Avancerad teknik ger en finkornig bild av lungpatologi vid COVID-19

Ett team som leds av utredare vid Weill Cornell Medicine och NewYork-Presbyterian har använt avancerad teknik och analys för att kartlägga, vid encellsupplösning, celllandskapet för sjuk lungvävnad vid svår COVID-19 och andra infektiösa lungsjukdomar.

I studien, publicerad online 29 mars i Natur , forskarna avbildade obducerad lungvävnad på ett sätt som samtidigt markerade dussintals molekylära markörer på celler. Analys av dessa data med hjälp av nya analysverktyg avslöjade nya insikter om orsakerna till skador vid dessa lungsjukdomar och en rik dataresurs för vidare forskning.

"COVID-19 är en komplex sjukdom, och vi förstår fortfarande inte exakt vad det gör med många organ, men med denna studie kunde vi utveckla en mycket tydligare förståelse av dess effekter på lungorna, "sa medförfattaren Dr Olivier Elemento, professor i fysiologi och biofysik, chef för Caryl och Israel Englander Institute for Precision Medicine, biträdande direktör för HRH Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Alsaud Institute for Computational Biomedicine vid Weill Cornell Medicine och meddirektör för WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction, som finansierade tekniken för enkelcellsanalys av vävnad. "Jag tror att det tekniska tillvägagångssättet vi använde här kommer att bli standard för att studera sådana sjukdomar."

Traditionell vävnadsanalys, använder ofta kemiska fläckar eller märkta antikroppar som märker olika molekyler på celler och kan avslöja viktiga egenskaper hos obducerade vävnader. Dock, detta tillvägagångssätt är begränsat i antalet funktioner som det kan markera samtidigt. Det tillåter vanligtvis inte detaljerade analyser av enskilda celler i vävnader samtidigt som man behåller information om var cellerna befann sig i vävnaden.

Den viktigaste tekniken som utredarna använde i studien, en teknik som kallas bildmassecytometri, övervinner till stor del dessa begränsningar. Den använder en samling metallmärkta antikroppar som samtidigt kan märka upp till flera dussin molekylära markörer på celler i vävnader. En speciell laser skannar de märkta vävnadssektionerna, förångning av metallmärken, och metallernas distinkta signaturer detekteras och korreleras med laserpositionen. Tekniken kartlägger i huvudsak exakt var celler finns i provet liksom varje cells ytreceptorer och andra viktiga identifierande markörer. Totalt över 650, 000 celler analyserades.

Forskarna tillämpade metoden på 19 lungvävnadsprover obducerade från patienter som hade dött av allvarlig COVID-19, akut bakteriell lunginflammation, eller bakterie- eller influensarelaterat akut andningssyndrom, plus fyra lungvävnadsprover obducerade från personer som inte hade haft någon lungsjukdom.

Fynden i prover från fall av COVID-19 överensstämde i stort med vad som är känt om sjukdomen, men förtydligade denna kunskap i mycket finare detalj. De visade till exempel att celler som kallas alveolära epitelceller, som förmedlar lungornas gasutbytesfunktion, är de viktigaste målen för infektion av SARS-CoV-2, coronaviruset som orsakar COVID-19.

Analysen föreslog att dessa infekterade celler inte enbart utpekas för angrepp av lunginfiltrerande immunceller, vilket kan hjälpa till att förklara varför inflammation ofta förvärras vid allvarlig COVID-19 och slutar orsaka så omfattande och relativt urskillningslös skada.

En överraskning var att ålder och kön, två viktiga faktorer i dödlighetsrisken för COVID-19, gjorde ingen uppenbar skillnad på histologisk nivå, när COVID-19 hade kommit till det allvarliga stadiet.

Resultaten visade också att vita blodkroppar som kallas makrofager är mycket rikligare i lungorna hos allvarliga COVID-19-patienter jämfört med andra lungsjukdomar, medan vita blodkroppar som kallas neutrofiler är vanligast vid bakteriell lunginflammation-en skillnad som kan vara relevant för utvecklingen av framtida behandlingar för dessa infektionssjukdomar.

Övergripande, studien ger en finkornig bild av sjukdomsprocessen vid COVID-19 och hur den skiljer sig från andra infektiösa lungsjukdomar. Det har föranlett nya forskningsfrågor som nu utreds, sa utredarna, och innehåller en mängd observationer som inte hade varit möjliga med vanliga patologiska tekniker.

"Tillämpningen av teknik som det vi har visat här kommer att ge ett enormt uppsving till nyttan av obduktionsbaserade studier av sjukdomar, "sa medförfattaren Dr Alain Borczuk, professor i patologi och laboratoriemedicin vid Weill Cornell Medicine och en patolog vid NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center.

Forskarna betonade att tekniken inte bara kommer att vara tillämplig på en mängd andra sjukdomar för vilka vävnad kan erhållas, men också bör ge läkare och forskare för första gången en praktisk metod för att avgränsa viktiga skillnader inom sjukdomskategorier.

Traditionellt för lungor, lever, och andra organsjukdomar har vi dessa breda diagnoser som faktiskt täcker flera olika sjukdomar-nu har vi ett verktyg som gör att vi rutinmässigt kan skilja mellan dessa olika sjukdomar, och förhoppningsvis använda dessa skillnader för att behandla patienter mer effektivt. Jag tror att detta har potential att revolutionera medicinen. "

Dr Robert Schwartz, Medförfattare, Docent i medicin, Avdelningen för gastroenterologi och hepatologi vid Weill Cornell Medicine, och patolog vid New York-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center

• Forskningskonsortiet identifierar cellstressmekanismer för kronisk inflammatorisk leversjukdom
• Nytt tillvägagångssätt kan hjälpa till att identifiera patienter med risk för matstrupscancer