Белодробна и сърдечна патология при Covid-19: Първа аутопсионна серия в Ню Орлиънс

Предпечат, източник: https://doi.org/10.1101/2020.04.06.20050575 *

Превод: Боряна Маринкова

*Притежателят на авторските права за този предпечат (който не е преминал редакция) е авторът / финансиращият субект, предоставил на medRxiv лиценз за показване на предпечата. Всички права запазени. Без разрешение не се допуска повторна употреба.

1) Катедра по патология, Център за здравни науки на LSU, Ню Орлиънс

2) Отделение по патология и лабораторна медицина, Здравна система за ветерани в Югоизточна Луизиана

3) Катедра по биомедицинско инженерство, Университет Тулан

*За кореспонденция: sfox@lsuhsc.edu & rvand3@lsuhsc.edu 

Резюме: SARS-CoV-2 бързо се разпространи в Съединените щати, причинявайки висока заболеваемост и смъртност, като хистопатологичната база при тежки случаи на заболяване все още не е подробно проучена. През миналия век аутопсията допринесе значително за нашето разбиране за многобройни болестни процеси, но поради няколко причини, докладите за аутопсия след смъртта, свързани със SARSCoV-2, досега са ограничени по целия свят. Съобщаваме за съответните кардиопулмонални находки при първата серия аутопсии в Съединените щати, като причината за смъртта се дължи на инфекция SARS-CoV-2. Тези случаи идентифицират ключови патологични състояния, които потенциално допринасят за тежко заболяване и декомпенсация при тези пациенти.

Въведение: Първият потвърден случай на инфекция на SARS-CoV-2 в Съединените щати е докладван на 20 януари 2020 г. Оттогава вирусът се е разпространил в цялата страна, като няколко града в САЩ се превърнаха в епицентрове на пандемията. Към 31 март 2020 г. Щатското министерство на здравеопазването в Луизиана отчита общо 5 237 случая на COVID-19 с 1355 хоспитализации и 239 смъртни случая, свързани с COVID-19. Общо 1834 от 5 239 случая на COVID-19 и 101 от 239 смъртни случая са настъпили в град Ню Орлиънс – най-високата смъртност на глава от населението в Съединените щати. Университетският медицински център в Ню Орлиънс, построен след урагана Катрина, е оборудван с аутопсионна и съвременна апаратура, отговарящ на съвременните стандарти, препоръчани от CDC за извършване на аутопсия на пациенти с положителни тестове за COVID-19. Тук докладваме за кардиопулмоналните находки от първите четири аутопсии от серия от дванадесет, извършени на пациенти в Съединените щати със съответните последици при лечението на тежки случаи.

Кратко клинично обобщение:

Четиримата починали пациенти са мъже и жени на възраст 44-76 години. Всички са афроамериканци и с анамнеза за клас на затлъстяване 2-3 и хипертония, контролирана от медикаменти. Трима от пациентите са с инсулинозависим диабет тип II, двама са с хронично бъбречно заболяване (стадии 2 и 3), а един е приемал метотрексат.

Във всички случаи клиничният курс се състои от приблизително три дни лека кашлица и повишена температура с внезапна респираторна декомпенсация непосредствено преди пристигане в спешното отделение. Рентгенографиите на гръдния кош разкриват двустранни промени тип „матово стъкло“, в съответствие с острия респираторен дистрес синдром (ARDS), който се влошава в болницата. Пациентите са интубирани и преведени в отделението за интензивно лечение. Лечението в ОАИЛ включва ванкомицин, азитромицин и аефепим за всички пациенти, като един пациент е и на дексаметазон. Всички пациенти са тествани и са с положителен резултат за SARS-CoV-2 (нов коронавирус с RT-PCR). Важните лабораторни резултати са  повишени нива на феритин, фибриноген, PT и в рамките на 24 часа преди смъртта, увеличен брой неутрофили с относителна лимфопения. Глюкозата и AST са леко повишени над нормата, а креатининът се повишава над референтната стойност за всички пациенти. D-димер стойностите на пробите, взети близо до момента на момента на летален изход при двама пациенти, са значително повишени (1200-2900 ng / mL). Когато пациентите продълават да се влошават, въпреки лечението, семействата избраха интензивното лечение да бъде преустановено. Във всеки случай беше дадено съгласие за аутопсия и неограничено от следващия родственик. Изследванията, извършени извън рутинната аутопсия, бяха определени да бъдат разрешени от IRB в Туленския университет. 

Макроскопски находки:

Общото изследване на белите дробове по време на аутопсията показа, че трахеите са с нормален калибър и леко еритематозни. Всички лобове са тежки, левият варираше от 680 g до 1030 g, нормално (583 +/- 216); дясният от 800g до 1050g, при норма (663 +/- 239). Те съдържат обичайни лобове и фисури, с изключение на един спад с частична лобектомия вдясно. Белодробните артерии в хилума на всеки от белите дробове са без тромбоемболи. Бронхите разкриват задебелена, бяла лигавица в белите дробове на един пациент и розова пяна в дихателните пътища на останалите трима. Наблюдават се също леки до умерени серосангвинни перикардни и плеврални изливи. Паренхимът на всеки от белите дробове е дифузно едематозен и твърд, в съответствие с клиничната диагноза на ARDS. Специално внимание заслужават зони с тъмно оцветени кръвоизливи с фокална демаркация, които се идентифицират в целия периферен паренхим в белите дробове на всички освен един от спадналите лобове (Фигура 1A). На срезовете зоните, идентифицирани като хеморагични на външната повърхност, показаха отчетлив кръвоизлив. След фиксирането, срезовете на белодробната тъкан показват редуващи се области с тъмно-сива консолидация с петнисти области на кръвоизлив, които варират от 3-6 см в максимален диаметър. В някои случаи в участъците от периферния паренхим присъстват малки, твърди тромби (Фигура 1C). Само в един случай на пациент с имуносупресия се наблюдава фокална консолидация – в останалата част от белите дробове няма данни за лобарен инфилтрат, абсцес или общ възпалителен процес.

Изследване на сърцето е извършено в три от случаите, като сърцата варират в размер от 430 g до 550 g (нормално: 365 g +/- 71). Най-значимите основни находки са кардиомегалия и дилатация на дясната камера. В един случай се наблюдава масивна дилатация, при която дясната камерна кухина е с диаметър 3,6 cm, докато лявата камера е с размер 3,4 cm с най-голям диаметър (Фигура 1B). Срезовете на миокарда показват твърда, червено-кафява и без значителни лезии тъкан при всички случаи, а коронарните артерии не показват значителна стеноза или остра тромбоза.

ФИГУРА 1: Макроскопски находки в белия дроб и сърцето. A) Бели дробове с двустранен белодробен оток и петна от тъмен кръвоизлив и Б) Сърце с екстремна дилатация на дясна камера с изправяне на междувентрикуларната преграда. В) Срезовете на белия дроб показвт тромби в периферните малки съдове (бели стрелки).

Микроскопски находки:  

В белия дроб. Белите дробове са изследвани обстойно в двата централни и периферни участъци на всеки лоб. Хистологичното изследване на белите дробове показа двустранно дифузно увреждане на алвеолите със сравнително лек до умерен лимфоцитен инфилтрат, съставен от CD4 + и CD8 + лимфоцити (Фигура 2), разположени предимно в интерстициалните пространства и около по-големите бронхиоли. CD4 + лимфоцитите могат да се видят в агрегати около малки съдове, някои от които изглеждат, че съдържат тромбоцити и малки тромби. Във всички случаи, освен в един, са налице огнища на кръвоизлив. В алвеоларните пространства се наблюдава десквамирани тип 2-пневмоцити с видим вирусен цитопатичен ефект, състоящ се от цитомегалия и разширени ядра с ярки еозинофилни ядра. (Фигура 3). Най-голямата от тези клетки често съдържа ексцентрично изчистване на цитоплазмата с малки везикули с по-висока мощност, вероятно представляващи вирусни включвания. Могат да се видят разпръснати хиалинови мембрани, както и отлагане на фибрин, подчертано от трихромни петна (Фигура 2), в съответствие с дифузно увреждане на алвеола. Алвеоларните капиляри са значително удебелени, с оток,  в капилярите и малките съдове има фибриновите тромби. Забележителна находка беше наличието на CD61 + мегакариоцити (Фигура 2), вероятно представляващ белодробни мегакариоцити със значителна ядрена хиперхромазия и атипия. Тези клетки са разположени в алвеоларните капиляри и могат да са във връзка с активното производство на тромбоцити (Фигура 2). Фибринът и тромбоцитите в малките съдове също така изглеждат, че агрегират възпалителни клетки, с образуване на множество неутрофили. Само в 1 случай на пациент на  имуносупресия има данни за огнищен остър възпалителен инфилтрат, който може би съответства на вторичната инфекция. В този случай неутрофилите са частично дегенерирани и затворени във влакна, вероятно представляващи неутрофилни извънклетъчни капани (Фигура 3),1,2 и присъстват във връзка с клъстери от CD4 + мононуклеарни клетки. Не е установен значителен неутрофилен инфилтрат в дихателните пътища или интерстициума, който да предполага вторична инфекция в другите случаи.   

ФИГУРА 2: Пулмонарни микроскопски находки. Всички пациенти имат обширно дифузно увреждане на алвеолите. А) Хиалинови мембрани и кръвоизлив (H&E), с В) фибринови тромби в  малки съдове и капиляри, и C) Обширно извънклетъчно отлагане на фибрин, подчертано в синьо от MassonTrichrome оцветяване. Г) Периваскуларни агрегации на лимфоцити, които са положителни за CD4 имуностаин, наблюдават се само разпръснати CD8 положителни клетки. Д) Многобройни мегакариоцити в малките съдове и алвеоларните капиляри, подчертани от CD61 и имуностатините на Von Willebrand фактор.   

В сърцето. В срезовете на миокарда не се наблюдават големи или сливащи се области на миоцитна некроза. Сърдечната хистопатология показва разпръсната отделна клетъчна миоцитна некроза във всяко изследвано сърце. В малко зони лимфоцитите са в съседство с, но не и около дегенериращи миоцити. Дали това може да представлява ранна проява на вирусен миокардит, не е сигурно, но няма значителен бърз лимфоцитен възпалителен инфилтрат, съобразен с типичния модел на вирусен миокардит. Това може да е в съответствие с неотдавнашен документ на Chen и кол. Това предполага хипотезата, че перицитите могат да бъдат заразени от вируса SARS-CoV-2 и да причинят капилярна ендотелна клетъчна / микросъдова дисфункция, която може да причини некроза на отделните клетки.3 Не се наблюдава вирусен цитопатичен ефект при осветена микроскопия, но директната вирусна инфекция на миоцитите не може да бъде изцяло изключена в това ограничено по обем проучване.  

ФИГУРА 3: SARS-CoV-2 цитопатични ефекти. A) H& E оцветяване на няколко уголемени пневмоцити в увредена алвеола, с разширени ядра, изявени нуцелоли и цитологична атипия. Б) Относително разпределение на dsDNA (червено) спрямо РНК (зелено) в тъканни секции чрез DRAQ5 и SYTO РНК Избор на флуоресцентно оцветяване (виж допълнителни методи за оцветяване на подробности). Вирусноинфектирани клетки в алвеоларните пространства показват мултинуклеация и групиране, както се доказва от оцветяването на ДНК, и обилна РНК, присъстваща в цитоплазмата (бели стрелки), С) Попадане на имунни клетки, включително дегенерационни неутрофили, във фибрина и нишки на извънклетъчен материал със слабо ДНК оцветяване и D) Контролна белодробната тъкан, получена при аутопсия за белодробна причина за смърт преди пандемията от SARS-CoV-2. E) и F) H&E петна от сърдечни миоцити с фокална дегенерация (сини стрелки).

Обсъждане:

Доминиращият процес във всички случаи е бил в съответствие с дифузно алвеоларно увреждане с лек до умерен мононуклеарен отговор, състоящ се от забележими CD4 + агрегати около тромбирани малки съдове и значителни свързани с тях кръвоизливи. Важните допълнителни механизми, които може да са допринесли за смърт при тази първоначална серия от аутопсии, включват тромботична микроангиопатия, която е била ограничена до белите дробове. Този процес може да включва активиране на мегакариоцити, вероятно тези, които са типични за белия дроб с агрегация на тромбоцити и образуване на богати на тромбоцити зони с отлагане на фибрин. Образуването на малки съдови тромби в белодробната периферия в много случаи е свързано с огнища на алвеоларен кръвоизлив. В един случай е налице обширен фибрин и ранна организация с дегенерирани неутрофили в алвеолите, които вероятно представляват неутрофилни извънклетъчни капани.1,2 При изобразяване на РНК ние успяхме да визуализираме многоядрени клетки в алвеоларните пространства, съдържащи изобилие на РНК, която вероятно е на вирусноинфектирани клетки. Те могат да представляват многоядрените клетки, описани по-рано в един доклад за постмортем биопсия в Китай.4 Сърдечните находки не показват миокардит и увеличение на BNP, наблюдавано в поне един от нашите случаи,  което вероятно се дължи до острата дилатация на дясната камера. Основната причина за разпръсната атипична дегенерация на миоцитите остава неясна.

Съществуват предварителни данни за вирусна инфекция, причиняваща активиране както на дезадаптивните цитокинови пътища, така и на тромбоцитния отговор, а нашите находки показват, че тези имунни функции могат да бъдат свързани с тежки форми на Covid-19. В отговор на системни и белодробни вирусни инфекции на H1N1 грип и денга е известно, че мегакариоцитите реагират чрез свръхекспресиране на IFITM3 и произвеждат тромбоцити със същата свръхекспресия.5 В допълнение, тромбоцитите и мегакариоцитите могат да имат рецептори за вируси6–9, някои от които са били специално активирани при грип H1N1 често във връзка с лимфопения10–12 Има дори някои доказателства, че по-ранните SARS-CoV директно са заразили мегакариоцитите и че функцията на тромбоцитите е била засегната в увредените бели дробове на пациентите с тежка SARS.14. Понастоящем има данни за пряка инфекция на мегакариоцити от SARS-CoV-2, но изобилието на тези клетки в белите дробове при аутопсия вероятно е свързано с множеството малки, понякога богати на тромбоцити тромби и огнища на кръвоизлив. 

Важна констатация е отсъствието на значителна вторична инфекция във всички наши случаи. Всички пациенти са с антибиотична терапия по време на болничното лечение, липсата на значителна бактериална или гъбична инфекция предполага, че това не е основната причина за тяхното влошаване. Отбелязваме също, че двама от нашите пациенти са по-млади от тези, които обикновено се смятат за рискови за смърт поради Covid-19, и без имуносупресивна терапия, макар и със затлъстяване, хипертония и диабет – съпътстващи заболявания, често срещани в нашата популация от пациенти и в населението на много градове с голямо разпространение на Covid-19. Въз основа на нашите находки считаме, че ефективната терапия за тези пациенти трябва да е насочена не само към вирусен патоген, но и към тромботични и микроангиопатични ефекти на вируса и евентуално неправилен имунен отговор към вирусната инфекция. 

Благодарност и признания

Първо бихме искали да отдадем признание на нашите пациенти и техните семейства, които във време на тежка лична загуба помогнаха да разберем повече за тази болест. Благодарни сме и за подкрепата на Катедрата по патология в здравния център на LSU и за усърдната работа на екипа на Университетския медицински център – по-специално Никол Бихсел, за безценната й роля като аутопсионен асистент. И накрая бихме искали да благодарим на д-р Paula L. Bockenstedt, доцент по хематология в Мичиганския университет, за нейната експертиза и насоки в този труд.

 
Библиография

  • Mikacenic C, Moore R, Dmyterko V, et al. Neutrophil extracellular traps (NETs) are increased in the alveolar spaces of patients with ventilator-associated pneumonia. Crit Care 2018;22(1):358.
  • Lefrançais E, Mallavia B, Zhuo H, Calfee CS, Looney MR. Maladaptive role of neutrophil extracellular traps in pathogen-induced lung injury. JCI Insight [Internet] 2018;3(3). Available from: http://dx.doi.org/10.1172/jci.insight.98178
  • Chen L, Li X, Chen M, Feng Y, Xiong C. The ACE2 expression in human heart indicates new potential mechanism of heart injury among patients infected with SARS-CoV-2. Cardiovasc Res [Internet] 2020;Available from: http://dx.doi.org/10.1093/cvr/cvaa078
  • Xu Z, Shi L, Wang Y, et al. Pathological findings of COVID-19 associated with acute respiratory distress syndrome. Lancet Respir Med [Internet] 2020;Available from: http://dx.doi.org/10.1016/S22132600(20)30076-X
  • Campbell RA, Schwertz H, Hottz ED, et al. Human megakaryocytes possess intrinsic antiviral immunity through regulated induction of IFITM3. Blood 2019;133(19):2013–26.
  • Youssefian T, Drouin A, Massé J-M, Guichard J, Cramer EM. Host defense role of platelets: engulfment of HIV and Staphylococcus aureus occurs in a specific subcellular compartment and is enhanced by platelet activation. Blood 2002;99(11):4021–9.
  • Boukour S, Massé J-M, Bénit L, Dubart-Kupperschmitt A, Cramer EM. Lentivirus degradation and DCSIGN expression by human platelets and megakaryocytes. J Thromb Haemost 2006;4(2):426–35.
  • Loria GD, Romagnoli PA, Moseley NB, Rucavado A, Altman JD. Platelets support a protective immune response to LCMV by preventing splenic necrosis. Blood 2013;121(6):940–50.
  • Middleton EA, Weyrich AS, Zimmerman GA. Platelets in Pulmonary Immune Responses and Inflammatory Lung Diseases. Physiol Rev 2016;96(4):1211–59.
  • Rondina MT, Brewster B, Grissom CK, et al. In vivo platelet activation in critically ill patients with primary 2009 influenza A(H1N1). Chest 2012;141(6):1490–5.
  • Khandaker G, Dierig A, Rashid H, King C, Heron L, Booy R. Systematic review of clinical and epidemiological features of the pandemic influenza A (H1N1) 2009. Influenza Other Respi Viruses 2011;5(3):148–56.
  • Gomez-Casado C, Villaseñor A, Rodriguez-Nogales A, Bueno JL, Barber D, Escribese MM. Understanding Platelets in Infectious and Allergic Lung Diseases. Int J Mol Sci [Internet] 2019;20(7). Available from: http://dx.doi.org/10.3390/ijms20071730
  • Noetzli LJ, French SL, Machlus KR. New Insights Into the Differentiation of Megakaryocytes From Hematopoietic Progenitors. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2019;39(7):1288–300.
  • Yang M, Ng MHL, Li CK. Thrombocytopenia in patients with severe acute respiratory syndrome (review). Hematology 2005;10(2):101–5.