Hjärtskada i COVID-19: en patologistudie

Sedan dec 2019 har coronavirus sjukdom 2019 (COVID-19) orsakad av det allvarliga akuta respiratoriska syndromet coronavirus 2(SARS-CoV-2) resulterat i avsevärd sjuklighet och dödlighet över hela världen. Den 21 april 2020 har Italien och USA registrerat över 187 000 respektive 855 000 fall av bekräftad covid-19-sjukdom, med en av de högsta dödstalen i världen, som ligger på mer än 25 000 individer i Italien och 47 000 i USA. Epidemiologisk modellering från flera grupper indikerar omfattningen av problemet, med en potential för över 200 000 dödsfall bara i USA, med en stor andel av befolkningen infekterad. Dödligheten i covid-19 är associerad med förekomsten av allvarliga luftvägssjukdomar, även om nya studier tyder på att 20-30% av patienterna har tecken på covid-19-associerad hjärtskada definierad som minskning av ejektionsfraktion eller troponin I-höjning (1,2) . Anekdotiska bevis tyder på förekomsten av onormala EKG-fynd som är förenliga med myokardischemi, men huruvida detta är från epikardiell koronartrombos, myokardit eller mikrovaskulär trombos är fortfarande osäkert även om alla har postulerats (3). Oavsett vilket har patienter med hjärtskada högre dödlighet än de utan, och plötslig hjärtdöd har beskrivits hos några av dessa patienter (1). Två tredjedelar av patienterna med kardiovaskulär historia var mer benägna att utveckla hjärtkomplikationer (4). Enstaka rapporter har beskrivit fulminant myokardit vid hög virusmängd med obduktionsfynd som överensstämmer med inflammatoriska mononukleära infiltrat (5). Inga systematiska obduktionsstudier av patienter som dör av covid-19 har dock någonsin genomförts. Papa Giovanni XXIII-sjukhuset, Bergamo hade behandlat cirka 2000 patienter med covid-19 och utfört systematiska hjärtobduktioner från en serie av 60 patienter som dog eller presenterades med/utan en bild av hjärtskada och som var covid-19-positiva. Detaljerade kliniska data om alla dessa patienter finns tillgängliga.

Bakgrund Mycket om patogenesen av SARS-CoV-2 och hjärtat är fortfarande okänt. Angiotensin (AT)-omvandlande enzym 2 (ACE2) är känt som den cellulära receptorn för både SARS-CoV och SARS-CoV-2 men också som en endogen motregulator av renin-angiotensinsystemet (RAS). ACE2 uttrycks överallt med de högsta nivåerna som detekteras i det kardiovaskulära systemet (kardiomyocyter, hjärtfibroblaster, vaskulära glatta muskelceller och endotelceller) samt tarm, njurar och lungor. Generellt sett ökar förlust av ACE2 känsligheten för hjärt-kärlsjukdomar såsom hjärtinfarkt och högt blodtryck medan ökad funktion ACE2 har visat skyddande roller i olika modeller av hjärt-kärlsjukdom (6). Den bifunktionella rollen av ACE2 som en receptor för SARS-COV-2 men också som en skyddande faktor mot hjärt-kärlsjukdomar innebär att noggrann förståelse för rollen av ACE2 under SARS-CoV-2 behövs. I detta förslag kommer utredarna att undersöka hjärtvävnader från patienter som dör av covid-19 och undersöka effekten av infektion på uttrycket av ACE2 på olika hjärtceller. Utredarna kommer också att utvärdera och validera denna hypotesmekanism för viralt inträde av ACE2 och transmembran serinproteas som främjar inträde av SARS-COV-2 i celler genom en separat mekanism.

Studiemål:

1. Beskriv de hjärtpatologiska fynden från serier av 60 patienter som dör av covid-19 med hjälp av hjärtprover som skickats till CVPath Institution från Papa Giovanni XXIII Hospital, Bergamo, Italien för att studera korrelationerna mellan kliniska riskfaktorer och myokardfynd och skillnaden från annan viral myokardit;
2. Förstå sambandet mellan virusmängd i hjärtvävnad och omfattningen av skador som ses på myokardial histologiska snitt; och
3. Samlokalisera SARS-CoV-2 med hjälp av RNAscope in situ hybridisering, med dess ingångsreceptor ACE2 och serinproteas TMPRSS2 (typ II transmembran serinproteas) i olika celltyper som finns i hjärtat, såsom endotel, glatt muskulatur, myokard, fibroblast och inflammatoriska celler, för att bättre förstå sjukdomens patogenes.

Metoder:

Studien godkändes av den etiska kommittén vid Papa Giovanni XXIII Hospital och CVPath Institute IRB (Institutional Review Board).

Alla prover fixeras i 10 % buffrat formalin. Hjärtan kommer att skickas till CVPath i enlighet med alla internationella fraktbestämmelser och amerikanska CDC (Centers for Disease Control and Prevention) riktlinjer (www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/hcp/guidance-postmortem) specimens.html). Provet ges en unik identifierare och hjärtan vägs efter att blodproppar har avlägsnats från hålrummen, och hjärtkamrarna skärs parallellt med den bakre atrioventrikulära korsningen för att fastställa frånvaron av nekros eller fibros. Lungemboli och eventuella högerkammaravvikelser bedöms för att utesluta all hänförbar dödsorsak. Hjärtat vägs och röntgas och om någon förkalkning observeras avlägsnas de epikardiella kranskärlen intakta bort från hjärtat och segmenten avkalkas i enlighet med omfattningen av förkalkningen. Resten av artärerna lämnas in för paraffininbäddning med 3-4 mm intervaller för att utesluta all signifikant åderförkalkning (75 % tvärsnittsarea stenos) eller trombos.

Totalt sex sektioner av myokardiet (främre, bakre och laterala LV (vänster kammare), kammarskiljevägg, främre och bakre väggen av höger kammare) tas rutinmässigt tvärs, inbäddade i paraffin och färgas med hematoxylin och eosin (H&E) för histologisk utvärdering. Om specifik patologi observeras kommer ytterligare sektioner att skickas in för att fastställa etiologin för fynden. Histologisk undersökning utförs för att utesluta varje infiltrativ eller inflammatorisk process eller någon myofiberförändring i myokardiet, intramyokardiell småkärlsjukdom av interstitiell eller fokal fibros. Förekomst av någon kardiomyopatisk process kommer att uteslutas genom grov och histologisk undersökning. Om obduktionsintervallet är kort kommer transmissionselektronmikroskopisk (TEM) undersökning att utföras för att fastställa förekomsten av virus och celltypen som härbärgerar viruset.

Korrelationer med obduktionsfynd kommer att göras med tillgängliga anonymiserade kliniska data inklusive EKG, ekokardiografi och hjärtkateterisering (där tillgänglig). De hjärtpatologiska egenskaperna hos COVID-19 kommer att jämföras med 60 fall av viral myokardit som tidigare har samlats in i CVPath-registret. En RT-PCR (omvänd transkriptionspolymeraskedjereaktion) speciellt utformad för SARS-CoV-2 kommer att utföras på RNA extraherat från myokardprover för att kvantifiera mängden virus i myokardiet för varje prov. RNA-prover kommer också att tas från kranskärlen. Beräknad virusmängd kommer att korreleras med antalet hjärtskador inklusive myokardnekros, hjärtinfarkt, myokardit, antal inflammatoriska celler, typ, etc.

RNAscope In-situ hybridisering. In situ-detektion av SARS-CoV-2 med ACE2 och TMPRSS2 i endotel (VE-cadherin), myokard (Cx43 och Myh6), glatt muskelcell (SM22 alfa) och lymfocyter (CD3, CD4, CD8) kommer att utföras med ett RNAscope analys med RNAscope Probe-V-nCoV2019-S-sense och Probe-V-nCoV2019-S (Advanced Cell Diagnostics) enligt tillverkarens protokoll. Korrelation kommer att göras med specifika celltyper som nämns genom dubbel immunofluorescens som tidigare beskrivits (7).

Denna studie kommer att resultera i en större förståelse för patologin av hjärtskada hos patienter med COVID-19. Om du gör det kommer det att öppna dörren för att utveckla nya terapeutiska alternativ för att behandla dessa patienter under en epidemi av oöverträffad storlek och omfattning.