Blood Proteomics Reveals Pathways Driving Severe COVID-19 / La proteomica del sangue rivela i percorsi che guidano il COVID-19 grave

 Blood Proteomics Reveals Pathways Driving Severe COVID-19 / La proteomica del sangue rivela i percorsi che guidano il COVID-19 grave

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Researchers track the cellular mechanisms underlying disease progression using longitudinal blood sampling, aiding prospects of early diagnosis and therapeutic intervention.

At just over 18 months, the COVID-19 pandemic has resulted in nearly 200 million confirmed cases and over 4 million deaths. While vaccines show promise of reducing the number of severe COVID-19 cases and the likelihood of death, cases continue to rise worldwide as the majority of the world’s population has limited access to these resources. The precise details as to why some individuals present as asymptomatic following COVID infection while others experience severe illness and even death continue to evade the scientific community. It is increasingly evident that immune dysfunction accompanies severe cases, but a complete picture of all the mechanisms involved and when these effects emerge remains unclear²’. The continued development and refinement of methods and workflows that facilitate biomarker discovery will inform the understanding of COVID-19 pathophysiology, giving rise to novel treatments. In a recent study published in Cell Reports Medicine, a research team from Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School set out to find unique blood protein signatures associated with COVID-19 infection, severity, and death. To accomplish this, the researchers collected blood from 384 patients admitted for acute respiratory distress, 306 of whom they subsequently identified as COVID-19 positive. With the samples in hand, the researchers embarked on a bioinformatics journey to explore Researchers track the cellular mechanisms underlying disease progression using longitudinal blood sampling, aiding prospects of early diagnosis and therapeutic intervention. Blood Proteomics Reveals Pathways Driving Severe COVID-19 plasma protein biomarkers associate with COVID-19 infection and its consequences. Severe COVID-19 manifests heterogenous protein signatures To measure nearly 1500 different blood proteins in patient samples, the researchers turned to Olink’s high-throughput protein biomarker platform, Explore 1536. 

This innovative system uses a proprietary Proximity Extension Assay (PEA), which allows for greater sensitivity and specificity of protein biomarker detection, with readout by next-generation sequencing. Unsurprisingly, their preliminary analyses revealed numerous differentially expressed proteins in COVID-19+ patients compared to COVID-19- patients on day zero, including increased expression of proteins involved in viral response and interferon pathways as well as proteins involved in innate immune activation and T cell function. The large sample size allowed the researchers to perform hierarchical clustering of patients based on these differentially expressed proteins. An interesting finding to emerge from this data is that, while COVID-19+ patients tended to cluster together, a small subset (16%) of COVID-19+ patients exhibited inflammatory signatures akin to COVID-19- controls but presented with adverse outcomes similar to other COVID-19+ patients. The authors note that in this unique subgroup of patients, who tended to be older and already suffering from chronic disease, it is likely that viral infection and pre-existing conditions, as opposed to immune dysfunction, drive pathology. Therefore, immune-targeted therapies like dexamethasone may be ineffective for these individuals. Next, focusing on the COVID-19+ population, the researchers sought to identify protein biomarkers of disease severity. The study authors classified patients who required intubation or died within 28 days of intake as severe cases and compared them to non-severe COVID-19+ patients. From the same Olink plasma protein panel, the researchers identified over 250 differentially expressed proteins between these two groups, including numerous inflammatory markers. For example, severely ill patients showed sustained increases in the pro-inflammatory cytokine IL-6 over seven days. 

Clustering COVID-19+ patients using severity-related proteins revealed several distinct subgroups of severe patients, reflective of the heterogeneous phenotypes of individuals with severe COVID- 19. However, when the researchers examined differential protein expression over time, an intriguing story of survival emerged. Over seven days, intubated patients that survived acute respiratory distress showed an initial increase followed by a steep reduction in inflammatory markers, such as IL-6 and CXCL10, whereas patients that died exhibited sustained elevations of these proteins. The authors also identified several proteases significantly associated with the survival of patients with severe COVID-19. Further investigation into the role of these proteases in processes underlying survival, including a potential beneficial antiinflammatory response, may inform future therapeutic strategies. The issue is in the tissues: Lung damage a key feature of severe disease Blood samples provide a simple, less invasive glimpse into the body’s health status than traditional tissue biopsies. Proteins enter the bloodstream through various routes, including secretion from effector cells, like T cells, and release from dying cells. To shed light on the tissue-specific origins of the observed plasma protein signatures, the researchers turned to previously published single-cell RNA sequencing (scRNAseq) datasets from COVID19 patients and healthy tissues. Patients with severe COVID-19 presented with increased markers of cell death from the heart, skeletal muscle, and, unsurprisingly, the lungs. Further analysis of the recent data alongside published datasets on lung-specific signatures suggests that the death of virus-infected lung cells drives disease severity. In sum, the working model of severe disease proposed by the authors begins with the initial recruitment of immune cells and eventual overactivation of the adaptive immune response, followed by cell death in the lungs and the delayed activation of repair and regeneration pathways. Early interventions, such as those aimed at constraining the expansion of pro-inflammatory signaling pathways, may benefit patients most at risk of developing severe cases.

ITALIANO

I ricercatori tracciano i meccanismi cellulari alla base della progressione della malattia utilizzando il prelievo di sangue longitudinale, aiutando le prospettive di diagnosi precoce ed intervento terapeutico.

In poco più di 18 mesi, la pandemia di COVID-19 ha provocato quasi 200 milioni di casi confermati e oltre 4 milioni di decessi. Sebbene i vaccini promettano di ridurre il numero di casi gravi di COVID-19 e la probabilità di morte, i casi continuano ad aumentare in tutto il mondo poiché la maggior parte della popolazione mondiale ha un accesso limitato a queste risorse. I dettagli precisi sul motivo per cui alcuni individui si presentano come asintomatici a seguito dell'infezione da COVID mentre altri sperimentano malattie gravi e persino la morte continuano a eludere la comunità scientifica. È sempre più evidente che la disfunzione immunitaria accompagna i casi gravi, ma un quadro completo di tutti i meccanismi coinvolti e quando questi effetti emergono rimane poco chiaro'. Il continuo sviluppo e perfezionamento di metodi e flussi di lavoro che facilitano la scoperta di biomarcatori informeranno la comprensione della fisiopatologia del COVID-19, dando origine a nuovi trattamenti. In un recente studio pubblicato su Cell Reports Medicine, un gruppo di ricerca del Massachusetts General Hospital e della Harvard Medical School ha deciso di trovare firme uniche di proteine ​​del sangue associate all'infezione, alla gravità ed alla morte da COVID-19. A tal fine, i ricercatori hanno raccolto il sangue da 384 pazienti ricoverati per distress respiratorio acuto, 306 dei quali sono stati successivamente identificati come positivi al COVID-19. Con i campioni in mano, i ricercatori hanno intrapreso un viaggio bioinformatico per esplorare.

 I ricercatori tengono traccia dei meccanismi cellulari alla base della progressione della malattia utilizzando il campionamento longitudinale del sangue, aiutando le prospettive di diagnosi precoce ed intervento terapeutico. La proteomica del sangue rivela i percorsi che guidano i biomarcatori delle proteine ​​plasmatiche COVID-19 gravi associati all'infezione da COVID-19 ed alle sue conseguenze. 

COVID-19 grave manifesta firme proteiche eterogenee Per misurare quasi 1500 diverse proteine ​​del sangue nei campioni dei pazienti, i ricercatori si sono rivolti alla piattaforma di biomarcatori proteici ad alto rendimento di Olink, Explore 1536. Questo sistema innovativo utilizza un test di estensione di prossimità (PEA) proprietario, che consente di maggiore sensibilità e specificità del rilevamento dei biomarcatori proteici, con lettura mediante sequenziamento di nuova generazione. Non sorprende che le loro analisi preliminari abbiano rivelato numerose proteine ​​differenzialmente espresse nei pazienti COVID-19+ rispetto ai pazienti COVID-19- il giorno zero, inclusa una maggiore espressione di proteine ​​coinvolte nella risposta virale e vie dell'interferone, nonché proteine ​​coinvolte nell'attivazione immunitaria innata e T funzione cellulare. L'ampia dimensione del campione ha consentito ai ricercatori di eseguire il raggruppamento gerarchico dei pazienti in base a queste proteine ​​differenzialmente espresse. Una scoperta interessante che emerge da questi dati è che, mentre i pazienti COVID-19+ tendevano a raggrupparsi insieme, un piccolo sottogruppo (16%) di pazienti COVID-19+ mostrava firme infiammatorie simili ai controlli COVID-19- ma presentava esiti avversi simile ad altri pazienti COVID-19+. Gli autori osservano che in questo unico sottogruppo di pazienti, tendenzialmente più anziani e già affetti da malattie croniche, è probabile che l'infezione virale e le condizioni preesistenti, al contrario della disfunzione immunitaria, guidino la patologia. Pertanto, le terapie immuno-mirate come il desametasone possono essere inefficaci per questi individui. Successivamente, concentrandosi sulla popolazione COVID-19+, i ricercatori hanno cercato di identificare i biomarcatori proteici della gravità della malattia. Gli autori dello studio hanno classificato i pazienti che hanno richiesto l'intubazione o sono morti entro 28 giorni dall'assunzione come casi gravi e li hanno confrontati con pazienti COVID-19+ non gravi. Dallo stesso pannello delle proteine ​​plasmatiche Olink, i ricercatori hanno identificato oltre 250 proteine ​​differenzialmente espresse tra questi due gruppi, inclusi numerosi marcatori infiammatori. Ad esempio, i pazienti gravemente malati hanno mostrato aumenti sostenuti della citochina pro-infiammatoria IL-6 nell'arco di sette giorni. Il raggruppamento di pazienti COVID-19+ utilizzando proteine ​​​​correlate alla gravità ha rivelato diversi sottogruppi distinti di pazienti gravi, che riflettono i fenotipi eterogenei di individui con COVID-19 grave. Tuttavia, quando i ricercatori hanno esaminato l'espressione proteica differenziale nel tempo, è emersa una storia intrigante di sopravvivenza. Nell'arco di sette giorni, i pazienti intubati sopravvissuti a distress respiratorio acuto hanno mostrato un aumento iniziale seguito da una forte riduzione dei marcatori infiammatori, come IL-6 e CXCL10, mentre i pazienti che sono morti hanno mostrato aumenti sostenuti di queste proteine. Gli autori hanno anche identificato diverse proteasi significativamente associate alla sopravvivenza dei pazienti con COVID-19 grave. Ulteriori indagini sul ruolo di queste proteasi nei processi alla base della sopravvivenza, inclusa una potenziale risposta antinfiammatoria benefica, potrebbero informare le future strategie terapeutiche.

Il problema è nei tessuti: il danno polmonare è una caratteristica fondamentale di una malattia grave.

 I campioni di sangue forniscono uno sguardo semplice e meno invasivo sullo stato di salute del corpo rispetto alle tradizionali biopsie tissutali. Le proteine ​​entrano nel flusso sanguigno attraverso varie vie, inclusa la secrezione dalle cellule effettrici, come le cellule T, ed il rilascio dalle cellule morenti. Per fare luce sulle origini tessuto-specifiche delle firme delle proteine ​​plasmatiche osservate, i ricercatori si sono rivolti a set di dati di sequenziamento dell'RNA unicellulare (scRNAseq) precedentemente pubblicati da pazienti COVID19 e tessuti sani. I pazienti con COVID-19 grave si sono presentati con un aumento dei marcatori di morte cellulare dal cuore, dal muscolo scheletrico e, ovviamente, dai polmoni. Un'ulteriore analisi dei dati recenti insieme ai set di dati pubblicati sulle firme specifiche del polmone suggerisce che la morte delle cellule polmonari infette da virus determina la gravità della malattia. In sintesi, il modello di lavoro della malattia grave proposto dagli autori inizia con il reclutamento iniziale di cellule immunitarie e l'eventuale iperattivazione della risposta immunitaria adattativa, seguita dalla morte cellulare nei polmoni e dall'attivazione ritardata delle vie di riparazione e rigenerazione. Gli interventi precoci, come quelli volti a limitare l'espansione delle vie di segnalazione pro-infiammatorie, possono avvantaggiare i pazienti più a rischio di sviluppare casi gravi.

Da:

https://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/547446/Technology%20Networks/Landing%20Pages/Olink/Olink%20E-book%20v1.4%208-24-2021.pdf?__hstc=8807082.074aceb79027e793890018c0152531d2.1643566337753.1644536320634.1644619209549.7&__hssc=8807082.1.1644619209549&__hsfp=837437856&hsCtaTracking=b454736c-3640-4f46-98f7-6d4bfaccfca1%7Cb5f2b397-5e88-4f43-bac9-0ed017d37fc2