Biomarker- und Zytokinwerte der COVID-19-Erkrankung

Abstract

Die seit März 2020 ausgerufene Coronavirus-Pandemie bestimmt das weltweite Geschehen maßgeblich. Den Einfluss, den die Pandemie auf das alltägliche Leben sowie die wirtschaftlichen und gesamtgesellschaftlichen Faktoren nimmt, wird durch seine Auswirkungen auch die folgenden Generationen intensiv beschäftigen. Das neuartige Virus SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) ist Auslöser der COVID-19-Erkrankung (coronavirus disease 19), die vor allem mit einer Infektion der Atemwege einhergeht. Im Verlauf der Erkrankung kann es zu einer Pneumonie mit darauffolgendem ARDS (Acute respiratory distress syndrome) und bis hin zum Tod führen. Aktuelle Studien kommen zu dem Ergebnis, dass eine COVID-19-Erkrankung zu einer Veränderung der Zytokin- und Biomarker-Konzentrationen im Blut führt.

Darauf aufbauend war das Ziel der vorliegenden Studie, weitere Zytokine und Biomarker mittels Multiplex Zytokin-Array auf deren Konzentration im Serum der COVID-19-Erkrankten zu untersuchen und in verschiedene Korrelationen zu setzen. Unter anderem wurden die Konzentrationen der Marker von COVID-19-Erkrankten mit Pneumonie- und ARDS-Patienten sowie mit lungengesunden Patienten verglichen. Dabei konnten wir Unterschiede der Serumkonzentrationen einiger Zytokine und Biomarker bei den drei unterschiedlichen Kohorten, Lungengesunde, Pneumonie bzw. ARDS- und COVID-19-Patienten darlegen. Dazu gehörten beispielhaft die Marker B2M (Beta-2-Microglobulin), NSE (Neuron-Specific-Enolase), CRP (C-Reactive Protein) und SCF (Stem cell factor). Außerdem wurden die Konzentrationen der Zytokin- und Biomarkerwerte der Pneumonie- und ARDS-Probanden sowie von den COVID-19-Erkrankten mit den Intensivmedizin-Scores SAPS (simplified acute physiology score) und TISS (therapeutiv intervention scoring system) in Korrelation gesetzt. Wir konnten sowohl positive als auch negative Zusammenhänge feststellen. Beispielsweise konnte ein positiver Zusammenhang zwischen HCC-4 (Chemokine CC-4) und dem SAP-Score bei COVID-19-Erkrankten dargestellt werden. Des Weiteren verglichen wir die Konzentration der Zytokine und Biomarker zwischen verstorbenen und überlebenden COVID-19-Patienten und konnten einige signifikanten Unterschiede, zum Beispiel bei den Markern IL-6 (Interleukin-6), IL-18 (Interleukin-18) und FRTN (Ferritin) feststellen. Zusätzlich wurde noch der Aspekt der Erkrankungsschwere bei Aufnahme der COVID-19-Erkrankten einbezogen und mit den Konzentrationen der Biomarker und Zytokine in Zusammenhang gesetzt. Hierbei wurde zwischen unkompliziert beziehungsweise kompliziert und kritisch erkrankten Patienten unterschieden. Auch hier konnten einige Marker herausarbeiten werden, welche einen signifikanten Unterschied im Vergleich der Gruppen zeigten. Dazu zählten unter anderem CRP, FRTN und IL-8. Die sich als signifikant erwiesenen Zytokine und Biomarker der kritisch erkrankten Patienten wurden zusätzlich noch mit den signifikanten Werten der verstorbenen COVID-19-Patienten verglichen. Dabei wurden einige Zytokine herausgearbeitet, die sowohl bei den kritisch erkrankten als auch bei den verstorbenen COVID-19-Patienten signifikant erhöht beziehungsweise erniedrigt waren. Dazu gehörten zum Beispiel FRTN, Albumin und IL-6. Dagegen konnten auch einige Zytokine und Biomarker hervorgehoben werden, welcher nur bei den verstorbenen Patienten und nicht bei den kritisch erkrankten COVID-19-Probanden signifikant erhöht beziehungsweise erniedrigt waren. Hierzu zählten unter anderem IL-18, IgM (Immunoglobulin M) und CA-9 (Carbonic anhydrase 9).

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass es Unterschiede in den Serumkonzentrationen wichtiger Zytokine und Biomarker zwischen COVID-19-Erkrankten, Pneumonie/ARDS und Lungengesunden gibt. Auch konnten Differenzen der Serumkonzentration bei unterschiedlichen Schweregraden der COVID-19-Erkrankung nachgewiesen werden, was für die Vorhersage des Verlaufs und Prognose einer Coronavirus-Erkrankung von Bedeutung sein könnte. Weitere Studien in einem größeren Patientenkollektiv sind notwendig, um diese Erkenntnisse zu bestätigen.

1.1 Summary The coronavirus pandemic, which has been declared since March 2020, has a significant impact on global events. The impact of the pandemic on everyday life and on economic and social factors will be of great concern to future generations. This novel virus SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2), causes a disease named COVID-19 (coronavirus disease 19), which primarily causes a respiratory infection. This infection can lead to pneumonia, which subsequently can cause ARDS and, ultimately, death. Prior studies have shown changes in the concentration of some cytokines and biomarkers due to COVID-19. Based on those findings, the aim of the present study was to investigate additional cytokines and biomarkers by Multiplex Cytokine-Array for their concentration in the serum of COVID-19 diseases patients and to put them into different correlations. Among others, the concentrations of the markers of COVID-19 patients were compared with pneumonia/ARDS patients as wells as lung-healthy subjects. We were able to demonstrate differences in serum concentration levels between the three subject groups for some of the cytokines and biomarkers. These include, as examples, the markers B2M (beta-2-microglobulin), NSE (neuron-specific enolase), CRP (C-reactive protein) and SCF (stem cell factor). Furthermore, our study found a correlation between some of the cytokines and biomarkers in the pneumonia/ARDS participants as well as the COVID-19 participants and the intensive care medicine scores SAPS and TISS. We found positive and negative correlations. For example, a positive correlation between HCC-4 (chemokines CC-4) and the SAP-score in COVID-19 sufferers was presented. Also, the COVID-19 participants’ outcome (deceased vs surviving) was compared to concentration of cytokines and biomarkers. Some significant markers, for example IL-6 (interleukin-6), IL-18 (interleukin-18) and FRTN (ferritin), were identified. Additionally, a correlation between disease severity of COVID-19 sufferers at the time of admission with the markers’ concentration levels was examined. Here, we distinguished between uncomplicated, complicated and critically ill patients. Significant markers were CRP, FRTN and IL-8, among others. This way, we were able to also compare COVID-19 participants’ outcome to disease severity according to concentration levels. Some cytokines and biomarkers turned out to be significant increased or decreased in both critically ill as well as deceased patients, for example FRTN, Albumin and IL-6. But according to the results of our study, there are also cytokines and biomarkers only significantly increased or decreased only in deceased patients. Among those were IL-18, IgM (immunoglobulin M), and CA-9 (carbonic anhydrase 9). This current study shows differences in serum concentrations of important cytokines and biomarkers between the three subject groups (COVID-19 patients, the pneumonia/ARDS patients and the lung-healthy subject). There also seem to be differences in concentrations of certain markers depending on the course of the COVID-19 diseases in patients, which may be important for predicting the course and prognosis of coronavirus disease. Further studies in a larger patient population are needed to confirm these findings.