Альманах клинической медицины. 2020; 48: 43-50
Нейтрофильные внеклеточные ловушки: значение для диагностики и прогноза COVID-19
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2020-48-029Аннотация
Актуальность. В патогенезе COVID-19 важным элементом противовирусной защиты выступает врожденный клеточный иммунитет, включающий в том числе полиморфноядерные нейтрофилы, склонные к нетозной трансформации. При этом нейтрофилы не только служат маркером острой инфекции, но и, будучи источником нейтрофильных внеклеточных ловушек (НВЛ), играют ключевую роль в развитии тромботических осложнений, приводящих к острой дыхательной недостаточности при COVID-19.
Цель - установить диагностическое и прогностическое значение уровня внеклеточных нейтрофильных ловушек у пациентов с COVID-19.
Материал и методы. Проведен мониторинг уровня НВЛ периферической крови у 34 пациентов с COVID-19 (средний возраст 67 ± 15,8 года), госпитализированных в ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского. Контрольную группу составили 54 практически здоровых добровольца (средний возраст 52 ± 11,5 года). Из 2 мкл цельной крови готовили мазки по типу «монослой», окрашивали по Романовскому - Гимзе и с помощью системы автоматического микроскопа МЕКОС-Ц2 (ООО «Медицинские компьютерные системы (МЕКОС)») подсчитывали массив не менее 200 клеточных структур, включающий нативные неразрушенные и трансформированные нейтрофилы.
Результаты. У пациентов с COVID-19 зарегистрирован высокий уровень НВЛ - 14,5% (2,9-28,6%) против 5,0% (1,8-11,9%) в контрольной группе (p < 0,0001). 23,5% больных, получавших простую респираторную поддержку, продемонстрировали уровень НВЛ 12% (8,1-22,3%), тогда как у 17,6% пациентов, которые были подключены к искусственной вентиляции легких, уровень НВЛ оказался в 1,5 раза выше - 17,9% (12,3-28,2%) (p < 0,05). В 11,8% случаев с летальным исходом уровень НВЛ достигал 19% (16,5-26%) (p < 0,05). Мониторинг уровня НВЛ в крови 9 больных от момента поступления до момента перевода в отделение реанимации и интенсивной терапии/выписки или смерти показал, что снижение уровня обнаруженных НВЛ отражает улучшение клинического состояния и эффективность проводимой терапии. Рост уровня НВЛ, напротив, может свидетельствовать об ухудшении и риске негативного развития событий.
Заключение. Выявлены некоторые патофизиологические механизмы развития COVID-19, связанные с компартментом нейтрофилов. Установлено, что для больных с коронавирусной инфекцией характерно наличие высокого уровня НВЛ, который в 3 раза и более превышает показатели практически здоровых добровольцев и свидетельствует о сбое иммунных механизмов защиты и развитии неадекватного воспалительного ответа. Повышение нейтрофильных внеклеточных ловушек в мазках цельной крови более 16% может служить критерием негативного прогноза течения заболевания и риска летального исхода.
Список литературы
1. Li H, Liu Z, Ge J. Scientific research progress of COVID-19 / SARS-CoV-2 in the first five months. J Cell Mol Med. 2020;24(12):6558-70. doi: 10.1111/jcmm.15364.
2. Heffernan DS, Evans HL, Huston JM, Clar-idge JA, Blake DP, May AK, Beilman GS, Barie PS, Kaplan LJ. Surgical Infection Society Guidance for Operative and Peri-Operative Care of Adult Patients Infected by the Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Surg Infect (Larchmt). 2020;21(4):301-8. doi: 10.1089/sur.2020.101.
3. Leisman DE, Deutschman CS, Legrand M. Facing COVID-19 in the ICU: vascular dysfunction, thrombosis, and dysregulated inflammation. Intensive Care Med. 2020;46(6):1105-8. doi: 10.1007/s00134-020-06059-6.
4. Sun X, Wang T, Cai D, Hu Z, Chen J, Liao H, Zhi L, Wei H, Zhang Z, Qiu Y, Wang J, Wang A. Cytokine storm intervention in the early stages of COVID-19 pneumonia. Cytokine Growth Factor Rev. 2020;53:38-42. doi: 10.1016/j.cytog-fr.2020.04.002.
5. Vlachakis PK, Tentolouris A, Tousoulis D, Tentolouris N. Current data on the cardiovascular effects of COVID-19. Hellenic J Cardiol. 2020;61(1):46-8. doi: 10.1016/j.hjc.2020.04.001.
6. Jackson SP, Darbousset R, Schoenwaelder SM. Thromboinflammation: challenges of therapeutically targeting coagulation and other host defense mechanisms. Blood. 2019;133(9): 906-18. doi: 10.1182/blood-2018-11-882993.
7. Twaddell SH, Baines KJ, Grainge C, Gibson PG. The Emerging Role of Neutrophil Extracellular Traps in Respiratory Disease. Chest. 2019;156(4): 774-82. doi: 10.1016/j.chest.2019.06.012.
8. Barnes BJ, Adrover JM, Baxter-Stoltzfus A, Borczuk A, Cools-Lartigue J, Crawford JM, DaBler-Plenker J, Guerci P, Huynh C, Knight JS, Loda M, Looney MR, McAllister F, Rayes R, Re-naud S, Rousseau S, Salvatore S, Schwartz RE, Spicer JD, Yost CC, Weber A, Zuo Y, Egeblad M. Targeting potential drivers of COVID-19: Neutrophil extracellular traps. J Exp Med. 2020;217(6):e20200652. doi: 10.1084/jem.20200652.
9. Masuda S, Nakazawa D, Shida H, Miyoshi A, Kusunoki Y, Tomaru U, Ishizu A. NETosis markers: Quest for specific, objective, and quantitative markers. Clin Chim Acta. 2016;459:89-93. doi: 10.1016/j.cca.2016.05.029.
10. Gur'ev A, Mosalskaia D, Lopatin A, Volkov A. Prognostic value of cellular markers in sepsis: extracellular DNA traps and platelet count relation. Intensive Care Med Exp. 2019;7 Suppl 3:55. doi: 10.1186/s40635-019-0265-y.
11. Волков АЮ, Мосальская ДВ, Гурьев АС, авторы; ООО «Медтехнопарк», патентообладатель. Способ определения относительного количества этотически трансформированных фагоцитов. Пат. 2712179 Рос. Федерация. Опубл. 24.01.2020.
12. Богданова ВД, Андрюков БГ, Ляпун ИН, Бынина МП. Фенотипические субпопуляции нейтрофилов: новые диагностические и иммуномодулирующие стратегии. Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2019;(1):5-10. doi: 10.5281/zenodo.2562122. [Bogdanova VD, Andryukov BG, Lyapun IN, Bynina MP.
13. Плескова СН, Горшкова ЕН, Боряков АВ, Крюков РН. Морфологические особенности быстрого и классического нетоза. Цитология. 2019;61(9):704-12. doi: 10.1134/S0041377119090098.
14. Papayannopoulos V. Neutrophil extracellular traps in immunity and disease. Nat Rev Immunol. 2018;18(2):134-47. doi: 10.1038/nri.2017.105.
15. Андрюков БГ, Сомова ЛМ, Дробот ЕИ, Матосова ЕВ. Защитные стратегии нейтрофиль-ных гранулоцитов от патогенных бактерий. Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2017;(1):4-18. doi: 10.5281/zenodo.345606.
16. Zuo Y, Yalavarthi S, Shi H, Gockman K, Zuo M, Madison JA, Blair C, Weber A, Barnes BJ, Ege-blad M, Woods RJ, Kanthi Y, Knight JS. Neutrophil extracellular traps in COVID-19. JCI Insight. 2020;5(11):e138999. doi: 10.1172/jci.insight.138999.
17. Tomar B, Anders HJ, Desai J, Mulay SR. Neutrophils and Neutrophil Extracellular Traps Drive Necroinflammation in COVID-19. Cells. 2020;9(6):1383. doi: 10.3390/cells9061383.
18. Yaqinuddin A, Kashir J. Novel therapeutic targets for SARS-CoV-2-induced acute lung injury: Targeting a potential IL-1 p/neutrophil extracellular traps feedback loop. Med Hypotheses. 2020;143:109906. Epub ahead of print. doi: 10.1016/j.mehy.2020.109906.
19. Lv D, Xu Y, Cheng H, Ke Y, Zhang X, Ying K. A novel cell-based assay for dynamically detecting neutrophil extracellular traps-induced lung epithelial injuries. Exp Cell Res. 2020;394(2): 112101. Epub ahead of print. doi: 10.1016/j.yex-cr.2020.112101.
20. Weber AG, Chau AS, Egeblad M, Barnes BJ, Janowitz T. Nebulized in-line endotracheal dornase alfa and albuterol administered to mechanically ventilated COVID-19 patients: A case series. Preprint. medRxiv. doi: 10.1101/2020.05.13.20087734.
21. Gupta S, Sahni V. The intriguing commonality of NETosis between COVID-19 & Periodontal disease. Med Hypotheses. 2020;144:109968. Epub ahead of print. doi: 10.1016/j.mehy.2020.109968.
22. Seif S, Ayuna A, Kumar A, Macdonald J. Massive coronary thrombosis caused primary percutaneous coronary intervention to fail in a COVID-19 patient with ST-elevation myocardial infarction. Catheter Cardiovasc Interv. 2020:10.1002/ccd.29050. Epub ahead of print. doi: 10.1002/ccd.29050.
23. Thierry AR, Roch B. SARS-CoV2 may evade innate immune response, causing uncontrolled neutrophil extracellular traps formation and multi-organ failure. Clin Sci (Lond). 2020;134(12): 1295-300. doi: 10.1042/CS20200531.
Almanac of Clinical Medicine. 2020; 48: 43-50
Neutrophil extracellular traps: diagnostic and prognostic value in COVID-19
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2020-48-029Abstract
Rationale: An important element of antiviral defense in the pathophysiology of COVID-19 is the innate cell immunity including polymorphonuclear neutrophils prone to netotic transformation. Neutrophils can be not only a marker of acute infection, but, being a source of neutrophil extracellular traps (NET), can play a key role in the development of thrombotic complications leading to acute respiratory insufficiency in COVID-19.
Aim: To determine the diagnostic and prognostic value of NET levels in patients with COVID-19.
Materials and methods: We monitored NET levels in peripheral blood of 34 patients with COVID-19 (mean age, 67 ± 15.8 years), admitted to MONIKI hospital. The control group consisted of 54 healthy volunteers (mean age, 52 ± 11.5 years). Whole blood samples of 2 pL each were used for the preparation of monolayer smears (Giemsa stain) and calculation of at least 200 cell structures including native intact and transformed neutrophils (MECOS-C2 microscope, Medical computer systems).
Results: Patients with COVID-19 had higher NET levels, compared to those in healthy controls: 14.5% (2.9-28.6%) vs. 5.0% (1.8-11.9%, p < 0.0001). The patients who were on non-invasive respiratory support (23.5%) had a NET level of 12% (8.122.3%), whereas those on invasive mechanical ventilation (17.6%) had a 1.5-fold higher NET level of 17.9% (12.3-28.2%) (p < 0.05). In the patients who died (11.8% of the cases), the NET level amounted to 19% (16.5-26%, p < 0.05). Monitoring of blood NET levels was performed in 9 patients from the day of admittance to the day of their transfer to the intensive care unit / discharge / death. It was shown that a decrease of NET levels mirrors an improvement of the patient's clinical condition and efficacy of his/hers treatment. On the opposite, an increase of NET levels can indicate a deterioration and risk of unfavorable course.
Conclusion: We have identified some pathophysiological mechanisms in COVID-19, related to the neutrophil compartment. Patients with coronavirus infection are characterized by high NET levels which is at least 3-fold higher than that in healthy volunteers. This indicates an abnormality in immune host defense and development of an inadequate inflammatory response. An increase of NET in whole blood smears of more than 16% can be a criterion of an unfavorable prognosis of the disease course and the risk of death.
References
1. Li H, Liu Z, Ge J. Scientific research progress of COVID-19 / SARS-CoV-2 in the first five months. J Cell Mol Med. 2020;24(12):6558-70. doi: 10.1111/jcmm.15364.
2. Heffernan DS, Evans HL, Huston JM, Clar-idge JA, Blake DP, May AK, Beilman GS, Barie PS, Kaplan LJ. Surgical Infection Society Guidance for Operative and Peri-Operative Care of Adult Patients Infected by the Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Surg Infect (Larchmt). 2020;21(4):301-8. doi: 10.1089/sur.2020.101.
3. Leisman DE, Deutschman CS, Legrand M. Facing COVID-19 in the ICU: vascular dysfunction, thrombosis, and dysregulated inflammation. Intensive Care Med. 2020;46(6):1105-8. doi: 10.1007/s00134-020-06059-6.
4. Sun X, Wang T, Cai D, Hu Z, Chen J, Liao H, Zhi L, Wei H, Zhang Z, Qiu Y, Wang J, Wang A. Cytokine storm intervention in the early stages of COVID-19 pneumonia. Cytokine Growth Factor Rev. 2020;53:38-42. doi: 10.1016/j.cytog-fr.2020.04.002.
5. Vlachakis PK, Tentolouris A, Tousoulis D, Tentolouris N. Current data on the cardiovascular effects of COVID-19. Hellenic J Cardiol. 2020;61(1):46-8. doi: 10.1016/j.hjc.2020.04.001.
6. Jackson SP, Darbousset R, Schoenwaelder SM. Thromboinflammation: challenges of therapeutically targeting coagulation and other host defense mechanisms. Blood. 2019;133(9): 906-18. doi: 10.1182/blood-2018-11-882993.
7. Twaddell SH, Baines KJ, Grainge C, Gibson PG. The Emerging Role of Neutrophil Extracellular Traps in Respiratory Disease. Chest. 2019;156(4): 774-82. doi: 10.1016/j.chest.2019.06.012.
8. Barnes BJ, Adrover JM, Baxter-Stoltzfus A, Borczuk A, Cools-Lartigue J, Crawford JM, DaBler-Plenker J, Guerci P, Huynh C, Knight JS, Loda M, Looney MR, McAllister F, Rayes R, Re-naud S, Rousseau S, Salvatore S, Schwartz RE, Spicer JD, Yost CC, Weber A, Zuo Y, Egeblad M. Targeting potential drivers of COVID-19: Neutrophil extracellular traps. J Exp Med. 2020;217(6):e20200652. doi: 10.1084/jem.20200652.
9. Masuda S, Nakazawa D, Shida H, Miyoshi A, Kusunoki Y, Tomaru U, Ishizu A. NETosis markers: Quest for specific, objective, and quantitative markers. Clin Chim Acta. 2016;459:89-93. doi: 10.1016/j.cca.2016.05.029.
10. Gur'ev A, Mosalskaia D, Lopatin A, Volkov A. Prognostic value of cellular markers in sepsis: extracellular DNA traps and platelet count relation. Intensive Care Med Exp. 2019;7 Suppl 3:55. doi: 10.1186/s40635-019-0265-y.
11. Volkov AYu, Mosal'skaya DV, Gur'ev AS, avtory; OOO «Medtekhnopark», patentoobladatel'. Sposob opredeleniya otnositel'nogo kolichestva etoticheski transformirovannykh fagotsitov. Pat. 2712179 Ros. Federatsiya. Opubl. 24.01.2020.
12. Bogdanova VD, Andryukov BG, Lyapun IN, Bynina MP. Fenotipicheskie subpopulyatsii neitrofilov: novye diagnosticheskie i immunomoduliruyushchie strategii. Zdorov'e. Meditsinskaya ekologiya. Nauka. 2019;(1):5-10. doi: 10.5281/zenodo.2562122. [Bogdanova VD, Andryukov BG, Lyapun IN, Bynina MP.
13. Pleskova SN, Gorshkova EN, Boryakov AV, Kryukov RN. Morfologicheskie osobennosti bystrogo i klassicheskogo netoza. Tsitologiya. 2019;61(9):704-12. doi: 10.1134/S0041377119090098.
14. Papayannopoulos V. Neutrophil extracellular traps in immunity and disease. Nat Rev Immunol. 2018;18(2):134-47. doi: 10.1038/nri.2017.105.
15. Andryukov BG, Somova LM, Drobot EI, Matosova EV. Zashchitnye strategii neitrofil'-nykh granulotsitov ot patogennykh bakterii. Zdorov'e. Meditsinskaya ekologiya. Nauka. 2017;(1):4-18. doi: 10.5281/zenodo.345606.
16. Zuo Y, Yalavarthi S, Shi H, Gockman K, Zuo M, Madison JA, Blair C, Weber A, Barnes BJ, Ege-blad M, Woods RJ, Kanthi Y, Knight JS. Neutrophil extracellular traps in COVID-19. JCI Insight. 2020;5(11):e138999. doi: 10.1172/jci.insight.138999.
17. Tomar B, Anders HJ, Desai J, Mulay SR. Neutrophils and Neutrophil Extracellular Traps Drive Necroinflammation in COVID-19. Cells. 2020;9(6):1383. doi: 10.3390/cells9061383.
18. Yaqinuddin A, Kashir J. Novel therapeutic targets for SARS-CoV-2-induced acute lung injury: Targeting a potential IL-1 p/neutrophil extracellular traps feedback loop. Med Hypotheses. 2020;143:109906. Epub ahead of print. doi: 10.1016/j.mehy.2020.109906.
19. Lv D, Xu Y, Cheng H, Ke Y, Zhang X, Ying K. A novel cell-based assay for dynamically detecting neutrophil extracellular traps-induced lung epithelial injuries. Exp Cell Res. 2020;394(2): 112101. Epub ahead of print. doi: 10.1016/j.yex-cr.2020.112101.
20. Weber AG, Chau AS, Egeblad M, Barnes BJ, Janowitz T. Nebulized in-line endotracheal dornase alfa and albuterol administered to mechanically ventilated COVID-19 patients: A case series. Preprint. medRxiv. doi: 10.1101/2020.05.13.20087734.
21. Gupta S, Sahni V. The intriguing commonality of NETosis between COVID-19 & Periodontal disease. Med Hypotheses. 2020;144:109968. Epub ahead of print. doi: 10.1016/j.mehy.2020.109968.
22. Seif S, Ayuna A, Kumar A, Macdonald J. Massive coronary thrombosis caused primary percutaneous coronary intervention to fail in a COVID-19 patient with ST-elevation myocardial infarction. Catheter Cardiovasc Interv. 2020:10.1002/ccd.29050. Epub ahead of print. doi: 10.1002/ccd.29050.
23. Thierry AR, Roch B. SARS-CoV2 may evade innate immune response, causing uncontrolled neutrophil extracellular traps formation and multi-organ failure. Clin Sci (Lond). 2020;134(12): 1295-300. doi: 10.1042/CS20200531.
