-inflammatoriske interferon-stimulerte gener, inkludert IP10 og ET-1, føre til dårligere utfall med økt parenkymal og pulmonal vaskulær. betennelse. Dette resulterer i en dikotomi der initial IFN-induksjon er nødvendig for å begrense viral replikasjon, men sen ukontrollert produksjon kan forverre patofysiologien. Dette støttes av nye kliniske data som antyder en unik fenotype for SARS-CoV-2 kritiske omsorgspasienter preget av alvorlig hypoksi med nesten normal lungekomplianse.

4. Endret viral inngangsreseptorekspresjon: Nyere data indikerer at SARS-CoV-2 bruker angiotensin-konverterende enzym (ACE)2 som en reseptor for viral binding og også proteasen TMPRSS2 som spalter spike(S)-proteinet for å tillate fusjon av viruset med cellulært membraner. ACE2 og TMPRSS2 uttrykkes ofte samtidig i lungeepitelet. En fersk studie viste også at ACE2 er et interferonstimulert gen (ISG) (dvs. direkte indusert av den antivirale responsen), og derfor kan SARS-CoV-2 oppregulere sin egen reseptor for å forplante infeksjon. Nyere data indikerer at røykere og personer med kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) har økt lunge-ACE2-uttrykk, noe som tyder på at kronisk lungesykdom kan lette større infeksjon med SARS-CoV-2. Motsatt beskytter ACE2-ekspresjon mot akutt lungeskade i sammenheng med syreaspirasjon eller sepsis, og derfor, hvis ACE2-induksjon av SARS-CoVs er svekket ved kronisk lungesykdom, kan dette disponere for uønsket utfall.
5. Økte sekundære bakterielle og/eller soppinfeksjoner

I tidlige tilfelleserier har sekundære infeksjoner blitt observert hyppigere hos personer med alvorlig COVID-19-sykdom. Sekundær bakteriell infeksjon er et godt anerkjent fenomen etter rhinovirus, influensa eller respiratorisk syncytialvirus og kan være mekanisk drevet av en rekke mulige mekanismer, inkludert makrofagfagocytose eller nøytrofil elastase-mediert spaltning av antimikrobielle peptider. Disse prosessene kan forverres ved bruk av kortikosteroider28, og spesielt hadde en større andel av pasientene med sekundære infeksjoner etter COVID-19 blitt foreskrevet steroider.

Invasiv soppsykdom forenlig med aspergillose er også observert for både alvorlig akutt respiratorisk syndrom koronavirus (SARS-CoV-2003) og Midtøsten respiratorisk syndrom koronavirus (MERS-CoV), og anekdotiske rapporter om obduksjoner hos pasienter med COVID-19 fra Kina antyder at Aspergillus lungeinfeksjoner forekommer. Disse dataene er tidlige varseltegn på at sekundære invasive soppinfeksjoner kan utgjøre en stadig mer alvorlig komplikasjon hos pasienter som rammes av COVID-19 etter hvert som pandemien utvikler seg. Å forstå det mekanistiske grunnlaget for immunfølsomhet for sekundær bakteriell/soppinfeksjon og en evne til å forhindre disse sekundære infeksjonene kan være et nøkkelsteg mot å forbedre utfallene fra sykdommen.

1.2 BEGRUNDELSE FOR AKTUELT STUDIE

I denne studien vil etterforskerne analysere blod- og luftveisprøver fra personer med bekreftet COVID-19 for å forstå immunmekanismene som fører til alvorlig sykdom. Vi vil belyse spesifikke mekanismer som driver mer alvorlig patologi hos individer med høyere risiko som de med kronisk lungesykdom. Gjennom detaljert immunprofilering vil vi identifisere nøkkelveier og medisinerbare mål å utnytte i fremtidige kliniske intervensjonsstudier.

Hypoteser:

1. Høyrisikoindivider inkludert personer med kronisk lungesykdom har svekket antiviral immunrespons mot SARS-CoV-2, noe som øker virusindusert betennelse.
2. Interferonavhengig endoteldysfunksjon driver patogenisitet ved SARS-CoV-2-infeksjon.
3. Mottakelighet for sekundær bakteriell og soppinfeksjon ved kronisk lungesykdom er relatert til selektive veidefekter i medfødt immunfunksjon.

2. STUDIEMÅL

Hovedmål:

1. Forstå immunmekanismene som driver COVID-19 sykdom hos pasienter med en historie med lungesykdom

Sekundære mål

1. Identifiser immunkorrelater av beskyttelse og lungepatologi ved SARS-CoV-2-infeksjon.
2. Analyse av endotelfunksjon hos milde og alvorlige COVID-19 pasienter og ex vivo ved bruk av virusstimulerte blodavledede endotelceller fra pasienter med COVID-19.
3. Evaluering av endringer i øvre/nedre luftveismikrobiota og mykobiota som oppstår under COVID-19.
4. Evaluering av ex vivo perifert blod immunresponser på viral, bakteriell og soppstimuli hos pasienter med COVID-19 og kronisk lungesykdom sammenlignet med pasienter med COVID-19 og ingen kronisk lungesykdom.
5. Analyse av livskvalitetseffekten av COVID-19-infeksjon ved kronisk lungesykdom.

3. STUDIEDESIGN

Gjennom en 24-måneders prospektiv longitudinell multisenter (Royal Brompton & Harefield NHS Trust Chelsea og Westminster NHS Foundation Trust, og Imperial College Healthcare NHS Trusts) observasjonsstudie, vil studieteamet analysere blod-, sputum- og neseprøver sammen med ikke-invasiv EndoPAT-enhetstesting i totalt pf 230 fag. Studieteamet vil innhente prøver av perifert blod, oppspytt, neseskylling, børsting og nasal syntetisk absorberende matrise (SAM) og utføre ikke-invasiv EndoPAT-testing på dagen for sykehuspresentasjon og med ukentlige intervaller under innleggelse og deretter under polikliniske besøk etter poliklinisk behandling. utskrivning over en 12 måneders oppfølgingsperiode. Studieteamet vil samle inn klinisk informasjon, inkludert demografi, rutinemessige laboratorieundersøkelser, kliniske symptomscore og utfall. Koblet pseudoanonymisert røntgenavbildning vil også bli overført til analyse.

Spontant ekspektorert sputum, neseskylling, børsting og nasal syntetisk absorptiv matrise (SAM) prøver vil bli tatt og behandlet som tidligere beskrevet og lagret ved -800C for nedstrømsanalyser inkludert ELISA/MSD, viral belastningsmåling og mikrobiomanalyse. Venøst ​​blod (60 ml) tas inn i litiumheparinrør og PAXgene RNA-rør og overføres til Imperial College (RBH) for prosessering og lagring. PBMC-er vil bli ekstrahert for in vitro-stimuleringsanalyser og fullblod (1 ml) og serum (2 ml) isolert og lagret ved -80oC for videre analyse. PAXgene-rør vil bli lagret ved -80C for videre vertsgenetisk sekvenseringsanalyse. Ytterligere immunologisk analyse ved bruk av gjæroverflatevisning for serumantistoffprofilering, enkelt B-cellesortering for å generere monoklonale antistoffer og ELISPOT for å analysere CD4 og CD8 T-celle ELISPOT til SARS CoV-2 peptidpooler. Ytterligere dyp immunologisk profilering ved bruk av cytokinanalyse, PBMC-cytokinrespons på viral (eller viral PRR-agonist), soppstimuli, gjæroverflatevisning for serumantistoffprofilering, enkeltminne B-celleekspresjonskloning vil bli utført. CD4 og CD8 T-celle ELISPOT vil bli utført som tidligere beskrevet. Ikke-invasiv EndoPAT-testing vil også bli utført som tidligere beskrevet.