Avanceret teknologi giver et finkornet billede af lungepatologi i COVID-19

Et team ledet af efterforskere ved Weill Cornell Medicine og NewYork-Presbyterian har brugt avanceret teknologi og analyse til at kortlægge, ved encellede opløsning, mobillandskabet for sygt lungevæv ved alvorlig COVID-19 og andre infektiøse lungesygdomme.

I undersøgelsen, udgivet online 29. marts i Natur , forskerne afbildede obduceret lungevæv på en måde, der samtidig fremhævede snesevis af molekylære markører på celler. Analyse af disse data ved hjælp af nye analyseværktøjer afslørede ny indsigt i årsagerne til skader ved disse lungesygdomme og en rig dataressource til yderligere forskning.

"COVID-19 er en kompleks sygdom, og vi forstår stadig ikke præcis, hvad det gør ved mange organer, men med denne undersøgelse var vi i stand til at udvikle en meget klarere forståelse af dens virkninger på lungerne, "sagde med-seniorforfatter Dr. Olivier Elemento, professor i fysiologi og biofysik, direktør for Caryl og Israel Englander Institute for Precision Medicine, associeret direktør for HRH Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Alsaud Institute for Computational Biomedicine hos Weill Cornell Medicine og meddirektør for WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction, som finansierede teknologien til enkeltcelleanalyse af væv. "Jeg tror, ​​at den teknologiske tilgang, vi brugte her, bliver standard for at studere sådanne sygdomme."

Traditionel vævsanalyse, ofte ved hjælp af kemiske pletter eller mærkede antistoffer, der mærker forskellige molekyler på celler og kan afsløre vigtige træk ved obduceret væv. Imidlertid, denne tilgang er begrænset i antallet af funktioner, den kan markere samtidigt. Det tillader normalt også ikke detaljerede analyser af individuelle celler i væv, samtidig med at information om, hvor cellerne var i vævet, bevares.

Den vigtigste teknologi, forskerne anvendte i undersøgelsen, en teknologi kaldet billeddannende massecytometri, overvinder stort set disse begrænsninger. Det bruger en samling af metalmærkede antistoffer, der samtidigt kan mærke op til flere dusin molekylære markører på celler i væv. En særlig laser scanner de mærkede vævsafsnit, fordampning af metalmærkerne, og metallernes distinkte signaturer detekteres og korreleres med laserpositionen. Teknikken kortlægger i det væsentlige præcis, hvor celler er i prøven samt hver celles overfladereceptorer og andre vigtige identificerende markører. I alt over 650, 000 celler blev analyseret.

Forskerne anvendte metoden på 19 lungevævsprøver obduceret fra patienter, der var døde af alvorlig COVID-19, akut bakteriel lungebetændelse, eller bakteriel eller influenzarelateret akut respiratorisk nødsyndrom, plus fire lungevævsprøver obduceret fra mennesker, der ikke havde haft en lungesygdom.

Resultaterne i prøver fra COVID-19-tilfælde var stort set i overensstemmelse med det, man ved om sygdommen, men klargjorde denne viden i meget finere detaljer. De viste f.eks., At celler kaldet alveolære epitelceller, som formidler lungernes gasudvekslingsfunktion, er hovedmålene for infektion med SARS-CoV-2, coronavirus, der forårsager COVID-19.

Analysen antydede, at disse inficerede celler ikke udelukkende udpeges til angreb af lungeinfiltrerende immunceller, hvilket kan hjælpe med at forklare, hvorfor betændelse ofte bliver værre ved alvorlig COVID-19 og ender med at forårsage så omfattende og relativt vilkårlig skade.

En overraskelse var, at alder og køn, to hovedfaktorer i dødelighedsrisiko for COVID-19, gjorde ingen synlig forskel på det histologiske niveau, når COVID-19 var gået til den alvorlige fase.

Resultaterne viste også, at hvide blodlegemer kaldet makrofager er meget mere rigelige i lungerne hos alvorlige COVID-19-patienter sammenlignet med andre lungesygdomme, der henviser til, at hvide blodlegemer kaldet neutrofiler er mest udbredt i bakteriel lungebetændelse-en sondring, der kan være relevant for udviklingen af ​​fremtidige behandlinger for disse infektionssygdomme.

Samlet set, undersøgelsen giver et finkornet billede af sygdomsprocessen i COVID-19, og hvordan den adskiller sig fra andre infektiøse lungesygdomme. Det har fået nye forskningsspørgsmål, der nu undersøges, efterforskerne sagde, og indeholder et væld af observationer, der ikke ville have været muligt med standard patologi teknikker.

"Anvendelsen af ​​teknologi som det, vi har demonstreret her, vil give et enormt løft til nytten af ​​obduktionsbaserede undersøgelser af sygdom, "sagde med-seniorforfatter Dr. Alain Borczuk, professor i patologi og laboratoriemedicin ved Weill Cornell Medicine og en patolog ved NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center.

Forskerne understregede, at teknikken ikke kun vil være anvendelig på et bredt sæt andre sygdomme, for hvilke der kan opnås væv, men også bør give læger og forskere for første gang en praktisk metode til at afgrænse vigtige forskelle inden for sygdomskategorier.

Traditionelt for lunge, lever, og andre organsygdomme har vi disse brede diagnoser, der faktisk dækker flere forskellige sygdomme-nu har vi et værktøj, der gør det muligt for os rutinemæssigt at skelne mellem disse forskellige sygdomme, og forhåbentlig gøre brug af disse sondringer til behandling af patienter mere effektivt. Jeg tror, ​​at dette har potentiale til at revolutionere medicinen. "

Dr. Robert Schwartz, Med Seniorforfatter, Lektor i medicin, Division of Gastroenterology and Hepatology hos Weill Cornell Medicine, og patolog ved New York-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center

• Forskningskonsortium identificerer cellestressmekanismer for kronisk inflammatorisk leversygdom
• Ny tilgang kan hjælpe med at identificere patienter med risiko for kræft i spiserøret