Veranderingen in microcirculatoire weefsel oxygenatie in long-COVID

De COVID-19 pandemie heeft een grote impact gehad. Het is nu bekend dat
COVID-19 een multisysteemziekte is die verschillende organen in het lichaam
aantast, gekenmerkt door een ontregelde immuunrespons die leidt tot een
cytokine-releasestorm (1). Systemische ontsteking, evenals directe invasie van
endotheelcellen door het virus, leidt tot endotheeldisfunctie, wat de
vasomotorische functie verstoort en de weefselperfusie en daarmee oxygenatie
kan verminderen (2) (3).

Microcirculatoire weefseloxygenatie
Een aanzienlijk deel van de patiënten met COVID-19 ontwikkelt long-COVID. Dit
wordt gedefinieerd als aanhoudende symptomen, gevolgen of abnormale klinische
parameters die twaalf weken of langer na infectie met SARS-CoV-2 optreden (4).
Symptomen zijn onder meer kortademigheid, vermoeidheid en mentale en cognitieve
stoornissen (5). Een grote groep patiënten heeft ernstige beperkingen in
lichamelijke oefening en meldt functionele beperkingen, ondanks een normale
cardiorespiratoire functie (6) (7), vooral postexertionele malaise (PEM). PEM
is het ontstaan van nieuwe symptomen of verergering van symptomen 12-48 uur na
fysieke of cognitieve inspanning (8). Interessant genoeg hebben deze patiënten,
in tegenstelling tot de systemische hypoxie bij acute COVID-19-infectie,
normale waarden voor systematische zuurstofsaturatie (6) (7). Eerdere studies
hebben aangetoond dat symptomen van vermoeidheid en subjectieve kortademigheid
niet gerelateerd waren aan een verminderde pulmonale gasuitwisseling, met
normale systemische pO2- en pCO2-waarden tijdens klachten van uitputting
tijdens lichaamsbeweging (9). Peak VO2 was echter verminderd bij deze patiënten
tijdens cardiopulmonale inspanningstesten, wat wijst op veranderingen in
zuurstofopname en/of -gebruik in weefsels. Gezien de systemische
zuurstofspanning voldoende is, wijzen deze gegevens op verstoorde
zuurstofregulatie op het niveau van de microvasculatuur. Recente gegevens
ondersteunen dit door veelbelovende resultaten te tonen van behandeling met
hyperbare zuurstoftherapie en zuurstoftherapie bij inspanning (10) (11).

De microcirculatie speelt een sleutelrol bij de regulatie van zuurstofafgifte
aan weefsels en bij gezonde mensen vindt recrutering van de microvasculatuur
plaats in reactie op metabole behoeften, zoals tijdens lichaamsbeweging.
Interessant is dat veranderingen die zijn gevonden in de microvasculatuur van
acute COVID-19-patiënten aanpassingen zouden kunnen zijn aan de systemische
hypoxie. Een eerdere studie van onze groep, waarbij directe observatie en
kwantificering van microcirculatoire rode en witte bloedcellen onder de tong
werden gebruikt met behulp van handheld vitale microscopie (HVM), vond een
verhoogde capillaire dichtheid, wat wijst op recrutering van de microcirculatie
(12). Het capillaire hematocriet was verhoogd, met een verschuiving van rode
bloedcellen van de systemische naar de microcirculatie. Mogelijk zijn
capillaire recrutering en recrutering van rode bloedcellen naar de
microcirculatie aanpassingen aan systemische hypoxie, om de beschikbaarheid en
extractie van weefselzuurstof in de hypoxische toestand te behouden.
Vergelijkbare compensatiemechanismen worden waargenomen bij experimentele
hypoxie (13) (14), maar ook bij mensen die verblijven op hoogte (15) (16). Deze
aanpassingen maken tolerantie voor lage systemische arteriële zuurstofdrukken
mogelijk. Interessant is dat de ernstigst zieke patiënten met COVID-19, zoals
aangegeven door een SOFA-score> 10 punten, geen toename vertoonden in
capillaire dichtheid, noch de toename in capillair hematocriet. Mogelijk
ontbreekt deze adaptieve respons om de weefseloxygenatie te behouden bij de
ernstigst zieke patiënten.

Bij patiënten met long-COVID werd een verminderde dichtheid van kleine
capillairen gevonden. Dit ging gepaard met een verhoogde snelheid van rode
bloedcellen, mogelijk ter compensatie van het verlies aan capillaire dichtheid.
De snelheid van rode bloedcellen in de microcirculatie bleek echter afhankelijk
te zijn van de stroming in aanvoervaten, wat kan duiden op gestoorde
recruitment (17). Een andere studie toonde aan dat post-occlusieve reactieve
hyperemie veranderd was na COVID-19 (18).

Gestoorde mitochondriele functie
Een recente studie laat zien dat er afwijkingen worden gevonden in de
mitochondrien van patienten met long-COVID en PEM. Mogelijk is er dus ook iets
mis op het niveau van zuurstofverbruik wat leidt tot weefsel hypoxie en de
typische klachten.

Angiogenese
Een gevolg van weefselhypoxie op microvasculair niveau is de inductie van
angiogenese. Dit omvat cellulaire reacties die worden veroorzaakt door
cellulaire hypoxie, die uiteindelijk leiden tot de vorming van nieuwe
bloedvaten. Vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A) en andere
angiogenesemarkers angiopoetine-1 (ANGPT1) en P-selectine waren verhoogd bij
patiënten met long-COVID en voorspellend voor de ontwikkeling van het
long-COVID-syndroom (19). Hiermee in overeenstemming was dat
hypoxia-induceerbare factor 1 (HIF-1) pathways zijn geassocieerd met het
ontstaan long-COVID (20). Zogenaamde pro-angiogene cellen (PAC) (een subtype
monocyten) spelen een belangrijke rol bij de regulatie van angiogenese en
neovascularisatie, voornamelijk door de productie van cytokines en andere
mediatoren (21).

Hypothese en doelen
Deze gegevens suggereren een sleutelrol voor veranderingen in microvasculaire
functie en microvasculaire - niet systemische - weefseloxygenatie bij de
ontwikkeling van long-COVID. Het endotheel speelt een cruciale rol bij het
handhaven van de microvasculaire functie en stelt de microcirculatie in staat
om te reageren op de weefseleisen en de stroming door de kleine vaten te
verhogen wanneer dat nodig is. Daarom denken we dat ontstekingsgeïnduceerde
veranderingen in de endotheelfunctie leiden tot verlies van normale
anti-inflammatoire en antitrombotische functie van endotheelcellen, die
vervolgens bijdragen aan verminderde microcirculatoire functie en
zuurstofafgifte aan weefsels en het ontstaan van klachten bij patienten met
long-COVID.

In deze bestuderen we hoe symptomen van patiënten met long-COVID verband houden
met veranderingen in microcirculatoire functie en zuurstofafgifte, en
onderzoeken we de rol van ontsteking, endotheelactivatie en stolling hierin.

Endotheelactivatie
SARS-CoV-2-infectie via ACE2-receptoren leidt tot een ernstige
ontstekingsreactie, die helpt bij het beperken van virale replicatie (1). De
immuunrespons kan echter ontregeld raken, wat leidt tot een overmatige en
langdurige ontstekingsreactie, de "cytokinestorm", welke kan leiden tot
weefselschade. De cytokinestorm omvat de overproductie van pro-inflammatoire
cytokines, zoals interleukine-1β (IL-1β), interleukine-6 (IL-6) en
interleukine-8 (IL-8). De pro-inflammatoire cytokines veroorzaken
endotheelactivatie met als gevolg verlies van vasomotorische functie, maar ook
van de normale anti-inflammatoire en antitrombotische functie van
endotheelcellen.

Ontsteking
IL-6 verhoogt de expressie van adhesiemoleculen vascular adhesion molecule-1
(VCAM-1), intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) en E-selectin op
endotheelcellen,rollen van leukocyten in de vaatwand bevordert (22) (23). Onze
groep heeft inderdaad aangetoond dat er een verhoogd aantal
leukocytenaggregaties zichtbaar was in de microcirculatoire vaten van
COVID-19-patiënten (12). Het aantal leukocyten in de microcirculatie hing samen
met een ernstigere ziekte (SOFA-score). Eerdere studies hebben ook aangetoond
dat pro-inflammatoire cytokines verhoogd blijven na de initiële
COVID-19-infectie (24). Bovendien veroorzaakt de ontstekingsreactie de vorming
van neutrophil extracellular traps (NET's), die worden gevormd bij
neutrofielactivatie. Ze bevatten DNA en histonen en vormen matrixnetwerken van
extracellulaire vezels die de cytokinestorm verder stimuleren. Er werd een
verhoogde NETose aangetoond bij

Primaire Doelstelling:
Het bestuderen van veranderingen in microcirculatoire oxygenatie tijdens
inspanning bij patiënten met long-COVID in relatie tot klinische symptomen.

Secundaire Doelstellingen:
Bij patiënten met long-COVID vergeleken met controlepatienten:
• Uitgebreide ziektekarakterisering (symptomen, kwaliteit van leven, PEM)
• Systemische oxygenatie in rust en na inspanning
• Microcirculatoire weefseloxygenatie en zuurstofverbruik in rust en na
inspanning
• Microcirculatoire functie en recrutering in rust en na inspanning
• Angiogenesepaden (serum concentratie van angiogenesemarkers)
• Endotheelactivatie (serum markers van endotheelactivatie)
• Aanhoudende inflammatie (leukocyten, serum inflammatieparameters,
monocytenactivatie, NETs)
• Pro-coagulatie (serumstollingsparameters, circulerende stollingscomplexen,
bloedplaatjesactivatie, potentieel tot trombusvorming, pro-angiogene cellen
(PACs), aanwezigheid van microthrombi, vasculaire transformatiemarkers van
angiogenese)
- Mitochondriale functie in vivo en in vitro

Deze studie is een vergelijkende, niet-invasieve observationele studie. We
zullen in totaal 54 long-COVID-patiënten en 52 controles includeren. Voor deze
studie zullen vragenlijsten online worden afgenomen om klinische symptomen bij
alle patiënten te karakteriseren. Tijdens een studiebezoek zullen metingen van
de sublinguale microcirculatie en oxygenatie, evenals NIRS, worden uitgevoerd
vóór en na inspanning door middel van een één-minuut sit-to-stand-test op de
polikliniek voor post-COVID voor 27 langdurige COVID-patiënten en 27 controles.
Bovendien zullen bloedmonsters worden afgenomen om markers van angiogenese,
endotheelactivatie, ontsteking en stolling te bepalen bij alle 54 langdurige
COVID-patiënten en alle 52 controles.De 27 langdurige COVID-patienten en 26
controles die het gehele protocol hebben ondergaan worden teruggevraagd voor
een extra study visit na 6 maanden waarin de metingen inclusief bloedafname
worden herhaald, tevens worden mitochondriale zuurstofmetingen dan uitgevoerd.

De individuele patiënten die deelnemen aan dit onderzoek zullen niet direct
profiteren van de resultaten van ons onderzoek. Sublinguale metingen van de
microcirculatie en weefseloxygenatie zijn niet-invasief en brengen geen risico
met zich mee. Ze kunnen echter enig ongemak veroorzaken, vooral tijdens de
vasculaire occlusietest. Patiënten wordt gevraagd fysieke inspanning te leveren
met een één-minuut sit-to-stand test en dit kan vermoeidheid veroorzaken.
Bloedafname kan ongemak veroorzaken. De pleister voor de mitochondriale
zuurstofmetingen kan huidirritatie en jeuk geven, tevens verkleuring van de
huid wanneer deze wordt blootgesteld aan zonlicht.

Het kan zijn dat niet alle 27 patienten versus 26 controles die we terugvragen
voor de study visit na 6 maanden hieraan mee willen doen, omdat zij het toch te
belastend vonden. Wij rekenen op ongeveer 80% deelname aan deze study visit,
wat genoeg is.

De resultaten zouden kunnen leiden tot nieuwe inzichten die zeer relevant zijn
voor het begrijpen van de pathofysiologie van langdurige COVID in het algemeen.
De populatie van patiënten met het langdurige COVID-syndroom op de polikliniek
is sterk gemotiveerd om bij te dragen aan onderzoek dat tot doel heeft de
pathofysiologie van hun ziekte te ontrafelen.