диагностика и профилактика

Оценка рисков тяжёлой формы COVID-19: воспаление и иммунитет

Алексей Чуров, Алексей Ржешевский, Дора Батаева, Настя Егорова
5 июня 2020
Главная опасность COVID-19 — частое бессимптомное течение болезни в первой фазе и стремительное развитие тяжелой пневмонии и поражение органов на второй стадии заболевания, что приводит к летальным исходам.

Как предугадать тяжесть на ранних этапах заболевания, чтобы своевременно корректировать терапию и снизить риск последствий COVID-19? Можем ли мы прогнозировать характер течения COVID-19 у здорового человека, а в случае его инфицирования — повлиять на это?

В поисках биомаркеров тяжёлой формы COVID-19 мы обратились к молекулярно-биологическим процессам, общим для всех (или как минимум для большинства) риск-факторов данного заболевания. То есть для факторов, повышающих вероятность развития тяжёлой формы, а значит, и вероятности смерти. После нескольких месяцев наблюдений за клиническими исследованиями во всём мире не вызывает сомнений, что данными факторами являются старение (это и 50+ и 75+ — зависит от уровня жизни страны, в которой проходило исследование) и наличие ряда сопутствующих заболеваний и состояний. Эти и другие факторы мы разберём подробнее ниже, но, забегая вперёд, можно сказать, что общими для них являются воспалительные процессы (в том числе хроническое воспаление) и ослабленная иммунная система.

Также можно сказать, что реакция иммунитета на SARS-Cov-2 и сам процесс заражения обладают некоторыми особенностями. Логично предположить, что комбинация этих факторов и предпосылок до момента заражения (состояния здоровья, пола, возраста…) также будет определять ту или иную тяжесть заболевания.
Вся собранная здесь информация предназначена только для иллюстративных и образовательных целей и не является заменой профессиональной медицинской консультации, диагностики или лечения. По любым вопросам, касающимся состояния здоровья, всегда консультируйтесь с врачом.
У кого COVID-19 протекает в тяжелой форме?
Примерно в 20% случаев из всех зарегистрированных COVID-19 протекает в тяжелой форме [1]. У таких пациентов процесс воспаления может выходить из-под контроля и приводить к тяжелым, опасным для жизни осложнениям, вплоть до летального исхода. К таким осложнениям относятся [2,3,4]:
гипервоспалительный синдром и цитокиновый шторм (это когда клетки выбрасывают в кровь много цитокинов — медиаторов воспаления);
острый респираторный дистресс-синдром или ОРДС (опасное для жизни воспалительное поражение лёгких);
нарушения со стороны органов и их систем (прежде всего, системы кровообращения и ЦНС);
полиорганная недостаточность — последняя (терминальная) стадия инфекции, связанная с необратимыми поражениями нескольких органов и целых функциональных систем.
Тяжелым формам COVID-19 подвержены люди в любом возрасте с ослабленной иммунной системой и хроническими заболеваниями, которые связаны с хроническим воспалением. Факторами риска также являются курение и ожирение [1].

Большая часть (>60%) тяжелых пациентов — лица в возрасте 50 лет и старше [5,6]. У пожилых людей с возрастными заболеваниями (диабетом, гипертонией, ССЗ) часто развивается хроническое воспаление, которое может увеличивать риск развития тяжелых осложнений COVID-19, таких как ОРДС [7,8].

Недавно были опубликованы данные, полученные в Нью-Йорке при обследовании 5 700 госпитализированных пациентов в возрасте 0–107 лет. Наиболее распространенными сопутствующими заболеваниями были гипертония (3026; 56,6%), ожирение (1737; 41,7%) и диабет (1808; 33,8%) [9]. Интересно, что среди этих пациентов только 350 не имели сопутствующих заболеваний, и только 359 имели всего одно. Остальные (88%) имели более одного сопутствующего заболевания. Похожие данные получились и в другом исследовании с 178 пациентами [10].

Кстати, любопытно, что диабет 2 типа и гипертония также были рисками и для пациентов с первым SARS-CoV и с MERS-CoV [11,12].

Основная часть (>60%) тяжелых пациентов — мужчины [5,6]. В упомянутом нью-йоркском исследовании мужчин также оказалось больше — 60,3%.

Далее мы рассмотрим особенности ряда риск-факторов и предполагаемые причины того, что они становятся нежелательными условиями при заражении коронавирусом SARS-Cov-2. Отдельно отметим биомаркеры, характерные для этих риск-факторов и одновременно связанные с тяжёлой формой COVID-19.
Тимус. Источник — Wikipedia.
Старение
У пожилых людей инфекционные болезни (например, грипп или пневмонии) как правило протекают тяжелее [13]. И это совсем обычная история. В случае с нашим новым коронавирусом ситуация аналогична: у людей старшего возраста риск развития тяжелых форм COVID-19 выше.

Почему именно пожилые люди подвержены тяжелым формам COVID-19?

Во-первых, старение органов иммунной системы. Люди старшего возраста в целом в большей степени восприимчивы к инфекциям. Этому есть много причин, одна из них — с возрастом происходит инволюция тимуса, что неминуемо влечет за собой снижение разнообразия рецепторов Т-клеток. Новых наивных Т-клеток образуется меньше, что негативно сказывается на формировании специфического иммунитета. Результатом могут стать ослабление иммунной защиты от вирусных инфекций, а также снижение эффективности вакцинации [14,15,16,17,18,19].

Таким образом, специфический иммунитет, вероятно, более важен в борьбе с COVID-19, именно он устраняет воспаление и приводит к выздоровлению.

Во-вторых, старение на клеточном уровне. С возрастом увеличивается количество сенесцентных ("престарелых") клеток с аберрантной секрецией медиаторов воспаления (senescence associated secretory phenotype, SASP). Они запускают воспалительный каскад с участием NF-κB, IL-1α, TGF-β,IL-6, IL-18, TNF-α, хемокинов и многих других факторов [20,21,22,23]. Нарушение баланса между провоспалительными и противовоспалительными цитокинами является характерной чертой как старения, так и заболеваний, связанных со старением.
Мужской пол
 "Женщины обладают более сильным иммунитетом, как врождённым, так и адаптивным. В результате они менее подвержены бактериальным, вирусным, паразитарным и грибковым инфекциям и злокачественным образованиям, но зато более склонны к развитию аутоиммунных заболеваний", — говорится во введении к статье "Половой диморфизм во врождённом иммунитете" [24]. Свою роль в этих отличиях, вероятно, играет мозаицизм [25], о чём мы писали чуть подробнее в предыдущей статье.

Кстати, роль иммунитета в развитии гипертонии намного более выражена у мужчин, чем у женщин, что может объяснять тот факт, что мужчины тяжелее переносят COVID-19 [26].
Гипертония, возраст и болезни почек
Гипертонию обычно связывают с нарушениями сердечно-сосудистой системы, почек и центральной нервной системы. Но и иммунная система играет здесь важную роль.

В экспериментах на животных моделях было показано, что в ответ на гипертонические раздражители, такие как ангиотензин II и соль, Т-клетки активируются и начинают производить провоспалительные цитокины, такие как IFN-γ, TNF-α и IL-17A [23]. Да-да, избыточно солёная пища может [27] вызывать у нас так называемое "стерильное воспаление"!

Иммунные клетки накапливаются в почках и в стенках кровеносных сосудов человека и животных с гипертонией и, вероятно, способствуют повреждению этих органов [28]. Поражение почек — одно из частых осложнений COVID-19 (у 25–27% госпитализированных). Это значит, что повреждение почек у пациентов с гипертонией и COVID-19 может быть связано не только с успешным размножением вируса, но и чрезмерной реакцией собственных иммунных клеток. В данной [29] статье авторы предлагают измерять биомаркеры: не только креатинин и вывод мочи, которые могут свидетельствовать об уже начавшемся поражении почек, но и TIMP-2 и IGFBB7, которые свидетельствуют о стрессе почечных канальцев.

И напоследок, воспаление может запускаться ангиотензином II. А SARS-Cov-2 может косвенно увеличивать его концентрацию.
Для попадания в клетки SARS-CoV-2 в качестве рецептора может использовать белок ACE2, расположенный на их мембранах [30]. ACE2 – это ангиотензинпревращающий фермент 2, он есть в клетках различных органов и тканей [31] и обеспечивает регуляцию кровяного давления, а также метаболизм некоторых гормонов. Прежде всего, ACE2 участвует в контроле уровня гормона ангиотензина II (сужающего сосуды): чем больше ACE2 на клетках, тем ниже уровень циркулирующего в крови ангиотензина II [32,33].
Рис. 1. Роль ангиотензина II в воспалении тканей. Ангиотензин II посредством передачи сигналов рецептора AT1 в иммунных клетках, а также в мезангиальных клетках и клетках гладких мышц сосудов, способствует локальной активации иммунной системы.

Источник.
Возможно, вирус снижает количество АСЕ2 на клетках. Прямых доказательств тому по SARS-CoV-2 пока нет, но есть по SARS-CoV, который также использует АСЕ2 для входя в клетки. Да и выглядит логично: раз вирус занимает ACE2 своими задачами (проникновением в клетку), а потом и вовсе клетку-инкубатор разрушает, то и ACE2 может становиться меньше и, вероятно, недостаточно для наших физиологических задач. В ответ на снижение АСЕ2 количество ангиотензина II локально увеличивается, что тоже может сказаться на воспалении тканей. Действуя через рецептор 1 типа к ангиотензину II (АТ1R), ангиотензин II активирует макрофаги, Т-клетки, дендритные и другие клетки (см. рис. 1).

Логично предположить, что у людей с изначально высоким уровнем ангиотензина II, COVID-19 может протекать особенно тяжело именно из-за описанной иммунной реакции. Но так ли это на самом деле — предстоит выяснить.

Также гипертония и ангиотензин II связаны с активацией B-клеток [34]: они производят аутоантитела к рецептору АТ1R, к белкам теплового шока (Hsp70, Hsp65, Hsp60) и адренергическим рецепторам α1AR и β1AR [35]. B-клетки и вырабатываемые ими антитела, вероятно, могут приводить к накоплению макрофагов в сосудистой стенке и вызывать ремоделирование сосудов. Гипертонические реакции могут ингибироваться регуляторными Т-клетками (Tregs) и их противовоспалительным цитокином IL-10.

Количество Treg с возрастом растет, функция может меняться, но по мнению большинства исследователей, их активность сохраняется на том же или большем уровне [36]. Таким образом, гипертония тесно связана с активацией и функцией различных типов иммуноцитов, поэтому у гипертоников иммунный ответ на COVID-19 может отличаться от иммунного ответа изначально здоровых людей.
Рис. 2. Последствия ожирения и ассоциированного с ним метаболического воспаления. Дисрегуляция метаболических и иммунных процессов при ожирении влияет на гомеостаз всего тела на самых различных уровнях.

Источник.
Ожирение, метаболический синдром
Ожирение повышает риск развития тяжелой пневмонии при COVID-19: у пациентов с индексом массы тела (ИМТ) > 28 он в 2,42 раз выше [37], чем у пациентов c ИМТ от 18 до 28. По другим данным — в 7,36 раз выше для пациентов с ИМТ > 35 по сравнению с пациентами с ИМТ < 25. Похожие данные получены и при других инфекциях, например, при H1N1 [38,39].

Тяжелое протекание вирусных инфекций при ожирении может быть связано с развитием хронического воспаления, связанного с увеличением числа макрофагов в жировой ткани. По оценкам исследователей, у людей с ожирением макрофаги могут составлять до 40% от всех клеток жировой ткани, в то время как у стройных — всего 10% (речь здесь именно о количестве клеток, а не их весе). При наборе веса адипоциты увеличиваются в количестве и размере, накапливая жир. Макрофаги же утилизируют избыток липидов в жировой ткани и выделяют провоспалительные цитокины [40,41,42].
Рис. 3. Взаимодействие адипоцитов и макрофагов при ожирении (Предложенная модель активации макрофагов адипоцитами)

Adipocyte stress leads to NLRP3 inflammasome activation and the production of pro-inflammatory cytokines such as IL-1β, TNF-α and IL-6. These cytokines activate NF-κB inflammatory signalling, which impedes insulin signalling with reduced GLUT4 translocation, resulting in reduced glucose uptake. NF-κB activation results in increased lipolysis and free fatty acids (FFA) also escape from the hypertrophic adipocyte. Macrophages are recruited to clear up these excess lipids. Metabolic macrophages are activated in two ways: (1) palmitic acid signalling through TLR4 activates pro-inflammatory NF-κB signalling; (2) phagocytosis of palmitic acid leads to PPARγ activation of lipid metabolism pathways which impede NF-κB signalling.

Источник
Ожирение стимулирует накопление провоспалительных макрофагов (М1) и в других тканях — в печени и в скелетных мышцах. Оно связано с активацией провоспалительной инфламмасомы NLRP3 (о ней речь пойдет ниже) и "плохой" оси системы RAAS. Эти два фактора в свою очередь прямо влияют на развитие острого респираторного дистресс-синдрома [43]. Таким образом, течение COVID-19 при ожирении похоже на то, как если бы на тлеющие угли бросили сухого хвороста: вирус еще больше расшатывает уже вышедшую из равновесия систему, усиливая и подпитывая воспаление.

Исходя из того, как тесно связаны ожирение и восприимчивость к вирусным инфекциям, Luzi и Radaelli вывели рекомендации для улучшения иммунного ответа при гриппе и COVID-19 [44]:
  • контроль массы тела с помощью диеты с легким ограничением калорий;
  • включить активаторы AMPK и PPAR-гамма в лекарственную терапию для лечения ожирения, связанного с диабетом;
  • заниматься легкими и умеренными физическими упражнениями.
Болезни легких, возраст и курение
Мы постоянно вдыхаем мелкие пылинки, и если бы в ответ на каждую в легких запускался полноценный процесс воспаления, это бы сильно ухудшило нашу жизнь. При этом разбираться с этими соринками нужно, и здесь на помощь приходят альвеолярные макрофаги (АМ), продуцирующие мало воспалительных цитокинов и проявляющие небольшую фагоцитарную активность. АМ активно подавляют индукцию двух систем иммунитета организма: адаптивного и гуморального. Адаптивный иммунитет подавляется за счет воздействия АМ на дендритные клетки, В-клетки и Т-клетки. Для предотвращения неконтролируемого воспаления в нижних дыхательных путях АМ выделяют оксид азота, простагландины, интерлейкины-4 и -10 (IL-4, IL-10) и TGF-β.

С возрастом количество АМ уменьшается, ухудшается их способность ограничивать повреждение легких при гриппозной инфекции [45].

Связанные с возрастом заболевания легких, включая пневмонию, хроническую обструктивную болезнь легких и легочный фиброз, являются одними из наиболее распространенных причин смерти в мире [46]. Альвеолярные макрофаги были вовлечены в качестве ключевой популяции клеток в патобиологии всех этих расстройств [47].

Курение, как и ХОБЛ, может влиять на поляризацию АМ. В норме эти макрофаги неполяризованные, а при курении или ХОБЛ поляризуются, становясь провоспалительными (М1) или альтернативно активированными (М2) [48]. М1 производят оксид азота, а М2 — молекулы внеклеточного матрикса. Какой вклад вносит такая поляризация макрофагов при течении COVID-19 у курильщиков — предстоит выяснить. По заявлению ВОЗ от 11 мая 2020 года [49], у курильщиков выше вероятность заболеть тяжелой формой COVID-19 по сравнению с теми, кто не курит.
Атеросклероз
При атеросклерозе важную роль играет воспаление сосудистой стенки с образованием тучных клеток. Важно обратить внимание и на риск образования тромбов с возрастом — именно с этим могут быть связаны проблемы микроциркуляции в альвеолах при COVID-19, когда даже ИВЛ бесполезен [50,51]. Наконец, нарушение микроциркуляции связано с сепсисом [52].
Прочие заболевания
В данном обзоре мы коснулись механизмов только нескольких заболеваний и состояний, не упомянув сердечно-сосудистые [1,5] и онкологические [1] заболевания, хронические болезни печени [1] и другие, также являющиеся риск-факторами для COVID-19.

Маркеры и риск-факторы предрасположенности к тяжёлой форме COVID-19

Итак, исходя из всего, сказанного выше, на что стоит обратить внимание:
  • Уже очевидные многим параметры: возраст, пол, наличие любых хронических заболеваний, особенно сразу нескольких.
  • Повышенное давление и любовь к солёному (лучше разлюбить)
  • Ожирение или просто лишний вес (нормализуйте по возможности вес)
  • Курение (всё-таки придётся бросить)
  • А также ряд маркеров, которые измерить дома не получится, к тому же, для них ещё предстоит провести исследования, определить референсные значения:
    • Маркеры старения на клеточном уровне, то есть маркеры повышенной клеточной сенесцентности и вызываемого ей стерильного воспаления (NF-κB, IL-1α, TGF-β,IL-6, IL-18, TNF-α и другие) Здесь можно прочесть ещё один наш обзор на тему диагностики сенесцентности. Маркеры сенесцентности (SENS-диагностика): SA-β-Gal, HMGB, γH2AX, SAHF, PML, p16 INK4a
    • Количество альвеолярных макрофагов и выдыхаемого оксида азота, как маркеров состояния лёгких и их готовности принять на себя заражение.
Особенности воспаления при COVID-19
Воспаление — комплекс защитных биохимических реакций, возникающий в ответ на патоген (в нашем случае это вирус) и ограничивающий его распространение в организме. Сразу отметим, что воспалением наш организм реагирует не только на сам патоген и его молекулы, но и на массовую гибель наших собственных клеток в результате заражения, на высвобождение и их молекул тоже.

Первая воспалительная реакция организма в ответ на инфекцию — это синтез соединений (активных форм кислорода, NO, гистамина, цитокинов, хемокинов, ферментных систем крови и многих др.), вызывающих изменение в местном кровотоке, а именно, расширение сосудов и повышение их проницаемости, рекрутинг и активацию лейкоцитов и макрофагов в очаг воспаления.

По некоторым данным, SARS-CoV-2 может оказывать влияние на синтез интерферонов, что может объяснять патогенность нового коронавируса, так как это помогает ему снижать эффективность противовирусного иммунного ответа [53,54,55]. Дело в том, что репликация РНК-вирусов приводит к активации PRRs (паттерн распознающих рецепторов), которые активируют транскрипцию регуляторных факторов интерферонов (IRFs) и ядерного фактора NF-κB. Активация IRFs и NF-κB, как правило, индуцирует противовирусный ответ, который условно можно поделить на две фазы: во время первой активируется система интерферонов (IFN-I и IFN-III) и увеличивается транскрипция интерферон-стимулированных генов (ISGs); на второй фазе происходит индукция хемокинов, которые регулируют рекрутинг определенных типов лейкоцитов [56].

В недавнем исследовании было установлено, что в условиях in vitro, по сравнению с другими респираторными вирусами (MERS-Cov, SARS-Cov и др.), SARS-CoV-2 индуцирует более слабый противовирусный ответ, с более низкой транскрипцией генов IFN-I и IFN-III. Интересно, в том же исследовании было показано, что у пациентов с COVID-19 отмечается более низкий уровень транскрипции IFN-I и IFN-III [56]. При этом отмечается высокий уровень провоспалительных цитокинов (IL-6, IL1RA) и хемокинов (CCL2, CCL8 CXCL2, CXCL8, CXCL9, CXCL16) [56].

Эти данные отчасти объясняют, почему инфекция SARS-Cov-2 вызывает тяжелые формы COVID-19: вирус подавляет систему интерферонов, которые медленнее включаются в иммунный ответ, и в результате может развиваться воспаление, приводящее к повреждению тканей.

С другой стороны, в другом исследовании [57] было показано, что рецептор SARS-Cov-2 — ACE2 — является одним из ISGs генов, индуцируемых IFN-I в ответ на инфекцию коронавирусом. Поэтому авторы исследования предполагают, что вирус может использовать систему интерферонов организма для увеличения количества рецепторов ACE2 на клетках, способствуя инфицированию новых клеток.

Вирус SARS-CoV-2 может напрямую инфицировать Т-лимфоциты, но в них вирус, вероятно, не может активно реплицироваться [58].

Воспаление тесно связано с реакциями врожденного иммунитета. SARS-Cov-2, как и любой патоген, вызывает иммунный ответ: в очаг воспаления активно привлекаются клетки иммунной системы, вырабатывается еще больше медиаторов воспаления, в процесс вовлекается все больше и больше соседних тканей [59,60].

После запуска воспаления, активируется сначала врожденный иммунитет (неспецифический), а затем — адаптивный или специфический иммунитет, то есть влияющий именно на вирус SARS-Cov-2. Вместе они устраняют патоген и гасят воспаление.

Иммунная система устроена таким образом, что когда вырабатывается специфическая защита (нейтрализующие антитела в крови, а также иммунологическая память), организм начинает эффективнее бороться с вирусом, что важно как при первичном ответе, так и в случае повторной инфекции.
Цитокиновый шторм

Когда вирус попадает в клетки, реплицируется и выходит «наружу», происходит массовая гибель клеток, что запускает воспаление.

Воспалительный процесс активируется, когда клетки организма распознают особые структуры в составе патогенов — патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (pathogen-associated molecular patterns или PAMP), например, РНК вируса, а также молекулы, которые образуются в ответ на повреждение клетки (damage associated molecular patterns или DAMP), например, ДНК митохондрий гибнущих инфицированных клеток. То есть PAMP — это фрагменты патогенов, а DAMP — это компоненты наших собственных клеток.

Клетки организма распознают PAMP и DAMP особыми структурами — паттерн распознающими рецепторами или PRRs [61,62,63]. Рецепторы PRR в основном расположены на клетках миелоидного ряда, таких как моноциты, макрофаги, нейтрофилы и дендритные клетки, но также есть на лимфоцитах, фибробластах и эпителиальных клетках.

Активация PRRs на клетках запускает воспалительные реакции, которые выражаются в секреции цитокинов, прежде всего TNF и IL-1β, вызывающих локальную активацию клеток [61,62,63].

Далее в места воспаления идет активный рекрутинг клеток иммунной системы (главным образом нейтрофилов и макрофагов), чтобы погасить воспаление и восстановить тканевой гомеостаз. Процесс возврата к гомеостазу еще называют разрешением воспаления (от англ. resolution), которое наступает после удаления патогена (в данном случае вируса) [61].

Для успешного разрешения воспаления иммунный ответ, в котором задействовано множество клеток и медиаторов, должен быть точным и тонко отрегулированным. К сожалению, это не всегда так. Иногда инфекция переходит в хроническую форму: иммунная система не может развить своевременный и эффективный иммунный ответ — специфическую иммунную защиту достаточной силы.

С другой стороны, особенности патогенеза некоторых вирусов могут приводить к гиперстимуляции иммунной системы — цитокиновому шторму [64]. Это избыточное, вышедшее из-под контроля воспаление, результат того, что нарушается стадия "разрешения".
Рис.4 Типы иммунного ответа в зависимости от природы патогена.
During infection, the host recognizes the pathogen, which leads to cellular recruitment and a proinflammatory cytokine response including IL-6 and TNF-. This inflammatory response leads to pathogen clearance, thus allowing the return to immune homeostasis and host survival. In some infections, immune recognition is delayed and/or evaded, causing a delayed and/or inappropriate response. This can allow the pathogen to proliferate, triggering hypercytokinemia that leads to tissue damage and potentially death of the host.

Источник.
Один из самых ярких примеров – вирус гриппа А (H1N1), который вызвал пандемию в 1918 году («испанка») [65]. Структура генома "испанки" была воссоздана в 2002 году, затем сравнили её патогенность с "обычными", то есть сезонными вирусами гриппа (в том числе на моделях животных). И выяснили, что она вызывает активацию большего числа клеток иммунной системы и больший выброс цитокинов [66]. В дальнейшем было установлено, что такие высоковирулентные вирусы, как H1N1 и H5N1 могут приводить к гиперпродукции цитокинов TNF-α, IL-1, IL-6, IL-8 и вызывать дисфункцию органов [67,68].

Коронавирусы, в том числе и SARS-Cov-2, также относятся к группе патогенов, которые могут вызывать цитокиновый шторм – вирус быстро реплицируется [69] и повреждает клетки и ткани. Это уже показали первые клинические исследования [70,71,72,73,74].

Если опираться на механизмы развития воспаления у SARS-Cov, можно предположить, что и при COVID-19 оно развивается в два этапа [75]:
  1. Вирус активно размножается, клетки-инкубаторы погибают в процессе пироптоза (особая форма программируемой гибели клеток), происходит неспецифическая противовирусная реакция иммунной системы;
  2. Подключается адаптивный (специфический) иммунитет: появляются антитела к вирусу, которые могут усиливать воспаление и приводить к повреждению легких [75] в результате апоптоза или пироптоза [5].
Пироптоз

В случае с SARS-Cov-2, вероятно, один из важных механизмов развития цитокинового шторма — это пироптоз [75,76,77,78].
Пироптоз — это вид клеточной гибели. Мембрана клетки разрушается каспазой-1 и ее содержимое выливается в межклеточное пространство. Показано, что пироптоз ведет к воспалению, что интуитивно понятно, учитывая, сколько "мусора" оставляет за собой такая смерть.
Рис.5 Гипотеза связи инфекции SARS-Cov-2 с активацией пироптоза клетки.
The COVID-19 may be linked to cell pyroptosis, especially in lymphocytes through the activation of the NLRP3 inflammasome. Morphological changes in lymphocytes and macrophages, nucleic acid and protein levels in classical and non-classical cells, detection of NLRP3 and GSDMD, and the role of inflammatory cytokines IL-1β and IL-18 requires further research.

Источник.
Пироптоз запускается при связывании PAMPs вируса или DAMPs клетки, образующихся при повреждении вирусом клеток (на схеме они обозначены как SARS-Cov-2 Pyroptosis signalling), с Nod-подобным рецептором NLRP3 на мембране клетки. Этот рецептор является компонентом особого белкового комплекса, получившего название инфламмасома NLRP3, состоящего из сенсора (рецептор NLRP3), адаптера (белок ASC) и эффектора (прокаспаза-1). Инфламмасома NLRP3 обеспечивает активацию воспалительного сигнального каскада, приводящего к активации каспазы-1 — фермента протеазы, расщепляющего белки [79].

Каспаза-1 приводит к образованию цитокинов IL-1β и IL-18 из их молекул-предшественников [78]. Секреция клетками IL-1β способствует проникновению иммунных клеток в инфицированные или поврежденные ткани. Кроме того IL-1β является мощным эндогенным пирогеном, который вызывает такие симптомы ОРВИ, как озноб, лихорадка, тошнота, рвота, головная боль и слабость. Другой цитокин, IL-18, необходим для выработки интерферона-гамма (IFN-γ), обладающего прямым противовирусным действием, а также иммуномодулирующим действием.

Кроме того, активная каспаза-1 расщепляет газдермин D (GSDMD). В результате этого N-концевой домен GSDMD образовывает поры в плазматической мембране, вызывая тот самый пироптоз. Пироптоз высвобождает вирусные частицы из клетки, а также приводит к высвобождению DAMP, что усиливает воспаление и обеспечивает уничтожение инфицированных клеток [78].

Активация инфламмасомы является одним из основных путей запуска воспаления. Отличительная особенность NLRP3 инфламмасомы — это активация многими и разнообразными стимулами, что делает её наиболее универсальным и клинически вовлеченным в воспаление сигнальным механизмом. Кроме того, NLRP3 может излишне активироваться при старении, вызывая воспаление, связанное с возраст-зависимыми заболеваниями.
Другие особенности патогенеза SARS-Cov-2
Снижение АСЕ2 на клетках легких и активация TNF, как вероятные причины усиления воспаления при COVID-19
Другим важным процессом, вызывающим воспаление при COVID-19 на первом этапе, может быть снижение уровня ACE2 на клетках легких при инфицировании SARS-Cov-2.

Во-первых, коронавирусы при инфицировании связываются S-белками с ACE2 и путем эндоцитоза захватывают ACE2 внутрь клетки-мишени, снижая количество этих молекул на поверхности [32,74].

Во-вторых, по аналогии с SARS-CoV, SARS-CoV-2, вероятно, может приводить к снижению числа ACE2 в результате шеддинга — «слущивания» клетками каталитически активного внеклеточного домена ACE2, с образованием растворимой формы ACE2. На примере SARS-CoV группа учёных в 2008 году показала, что связывание S-белка вируса приводит к росту активности фермента TACE — TNF-α превращающего фермента (он "срезает" синтезированный клеткой TNF-α с мембраны, превращая его в активную растворимую форму). Так вот, этот фермент не только "срезает" с поверхности TNF-α, то есть увеличивает его концентрацию, но и "срезает" нужные нам части рецептора АСЕ2 [80].

Интересно, что в той же работе продемонстрировали, что другой коронавирус человека, NHL63-CoV, который также использует АСЕ2 для проникновения в клетку-мишень, не вызывает "слущивания" АСЕ2. При этом сама инфекция обычно протекает в легкой форме. Это может свидетельствовать о важной роли шеддинга в патогенезе SARS-CoV-2.

Оба механизма могут вызывать рост уровня ангиотензина II, который обладает провоспалительным действием и может вызывать повреждения легких [33]. Поэтому контроль кровяного давления крайне важен при инфицировании SARS-Cov-2, особенно у людей с сопутствующими сердечно-сосудистыми заболеваниями на фоне гипертонии.
Антитело-зависимое усиление инфекции
(данные только по аналогии с другими патогенами)

На втором этапе воспаления происходит активация адаптивного звена иммунитета, вырабатываются антитела к вирусу, которые «должны» оказывать защитное действие и нейтрализовать вирус. Однако как было показано на моделях животных в случае с SARS-CoV, антитела к S-белку вируса (анти-S-IgG или анти-S-антитела) могут вызывать тяжелые повреждения легких.

Это предположение подтверждают и некоторые клинические наблюдения SARS-Cov инфекции: у 80% пациентов с анти-S-антителами наблюдалось острое респираторное заболевание, при этом риск гибели от инфекции был выше у тех пациентов, у которых быстрее вырабатывались анти-S-антитела к вирусу [75].

Механизм такого влияния анти-S-антител исследован лишь частично. Предполагается, что они изменяют функцию альвеолярных макрофагов, стимулируя их провоспалительную активность. Анти-S-IgG могут способствовать накоплению макрофагов и продукции MCP-1 и IL-8 в легких. Кроме того, возможно, анти-S-антитела приводят к активации системы комплемента, а также к антитело-зависимой клеточной цитотоксичности (ADCC), что дополнительно приводит к гибели клеток и повреждению тканей в легких [75].

Основной вопрос, связанный с SARS-CoV-индуцированным заболеванием легких, заключается в том, почему у части пациентов, у которых рано вырабатываются нейтрализующие антитела, выше риск гибели.

Предполагается, что это может быть связано с антитело-зависимым усилением инфекции (ADE) [81] – феноменом, который усиливает инфекционный процесс и связан с неоптимальной активностью антител, что приводит к стойкой репликации вируса и воспалению. Роль этого феномена была показана в патогенезе таких тяжелых инфекций, как лихорадка Денге, а также инфекций, вызванных флавивирусом, вирусом гриппа [75].

Биомаркеры, связанные с особенностями воспаления при COVID-19
Опираясь на сравнительные данные о механизмах патогенеза инфекций, вызывающих гиперактивацию воспаления, а также данные научных исследований заболеваний, вызванных коронавирусами, мы предполагаем, что в диагностике тяжелых форм COVID-19 могут быть эффективны и другие типы маркеров, в том числе:
  • маркеры хронической активации пироптоза;
  • «маркеры цитокинового шторма»;
  • маркеры тяжелых форм воспаления (сепсиса);
  • маркеры, связанные с особенностями патогенеза SARS-Cov-2.

Эти маркеры могут быть полезны в диагностике тяжёлой формы COVID-19 в первую очередь среди уже заразившихся и заболевших. Мы собрали их в таблице 1 с пояснениями.
Таблица 1.
Потенциальные маркеры прогноза тяжелых форм COVID-19, предложенные исходя из особенностей воспаления
Маркеры прогноза тяжёлой формы COVID-19 из исследований
В масштабном исследовании китайских ученых, включающем данные 5 700 пациентов, был проведен систематический обзор потенциальных маркеров прогноза. Авторы предполагают, что наиболее важными показателями тяжелых форм COVID-19 являются: уровень лимфоцитов, C-реактивный белок, уровень лактатдегидрогеназы, содержание тромбоцитов, D-димера, уровень аланинаминотрансферазы (АЛТ). Также авторы отмечают потенциальную важность таких маркеров как миоглобин и ферритин [1]. (В данной работе последние два маркера отмечены, как потенциально интересные, но так как их важность подчёркивается и в ряде других работ, мы также выделяем их в нашем обзоре).

В другом исследовании методами машинного обучения, с использованием свыше 300 различных клинических критериев, обработали данные 375 пациентов. В результате в качестве основных маркеров прогноза и высокого риска смертности при COVID-19 авторы предлагают применять всего три критерия: количество лимфоцитов, уровень лактатдегидрогеназы и C-реактивного белка [84] .

Еще один интересный маркер тяжести COVID-19 предложила группа китайских учёных в другом исследовании [85]. Это произведение таких показателей как соотношение нейтрофилов и лимфоцитов (N/L или NLR), C-реактивного белка и D-димера – N/L*CRP*D-димер. Ученые предполагают использовать пороговое значение критерия, равное 5,32. Значения критерия выше 5,32 свидетельствуют о риске развития тяжелой формы COVID-19, тогда как значения ниже – о вероятности развития легкой формы. Прогностическая ценности теста для значений выше и ниже 5,32 отличается и составила 46,03% и 93,75% соответственно. Авторы работы справедливо отмечают, что прогностическая ценность такого тестирования пока невысока и для использования в медицинской практике нужны дальнейшие исследования на больших выборках.

И ещё одно исследование, на этот раз из журнала Nature [86], указывающее на связь иммунологических и биохимических показателей с тяжестью COVID-19. Лимфопения (аномально низкий уровень лимфоцитов в крови), в особенности низкие уровни CD8+ Т-киллеров и CD4+ Т-хелперов, по мнению авторов работы, является одним из главных предикторов прогрессирования COVID-19 при поступлении на лечение. У пациентов с тяжелым течением COVID-19 отмечены высокие уровни цитокинов IL-6 и IL-8, и они коррелируют со снижением числа лимфоцитов, в частности, Т-клеток. Интересно, что пожилой возраст является фактором риска, независимым от лимфопении.

По словам авторов, тяжесть заболевания обусловлена главным образом характеристиками пациента, а не генетическими вариациями вируса. Основные детерминанты тяжелого протекания COVID-19: возраст, лимфопения и связанный с ней цитокиновый шторм.

Основываясь на результатах первых эпидемиологических и клинических исследований [1,2,3,5,6,59], мы предлагаем обратить внимание на маркеры воспаления в комбинации с некоторыми биохимическими маркерами и общими критериями, которые коррелируют с высоким риском развития осложнений при COVID-19. Эти маркеры мы собрали в таблице 2.
Таблица 2.
Критерии прогноза тяжелых форм COVID-19. Сводная таблица маркеров из других обзоров
Маркеры воспаления и биохимические маркеры, указанные в таблице, связаны с патогенезом COVID-19, при котором репликация вируса и инфицирование клеток приводит к развитию воспалительного процесса, повреждению клеток и тканей. Но важно отметить, что именно комбинация маркеров позволяет судить о состоянии иммунной системы и склонности к развитию осложнений при инфекции. Ни один маркер по отдельности не несет диагностической ценности.

Интерпретировать результаты подобных тестов могут только врачи, например врачи-иммунологи или терапевты, которые при необходимости могут дать рекомендации для нормализации иммунного статуса, а при наличии других клинических симптомов ОРВИ, направить на дополнительное клиническое обследование.

Разработка теста на основе вышеуказанных маркеров позволит выявлять пациентов из группы риска и скорректировать терапию.
Таблица 3.
Сводный список маркеров и риск-факторов
Профилактика COVID-19
По прогнозам некоторых специалистов, пандемия коронавируса может продлиться еще 1–2 года [88]. Поэтому, пока не разработана эффективная терапия COVID-19 и не создана вакцина для профилактики заболевания, для снижения риска заболеть тяжелой формой COVID-19 могут быть полезны простые рекомендации, снижающие вероятность попадания вируса в организм и направленные на укрепление здоровья и повышение сопротивляемости организма к инфекциям:
  • В первую очередь необходимо уделить особое внимание профилактике ОРВИ:
    • соблюдать личную гигиену;
    • проводить регулярную дезинфекцию помещения;
    • минимизировать контакты с другими людьми – они могут являться бессимптомными носителями инфекции.
  • Соблюдать правильный режим сна/бодрствования [89,90,91]
    Нарушение сна и длительная продолжительность сна повышают риск воспаления, а лечение бессонницы, наоборот, его уменьшает [92,93,94].

    Сон имеет решающее значение для физического здоровья и эффективного функционирования иммунной системы [95,96,97]. Он также является ключевым фактором для эмоционального благополучия и психического здоровья, помогая преодолеть стресс, депрессию и беспокойство в период пандемии.

    Важную роль в регуляции нормального режима сна/бодрствования играет гормон мелатонин, который, к тому же, обладает противовоспалительным действием. В частности мелатонин предотвращает транслокацию транскрипционного фактора NF-κB в ядро и его связывание с ДНК, тем самым снижая активацию различных провоспалительных цитокинов, например, интерлейкинов и TNF-α [92].
  • Сбалансировать рацион питания
    ВОЗ дает собственные рекомендации, как питаться в период пандемии [98]. Лица, придерживающиеся сбалансированной диеты, обладают более «сильной» иммунной системой, в меньшей степени подвержены хроническим заболеваниям и инфекциям. ВОЗ рекомендует ежедневно употреблять больше свежих, необработанных овощей и фруктов, пить больше жидкости, избегать употребления жирной и соленой пищи и сократить употребление сахара. Рекомендуется снизить или исключить употребление алкоголя. Польза такой диеты для иммунной системы подтверждена научными работами [99].

    Дефицит некоторых нутриентов, в частности, белковой пищи, может быть напрямую связан с риском развития повышенного воспаления и предрасположенностью к инфекциям. Так, ранее Hashimoto и соавт. в экспериментах на мышах показали, что недостаток аминокислоты триптофан в рационе может вызывать воспаление кишечника. Интересно, что данный процесс связан с функционированием АСЕ2. ACE2 является ключевым регулятором метаболизма аминокислот, оказывающим влияние также на состояние факторов врожденного иммунитета. По мнению авторов, дефицит ACE2 может приводить к нарушению обмена аминокислот, влиять на кишечную микробиоту и увеличивать риск развития колита кишечника [100].
  • По возможности нормализовать вес
    Похудеть или хотя бы двигаться в этом направлении — совет очевидный, на все времена (разумеется, речь о снижении именно жировой массы). При этом мы, конечно, понимаем, что советовать проще, чем на самом деле худеть. Особенно в условиях повышенного стресса, в котором мы все сейчас находимся. Но с другой стороны именно сейчас появилось множество бесплатных, несложных и интересных занятий онлайн. Просто хотим ещё раз подчеркнуть, что лишний вес ухудшает протекание любого воспаления [44]. И да, старит он вас не только на фотографии, но и на молекулярном уровне, по-настоящему.
  • Бросить курить
    Давно пора было это сделать и без всякой эпидемии. К тому же, по заявлению ВОЗ от 11 мая 2020 года [49], у курильщиков выше вероятность заболеть тяжелой формой COVID-19 по сравнению с теми, кто не курит.
В период пандемии важно обратить особое внимание на так называемые «модифицируемые факторы образа жизни». Их коррекция может позволить снизить базовый уровень воспаления (в первую очередь это касается пожилых людей и людей с хроническими заболеваниями), который является дополнительным фактором риска/предрасположенности к тяжелым формам COVID-19.
Особенности терапии COVID-19 у пациентов с тяжелыми формами воспаления
Мы закрыли список лекарств, которые предположительно могут помочь в профилактике. Шансы не такие уж и большие, при этом многие, несмотря на все наши оговорки, что всё это — гипотезы, и нужны клинические исследования, будут воспринимать публикацию, как руководство к действию. Поделимся списком со специалистами и с удовольствием обсудим возможный протокол клинического исследования.
Обзор
КОВИДЕНИЕ: Как снизить тяжесть заболевания?
Наш большой обзор про COVID-19 от 16 апреля.
Препараты
Препараты против COVID-19: кто станет первым?
Что в разработке и что из этого выглядит прилично?
Данные по препаратам и исследованиям на 25.03.2020.
Мишени для терапий
Опись белков SARS-Cov-2 с их известными на сегодняшний день функциями
Перевод важной статьи "Плохие новости в протеиновой обертке:
в геноме у коронавируса", опубликованной в New York Times
Петиция
Открытое письмо в ВОЗ
Знаете ли вы, что у ВОЗ есть протокол сбора медицинских данных больных COVID-19, но нет механизма публикации этих данных в сыром (разумеется, анонимизированными) виде?
Присоединяйтесь к обсуждению
Telegram