Patofizjologia zakażenia wirusem grypy

Każenie wirusem grypy u ludzi replikuje się głównie w nabłonku układu oddechowego. Inne typy komórek, w tym wiele komórek układu odpornościowego, mogą być zakażone wirusem i będą inicjować produkcję białek wirusowych. Jednakże wydajność replikacji wirusa różni się w zależności od typu komórek, a u ludzi nabłonek oddechowy jest jedynym miejscem, w którym cząsteczka hemaglutyniny (HA) jest skutecznie rozszczepiana, generując zakaźne cząstki wirusa. Do przeniesienia wirusa dochodzi, gdy osoba podatna na zakażenie wchodzi w kontakt z aerozolami lub fomitami oddechowymi osoby zakażonej .

Fretka była tradycyjnie wykorzystywana jako model przenoszenia grypy, ponieważ większość wirusów grypy ludzkiej nie wymaga żadnych adaptacji, aby zakażać i przenosić się wśród fretek. Badania na fretkach wykazały, że podniebienie miękkie jest głównym źródłem wirusów grypy, które są przenoszone między osobnikami. W szczególności, podniebienie miękkie jest wzbogacone w kwasy sialowe o wiązaniach α2,6, które są preferowane przez białka hemaglutyniny znajdujące się obecnie w krążących ludzkich wirusach grypy. To wzbogacenie występuje również w podniebieniu miękkim u ludzi .

Podstawowy mechanizm patofizjologii grypy jest wynikiem zapalenia płuc i kompromisu spowodowanego bezpośrednim zakażeniem wirusowym nabłonka oddechowego, w połączeniu z efektami zapalenia płuc spowodowanego reakcjami immunologicznymi rekrutowanymi do obsługi rozprzestrzeniającego się wirusa (Tabela 1). Zapalenie to może rozprzestrzeniać się ogólnoustrojowo i manifestować się jako niewydolność wielonarządowa, ale te konsekwencje są na ogół w dalszej kolejności niż uszkodzenie płuc i ciężka niewydolność oddechowa. Zaobserwowano również pewne związki między zakażeniem wirusem grypy a następstwami kardiologicznymi, w tym zwiększone ryzyko choroby mięśnia sercowego w tygodniach następujących po zakażeniu wirusem grypy. Mechanizmy tego zjawiska, poza ogólnym profilem zapalnym, są nadal nierozwiązane .

Jak grypa wywołuje ARDS

Wirus grypy infekuje komórki nabłonka oddechowego, które pokrywają górne (w tym nosowe) i dolne (do pęcherzyków płucnych) drogi oddechowe. Kluczowym parametrem określającym zakres choroby towarzyszących jest stopień, w jakim dolne drogi oddechowe zostają zaatakowane przez wirusa. W szczególności zakażenie komórek nabłonka pęcherzyków płucnych wydaje się być motorem rozwoju ciężkiej choroby, niszcząc kluczowe mediatory wymiany gazowej i umożliwiając ekspozycję wirusa na komórki śródbłonka. Wczesne interakcje pomiędzy wirusem grypy, makrofagami pęcherzykowymi, które są rezydentami w drogach oddechowych płuc, a nabłonkiem są ważnym czynnikiem determinującym postęp choroby pęcherzykowej. Gdy ta delikatna warstwa zostanie naruszona, ekspozycja cytokin i antygenów wirusowych na warstwę śródbłonka może wzmocnić stan zapalny, przy czym komórki śródbłonka są głównym źródłem cytokin prozapalnych, które będą napędzać wielkość i charakter kolejnych wrodzonych i adaptacyjnych odpowiedzi immunologicznych .

Ultimately, the involvement of significant portions of the airways in an infectious response, either by direct viral infection or by damage from the responding immune system, represents a physiological failure. Niezdolność płuc do wykonywania swojej podstawowej funkcji wymiany gazowej może wynikać z wielu, niewyłącznych mechanizmów, w tym z niedrożności dróg oddechowych, utraty struktury pęcherzyków płucnych, utraty integralności nabłonka płucnego z powodu bezpośredniego zabicia komórek nabłonka i degradacji krytycznej macierzy zewnątrzkomórkowej, która utrzymuje strukturę płuc. Ten ostatni obszar jest stosunkowo słabo zbadany, a związek między odpowiedzią immunologiczną a strukturą macierzy pozakomórkowej nie został w pełni wyjaśniony. Ponadto, kluczowe szlaki regulujące degradację i regenerację macierzy zewnątrzkomórkowej w kontekście infekcji i przywrócenia zdrowego funkcjonowania płuc nie są w pełni zrozumiałe .

Terapie ukierunkowane na te szlaki mogą mieć skuteczność w późniejszym etapie odpowiedzi, po tym jak tradycyjne leki przeciwwirusowe okazały się mieć zmniejszone działanie . W tym celu w jednym z raportów stwierdzono, że zahamowanie kolagenazy MT1-MMP (MMP14) ograniczyło uszkodzenia tkanek i poprawiło przeżywalność w mysim modelu ciężkiego zakażenia wirusem grypy oraz w modelu koinfekcji grypy z pneumokokami. Ukierunkowanie na efekty końcowe zapalenia i uszkodzenia płuc związane z układem odpornościowym może być realnym sposobem ograniczenia patologii związanej z grypą .

Inne podejścia do bezpośredniego zajęcia się odpowiedzią gospodarza, zamiast skupiania się wyłącznie na wirusie, obejmowały ukierunkowanie wrodzonych szlaków immunologicznych, które wzmacniają sygnały zapalne i przyczyniają się do uszkodzenia nabłonka. Inflammasom, wrodzony kompleks sygnalizacyjny, który jest wymagany do wydzielania IL-1β i IL-18, został wykazany w wielu badaniach jako patologia związana z grypą. Tłumienie aktywacji inflammasomu w późniejszym okresie infekcji, poprzez ukierunkowanie na NLRP3 (kluczowy składnik sygnalizacji inflammasomu) w fazie końcowej grypy, miało pozytywny wpływ na powrót do zdrowia w modelach zwierzęcych. Po aktywacji inflammasomu, wtórna sygnalizacja cytokin i chemokin może prowadzić do rekrutacji niszczących tkankę populacji neutrofili i monocytów zapalnych. Eksperymenty blokujące sygnalizację CXCR1/2, kluczowy szlak receptorowy niezbędny do rekrutacji neutrofili do miejsca zapalenia, wykazały ochronę w zakażeniach u myszy grypą, Staphylococcus pneumoniae lub w zakażeniach łączonych. Biorąc pod uwagę znaczenie wtórnych zakażeń bakteryjnych (omówionych szczegółowo poniżej) w chorobie związanej z grypą, takie terapie ukierunkowane na gospodarza mogą mieć znaczącą użyteczność kliniczną. Neutrofile mogą pośredniczyć w uszkodzeniu tkanek poprzez wydzielanie wysokich poziomów enzymów przebudowy tkanek, takich jak MMP, ale także wzmacniać stan zapalny poprzez wydzielanie pułapek zewnątrzkomórkowych (NETs). W modelach mysich, NETs były silnie skorelowane z ostrym uszkodzeniem płuc, które mogło być zaostrzone przez przesunięcie infiltracji komórkowej na korzyść neutrofili poprzez uszczuplenie makrofagów. Podobne struktury NET obserwowano u ludzi cierpiących na ciężką postać grypy. W jednym badaniu ciężkiego zakażenia wirusem H7N9 i H1N1pdm09 poziomy NET przy przyjęciu były skorelowane z punktacją kliniczną (APACHE II) .

Celowanie w stan zapalny gospodarza jest przedmiotem rosnącego zainteresowania w celu opracowania nowych terapii dla ciężkiej grypy. W jednym z badań wykorzystano dobrze scharakteryzowany inhibitor mTOR rapamycynę/sirolimus do tłumienia zapalenia, co doprowadziło do poprawy wyników, skorelowanej ze zmniejszoną aktywnością inflammasomu . Ukierunkowanie na szlak mTOR jako sposób na zmniejszenie zapalenia i promowanie powrotu do zdrowia implikuje metabolizm gospodarza w etiologii ciężkiej choroby grypy, biorąc pod uwagę centralną rolę, jaką mTOR odgrywa w wykrywaniu składników odżywczych. Zaburzenia metaboliczne zostały odnotowane w lokalnych i systemowych analizach ciężkich przypadków grypy i wykazano, że interwencje metaboliczne zmieniają profile odpowiedzi gospodarza w sposób, który może być ochronny lub szkodliwy w zależności od kontekstu infekcji. Na przykład, w mysich modelach sepsy bakteryjnej lub infekcji wirusem grypy, ograniczenie glukozy miało przeciwstawne działanie, chroniąc przed sepsą bakteryjną, ale zaostrzając chorobę związaną z grypą. Rola metabolizmu w modulowaniu infekcji wirusowej jest złożona, ponieważ podczas gdy gospodarz potrzebuje określonych składników odżywczych, aby wspierać swoją aktywność immunologiczną, sam wirus wymaga znacznych zasobów metabolicznych komórek gospodarza, aby utrzymać swoją replikację, w tym glukozy i glutaminy. Ukierunkowanie na te wymagania metaboliczne wirusa może otworzyć dodatkowe okna terapeutyczne. Dodatkowo wykazano, że globalny stan metaboliczny gospodarza ma głęboki wpływ na przebieg infekcji wirusowej i progresję do fenotypów ARDS. Otyłe zwierzęta i ludzie są znacznie bardziej podatni na ciężką grypę, z większym uszkodzeniem płuc i trwałą replikacją wirusa, co wskazuje na upośledzenie odporności gospodarza i potencjalnie zwiększoną patogenezę wirusa. Mechanizmy związane z podatnością na zachorowanie na otyłość są prawdopodobnie złożone i wieloczynnikowe, w tym zwiększony stan zapalny i zmniejszone gojenie się ran u otyłych osobników. Dodatkowo otyłość tłumi niektóre cechy odporności adaptacyjnej, które mogą opóźniać klirens wirusa lub zwiększać podatność na pierwotne zakażenie.

Postęp kliniczny grypy do zapalenia płuc i ARDS

Około 30-40% hospitalizowanych pacjentów z laboratoryjnie potwierdzoną grypą ma rozpoznane ostre zapalenie płuc. Pacjenci, u których dochodzi do zapalenia płuc, są częściej młodzi (< 5 lat), starzy (> 65 lat), rasy kaukaskiej i pensjonariusze domów opieki; mają przewlekłe choroby płuc lub serca i palenie tytoniu w wywiadzie; i częściej mają obniżoną odporność. Warto zauważyć, że kobiety w ciąży, osoby otyłe, rdzenni Amerykanie i mieszkańcy Alaski są również bardziej podatni na rozwój ciężkich powikłań grypy. Niemniej jednak, w przeciwieństwie do sezonowych epidemii zakażeń wirusem grypy, które wykazują te klasyczne czynniki ryzyka, pandemie takie jak 2009 H1N1 były związane z wyższym odsetkiem hospitalizowanych przypadków niewydolności oddechowej u wcześniej zdrowych i młodych dorosłych. Niedawno duża kohorta z Australii i Nowej Zelandii zgłosiła, że podczas zimy 2017 roku dominujący szczep wirusa H3N2 był związany z bezprecedensowo wysokim poziomem przyjęć na oddziały intensywnej terapii z powodu wirusowych i bakteryjnych zapaleń płuc, nawet wyższym niż pandemia 2009 H1N1 .

Nie ma wiarygodnych statystyk dotyczących rzeczywistej częstości występowania lub rozpowszechnienia ARDS związanego z grypą w populacji pediatrycznej lub dorosłej. Wiadomo jednak, że zdecydowana większość ARDS jest spowodowana posocznicą bakteryjną i etiologią nieinfekcyjną, taką jak urazy, zapalenie trzustki, wdychanie dymu i toksyczność leków. Badania obserwacyjne sugerują, że w niewielkim odsetku ARDS wywołanego przez wirusy w populacji dziecięcej, większość jest spowodowana przez wirus syncytialny układu oddechowego i grypy A, podczas gdy grypa A jest dominującą wirusową etiologią ARDS w populacji dorosłych. Europejska kohorta z Eurosurveillance wykazała, że czynnikami ryzyka niezależnie związanymi z ARDS u pacjentów, u których rozpoznano grypę są wiek pomiędzy 36 a 55 rokiem życia, ciąża i otyłość, podczas gdy czynnikami ochronnymi związanymi z ARDS były płeć żeńska, szczepienia przeciwko grypie oraz infekcje wirusami grypy A (H3N2) lub grypy B. Warto zauważyć, że jedynymi czynnikami, które pozostały istotnie związane ze śmiercią, były rosnąca liczba punktów ciężkości i wiek powyżej 55 lat. W innej kohorcie z Chin wydaje się, że szczep wirusa był istotnym czynnikiem, ponieważ w porównaniu z H1N1, ARDS spowodowany przez H7N9 był związany z większą ciężkością choroby, wyższym wskaźnikiem powikłań mechanicznych i szpitalnych zapaleń płuc oraz zwiększoną śmiertelnością. Potencjalnym nowym czynnikiem ryzyka rozwoju ARDS w sezonie grypowym jest wykonywanie zabiegów kardiochirurgicznych .

Wyzwanie związane z rozpoznaniem zapalenia płuc i ARDS u pacjentów z dodatnimi wynikami badań laboratoryjnych w kierunku grypy wiąże się z czasowością zdarzeń klinicznych. Samo zakażenie wirusem grypy może spowodować ciężkie zapalenie płuc i ARDS, ale może również działać w połączeniu z zakażeniem bakteryjnym (omówionym poniżej). Może poprzedzać epizod zapalenia płuc spowodowany wtórnym zakażeniem bakteryjnym, najczęściej przez S. aureus i S. pneumoniae, lub może wystąpić po epizodzie szpitalnego zapalenia płuc. Klinicyści często nie rozpoznają klinicznie grypy nawet u dwóch trzecich pacjentów, u których potwierdzono zakażenie wirusem grypy. W przypadku ciężkiego zapalenia płuc lub ARDS jedyną wiarygodną wskazówką, że grypa jest możliwym czynnikiem sprawczym, jest wystąpienie choroby w szczycie sezonu epidemicznego, ponieważ sama symptomatologia nie pozwala na odróżnienie ciężkiej grypy od innych wirusowych lub bakteryjnych zakażeń układu oddechowego. Pierwotne grypowe zapalenie płuc objawia się utrzymywaniem się i/lub późniejszym zaostrzeniem objawów oddechowych, podczas gdy wtórne bakteryjne zapalenie płuc występuje po 1-3 tygodniach jako „nawrót” po ustąpieniu lub ustąpieniu początkowych objawów grypy; współistniejące zakażenie bakteryjne może jednak również wystąpić po kilku dniach od początku choroby grypowej. Odpowiedź immunologiczna na grypę ma wiele wspólnych szlaków z odpowiedzią na bakterie, dlatego nie powinno być zaskoczeniem, że zakażenie wirusem grypy może mieć bardzo podobny obraz kliniczny do sepsy bakteryjnej. W szczególności, kilka badań wykazało, że zarówno receptory Toll-podobne 2 i 4, które są głównymi receptorami dla bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, są również związane z patogennością grypy. Odpowiedź zapalna różni się również w zależności od szczepu wirusa; na przykład wirus H5N1 wywołuje silniejszą odpowiedź niż wirus H1N1pdm09 i H7N7 w makrofagach krwi, ale H1N1pdm09 wytwarza silniejszą produkcję cytokin niż inne szczepy. Ponadto, podobnie jak w przypadku sepsy bakteryjnej, przy zakażeniach wirusem grypy obserwowano uszkodzenie śródbłonka i zmiany przepuszczalności mikronaczyniowej prowadzące do obrzęku tkanek i niewydolności narządów. Analogicznie do predyspozycji wirusa grypy do wtórnego bakteryjnego zapalenia płuc, wirus grypy zwiększa 6-krotnie progresję do wtórnej sepsy bakteryjnej. Dorośli z ciężką niewydolnością narządową wywołaną grypą oraz pacjenci pediatryczni z wysoką punktacją w skali PIM i ostrą niewydolnością nerek mają większe ryzyko śmiertelności. W dużej wielonarodowej kohorcie oceniającej przyczyny sepsy u około 1600 pacjentów z Azji Południowo-Wschodniej stwierdzono, że 4% wszystkich przypadków sepsy było spowodowanych przez wirusy grypy . W ostatnim sezonie zimowym 2017 z dominującym szczepem wirusa H3N2, w badaniu australijskim odnotowano, że przyjęcie na OIOM z powodu sepsy było znacznie wyższe niż oczekiwano, co autorzy przypisali częściowo sezonowi wirusa grypy .

Rola współzakażenia wirusowo-bakteryjnego i jego wpływ na wyniki

Występowanie współzakażenia wirusowo-bakteryjnego układu oddechowego jest opisywane od ponad wieku, włączając w to okres pandemii grypy w 1918 roku; jednak jeszcze kilka lat temu ogólne dowody wskazywały na to, że jest to wydarzenie rzadkie, bez większych zmian w wynikach pacjentów. Niedawne pojawienie się szybszych i bardziej dostępnych mikrobiologicznych testów diagnostycznych (np. reakcji łańcuchowej polimerazy z odwrotną transkryptazą w czasie rzeczywistym) ujawniło zupełnie inny obraz. Obecnie etiologia wirusowa per se jest odpowiedzialna za jedną trzecią wszystkich przypadków zachorowań na środowiskowe zapalenia płuc (CAP). Etiologia ta obejmuje grypę, parainfluenzę, koronawirusy, rinowirusy, metapneumowirusy, adenowirusy, wirusy syncytialne układu oddechowego i inne, rzadziej występujące drobnoustroje. Obecnie wiadomo, że infekcje wirusowe współistniejące z bakteryjną WPR występują z częstością 30-50% zarówno w populacji dorosłych, jak i dzieci. Co ciekawe, bardziej intuicyjne byłoby założenie, że CAP jest najcięższą manifestacją tych współzakażeń, ale ostatnio przeprowadzono kilka badań, w których wykazano, że te wirusowo-bakteryjne infekcje dotykają również 10-20% pacjentów ze szpitalnym zapaleniem płuc (hospital-acquired pneumonia, HAP) . W dużym badaniu kohortowym obejmującym ponad 2000 pacjentów hospitalizowanych z ciężką postacią grypy H1N1pdm09 zidentyfikowano następujące czynniki ryzyka rozwoju SZP: konieczność mechanicznej wentylacji, sepsa, przyjęcie na oddział intensywnej terapii w pierwszej dobie, limfocytopenia, starszy wiek i niedokrwistość. Coraz więcej dowodów wskazuje na to, że 20-30% pacjentów pediatrycznych i dorosłych z podejrzeniem sepsy bakteryjnej może mieć współistniejące zakażenie wirusowe (np. grypą, metapneumowirusem, koronawirusem i syncytialnym wirusem oddechowym), a około dwie trzecie tych przypadków jest często przeoczanych przez lekarzy. Wciąż brakuje dowodów na to, że współwystępowanie zakażeń wirusowo-bakteryjnych bezpośrednio prowadzi do gorszych wyników, ale coraz więcej dowodów wskazuje na to, że współwystępowanie grypy i zakażeń bakteryjnych wiąże się z wyższą zachorowalnością i śmiertelnością. W rzeczywistości, ostatnie badanie wykazało, że obecność współzakażenia u dorosłych z zespołem ostrej niewydolności oddechowej związanej z grypą, wymagających pozaustrojowego utleniania membranowego, była istotnie związana z czterokrotnym wzrostem śmiertelności, a inne badanie u dzieci ze współzakażeniem Staphylococcus aureus z krytyczną chorobą związaną z grypą również wykazało dziewięciokrotny istotny wzrost śmiertelności .

Mechanizm zwiększonej podatności na współzakażenie bakteryjne po zakażeniu wirusem grypy był przedmiotem wielu badań. Środowisko immunologiczne płuc jest istotnie zmienione po zakażeniu wirusem grypy, z wczesnym zmniejszeniem liczby makrofagów pęcherzykowych. Ponieważ komórki te odgrywają kluczową rolę w odpowiedzi na wiele infekcji bakteryjnych, ich utrata może odgrywać krytyczną rolę w zwiększaniu podatności na zakażenie. Dodatkowo, normalne mechanizmy regulacyjne, które są indukowane przez każdą odpowiedź zapalną, są uruchamiane przez infekcję wirusową. Obejmują one wzrost regulacji kluczowych negatywnych regulatorów na powierzchni komórek odpornościowych płuc, w tym CD200 na makrofagach dróg oddechowych. Taka aktywność supresorowa jest konieczna, aby umożliwić naprawę tkanek i uniknąć patologicznych konsekwencji nadgorliwej odpowiedzi immunologicznej, ale może ona stworzyć okno możliwości dla bakterii. Podobnie, infekcja wirusem grypy indukuje ogólnoustrojowe glikokortykoidy, które mogą tłumić stan zapalny w celu ochrony integralności tkanek, ale pozwalają na zwiększony wzrost bakterii, jak wykazano w mysim modelu współzakażenia wirusem grypy i listerią. Zablokowanie odpowiedzi glukokortykoidowej faktycznie doprowadziło do śmierci z powodu zapalenia związanego z zakażeniem wirusem grypy, wykazując równowagę między tolerancją a odpornością na patogen, która może być trudna do określenia u współzakażonego gospodarza.

Inne mniej powszechne ciężkie powikłania grypy

Ostre zapalenie mięśni z towarzyszącą rabdomiolizą może wystąpić rzadko, najczęściej u dzieci, u których występuje skrajna tkliwość kończyn dolnych, a badania laboratoryjne wykazują znaczne podwyższenie stężenia fosfokinazy kreatynowej w surowicy i mioglobinurię. Zapalenie mięśnia sercowego i osierdzia było również rzadko opisywane w przypadkach klinicznych, ale wykazywane w badaniach autopsyjnych. Powikłania ze strony ośrodkowego układu nerwowego związane z grypą obejmują zapalenie mózgu, ostre rozsiane zapalenie mózgu i rdzenia, poprzeczne zapalenie rdzenia, aseptyczne zapalenie opon mózgowych i zespół Guillaina-Barrego (Tabela 2).

.