PLASMA FRACTALKINE LEVEL AS A RELEVANT PROGNOSTIC MARKER FOR EARLY DIFFERENTIAL DIAGNOSIS OF VIRAL AND BACTERIAL PNEUMONIA AND THE DEGREE OF THEIR SEVERITY
PLASMA FRACTALKINE LEVEL AS A RELEVANT PROGNOSTIC MARKER FOR EARLY DIFFERENTIAL DIAGNOSIS OF VIRAL AND BACTERIAL PNEUMONIA AND THE DEGREE OF THEIR SEVERITY
Abstract
Community-acquired pneumonia (CAP) remains one of the leading pathologies in the group of respiratory diseases. In Russia, the mortality rate for CAP is 18 people per 100 thousand population. Under these conditions, biochemical markers of inflammation, which include cytokines responsible for activation, proliferation and chemotaxis of various cells, acquire important diagnostic value. Understudied cytokines in community-acquired pneumonia include chemokine-CX3CL1 or fractalkine. The aim of the study was to compare plasma fractalkine levels in patients with community-acquired pneumonia of bacterial and viral etiology (COVID-19 and influenza). Materials and methods. Eighty-five patients with moderately severe CAP (30 patients with CAP of bacterial etiology, 30 – with COVID-19 associated CAP, 25 – with influenza-associated EP) were examined; blood plasma of 25 donors served as a control. Dynamic follow-up of the patients and their complex laboratory and instrumental-functional examination were carried out in the conditions of OICH (Astrakhan). Blood plasma was examined for fractalkine concentration using an enzyme immunoassay kit for quantitative determination of fractalkine (СХ3СL1) in biological fluids using the test system ‘RayBio® Human Fractalkine’, RayBiotech, Inc., USA. Results and their discussion. Fractalkine levels in blood plasma in patients with CAP at the peak of the disease had significantly higher values than in the control group (9.4 times in patients with bacterial pneumonia, 8.8 times in patients with viral pneumonia associated with COVID-19, and 8.0 times in patients with pneumonia associated with influenza virus). Taking into account the multidirectional change of leukocyte content in blood in patients with community-acquired pneumonia of different etiology, we proposed an index, the number of fractalkine per one leukocyte. Determination of median FCL/WBC ratio in patients with CAP not only allows to differentiate viral pneumonia from bacterial pneumonia, but also to make a diagnosis between viral pneumonia associated with COVID-19 and influenza virus. Conclusion. In the present article, we compare plasma levels of fractalkine with normals and between groups of patients with CAP of bacterial and viral genesis (influenza and COVID-19). Analysis of fractalkine levels per leukocyte revealed significant differences, allowing to differentiate not only viral pneumonia from bacterial pneumonia, but also viral pneumonia associated with COVID-19 from influenza-associated community-acquired pneumonia.
1. Введение
Внебольничная пневмония (ВП) остается одной из ведущих патологий в группе болезней органов дыхания. В России ежегодно внебольничной пневмонией заболевает 1,5 млн человек, из них две трети больных остается без правильного диагноза и, соответственно, лечения. В России летальность в этой категории пациентов составляет 18 человек на 100 тысяч населения , , . Актуальность изучения ВП обусловлена достаточно высокой распространенностью данной нозологии в популяции, эволюцией спектра возбудителей заболевания и их резистентностью к традиционным антибактериальным схемам, необходимостью алгоритмизации лечебно-диагностического подхода, а также индивидуализации медицинской помощи у каждого конкретного пациента с учетом оценки всех сопутствующих факторов (коморбидные состояния, чувствительность микрофлоры к медикаментозной терапии, тяжесть заболевания и наличие осложнений) , , , .
Основным проявлением ВП является инфекционное, экссудативное, реже межуточное воспаление, вызванное микроорганизмами различной этиологии и доминирующее во всей картине заболевания. Специфика инфекционного агента при ВП обеспечивает разнообразную клиническую симптоматики и рентгенологическую картину воспалительного процесса в нижних отделах дыхательных путей. К наиболее значимым по вирулентности и распространенности относятся пневмококки (Streptococcus pneumoniae), обнаруженные у 30-50% пациентов , .
В последние десятилетия имеет место снижение этиологической роли пневмококков, но отмечается увеличение числа пневмоний вирусной этиологии с тяжелым течением. Основной вклад в возрастание заболеваемости пневмониями вносят ОРВИ и грипп. По статистике Всемирной организации здравоохранения, в мире каждый год ОРВИ переносят до полумиллиарда человек, причем у 2 млн. человек на планете после гриппа и других ОРВИ развиваются различные осложнения, приводящие к летальному исходу пациентов. По данным ВОЗ показатели смертности от ОРВИ и гриппа в разных странах колеблются в диапазоне 0,01-0,2% , .
Важная роль в увеличение заболеваемости пневмониями связана со вспышкой новой вирусной инфекции COVID-19 , . У основной массы пациентов ВП на фоне COVID может протекать в легкой форме, что не исключает повторных заражений и развития различных постковидных осложнений , .
Для диагностики ВП существует обширный список специфических биомаркеров , . В развитии воспаления при пневмонии принимает участие каскад иммунологических реакций, значимую роль в запуске которых играет цитокины различного назначения, в том числе ответственные за процессы активации, пролиферации и хемотаксиса различных клеточных субпопуляций. Многие цитокины относятся к небольшим по размерам белкам, за способность вызывать направленный хемотаксис окружающих их клеток, получившим наименование «хемокины» , , .
Одним из членов семейства хемокинов является хемокин-CX3CL1 или фракталкин (ФКН), молекула которого состоит из внеклеточного N-концевого хемокинового домена, муцинподобного стержня, трансмембранного и внутриклеточного доменов , .
Впервые фракталкин (ФКН) был описан коллективом авторов в 1997 году , . В том же году другие ученые установили, что экспрессия ФКН на эндотелиальных клетках обеспечивается влиянием провоспалительных цитокинов . Биохимическая структура ФКН расшифрована и описана Locati и Murphy в 1999 году. Она представляет из себя домен, насаженный на муциноподобное сужение, связанное с плазматической мембраной через трансмембранный домен и цитоплазматический хвост .
Имеющиеся сведения о роли ФКН в патогенезе различных заболеваний позволяют рассматривать CX3CL1 и его рецептор CX3CR1 в качестве важных маркеров активации воспалительного процесса, связанного с хемотаксисом различных лейкоцитов (в первую очередь лимфоцитов и моноцитов) в зону бактериального воспаления. Они способствуют переносу лейкоцитов, макрофагов, фибробластов, клеток эпителия бронхов, гладкомышечных и других типов эффекторных клеток в очаг инфекции. Хемокины играют важную роль в противовирусной защите организма , . При этом большинство вирусов сами являются индукторами хемокинов.
Накоплены убедительные сведения о диагностической роли фракталкина при различной инфекциионной и неинфекционной патологии, в том числе при лечении внебольничной пневмонии различной этиологии , , .
Цель исследования – сравнить уровни фракталкина в плазме крови у больных с внебольничной пневмонией бактериальной и вирусной этиологии (COVID-19 и грипп) и оценить степень их тяжести.
2. Материалы и методы
У пациентов обоего пола, госпитализированных в областную инфекционную больницу г. Астрахани, с диагнозом «внебольничная пневмония» бактериальной и вирусной этиологии проведено комплексное клинико-лабораторное обследование с дополнительной оценкой в плазме крови уровней фракталкина. Задействованные в исследовании пациенты поступили в стационар на 2-6 сутки заболевания. У всех 85 отобранных для исследования пациентов ретроспективно подтверждена внебольничная пневмония среднетяжелого течения. Были сформированы три группы больных с ВП: у 30 пациентов первой группы имело место бактериальная пневмония, у 30 пациентов второй группы имело место пневмония, ассоциированная с инфекцией вирусом COVID-19 (госпитализированы с диагнозом «COVID-19, вирус идентифицирован»), у 25 пациентов третьей группы имело место пневмония, ассоциированная с вирусом гриппа (Из них 52,0% больных были инфицированы вирусом гриппа А/H1N1, 48,0% – вирусом гриппа В). Возраст обследованных пациентов с ВП колебался от 20 до 59 лет (средний возраст – 41,2±1,7 года, медиана возраста 53,3 [44; 53]). Лица контрольной группы были сопоставимы по возрасту и полу с обследованными пациентами с ВП. От всех пациентов получено добровольное согласие на участие в исследовании. Для получения контрольных табличных значений использовали плазму 25 доноров крови. Критерии включения пациентов в исследование: наличие кашля с мокротой, лихорадки, характерной аускультативной картины в легких, наличие, подтвержденных рентгенологическим исследованием, инфильтратов в легочной ткани. Критерии исключения пациентов из исследования: наличие анамнеза онкологического заболевания, иммунодефицитных состояний, активного туберкулеза, а также пациенты, получавшие антимикробные химиопрепараты в предшествующие три месяца; пациенты, вакцинированные от пневмококка, беременные. Динамическое наблюдение включало стандартные при ВП клинические, инструментальные и лабораторные методы обследования. Для бактериологического исследования выполнялся посев мокроты, а для вирусологического исследование брался мазок из полости носа и ротоглотки для анализа методом полимеразной цепной реакции обратной транскрипции (ПЦР). Кровь для исследования на содержание фракталкина(ФКН) забирали в утренние часы из локтевой вены в охлажденные силиконизированные пробирки объемом 5 мл, содержащие комплексон К3. Образцы замораживались и доставлялись в специальном холодильнике в Институт по изучению лепры, где хранились при t = -70ºС до проведения анализа. Определение уровней ФКН в образцах плазмы осуществлялось с помощью иммуноферментного набора для количественного определения фракталкина (СХ3СL1) в биологических жидкостях с применением тест-системы «RayBio® Human Fractalkine», фирмы «RayBiotech, Inc.», США. Собранные цифровые данные обработаны программой STATISTICA 12.0 и представлены в таблице медианой, верхним и нижним квартилем. Для выявления статистических различий между исследуемыми группами применяли непараметрический критерий Манна-Уитни с уровнем значимости 0,05.
3. Основные результаты
У всех 30 пациентов первой группы с бактериальной пневмонией в остром периоде наблюдался продуктивный кашель, что позволило на 10- день заболевания выполнить у всех больных посев мокроты. У всех больных установлен бактериальный агент пневмонии: у 21 пациента высевался St. pneumoniae, у 3 пациентов – St. agalaktika, у 2 пациентов микст – St. pneumoniae + St. aureus и у 4 пациентов – микст St. pneumoniae + Ps. aerugnosa.
У всех 30 пациентов первой группы с бактериальной пневмонией наблюдался лейкоцитоз, в отличие от 30 пациентов второй группы с пневмонии, ассоциированной с COVID-19 вирусной инфекцией, сочетающейся с лейкопенией или нормальным содержанием лейкоцитов в крови.
Следует отметить, что у всех 25 пациентов третьей группы с гриппозной пневмонией средне-тяжелого течения, на самом деле ВП имела смешанную вирусно-бактериальную этиологию, так как у всех пациентов этой группы выявлен рост какой-либо из вышеперечисленных бактерий. Среди 25 пациентов с ВП, ассоциированной c вирусом гриппа, у 56,0% больных выявлен вирус гриппа А/H1N1, у остальных 44,0% пациентов выявлен вирус гриппа В.
Учитывая происхождение фракталкина и его связь уровнем лейкоцитов, в таблицу параллельно с ФКН включены данные о медиане и межмкартильном размахе уровней лейкоцитов и СОЭ в крови пациентов с ВП (таблица).
Таблица 1 - Уровни лейкоцитов, СОЭ и плазменного фракталкина в крови у пациентов с внебольничной бактериальной и вирусной пневмонией
Группа | n | Лейкоциты | СОЭ | Фракталкин | ||||||
× 109 клеток/л | % | p | мм/час | % | p | мкг/мл | % | p | ||
Контроль (доноры) | 25 | 5,47±1,11 5,44 [4,94; 5,85] | 100 | - | 2,9±0,50 2,0 [1,0; 4,0] | 100 | - | 0,33±0,009 0,32 [0,30; 0,35] | 100 | - |
Пациенты с бактериальной пневмонией | 30 | 11,23±0,35 10,82 [10,19; 12,32] | 205 | <0,001* | 14,6±1,49 15,5 [8,5; 17,8] | 503 | <0,001* | 3,02±0,211 3,02 [2,14; 3,63] | 915 | <0,001* |
Пациенты с вирусной пневмонией, ассоциированной c COVID-19 | 30 | 4,73±0,14 4,57 [4,07; 5,26] | 86 | <0,001* | 29,6±1,32 28,5 [25,0; 33,5] | 1021 | <0,001* | 2,75±0,143 2,81 [2,06; 3,25] | 833 | <0,001* |
Пациенты с пневмонией, ассоциированной c вирусом гриппа | 25 | 6,52±0,18 6,31 [5,85; 7,08] | 119 | <0,001* | 15,3±1,64 17,0 [8,0; 20,0] | 528 | <0,001* | 2,59±0,168 2,56 [1,90; 3,11] | 785 | <0,001* |
Все пациенты с внебольничной пневмонией | 85 | 7,55±0,34 6,85 [5,14; 10,23] | 138 | <0,001* | 20,1±1,14 19,0 [13,0; 28,0] | 693 | <0,001* | 2,80±0,103 2,78 [2,03; 3,33] 848% | 848 | <0,001* |
Достоверность различий между группами пациентов (p1, p2, p3) | р1-2<0,001* р1-3<0,001* р2-3<0,001* | р1-2<0,001* р1-3=0,771 р2-3<0,001* | р1-2=0,296 р1-3=0,110 р2-3=0,447 |
Примечание: * COVID-19 и грипп
Медианы концентрации ФКН в плазме крови у больных ВП в разгар заболевания, всегда статистически достоверно превосходят значения медиана концентрации ФКН у доноров (например, при бактериальной пневмонии в 9,4 раза, при вирусной пневмонии, ассоциированной c COVID-19 в 8,8 раза, и при вирусной пневмонии, ассоциированной с гриппом в 8,0 раз). Значения медианы ФКН по всем пациентам с внебольничной пневмонией отличалось от значения медианы концентрации ФКН в плазме крови доноров в 8,7 раза (таблица).
Для сравнения медианы количества лейкоцитов в крови у больных ВП в разгар заболевания, статистически достоверно превосходят значения медиана концентрации лейкоцитов в крови у доноров (например, при бактериальной пневмонии в 2,0 раза, и при вирусной пневмонии, ассоциированной с гриппом в 1,2 раза). Что касается пациентов с вирусной пневмонией, ассоциированной c COVID-19, то медианы количества лейкоцитов крови в этой группы пациентов имели достоверно в 1,2 раза более низкие значения, по сравнению со значениями медианы количества лейкоцитов доноров. Значения медианы количества лейкоцитов по всем пациентам с внебольничной пневмонией, было выше значений медианы контрольной группы в 1,3 раза (таблица).
А значения медианы СОЭ в крови у больных ВП в разгар заболевания, всегда статистически достоверно превосходят значения медиана СОЭ у доноров (например, при бактериальной пневмонии в 7,8 раза, при вирусной пневмонии, ассоциированной c COVID-19 в 14,3 раза, и при вирусной пневмонии, ассоциированной с гриппом в 8,5 раза). Значения медианы СОЭ по всем пациентам с внебольничной пневмонией отличалось от значения медианы СОЭ в крови доноров в 9,4 раза (таблица).
Все полученные данные сравнения медиан лейкоцитов (WBC), СОЭ и ФКН с контрольной группой статистически высокодостоверны (р<0,001).
При попарном сравнении медиан уровней плазменного фракталкина в паре бактериальная и COVID-вирусная пневмонии (р1), в паре бактериальная и грипп-вирусная пневмонии (р2), в паре COVID-вирусная пневмония и грипп-вирусная пневмония (р3), статистически достоверных различий не установлено ни в каком из трех сравнений (таблица).
При попарном сравнении медиан уровней лейкоцитов в паре бактериальная и COVID-вирусная пневмонии (р1), в паре бактериальная и грипп-вирусная пневмонии (р2), в паре COVID-вирусная пневмония и грипп-вирусная пневмония (р3), статистически значимое различие установлено во всех трех парах сравнений (таблица).
При попарном сравнении медиан СОЭ статистически значимое различие установлено в паре бактериальная и COVID-вирусная пневмонии (р1) и в паре COVID-вирусная пневмония и грипп-вирусная пневмония (р3). А в паре бактериальная и грипп-вирусная пневмонии (р2) различие статистически не значимы (таблица).
4. Обсуждение
Анализ литературных данных, посвященных изучению плазменного фракталкина при внебольничной пневмонии, свидетельствует о том, что уровень фракталкина у больных с тяжелой формой внебольничной пневмонии всегда достоверно выше (р=0,001), чем в группе со среднетяжелой формой заболевания. Этот факт указывает на тесную взаимосвязь между тяжестью заболевания и уровнем плазменного фракталкина , , . Кроме того, из данных литературы известен параллелизм между нарастание медианы ФКН с уровнем лейкоцитов в крови , , .
В некоторых работах не только указывается на связь плазменных уровней фракталкина с клиническими проявлениями внебольничной пневмонии, но также на связь концентрации ФКН с показателями спирографии, сатурацией , , .
При сопоставлении уровней плазменного фракталкина у пациентов с бактериальной и вирусной пневмонией нами установлено его увеличение относительно контрольной группы доновов в 8-9 раз. Уровни СОЭ при бактериальной и вирусной пневмонии также многократно превышают норму, что согласуется с общепринятыми сведениями , , .
При этом медиана СОЭ при COVID-19 ассоциированной пневмонии, повышен в 14,3 раза и статистически достоверно отличается от бактериальной и вирусной пневмонии. Учитывая, что при коронавирусной инфекции, в отличие от бактериальной и грипп-вирусной пневмонии, наблюдается выраженная лейкопения, представляло интерес найти способ стандартизации полученных в статье результатов.
Нами предложен технический прием, позволяющий по содержанию ФКН в лейкоците не только дифференцировать вирусную пневмонию от бактериальной, но и проводить дифдиагностику между вирусной пневмонией, ассоциированной c COVID-19 и пневмонией, ассоциированной c вирусом гриппа.
Чтобы стандартизировать разнонаправленные тенденции медиан лейкоцитов, мы ввели новый показатель, производный от фракталкина и уровня лейкоцитов – количество фракталкина на один лейкоцит (ФКН/WBC измеряемое в пкг/клетка).
Например, в норме у доноров эта величина составляет 0,59*10-4 пкг/кл, при бактериальной ВП эта величина составляет 2,8*10-4 пкг/кл, при COVID вирусной ВП эта величина составляет 6,1*10-4 пкг/кл, при грипп-вирусной ВП эта величина составляет 4,1*10-4 пкг/кл.
Отношение ФКН/WBC у больных внебольничной пневмонией имели достоверно более высокие значения, по сравнению со значениями ФКН/WBC группе доноров (например, при бактериальной пневмонии в 4,7 раза, при вирусной пневмонии, ассоциированной c COVID-19 в 10,3 раза, и при вирусной пневмонии, ассоциированной с гриппом в 6,9 раза).
Таким образом, определение медианы отношения ФКН/WBCу пациентов с ВП не только позволяет дифференцировать вирусную пневмонию от бактериальной, но и проводить дифдиагностику между вирусной пневмонией, ассоциированной cCOVID-19 и вирусом гриппа . А исследование фракталкина и отношения ФКН/WBC у пациентов с ВП представляется перспективным для разработки новых подходов к диагностике и раннему распознаванию формирующихся осложнений, что необходимо для проведения эффективной терапии внебольничной пневмонии.
5. Заключение
В настоящей статье мы сравниваем плазменные уровни фракталкина с нормой и между группами пациентов с ВП бактериального и вирусного генеза (грипп и COVID-19). Для получения объективных данных у этих же пациентов параллельно с фракталкином исследовали уровни лейкоцитов и СОЭ. Учитывая, что при коронавирусной инфекции, в отличие от бактериальной и грипп-вирусной пневмонии, наблюдается выраженная лейкопения, представляло интерес найти способ стандартизации полученных в статье результатов. Отношение ФКН/WBC позволяет сравнивать группы пациентов с ВП. Анализ показателей фракталкина в пересчете на один лейкоцит выявил достоверные различия, позволяющие дифференцировать не только вирусную пневмонию от бактериальной, но и вирусную пневмонию, ассоциированную c COVID-19 от грипп-ассоциированной внебольничной пневмонии. Полученные результаты исследования расширяют как возможности диагностики, так и прогнозирования степени тяжести внебольничной пневмонии, что необходимо для проведения эффективной терапии данной патологии.