Mikrobiota i COVID-19-patienter för framtida terapeutiska och förebyggande tillvägagångssätt (MICRO-COV)

I december 2019 rapporterades allvarliga fall av lunginflammation i samband med Huanan Seafood Wholesale Market i Wuhan, Kina. Fyra månader och mer än tusen dödsfall senare är den ansvariga patogenen för den största och mest kritiska globala hälsokrisen under de senaste 100 åren känd som allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Coronaviruss sjukdom 2019 (COVID-19) karakteriseras som en överförbar sjukdom med en lång inkubationstid på mellan 7 och 14 dagar. I cirka 10 % av fallen observeras ett allvarligt sjukdomsförlopp. Även om predisponerande faktorer som högre ålder, kronisk arteriell hypertoni, diabetes, liksom andra samsjukligheter har beskrivits, är lite känt om den patofysiologiska mekanismen, som inducerar akut lungsvikt, kopplat till den ofta uppträdande hjärt-, njur- och kärlskadan patognomoniska för det dödliga förloppet av denna sjukdom.

Den alveolära exsudativa och interstitiella inflammationen som försämrar alveolo-kapillärt gasutbyte som beskrivs i relation till SARS-CoV-2 överensstämmer med definitionen av akut andnödsyndrom (ARDS). Den patofysiologiska mekaniken bakom denna skada på lungan har bäst beskrivits i bakteriell sepsisinducerad ARDS, och induceras huvudsakligen av extravasation av neutrofila granulocyter från kapillärkärlen in i lungan. En av huvudmediatorerna för neutrofil extravasation är degenereringen av endotelytskiktet, nämligen glykokalyxen, inducerad av endotoxinaktiverat heparansulfat. Förtunningen och destruktureringen av glykokalyxen avslöjar dolda endotelial ytadhesionsmolekyler som VCAM-1 och ICAM-1. Den därigenom ökade adhesionen av neutrofiler kopplad till den inflammatoriska cytokinmedierade förskjutningen av VE-cadherin till insidan av endotelcellerna, vilket lossar de endoteliala täta förbindelserna, möjliggör en ökad extravasation av neutrofiler och diffusion av proteinrik vätska in i interstitium . Den därigenom skapade miljön inducerar aktivering och degranulering av neutrofila granulocyter, och provocerar frisättning av toxiska mediatorer som förstör det alveolära epitelet och producerar ytterligare immuncytokiner, inducerar en cytokinstorm och ökar neutrofilrekryteringen. Slutligen stör aggregeringen av den inaktiverade lungsurfaktanten av det proteinrika ödem som är förenat med de degenererade alveolära epitelcellerna av typ 1 och det hyalina membrantäckta, avnäckta alveolära basalmembranet gasutbyteskapaciteten hos det alveolo-kapillära membranet, vilket försämrar blodet. syresättning och dekarboxylering.

I motsats till bakterieinducerad ARDS når virala medel som orsakar ARDS huvudsakligen alveolära epitelet genom virustransport från nasofarynx, från övre till nedre luftvägarna. Vid virusinfektioner orsakas skadorna på lungan främst av en direkt virusinvasion av typ 1 och 2 pneumocyter. Detta orsakar ackumulering av proteinrikt ödem på ett dubbelt sätt genom att inaktivera ENaC-kanalerna, huvudsakligen ansvariga för avtäppningen av alveolarrummet genom skapande av osmotisk gradient, och genom att bryta den fysiokemiska barriären som etableras av pneumocyterna. Även om effekten av störning av alveolarbarriären genom att vaskulär endotel dysfunktion reduceras i motsats till bakteriell sepsis, med ARDS framåt, utsöndrar både endotelet och epitelet kemotaktorer för att attrahera makrofager och neutrofiler till den inflammerade lungan, vilket i analogi med bakteriellt ARDS inducerar en sekundär skada på lungan som redan beskrivits. Men peka på en överdriven initial kapillärläcka jämfört med andra former av ARDS, vilket starkt tyder på endotelial dysfunktion som en primär mekanism.

Endotelcellskada kan bedömas med både nedbrytningsprodukter av glykokalyx som syndekan-1, heparansulfat och VE-cadheriner och direkt visualisering av röda blodkroppars flödesegenskaper i kapillärerna via handhållen vital mikroskopi (HVM) med användning av mörkfältsmikroskopitekniken. De senaste framstegen i forskargruppen har möjliggjort noggrann differentiering av sätt för mikrocirkulationsfel genom kvantifiering av mikrocirkulationsdiffusions- och konvektionskapaciteten. Ur ett globalt perspektiv har det alveolära läckaget tidigare kvantifierats med hjälp av transpulmonell termodilution. Dessa verktyg ger de optimala förutsättningarna för att specifikt upptäcka (glykokalyxnedbrytningsprodukter i alveolsköljvätskan) och kvantifiera (transpulmonell termodilution) endotelcellskada i lungan under ARDS orsakad av SARS-CoV-2-infektion. Vidare har cirka 20 % av kritiskt sjuka patienter som lider av ARDS på grund av SARS-CoV-2-infektion beskrivits i preliminära rapporter för att utveckla allvarlig systemisk inflammatorisk respons och cirkulatorisk chock. Hos dessa patienter är sambandet mellan alveolär endotelcellskada och systemisk endotelcellskada av centralt intresse och kan bedömas genom samtidig sublingual HVM-mätning.

Efter den virala och inflammatoriskt förmedlade lungskadan som den initiala triggern för ARDS, kan den ytterligare försämringen av lungfunktionen huvudsakligen bero på superinfektion. Bakterie- och svampsuperinfektion har beskrivits som huvudsakligen ansvarig för sjuklighet och dödlighet i viral ARDS i mitten till sen fas under liknande pandemier, såsom Spanska sjukan 1918. I det aktuella utbrottet i Kina upptäcktes förekomst av bakterie- och svampsuperinfektioner hos 10 till 30 %. Superinfektion verkade representera en stor riskfaktor för dödlighet hos covid-19-patienter. Även om det är oklart om detektion av bakteriell och svampsuperinfektion har en klinisk och terapeutisk relevans, förespråkar flera författare empirisk antibiotikabehandling riktad främst mot S. aureus och S. pneumoni.

Inte bara är stratifieringen av risk förknippad med bakterie- och svampsuperinfektioner relevant för bedömningen av svårighetsgraden av sjukdomsprogression, utan frågan återstår att bedöma i vilken grad förekomsten av nosokomial patogenöverföring under pandemier existerar och är ansvarig för sjuklighet och dödlighet i inlagda patienter. Infektionsförebyggande åtgärder, såsom standard- och isoleringsförebyggande åtgärder, är avsedda att förhindra nosokomial överföring av patogener i vårdmiljöer. Dessa åtgärder inkluderar handhygien, användning av personlig skyddsutrustning (t.ex. isoleringsrockar, handskar, masker, andningsskydd, ögonskydd) och miljöåtgärder - såsom rengöring och desinficering av ytor och medicinsk utrustning och instrument. Ändå har mobila enheter, såsom privata och professionella mobiltelefoner, till stor del inte adresserats av sådana riktlinjer. Dessa enheter kan spela en viktig roll vid indirekt kontaktöverföring. Det vill säga när ett kontaminerat mellanobjekt är involverat i överföringen av en smittsam patogen mellan två individer.

Aktuella bevis, även om de är begränsade, har visat en ökad livskraft för SARS-CoV-2 på plast och rostfritt stål, material som ofta används på mobila enheter och skyddsöverdrag, på upp till 72 timmar. Även om felaktig handhygien, brist på personlig skyddsutrustning och andra hygieniska rutinmisstag är de mest uppenbara vektorerna för nosokomiala patogener, har mobiltelefoner och andra handhållna enheter visat sig vara otillräckligt desinficerade, vilket tillåter patogenkolonisering, av vilken S. aureus är den mest frekvent. Detta förvärras av det faktum att vårdgivare rörde mobila föremål, inklusive mobiltelefoner, i genomsnitt en gång var 6,9:e sekund och rörde sin egen kropp eller ansikte var 40:e sekund. Detta åtföljdes av en extremt låg efterlevnad av handhygienprotokoll före kolonisering och infektionshändelser. Dessa fynd understryker potentialen hos mobila enheter, att fungera som vektorer för överföring av patogener till både patienter och vårdgivare.

Vid bekämpning av virusinfektioner känner det medfödda immunförsvaret igen virusinfektion huvudsakligen genom bindning av patogenassocierade molekylära mönster (PAMP) till patogenigenkännande receptorer (PRR). Expressionskaskaden inducerad av dessa receptorbindningar stimulerar interferon (IFN) typ I- och III-vägar. Rekryteringen av den inflammatoriska axeln av monocyt-makrofag-neutrofil genom IFN I-vägen är väsentlig i kampen mot de flesta virusinfektioner. Icke desto mindre kan virus såsom influensa A-virus undvika IFN typ I- och III-uppkomsten genom att flytta deras replikationsmaskineri in i cellkärnan och på så sätt undvika de cytoplasmatiskt belägna PRR eller inaktivera interferon-mRNA genom proteiner. IFN I-vägen kan verka dubbelt i dessa virus; å ena sidan kan det förmedla initial verkan mot viruset och reducera maximalt uppnådda titrar, å andra sidan kan det under vissa omständigheter ändå patologiskt överuttrycka inducera en cytokinstorm och öka skadorna på lungparenkymet.

SARS-CoV och SARS-CoV-2 är positivsträngade RNA-virus, som penetrerar cellväggen i de infekterade cellerna genom ACE-2-receptormedierad endocytos. En början av IFN I-vägsuttrycket kan vara associerat med en starkare IFN II-vägaktivering och pro-inflammatorisk cytokinstorminduktion och följaktligen en allvarligare dysreglering av det inflammatoriska monocyt-makrofagsystemet och graden av lungimmunopatologisk skada. Den patofysiologiska mekaniken i denna nya SARS-CoV-2-inducerade ARDS och de systemiska störningar den inducerar kan bara spekuleras baserat på dess föregångare SARS-CoV, och insikter som klargör den ovanliga kliniska presentationen av den nya sjukdomen behövs desperat för att få en optimal behandling närma sig.

Sammanfattningsvis är mekanismerna för sjukdomens svårighetsgrad i kritiskt sjuka SARS-CoV-2 ARDS mångfaldiga, allt från ett dysreglerat inflammatoriskt svar, över närvaron av bakteriella och svamp-superinfektioner till vikten av nosokomial överföring som ett viktigt målbart element i dag till -daglig patientvård. Endast en global bedömning av alla aspekter som kan vara ansvariga för svårighetsgraden av sjukdomsprogression hos covid-19-patienter kan syfta till att belysa det underliggande hopkoket.

Projektmål Det övergripande syftet med denna forskning är att få den patofysiologiska förståelsen för att förbättra sjuklighet och mortalitet i ARDS på grund av SARS-CoV-2-infektion. Denna forskning fokuserar alltså på inflammation, mikrocirkulatorisk dysfunktion och superinfektion, i syfte att belysa riskfaktorer för utveckling av svår ARDS hos SARS-CoV-2-infekterade patienter och bidra till logiken för terapeutiska strategier.

De individuella arbetshypoteserna är:

1. Den primära skadan på lungan i SARS-CoV-2 ARDS tros förmedlas av ett överdrivet pro-inflammatoriskt svar som orsakar primär endotel dysfunktion, och som därefter verkar dubbelt på nedbrytningen av lungparenkymet, genom det primära cytokinsvaret, och genom rekrytering av den inflammatoriska-monocyt-lymfocyt-neutrofila axeln. Den uttalade inflammationen och primära skadorna på lungan stör lungmikrobiomet, vilket sekundärt leder till pulmonella superinfektioner.
2. Lungbakteriella superinfektioner (d.v.s. S. pneumoniae, S. aureus, P. aeruginosa och andra) är en betydande orsak till sjuklighet och mortalitet hos patienter med covid-19. Patogenkolonisering i de övre luftvägarna är en förutsättning och den främsta riskfaktorn för nedre luftvägsinfektioner. För att etablera kolonisering måste patogener interagera med den lokala mikrobiotan (a.k.a. mikrobiom) och vissa mikrobiomprofiler kommer att vara mer motståndskraftiga mot patogeninvasion.
3. Handhållna enheter som används i klinisk rutin är bärare av båda, SARS-CoV-2, såväl som bakterier som orsakar nosokomial lunginflammation, vilket gör dem till en potentiell reservoar för indirekt kontaktöverföring. En riktad infektionsförebyggande intervention kan minska denna kontaminering och därigenom minska risken för nosokomial överföring.