La differenza tra danno renale acuto COVID-19 (AKl) e sepsi-AKI (S-AK)

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PARTE II.: Il danno renale acuto in COVID-19 grave ha somiglianze con il danno renale associato alla sepsi: uno studio multi-omico

Mariam P. Alexander, MD; Kiran K. Mangalaparthi, PhD & et al.

ASTRATTO

Obiettivo: Confrontare la malattia da coronavirus 2019(COVID-19) danno renale acuto (AKl)Asepsi-AKI(S-AKI). Sono state analizzate la morfologia e le caratteristiche trascrittomiche e proteomiche dei reni autoptici. Pazienti e metodi: sono stati inclusi individui di età pari o superiore a 18 anni deceduti per COVID-19 e sottoposti a un'autopsia eseguita presso la Mayo Clinic tra aprile 2020 e ottobre 2020. È stata eseguita la valutazione morfologica dei reni di 17 individui con COVID-19. In un sottoinsieme di sette casi di COVID-19 con intervalli post mortem inferiori o uguali a 20 ore. sono state valutate le caratteristiche ultrastrutturali e molecolari (trascrittoma mirato e analisi proteomiche del tubulointerstizio). Le caratteristiche molecolari sono state confrontate con i casi archiviati di S-AKI(sepsi-AKI)e cause non sepsi di AKI(danno renale acuto). Risultati: Lo spettro della patologia renale COVID-19 includeva infiammazione microvascolare dominante sui macrofagi (glomerulite e capillarite peritubulare), disfunzione vascolare (congestione capillare peritubulare e lesione endoteliale) e lesione tubulare con evidenza ultrastrutturale di danno mitocondriale. L'indagine dell'architettura spaziale utilizzando una nuova citometria di massa di imaging ha rivelato l'arricchimento delle cellule T CD3fCD4 in prossimità delle cellule che presentano l'antigene e degli infiltrati glomerulari e interstiziali arricchiti di macrofagi, suggerendo una risposta innata e adattativa del tessuto immunitario. Malattia da coronavirus 2019 AKI(COVID-19 danno renale acuto)e S-AKI(sepsi-AKI), rispetto all'AKI non settico, ha avuto un arricchimento delle vie trascrizionali coinvolte nell'infiammazione (apoptosi, autofagia, complesso maggiore di istocompatibilità di classe I e ll e differenziazione delle cellule helper T di tipo I). L'analisi del percorso proteomico ha mostrato che COVID-19 AKI(COVID-19 danno renale acuto)e in misura minore S-AKI(sepsi-AKI)sono stati arricchiti in vie di segnalazione della necroptosi e della sirtuina, entrambe coinvolte nella risposta regolatoria all'infiammazione. Upregulation della via di segnalazione della ceramide e downregulation della fosforilazione ossidativa nell'AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto)sono stati annotati.

Conclusione: questi dati evidenziano le somiglianze tra S-AKI(sepsi-AKI) e COVID-19 AKI(COVID-19 danno renale acuto)e suggerisce che la disfunzione mitocondriale può svolgere un ruolo fondamentale nell'AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto), Questi dati possono consentire lo sviluppo di nuovi bersagli diagnostici e terapeutici.

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DISCUSSIONE

Il nostro studio ha esaminato le caratteristiche morfologiche e molecolari dei reni ottenute durante le autopsie di pazienti deceduti di COVID-19. Il profilo morfologico e molecolare della lesione renale grave da COVID-19 assomiglia a S-AKI(sepsi-AKI). Ciò include la disfunzione microvascolare con infiammazione, cioè un fenotipo cellulare dominante sui macrofagi e una risposta prominente delle cellule T nel tubulointerstizio in prossimità delle cellule che presentano l'antigene osservate nell'analisi architettonica spaziale. La diminuzione della fosforilazione ossidativa e l'upregulation delle vie di segnalazione della ceramide con evidenza ultra-strutturale di danno mitocondriale osservata nell'AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto)indica la riprogrammazione metabolica delle cellule epiteliali tubulari che sono state descritte in S-AKI(sepsi-AKI).

FIGURA 3. Citometria di massa per imaging iperione che mostra l'immunofenotipizzazione simultanea di cellule infiammatorie e componenti strutturali renali con l'esplorazione della loro relazione spaziale.(A) Presenza di cellule T (a sinistra, in alto) e macrofagi (a destra) nel compartimento tubulointerstiziale con una cospicua assenza di cellule B (a sinistra, in basso). La glomerulite è apprezzata nel pannello di destra con la marginazione dei macrofagi (frecce). Tutte le celle di interesse sono state contrassegnate in rosso. (B) L'analisi computazionale del vicinato dell'immagine è stata eseguita dopo aver etichettato tubuli (Pank ed E-caderina), stroma intertubulare (collagene e actina muscolare alfa-liscia) e glomeruli (vimentina) (a sinistra). Dopo che le cellule sono state classificate utilizzando un approccio supervisionato (cellule T CD4þ, cellule CD4-T e cellule non T), è stata generata una mappa della distanza che misura la distanza più vicina dalle cellule HLA-DRþ a ciascuna delle altre cellule (centrale, HLA-DR in giallo, distanza da HLA-DR mostrata in intensità crescente del colore blu). Viene visualizzata la percentuale di celle all'interno di ciascun raccoglitore di distanza defifinito (a destra).

Risposta infiammatoria associata a COVID-19

Nel complesso, i reni COVID-19 hanno avuto un'infiammazione significativamente maggiore rispetto a NS-AKI(sepsi-AKI)Controlli. I segnali molecolari di infiammazione e attivazione immunitaria osservati nei reni COVID-19 suggeriscono una risposta antivirale globale caratterizzata da un'infiammazione ricca di macrofagi e cellule T e dalla produzione di interferone di tipo II, come ampiamente suggerito dai saggi basati sul sangue.20.21 La risposta delle cellule T cd4+, come abbiamo osservato nei reni COVID-19, è stata associata a esiti clinici peggiori.22Sincrede sindrome respiratoria acuta coronavirus 2-specifiche cellule T CD4+ dirette alla superficie del picco La glicoproteina è stata rilevata in pazienti con COVID-19 grave e può spiegare le cellule CD4 + T trovate nel compartimento tubulointerstiziale dei reni. Le vie molecolari, studiate sia a livello genomico che proteomico, hanno confermato che l'infiammazione è il driver predominante della lesione renale osservata nel COVID-19, simile all'S-AKI(sepsi-AKI). In entrambi i gruppi, abbiamo trovato una maggiore espressione di set di geni associati a meccanismi controregolatori normalmente osservati nell'attivazione immunitaria, tra cui la differenziazione di Treg e la segnalazione di sirtuina. Nei casi gravi di COVID-19, un aumento della frequenza di Treg circolanti è associato a esiti peggiori, presumibilmente secondari alla soppressione delle risposte antivirali delle cellule T.

Percorsi di segnalazione associati a COVID-19 nei reni COVID-19 e in S-AKI(sepsi-AKI), abbiamo trovato prove di aumento dell'apoptosi. Sebbene l'apoptosi sia potenzialmente mediata viralmente attraverso le vie estrinseche, la via della ceramide sovraregolata osservata nel nostro AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto)accoppiata con i segnali di fosforilazione ossidativa ridotti suggeriscono che l'apoptosi indotta da ceramide attraverso l'interruzione mitocondriale potrebbe svolgere un ruolo nella morte delle cellule tubulari. I mitocondri delle cellule epiteliali tubulari prossimali dei reni COVID-19 hanno mostrato una marcata vacuolizzazione e distorsione delle cristae come descritto in precedenza.2 La via della ceramide sovraregolata nell'AKI COVID-19 sottolinea il ruolo della disregolazione lipidica nel COVID-19 grave come suggerito da altri. La necroptosi, una via di morte cellulare immunogenica che può eliminare le cellule infettate da virus e mobilitare risposte immunitarie sia innate che adattative per limitare la replicazione del virus, era anche più profonda nei reni COVID-19, rispetto a NS-AKI(sepsi-AKI). La necroptosi svolge un ruolo importante nella lesione polmonare SARS-COV2 a seguito dell'infezione.26,30,31

FIGURA 4. Analisi trascrittomica.I box plot mostrano l'espressione relativa di determinati set di geni di annotazione funzionale tra la malattia da coronavirus 2019 (COVID-19), il danno renale acuto (AKI) correlato alla sepsi (S-AKI) e l'AKI non correlato alla setsi (NS-AKI). ENDAT, trascritti associati alle cellule endoteliali; MHC, complesso maggiore di istocompatibilità; Th1, cellula helper T di tipo 1; Treg, cellula T regolatoria.

COVID-19 AKI assomiglia all'AKI associato alla sepsi

Kellum et al6 e altri hanno suggerito che COVID-19 AKIis molto simile a S-AKI(sepsi-AKI). Le nostre osservazioni sulla disfunzione microvascolare, l'infiammazione e il riprogrammazione metabolico (diminuzione della fosforilazione ossidativa e aumento della segnalazione della ceramide) nell'AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto)sono simili ai meccanismi fisiopatologici fondamentali descritti in S-AKI(sepsi-AKI).1933,3 Riassumiamo i risultati chiave del nostro studio e facciamo confronti con la letteratura pubblicata in COVID-AKI(COVID-19 danno renale acuto)e S-AKI(sepsi-AKI)nella Tabella 4.19,26,29,31,3-38 Queste patologie mostrano potenziali bersagli terapeutici per COVID-19.

Limitazioni dello studio

Il principale limite del presente studio è che, sebbene abbiamo avuto la capacità di confrontare le caratteristiche molecolari della patologia correlata a COVID-19 con S-AKI(sepsi-AKI)autopsie, non siamo stati in grado di confrontare con le autopsie di pazienti che sono morti di altri AKI virali-mediati. Ciò richiede una pianificazione e studi prospettici per ottenere una conservazione ottimale del tessuto autoptico per gli studi omici. Gli artefatti di conservazione rilevati su studi ultrastrutturali di tessuto autoptico non COVID-19 fissato in formalina archiviato da pazienti precedenti non consentivano il confronto. Inoltre, l'analisi statistica non si è adattata a test multipli e una maggiore dimensione del campione avrebbe potuto fornire un'analisi dell'espressione genica più robusta. Il punto di forza del nostro studio è che siamo stati in grado di eseguire un'analisi morfologica dettagliata e un approccio multi-omico per studiare gravi lesioni renali COVID-19 e tracciare parallelismi con lesioni associate alla sepsi.

FIGURA 5. Analisi proteomica.(A) La mappa di calore fornisce una panoramica globale dell'espressione differenziale dei livelli proteici per ogni singolo gene nelle tre coorti di danno renale acuto (AKI). Proteine che erano significativamente sovra- (rosse) o sotto-espresse (blu) a P<.05 are="" shown.="" (b)="" the="" ingenuity="" pathway="" analysis="" of="" differential="" protein="" expression="" in="" coronavirus="" disease="" 2019="" (covid-19)="" aki,="" sepsis-associated="" aki,="" and="" other="" aki="" controls="" is="" shown.="" eif2,="" eukaryotic="" initiation="" factor="" 2;="" mtor,="" mammalian="" target="" of="" rapamycin;="" nrf2,="" nuclear="" factor="" erythroid="" 2erelated="" factor="">

CONCLUSIONE

Questa serie è dedicata ai risultati istopatologici, ultrastrutturali e molecolari renali in pazienti che avevano infezione da SARS-CoV-2, che fornisce prove di una risposta immunitaria innata e prominente delle cellule T. Le caratteristiche morfologiche e molecolari dell'AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto)assomigliano a quelli di S-AKI(sepsi-AKI). La disfunzione mitocondriale può svolgere un ruolo centrale nell'AKI COVID-19(COVID-19 danno renale acuto).

TABELLA 4. Confronto morfologico e molecolare tra AKI COVID-19 e SEPSI AKI

REFERENZE

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