Herstel van ernstige COVID-19 wordt gekenmerkt door een vermindering van bepaalde witte bloedcellen en veranderingen in de moleculaire regulatie van het immuunsysteem. Dat concludeert een internationaal onderzoeksteam gecoördineerd door DZNE, dat hierover rapporteert in het tijdschrift Cell Reports Medicine.
De wetenschappers onderzochten het bloed van 139 patiënten die intensieve zorg hadden gekregen. Met behulp van een nieuwe methode van data-analyse identificeerden ze – ondanks individuele verschillen in het tijdsverloop van de ziekte – mechanismen van gedeelde relevantie die het herstelproces kenmerkten vanuit een immunologisch perspectief. Deze bevindingen demonstreren een nieuwe benadering voor het beoordelen van de ziektestatus, die zou kunnen bijdragen tot een gerichtere en dus effectievere behandeling.
Deze studie is het resultaat van een internationale inspanning waarin DZNE samenwerkte met het Helmholtz Zentrum München, Technion Institute in Israël en de Radboud Universiteit in Nederland. De uitdaging voor de onderzoekers was om overeenkomsten in de gegevens van verschillende patiënten te identificeren. Dit komt omdat bij COVID-19, net als bij veel andere ziekten, het herstelproces van persoon tot persoon sterk kan verschillen, zoals blijkt uit bijvoorbeeld hoe de symptomen zich in de loop van de tijd ontwikkelen en hoe lang een ziekenhuisopname duurt.
“Dit maakt het moeilijk om generaliseerbare cellulaire en moleculaire mechanismen te identificeren die ten grondslag liggen aan de ziekte. Dergelijke inzichten zijn echter relevant om de aard van de ziekte en de reactie van het lichaam te begrijpen – en dus om te beslissen over de optimale behandeling”, zegt bio-informaticus en genoom onderzoeker Dr. Amit Frishberg, hoofdauteur van de publicatie. “Daarom hebben we voor de analyse van de gegevens een nieuwe methode gebruikt die we onlangs hebben ontwikkeld. Onze computationele benadering is ontworpen om gemeenschappelijke patronen te ontdekken in de verscheidenheid aan bevindingen van verschillende patiënten die misschien niet voor de hand liggen.”
COVID-19 kan meerdere organen aantasten. Het is echter bekend dat de ziekte aanzienlijk wordt gevormd door de immuunrespons. “Deze reactie zie je terug in het bloed, want daar circuleren de witte bloedcellen”, zegt Frishberg. “Deze cellen zijn essentiële componenten van het immuunsysteem. Daarom richtte onze studie zich op het bloed van patiënten.”
In totaal bestudeerden de onderzoekers bloedmonsters van 139 volwassenen, hun leeftijd varieerde van 21 tot 86 jaar, en de meeste waren mannen. De gegevens waren afkomstig van drie verschillende cohorten. Alle patiënten waren behandeld op een intensive care afdeling (ICU) inclusief beademing: 105 herstelden tot het punt dat ze uiteindelijk van de IC werden ontslagen, terwijl 34 stierven. Van de meeste van de hier bestudeerde personen waren er meerdere bloedmonsters, meestal afgenomen gedurende een periode van ongeveer drie weken na opname op de IC. Ook was voor sommige patiënten een zelfgerapporteerde gezondheidstoestand drie maanden na opname op de IC (en daaropvolgend ontslag) beschikbaar.
Een rode draad.
Uit de analyse bleek dat het herstelproces gepaard gaat met een geleidelijke vermindering van het aantal zogenaamde neutrofielen. Het zijn de meest voorkomende witte bloedcellen en binnen het arsenaal van het immuunsysteem fungeren ze als één van de eerste verdedigingslinies tegen ziekteverwekkers. “We ontdekten dat patiënten met ernstige COVID-19 een groot aantal volwassen, dat wil zeggen volledig ontwikkelde neutrofielen in hun bloed hadden, waarvan het aantal tijdens het herstelproces afneemt. De waarden van andere witte bloedcellen veranderen ook naarmate ze terugkeren naar een normaal niveau, waarbij sommige dalen en andere stijgen. Deze veranderingen zijn echter minder uitgesproken dan bij neutrofielen”, zegt Frishberg. “Ook zien we dat bij IC-patiënten een toename van rijpe neutrofielen gedurende een langere periode zeer waarschijnlijk leidt tot een fatale afloop. Dit komt mogelijk omdat de gestage toename gepaard gaat met een overshooting en dus een schadelijke immuunrespons. Het aantal van deze cellen in het bloed zou daarom kunnen dienen als een biomarker en belangrijker zijn voor voorspellingen van ziekteontwikkeling dan andere die momenteel worden besproken.”
De onderzoekers ontdekten verdere veranderingen in de loop van het herstel die van invloed zijn op moleculaire signaalroutes en regulerende mechanismen van het immuunsysteem. “Het opmerkelijke aan onze bevindingen is dat het herstel bij alle patiënten hetzelfde biologisch patroon volgde, ondanks individuele verschillen in het tijdsverloop van de ziekte. Er is, om zo te zeggen, een rode draad. In onze gegevens hebben we geen bewijs gevonden dat het herstelproces na ernstige COVID-19 verschillende trajecten kan volgen”, zegt Frishberg.
Voor hun analyse vertrouwden de wetenschappers voornamelijk op bloedtranscriptomen. Deze datasets weerspiegelen de genactiviteit van alle bloedcellen op een bepaald moment. Meestal zijn er meer dan 10.000 verschillende genen geregistreerd. “Bloedtranscriptomen geven een zeer gedetailleerd beeld van wat er immunologisch gebeurt”, zegt prof. Joachim Schultze, directeur Systems Medicine bij DZNE en professor aan de Universiteit van Bonn, die ook betrokken was bij het onderzoek. “De analyse van deze zeer complexe data vereist computationele technieken. Hier kwam onze nieuwe aanpak om de hoek kijken.”
De methode die de onderzoekers toepasten, is gebaseerd op een computationeel algoritme dat alle transcriptomen van verschillende patiënten in een gedeelde volgorde rangschikt. “Dit is gebaseerd op overeenkomsten en op de veronderstelling dat alle herstelde patiënten uiteindelijk hetzelfde hersteltraject volgen. Het idee is dat elk transcriptoom een momentopname is van de ziektetoestand die evolueert naar de volgende momentopname. Vergelijkbaar met hoeveel individuele frames uiteindelijk een film vormen”, zegt Schultze. Uit deze rangschikking van individuele, experimenteel verworven transcriptomen wordt een model berekend dat het continue verloop van het herstelproces weerspiegelt. Hierin wordt de biologische dynamiek in de tijd gekenmerkt door een door het algoritme berekende parameter. “Omdat het herstelproces individueel kan verschillen, kan dezelfde immunologische situatie zich op verschillende tijdstippen voordoen bij verschillende patiënten, bijvoorbeeld met betrekking tot het begin van de symptomen. Chronologische tijd is daarom geen geschikte maatstaf om de ontwikkeling van het herstelproces op biologische schaal vast te leggen”, legt Schultze uit. “Onze aanpak is dus gebaseerd op het berekenen van een parameter, die pseudotijd wordt genoemd en die aan elk patiëntenmonster wordt toegewezen. Hierbij vertegenwoordigt een lage pseudotijd een ernstige ziektetoestand of een aanvankelijke staat van herstel, terwijl een hoge pseudotijd een vergevorderde staat van herstel aangeeft.”
Uit dit model konden de onderzoekers hun bevindingen afleiden over de afname van neutrofielen en veranderingen in regulerende mechanismen, die allemaal niet duidelijk waren uit de onbewerkte gegevens. Bovendien konden ze door toegang te hebben tot gegevens van verschillende cohorten hun bevindingen valideren en controleren of de aannames waarop hun model was gebaseerd, inderdaad consistent waren met de experimentele bevindingen.
“Ons onderzoek laat zien hoe je inzichten uit complexe data kunt halen door gebruik te maken van algoritmen en modellering. Wij geloven dat het een krachtige aanpak is met potentieel voor brede toepassingen. Veel ziekten worden gekenmerkt door heterogene en patiëntspecifieke hersteltrajecten. In het licht hiervan kan onze analysemethode ook nuttig zijn voor onderzoek naar andere ziekten dan COVID-19”, merkt Schultze op. “Het komt erop neer dat onze studie een nieuwe benadering presenteert om de ziekte herstelstatus bij ICU-patiënten te beoordelen op basis van bloedtranscriptomen. In de praktijk kan dit bijdragen aan een meer gerichte en dus effectievere behandeling van COVID-19. Als we dit overwegen, is het misschien de moeite waard om te evalueren in hoeverre dergelijke onderzoeken in de klinische routine kunnen worden geïmplementeerd.”
Vertaling: Andre Teirlinck