Patofysiologi vid influensavirusinfektion

Infektion med influensavirus hos människor replikerar främst i det respiratoriska epitelet. Andra celltyper, inklusive många immunceller, kan infekteras av viruset och kommer att initiera viral proteinproduktion. Virusets replikationseffektivitet varierar dock mellan olika celltyper, och hos människor är det respiratoriska epitelet den enda plats där hemagglutininmolekylen (HA) effektivt klyvs och genererar infektiösa viruspartiklar. Virusöverföring sker när en mottaglig individ kommer i kontakt med aerosoler eller luftvägarna från en infekterad individ.

Fillern har traditionellt använts som modell för överföring av influensa eftersom de flesta humana influensavirus inte behöver anpassas för att infektera och överföras mellan illrar. Studier på illrar har identifierat den mjuka gommen som en viktig källa för influensavirus som överförs mellan individer. Särskilt den mjuka gommen är rik på α2,6-länkade sialinsyror, som föredras av de hemagglutininproteiner som för närvarande finns i cirkulerande humana influensavirus . Denna anrikning förekommer också i den mjuka gommen hos människor .

Den primära mekanismen för influensas patofysiologi är ett resultat av lunginflammation och kompromiss som orsakas av direkt virusinfektion av luftvägsepitelet, i kombination med effekterna av lunginflammation som orsakas av immunsvar som rekryteras för att hantera det spridda viruset (tabell 1). Denna inflammation kan spridas systemiskt och yttra sig i form av multiorgansvikt, men dessa konsekvenser är i allmänhet nedströms från lungkompromiss och allvarlig andningssvårigheter . Vissa samband har också observerats mellan influensavirusinfektion och kardiella följdsjukdomar, inklusive ökad risk för hjärtmuskelskada under veckorna efter influensavirusinfektion. Mekanismerna för detta, utöver en allmän inflammatorisk profil, är fortfarande olösta .

Hur influensa utlöser ARDS

Influensavirus infekterar respiratoriska epitelceller som bekläder de övre (inklusive näsan) till nedre (till alveolerna) luftvägarna. En nyckelparameter för att bestämma omfattningen av associerad sjukdom är i vilken grad de nedre luftvägarna blir invaderade av viruset . Särskilt infektionen av alveolära epitelceller tycks driva utvecklingen av allvarlig sjukdom, genom att förstöra de viktigaste mediatorerna för gasutbyte och möjliggöra att viruset exponeras för endotelceller. Tidiga interaktioner mellan influensaviruset, de alveolära makrofagerna som finns i lungornas luftvägar och epitelväggarna är en viktig faktor för alveolär sjukdomsprogression . När detta bräckliga skikt väl har brutits kan cytokin- och virusantigenexponering av endotelskiktet förstärka inflammationen, där endotelcellerna är en viktig källa till proinflammatoriska cytokiner som kommer att styra omfattningen och karaktären av efterföljande medfödda och adaptiva immunsvar .

I slutändan innebär involvering av betydande delar av luftvägarna i ett infektionssvar, antingen genom direkt virusinfektion eller genom skador från det reagerande immunsystemet, ett fysiologiskt misslyckande. Lungans oförmåga att utföra sin primära funktion, dvs. gasutbyte, kan bero på flera olika, inte uteslutande mekanismer, bland annat obstruktion av luftvägarna, förlust av alveolärstrukturen, förlust av lungaepitelintegritet på grund av direkt dödande av epitelceller och nedbrytning av den kritiska extracellulära matris som upprätthåller lungans struktur . Det sistnämnda området har varit relativt outforskat, och förhållandet mellan immunsvaret och den extracellulära matrisens struktur är inte helt klarlagt. Vidare har man inte fullt ut förstått vilka nyckelvägar som reglerar nedbrytning och regenerering av den extracellulära matrisen i samband med infektion och vid återställande av en frisk lungfunktion.

Therapier som är inriktade på dessa vägar kan ha effekt senare i responsen, efter det att traditionella antivirala läkemedel har visat sig ha minskad effekt . I en rapport konstaterades att hämning av kollagenaset MT1-MMP (MMP14) begränsade vävnadsskador och förbättrade överlevnaden i en musmodell av allvarlig influensavirusinfektion och i en modell av influensa-pneumokockinfektion . Att rikta in sig på nedströms effekter av inflammation och immunassocierad lungskada kan vara ett hållbart sätt att begränsa influensaassocierad patologi .

Andra tillvägagångssätt för att rikta in sig direkt på värdresponsen i stället för att enbart fokusera på viruset har inneburit att man har riktat in sig på medfödda immunvägar som förstärker inflammatoriska signaler och bidrar till epitelskador. Inflammasomen, ett medfött signalkomplex som krävs för utsöndring av IL-1β och IL-18, har i flera studier satts i samband med influensaassocierad patologi . Att undertrycka inflammasomaktivering senare i infektionen genom att rikta in sig på NLRP3 (en nyckelkomponent i inflammasomsignalering) nedströms influensa har haft positiva effekter på tillfrisknandet i djurmodeller . Efter inflammasomaktivering kan sekundär cytokin- och kemokinsignalering leda till rekrytering av vävnadsskadande neutrofila och inflammatoriska monocytpopulationer. Försök som blockerar CXCR1/2-signalering, en viktig receptorväg som är nödvändig för neutrofil rekrytering till inflammationsstället, visade skydd vid murininfektioner med influensa, Staphylococcus pneumoniae eller kombinerade infektioner. Med tanke på att sekundära bakterieinfektioner (som diskuteras i detalj nedan) är mycket vanliga vid influensaassocierad sjukdom kan sådana värddrivna terapier ha stor klinisk nytta. Neutrofiler kan förmedla vävnadsskador genom att utsöndra höga nivåer av enzymer för vävnadsremodellering, t.ex. MMP, men de kan också förstärka inflammation genom att utsöndra extracellulära fällor (NETs). I musmodeller var NETs starkt korrelerade med akut lungskada, som kunde förvärras genom att man flyttade cellinfiltraten till förmån för neutrofiler genom att ta bort makrofager . Liknande NET-strukturer har observerats hos människor som lider av allvarlig influensasjukdom. I en studie av svår H7N9- och H1N1pdm09-virusinfektion korrelerade nivåerna av NETs vid intagningen med kliniska poäng (APACHE II) .

Targeting av värdinflammation har varit av ökande intresse för utveckling av nya terapier för svår influensa. I en studie användes den välkaraktäriserade mTOR-hämmaren rapamycin/sirolimus för att undertrycka inflammation, vilket ledde till förbättrade resultat som korrelerade med minskad inflammasomaktivitet . Att rikta in sig på mTOR-systemet som ett sätt att minska inflammation och främja återhämtning innebär att värdmetabolismen är inblandad i etiologin för allvarlig influensasjukdom, med tanke på den centrala roll som mTOR spelar i näringsavkänning. Metaboliska störningar har noterats i lokala och systemiska analyser av allvarliga fall av influensa och metaboliska interventioner har visat sig förändra värdens svarsprofiler på ett sätt som kan vara skyddande eller skadligt beroende på infektionskontexten. I musmodeller av bakteriell sepsis eller influensavirusinfektion hade t.ex. glukosrestriktion motsatta effekter och skyddade mot bakteriell sepsis men förvärrade influensaassocierad sjukdom . Metabolismens roll när det gäller att modulera virusinfektioner är komplex, eftersom medan värden behöver särskilda näringsämnen för att stödja sin immunförsvarsverksamhet, kräver viruset självt betydande metaboliska resurser i värdcellen för att upprätthålla sin replikation, bland annat glukos och glutamin . Att rikta in sig på dessa virala metaboliska krav kan öppna ytterligare terapeutiska möjligheter. Dessutom har det globala metaboliska tillståndet i en värd visat sig ha djupgående effekter på virusinfektionens förlopp och utvecklingen mot ARDS-fenotyper. Överviktiga djur och människor är betydligt mer mottagliga för allvarlig influensa, med ökad lungskada och ökad viral replikation, vilket tyder på att värdens immunitet sviktar och att virusets patogenes eventuellt ökar. Mekanismerna i samband med fetma och känslighet är sannolikt komplexa och multifaktoriella, inklusive ökad inflammation och minskad sårläkning hos överviktiga individer. Dessutom dämpar fetma vissa egenskaper hos adaptiv immunitet som kan fördröja viral clearance eller öka mottagligheten för initial infektion .

Influensas kliniska utveckling till lunginflammation och ARDS

Omkring 30-40 % av de sjukhusvårdade patienterna med laboratoriebekräftad influensa diagnostiseras med akut lunginflammation. Dessa patienter som utvecklar lunginflammation är oftare unga (< 5 år), gamla (> 65 år), kaukasiska och vårdhemsboende, har kronisk lung- eller hjärtsjukdom och rökningshistoria och är oftare immunsupprimerade. Det bör noteras att gravida kvinnor, extrem fetma, amerikanska urinvånare och infödda från Alaska också är mer benägna att utveckla allvarliga influensakomplikationer. Till skillnad från säsongsepidemier av influensavirusinfektion som uppvisar dessa klassiska riskfaktorer, var pandemier som H1N1 2009 förknippade med en högre frekvens av andningssvikt på sjukhus hos tidigare friska och unga vuxna . Nyligen rapporterade en stor kohort från Australien och Nya Zeeland att under vintern 2017 var den dominerande H3N2-virusstammen förknippad med oöverträffat höga nivåer av intensivvårdsinläggningar på grund av virala och bakteriella pneumonier, till och med högre än 2009 års H1N1-pandemi .

Det finns ingen tillförlitlig statistik över den faktiska incidensen eller prevalensen av influensarelaterad ARDS i vare sig pediatriska eller vuxna populationer. Det är dock känt att den stora majoriteten av ARDS orsakas av bakteriell sepsis och icke-infektiösa etiologier som trauma, pankreatit, rökinhalation och läkemedelstoxicitet . Observationsstudier tyder på att inom den lilla andelen virusinducerad ARDS i den pediatriska populationen orsakas de flesta av respiratoriskt syncytialvirus och influensa A, medan influensa A är den dominerande virala etiologin för ARDS i den vuxna populationen . En europeisk kohort från Eurosurveillance visade att riskfaktorer som var oberoende av varandra förknippade med ARDS hos patienter som diagnostiserats med influensa var ålder mellan 36 och 55 år, graviditet och fetma, medan skyddsfaktorer förknippade med ARDS var kvinnligt kön, influensavaccinering och infektioner med influensa A (H3N2) eller influensa B-virus. De enda faktorer som fortfarande var signifikant förknippade med dödsfall var ökande svårighetsgrad och ålder över 55 år. I en annan kohort från Kina verkar det som om virusstammen var en viktig faktor, eftersom ARDS orsakad av H7N9 jämfört med H1N1 var förknippad med högre sjukdomsgrad, högre andel mekaniska komplikationer och sjukhusförvärvade pneumonier samt ökad dödlighet . En potentiell ny riskfaktor för utveckling av ARDS under influensasäsongen är utförandet av hjärtkirurgi .

Utmaningen med att diagnostisera lunginflammation och ARDS hos patienter med positiva laboratorieresultat för influensa har att göra med de kliniska händelsernas tidsmässighet. Influensavirusinfektion kan ensam orsaka allvarlig lunginflammation och ARDS, men den kan också verka tillsammans med en bakterieinfektion (diskuteras nedan). Den kan föregå en lunginflammationsepisod som orsakas av en sekundär bakterieinfektion, oftast av S. aureus och S. pneumoniae, eller kan följas av en episod av nosokomial lunginflammation . Kliniker misslyckas ofta med att kliniskt diagnostisera influensa hos upp till två tredjedelar av de patienter som har en bekräftad influensavirusinfektion . När det gäller allvarlig lunginflammation eller ARDS är den enda tillförlitliga ledtråden om att influensa kan vara ett möjligt orsakssamband att influensa presenteras under epidemins högsäsong, eftersom symtombilden i sig inte kan skilja allvarlig influensa från andra virala eller bakteriella luftvägsinfektioner. Primär influensapneumoni uppvisar persistens och/eller efterföljande försämring av luftvägssymtomen, medan sekundär bakteriell pneumoni uppträder 1-3 veckor som ett ”återfall” efter det att de initiala influensasymtomen har upphört eller avtagit; bakteriell medinfektion kan dock också uppträda några dagar efter det att influensasjukdomen har börjat. Med detta sagt är endast 5 % av alla allvarliga pneumonier som läggs in på intensivvårdsavdelningen av viral etiologi .

Influensa som presenteras som sepsis

Immunsvaret på influensa delar många gemensamma vägar med svaret på bakterier, och därför borde det inte vara förvånande att en influensavirusinfektion kan ha en mycket likartad klinisk presentation som en bakteriell sepsis . Specifikt har flera studier visat att både Toll-like-receptorerna 2 och 4, som är de viktigaste receptorerna för grampositiva och gramnegativa bakterier, också är relaterade till influensapatogenitet . Det inflammatoriska svaret varierar också beroende på virusstammen; till exempel ger H5N1-virus ett starkare svar än H1N1pdm09-virus och H7N7 i blodmakrofager, men H1N1pdm09 ger en kraftigare cytokinproduktion än andra stammar . I likhet med bakteriell sepsis har dessutom endotelskador och mikrovaskulära permeabilitetsförändringar som leder till vävnadsödem och organsvikt observerats vid influensavirusinfektioner . På samma sätt som influensaviruset leder till sekundär bakteriell lunginflammation ökar influensaviruset utvecklingen till sekundär bakteriell sepsis med sex gånger . Vuxna med allvarligt organsvikt orsakat av influensa och barnpatienter med hög PIM-poäng och akut njursvikt löper större risk för dödlighet . En stor multinationell kohort som utvärderade orsakerna till sepsis hos cirka 1 600 patienter från Sydostasien visade att 4 % av all sepsis orsakades av influensavirus . Under den senaste vintersäsongen 2017 med den dominerande H3N2-virusstammen rapporterade en australiensisk studie att intensivvårdsintagningen för sepsis var mycket högre än förväntat, vilket författarna delvis tillskrev säsongens influensavirus .

Roll av viral-bakteriella co-infektioner och deras effekt på resultaten

Förekomsten av viral-bakteriella respiratoriska co-infektioner har beskrivits i över ett sekel, inklusive perioden för influensapandemin 1918, men fram till för bara några år sedan pekade de allmänna bevisen på att detta var en ovanlig händelse utan större förändringar på patienternas resultat. Den senaste tidens tillkomst av snabbare och mer tillgängliga mikrobiologiska diagnostiska tester (t.ex. realtidsreaktion av polymeraskedjereaktion med omvänt transkriptas i realtid) har visat på en helt annan bild. Numera är virala etiologier i sig ansvariga för en tredjedel av alla fall av samhällsförvärvad pneumoni (CAP) . Dessa etiologier omfattar influensa, parainfluensa, coronavirus, rhinovirus, metapneumovirus, adenovirus, respiratoriskt syncytialvirus och andra mindre vanliga mikroorganismer. Det är nu känt att virusinfektioner som uppträder samtidigt med bakteriell CAP förekommer med en frekvens på 30-50 % i både vuxna och barnpopulationer . Intressant nog skulle det vara mer intuitivt att anta att CAP skulle vara den allvarligaste manifestationen av dessa samtidiga infektioner, men på senare tid har flera studier visat att dessa virus-bakteriella infektioner också drabbar 10-20 % av patienterna med sjukhusförvärvad lunginflammation (HAP) . I en stor kohortstudie med över 2 000 patienter som lagts in på sjukhus med svår H1N1pdm09-influensa identifierades följande riskfaktorer för att utveckla HAP: behov av mekanisk ventilation, sepsis, intagning på intensivvårdsavdelning den första dagen, lymfocytopeni, högre ålder och anemi. Det är värt att notera att allt fler bevis tyder på att 20-30 % av de barn- och vuxenpatienter som presenteras med misstänkt bakteriell sepsis kan ha en viral saminfektion (t.ex. influensa, metapneumovirus, coronavirus och respiratoriskt syncytialvirus), och att omkring två tredjedelar av dessa fall vanligtvis missas av kliniker . Det saknas fortfarande bevis för att den kliniska presentationen med viral-bakteriell saminfektion direkt leder till sämre resultat, men en växande mängd bevis tyder på att influensa-bakteriell saminfektion är förknippad med högre sjuklighet och högre dödlighet . Faktum är att en nyligen genomförd studie visade att förekomsten av saminfektion hos vuxna med influensaassocierat akut respiratoriskt syndrom som krävde extrakorporeal membranoxygenering var signifikant förknippad med en fyrfaldig ökning av mortaliteten , och en annan studie av barn med Staphylococcus aureus saminfektion med influensarelaterad kritisk sjukdom visade också på en niofaldig signifikant ökning av mortaliteten .

Mekanismen för ökad mottaglighet för bakteriell saminfektion efter en influensavirusinfektion har varit i fokus i många studier. Lungans immunmiljö förändras avsevärt efter influensavirusinfektion, med tidig utarmning av alveolära makrofager . Eftersom dessa celler spelar en nyckelroll i svaret på många bakterieinfektioner kan förlusten av dem spela en avgörande roll för att öka mottagligheten. Dessutom utlöses de normala regleringsmekanismer som induceras av alla inflammatoriska reaktioner av en virusinfektion. Dessa inkluderar uppreglering av viktiga negativa regulatorer på ytan av lungornas immunceller, inklusive CD200 på luftvägsmakrofager. Sådan suppressoraktivitet är nödvändig för att möjliggöra vävnadsreparation och undvika patologiska konsekvenser av övernitiska immunsvar, men de kan ge bakterier en möjlighet. På samma sätt inducerar influensavirusinfektion systemiska glukokortikoider som kan dämpa inflammation för att skydda vävnadsintegriteten, men som tillåter ökad bakterietillväxt, vilket visades i en musmodell med saminfektion av influensavirus och Listeria . Blockering av glukokortikoidresponsen ledde faktiskt till död på grund av den inflammation som var förknippad med influensavirusinfektionen, vilket visar på balansen mellan tolerans och patogenresistens som kan vara svår att fastställa i den saminfekterade värden .

Andra mindre vanliga allvarliga komplikationer av influensa

Akut myosit tillsammans med rabdomyolys kan sällan förekomma, oftast hos barn som presenterar sig med extrem ömhet i nedre extremiteterna, och laboratorieutredningen visar på markant förhöjning av serumkreatininfosfokinas och myoglobinuri . Myokardit och perikardit har också sällan beskrivits i kliniska fall, men påvisats i obduktionsundersökningar . Komplikationer i centrala nervsystemet i samband med influensa inkluderar encefalit, akut disseminerad encefalomyelit, transvers myelit, aseptisk meningit och Guillain-Barrés syndrom (tabell 2).

.