Een scheikundige blik op het verband tussen voeding, immunomodulatie en oxidatieve stress: quercetine, polysachariden en kurkuma (1)

Dit bericht is de Nederlandse vertaling van "A biochemical perspective on nutrition, immunomodulation and counteracting of oxidative stress: quercetin, polysaccharides and curcumin compounds", gepost op 28 oktober 2020. 

"Superfoods" bestaan niet. Er is geen wondermiddel, voedingsstof of andere moleculaire substantie, synthetisch of biologisch, om ziekten te voorkomen als een "one-size-fits-all" -oplossing. Men kan geen aanspraak maken op een voedingsstof om het ontstaan van infecties te voorkomen. Relevant is dat bepaalde nutriënten kunnen bijdragen aan het richten van mechanismen die ten grondslag liggen aan ziekten.  

Twee belangrijke mechanismen die aan de ziekte ten grondslag liggen, zijn het falen van de aangeboren en adaptieve immuniteit om een adequate reactie op pathogenen en reactieve oxidatieve stress (ROS), een niet-psychologisch, biomoleculair fenomeen, vast te stellen. In dit bericht bespreek ik een selectie van onderzoek naar biochemische stoffen in voedingsstoffen. Merk op dat vragen over de opname en het metabolisme van voedingsstoffen nog moeten worden beantwoord. Metabolisme houdt in: de opname en verwerking van voedingsstoffen. Kaempferol (een plantaardige flavonoïde) is bijvoorbeeld een vrij zwakke stof waarvan nog niet bekend is of er voldoende bruikbare substantie voor het menselijk lichaam overblijft na verwerking door de lever, nieren en darmen. Voor andere flavonoïden en flavonolen geldt hetzelfde. Daarom kan van geen enkele voedingsstof worden verwacht dat deze voldoende is om ziekten of ontstekingen te voorkomen of de remmen.

1.     Quercetine;
1.1.  Flavonoïden en de flavonolgroep;
1.2.  Quercetine remt de NF-KB-route en door LPS geïnduceerde STAT-1-macrofaagactivering;
1.3.  Toxiciteit en carcinogeen risico van quercetine;
1.4.  Antioxidatieve eigenschappen van quercetine tegen oxidatieve stress en reactieve stikstof;
1.5   Biologische beschikbaarheid van aglyconen en glycosiden;
2      Polysacchariden;
2.1.  Antioxidatieve en immunomodulerende eigenschappen;
2.2.  Werking van plantaardige polysacchariden tegen BLM-fibrose;
3      Curcumine-verbindingen;
3.1.  Curcumine-analogen onderdrukken IL1-β en COX-2, om ontstekingen te verminderen;
4      Waarschuwing: geneesmiddelinteracties met grapefruitflavonoïden en niet-flavonoïden;
5      Vooruitblik op het volgende bericht

1. Quercetine (3,3,4,5,7-pentahydroxyflavone, zie: Quercetin, in: ScienceDirect, een overzicht)

1.1. De flavonoïde en flavonolgroep
Quercetine is een flavonol, een polyfenolische benzeenverbinding die voorkomt in groenten en fruit. Quercetine-concentraties zijn hoog in rode uien en worden ook aangetroffen in kappertjes, bramen, veenbessen, appels, boekweit, citrusvruchten, knoflook, gember, paprika, kurkuma, druiven, vlierbessen, boerenkool (cavolo nero), (groene) thee en wijn (" Flavonols and Kaempferols ", in: Berries and Related Fruits, Encyclopedia of Fruit and Health 2016, P364-371). Catechine-verbindingen in bessen, wijn en theebladeren zijn geen echte flavonoïden (Principles and Practice of Herbal Phytotherapy 2013, P17-82). Terwijl quercetinespiegels afnemen met de duur van opslag en voedselprocessie, nemen de quercetinespiegels in aardbeien toe wanneer ze 9 maanden bij -20C worden bewaard  (Chapter 2- Quercetin and Trypthanthrin: Two Broad Spectrum Anticancer Agents for Future Interventions, The Enzymes Vol. 37, 2015, P43-72). Quercetine-rutinoside, te vinden in citrusvruchten, wordt genoemd als irriterend of allergeen voor sommige mensen ("Quercetine", in: Polyphenols: Mechanisms of Action in Human Health and Disease, 2018, P403-413).

1.2 Quercetine remt de NF-KB-route en LPS-geïnduceerde STAT-1-macrofaagactivering
Quercetine wordt in verband gebracht met remming van NF-KB, waardoor de productie van cytokinen wordt verminderd. In vitro bleek quercetine de ontstekingsreactie van uit beenmerg afkomstige macrofagen te verlagen. Quercetine remt door lipopolysaccharide (LPS) geïnduceerde macrofaagactivering van STAT-1 en IFN-γ-geïnduceerde STAT-1-activering ('quercetine', in:
Anti-inflammatory Properties of Cinnamon Polyphenols and Their Monomeric Precursors, Polyphenols in Human Health and Disease Vol. 1, 2014, P409-425; see also: Bioactive effects of quercetin in the central nervous system: Focusing on the mechanisms of actions, Biomedicine & Pharmacotherapy Vol. 84, December 2016, P892-908).

Quercetine onderdrukt anafylactische reacties (allergische reacties) in vitro door stabilisatie van mastcelmembranen en remming van enzymen die verantwoordelijk zijn voor de productie van leukotriënen (LT's), afgeleiden van het metabolisme van arachidonzuur (letterlijk: pindakaaszuur) (zie: Leukotrienes, in: Mast Cells, Basophils and Asthma; The Allergic Patient, in: Integrative Medicine (Fourth Edition) 2018, P300-309).

Quercetine wordt in vitro ook geassocieerd met onderdrukking van ontstekingsremmende M2-macrofaag en het ontstekingsremmende cytokine IL-10 in modellen met obesitas. Dit lijkt een paradox, want IL-10 is wenselijk om ontstekingen te onderdrukken. Als quercetine IL-10 onderdrukt, dan lijkt dit een ongewenst effect. De werkelijkheid is echter dynamischer: over het algemeen bleek quercetine chronische ontsteking te verminderen door onderdrukking van NF-kB, TNF-alfa en oxidatieve stress (Quercetin suppresses immune cell accumulation and improves mitochondrial gene expression in adipose tissue of diet-induced obese mice, Molecular Nutrition and Food Research Vol. 60, Issue 2, February 2016, P300-312). Hoewel onderdrukking van IL-10 dus onwenselijk lijkt, is het "netto effect"van quercetine vermindering van de ontsteking door onderdrukking van NF-kB.

1.3 Toxiciteit en carcinogeen risico van quercetine
Suppletie met quercetine kan de nefrotoxische effecten bij beschadigde nieren versterken en de ontwikkeling van tumoren bij oestrogeenafhankelijke kankers bevorderen (Safety Aspects of the Use of Quercetin as a Dietary Supplement, Molecular Nutrition and Food Research Vol. 61, Issue 1, January 2018). Fyto-oestrogenen kunnen ook oestrogeenafhankelijke kankers veroorzaken: fyto-oestrogenen bootsen oestrogeen 17β-oestradiol (E2) na. Quercetine verlaagt de door E2 geïnduceerde oxidantstress niet. Remming van Cathegol-O-Methyltransferase (COMT) door quercetine verlengt de blootstelling aan 17β-oestradiol en cathegol-oestrogenen, waardoor het risico op carcinogene activiteit en chronische blootstelling aan metabole oxidatieve stress (Dietary quercetin exacerbates the development of estrogen-induced breast tumors in female ACI rats, Toxicology and Applied Pharmacology Vol. 247, Issue 2, 1 September 2010, P83-90).

1.4 Antioxidatieve eigenschappen van quercetine tegen oxidatieve stress en reactieve stikstof
Quercetine kan de celverdediging tegen oxidatieve stress stimuleren (reactieve zuurstofspecies en reactieve stikstof, ROS en RNS) door inductie van Nrf2-ARE en Paraoxonase-2 (PON2). Het neuroprotectieve effect op astrocyten hangt echter af van het feit of metabolieten van quercetine de bloed-hersenbarrière kunnen passeren, die gelijktijdige toediening van alfa-tocoferol vereist om het transport te verbeteren (Mechanisms of Neuroprotection by Quercetin: Counteracting Oxidative Stress and More, Oxidative Medicine and Cellular Longevity 2016; 2016: 2986796; see also: Potential for Brain Accessibility and Analysis of Stability of Selected Flavonoids in Relation to Neuroprotection in Vitro, Brain Research Vol. 1651, 15 November 2016, P17-26). . Een ander ontstekingsremmend mechanisme van quercetine is de blokkering van meervoudig onverzadigd vetzuur (PUFA) door remming van lipoxygenase.

Ogenschijnlijk paradoxaal kan quercetine de NF-KB-activering verhogen door fosforylering van Thr23 en Ser22. Activering van de NF-KB-route zou het verdedigingsmechanisme kunnen zijn door tumorcellen in reactie op quercetine, maar NF-KB-activiteit door middel van nucleaire factor IKK-alfa en IKK-beta-fosforylering heeft waarschijnlijk anticarcinogene eigenschappen. Wat dus in eerste instantie schadelijk lijkt, zou juist beschermend kunnen werken, al moet dit mechanisme nog nader worden bestudeerd.

Of patiënten baat zouden hebben bij quercetinesupplementen, is bij bepaalde ziekten, zoals prostaatkanker, afhankelijk van het genetisch profiel (Quercetin inhibits prostate cancer by attenuating cell survival and inhibiting anti-apoptotic pathways, World Journal of Surgical Oncology 2018; 16: 108). In vivo werken cisplatine en quercetine (CP en QC) samen met hyperthermie (43 ° C) om tumorgroei te remmen; voorzichtigheid is echter geboden met betrekking tot de anti-oxidatieve effecten van quercetine op cisplatine, die de cisplatinetherapie zouden kunnen verstoren (Interactions between Cisplatin and Quercetin at Physiological and Hyperthermic Conditions on Cancer Cells in Vitro and in Vivo, Molecules 2020 Jul; 25(14): 3271).

1.5 Biologische beschikbaarheid van aglyconen en glycosiden
De gerapporteerde optimale dosis voor quercetine en kaempferol om cardiovasculoprotectieve effecten te hebben is 500 mg van de aglyconvorm. Flavonolen zijn onderverdeeld in aglyconen en glycosiden. Aglyconen zijn in vet oplosbaar (lipofiel), terwijl glycosiden, suikerstructuren, in water oplosbaar zijn (lipofoob). De inname van vet via de voeding bleek de opname van quercetine-glyconen uit de darmen te verhogen. Terwijl kaempferol (o.a. te vinden in andijvie en broccoli) de meest stabiele verbinding is, is de biologische beschikbaarheid van quercetineflavonolen hoger. Van de quercetine-bronnen is de urinaire excretie 24 uur per dag het hoogst voor rode uien; rode wijn en thee presteren slechter (Dietary Quercetin and Kaempferol: Bioavailability and Potential Cardiovascular-Related Bioactivity in Humans, MDPI Nutrients 2019, 11(10), 2288).

Onderstaande literatuur beveel ik aan als u meer wilt weten over de werking van quercetine.
Deze onderzoeken gaan specifiek in op:
- de mogelijke bescherming van het hart door quercetine;
- bescherming tegen beschadiging van het endotheel weefsel;
- bescherming tegen acute longbeschadiging (ALI) die wordt geassocieerd met hypoxie;

Therapeutic potential of quercetin as a cardiovascular agent, European Journal of Medicinal Chemistry Vol. 155, 15 July 2018, P889-904;
Prophylactic efficacy of Quercetin in ameliorating the hypoxia induced vascular leakage in lungs of rats, PLoS One 2019; 14(6);
Pleiotropic beneficial effects of epigallocatechin gallate, quercetin and delphinidin on cardiovascular diseases associated with endothelial dysfunction, Cardiovascular and hematological agents in medicinal chemistry 2013 December;11(4):249-64;
Quercetin in Hypoxia-Induced Oxidative Stress: Novel Target for Neuroprotection, International Review of Neurobiology Vol. 102, 2012, P107-146.

Quercetine! Flavonoïden! Gekleurde paprika's, Spaanse pepers, rode en witte ui, knoflook, gember en kurkuma (geelwortel)

2. Polysachariden

2.1 Antioxidatieve en immuunmodulerende eigenschappen
In paragraaf 1 besprak ik het farmacologische en profylactische potentieel van quercetine, evenals de risico's van quercetinerijke voeding of aanvullende inname van quercetine. Quercetine staat bekend om zijn immunomodulerende en antioxiderende eigenschappen: het wordt geassocieerd met NF-KB-remming, onderdrukking van door lipopolysacharide (LPS) geïnduceerde macrofaagactivering van STAT-1 en TNF-alfa en vermindering van oxidatieve stress. Oxidatieve stress, NF-kB, verhoogde niveaus van IL-1, IL-6, TNF-alfa, celadhesiemoleculen ICAM-I, VCAM-I en P-selectine zijn geassocieerd met hypoxie. Bovendien worden plantaardige polysachariden geassocieerd met specifieke antifibrotische eigenschappen.

2.2 Werking van plantaardige polysachariden tegen BLM-fibrose
Bij BLM-fibrose (bleomycine-gestimuleerde fibrose) is aangetoond dat plantenpolysachariden ontsteking van longblaasjes, vermindering van hyaluronzuur en afzetting van collageenfibrillen verlichten. Zeewier sargassum hemiphyllum verzwakt de verhoogde expressie van TIMP-1, CXCL1, MCP-1, MIP-2 en interleukine-1-receptorantagonist (IL-1RA).

Zeewier, toegediend in therapeutische doses, kan TGF-β1-geïnduceerde menselijke embryonale longfibroblast (HEPF) celproliferatie, collageenafzetting en matrix metalloproteïnase-activiteit stoppen. Ginsen heeft een hoge bindingsaffiniteit voor TGF-β1. Basilicum onderdrukt de door TGF-β1 geïnduceerde fibrotische activiteit en zeealgen remmen de heparine / heparansulfaat-TGF-β1-interactie (een overzicht van natuurlijke polysachariden met anti-fibrotische-eigenschappen in verband met COVID-19: A review for natural polysaccharides with anti-pulmonary fibrosis properties, which may benefit to patients infected by 2019-nCoV, Carbohydrate Polymers 2020 Nov 1; 247: 116740).

Ophiocordyceps lanpingensis (OLP) funghi-polysachariden onderdrukken de expressieniveaus van TNF-α, IL-1β, IL-6 (door macrofaag M1-uitgescheiden), OSM, IL-10 en IL-13 (macrofaag M2-uitgescheiden) genen in longweefsels. OLP verlaagt MCP-1 en verlaagt reactieve zuurstof/oxidatieve stress door de peroxidatie van lipiden (vetten) tegen te gaan. Deze mechanismen tonen het potentieel van OLP om longfibrose te remmen door vermindering van macrofagen en door antioxidatieve activiteit gericht op lipide-peroxidatie (Ophiocordyceps lanpingensis polysaccharides attenuate pulmonary fibrosis in mice, Biomedicine & Pharmacotherapy Vol. 126, June 2020).

3. Curcumine verbindingen

3.1 Curcumine-analogen onderdrukken IL1-β en COX-2, om ontstekingen te verminderen
Van curcumine-analogen (kurkuma = geelwortel, wel bekend van de gele kleur in kerriesauzen/currysaus/kerriepoeder en Aziatische gerechten) is aangetoond dat ze de expressie van TNF-alfa en IL-6 remmen door downregulatie van het extracellulaire signaalgereguleerde kinase (ERK) en IL1-β in epitheelcellen en cyclo-oxygenase 2 (COX-2) onderdrukken (Anti-inflammatory effects of novel curcumin analogs in experimental acute lung injury, Respiratory Research 2015; 16(1): 43).

De functie van COX-2 is om prostaglandinen te synthetiseren die betrokken zijn bij de "ontstekingssoep", of "inflammatoire soep". Een studie uit 2008 wees uit dat curcumine, toegepast als een NF-kB-blokker, door hypoxie gestimuleerde longlekkage beperkte (Role of Oxidative Stress and NF-kB in Hypoxia-Induced Pulmonary Edema, Journal of Experimental Biology and Medicine Vol. 233, Issue 9, 2008).

In vivo studies hebben aangetoond dat curcumine de ontstekingsverhogende cytokines IL-1, IL-6, IL-8, Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-α), IKKβ en IL-1β remt. Curcumine vermindert de expressie van inflammatoire en profibrotische factoren zoals MCP1, CXCL1, CXCL10, MMP-2, Interferon-gamma (IFN-γ) en MMP-9. Curcumine wordt genoemd om in te werken op p65 om de NF-KB-route te blokkeren. Remming van de expressie van Toll-like receptor 2, 4 en 7 (TLR 2, 4 en 7) en TRAF6-genen vermindert virale ontsteking. Curcumine-verbindingen reguleren IL-10, dat op zijn beurt een regulator is van TNF-alfa, reactieve oxidatieve stress en Treg-cellen (IL-10 plays an important role as an immune-modulator in the pathogenesis of atopic diseases, Molecular Medicine Reports 2008;1(6):837-42)). IL-10 is een ontstekingsremmende cytokine die de expressie van Intercellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) in het vaatstelsel onderdrukt, waardoor weefselschade wordt verminderd.

Met name activeert curcumine de Nrf2-hemeoxygenase-1 (Nrf2-HO-1)-as, een antiviraal en immunomodulerend mechanisme om de longblaasjes te beschermen (The Inhibitory Effects of Curcumin on Virus-Induced Cytokine Storm and its Potential Use in the Associated Severe Pneumonia, Frontiers in Cell and Developmental Biology, 12 June 2020).

Van curcumine is ook aangetoond dat het de ACE2- en angiotensine II type II-receptor positief reguleert ("upregulating") en de angiotensine II type I-receptor (Ang II type I) onderdrukt, om het evenwicht in het renine-angiotensine-aldosteronsysteem (RAS / RAAS) te herstellen (Potential effects of curcumin in the treatment of COVID-19 infection, Phytotherapy Research, 19 May 2020).

Naast anti-reactieve oxidatieve stress (ROS)-eigenschappen, hebben curcumine-verbindingen mechanismen om longweefsel te beschermen:
1. Curcumine-verbindingen reguleren ontstekingsremmend IL-10;
2. Curcumine activeert antivirale activiteit en immunomodulatie via de Nrf2-OH-1-as.

Een groot nadeel is dat curcumine geen stabiele verbinding is. De eigenschappen van curcumine bieden echter farmaceutische mogelijkheden om nader te onderzoeken.

Uit eigen keuken! Zeaxanthine in oranje paprika's (goed voor de ogen) en quercetine in rode ui

De eerlijke keuken: het ziet er niet kookboekachtig uit als het gestoofd is

4. Waarschuwing: geneesmiddelinteracties met grapefruit-flavonoïden en niet-flavonoïden

Hoewel grapefruits een rijke bron zijn van flavonoïden (naringenine, naringine, quercetine en kaempferol) en niet-flavonoïden (bergamottine), kunnen naringine en de furinocoumarine bergamottine de stof CYP3A4 in de dunne darm remmen. CYP3A4-enzymen zijn nodig voor de afbraak van medicijnen. Door remming van CYP3A4 ontstaat risico op een overdosis. Immunosuppressiva, calciumantagonisten (cardiovasculaire medicatie) en spierverslappers zoals benzodiazepinen worden beïnvloed door grapefruit (Grapefruit and drug interactions, Prescrire International 2012 Dec;21(133):294; Interaction of Grapefruit Juice and Calcium Channel Blockers, American Journal of Hypertension Vol. 19, Issue 7, July 2006). Raadpleeg altijd een arts als u calciumantagonisten, spierverslappers/benzodiazepinen en immuunremmers gebruikt, om uw voedingspatroon te bespreken.

5 Vooruitblik op het volgende bericht

In het volgende bericht van deze "voedingsreeks", zal ik de immunomodulerende eigenschappen van vitamine D bespreken. Eén van de meest prominente te bespreken vormen van vitamine D is het steroïdhormoon dat algemeen bekend staat als vitamine D3, calcitriol = in zijn actieve vorm 1,25-dihydroxyvitamine D3 = 1,25 (OH) 2D3.

Paprika: een bron van flavonoïden, zeaxanthine, retinol (vitamine A) en ascorbinezuur (vitamine C)

Niet overdrijven: capsaïcine in chilipepers/Spaanse pepers is een irriterende stof. Het gehalte vitamine A en C is verwaarloosbaar, terwijl een teveel aan capsaïcine de darmen en longen irriteert.

Rode paprika is een rijke bron van Vitamine C en een gemiddelde bron van Vitamine A

Gekleurde voedingswaren: brocolli, paprika en chilipepers. Illustratie: Mercedes Bouter

Capsicum annuum "Peter Pepper"

Pathways towards deterioration in SARS-CoV-2 IV: the complement system

Underlying mechanisms contributing to the severity of SARS-CoVs' complications
In this deterioration series, I elaborate on the mechanisms that contribute to the severity of SARS-CoV-2 (and, likewise, SARS-CoV-1 (2003)) cases. Previously, I discussed the role of the Renin-Angiotensin-Aldosterone and Kallikrein-Kinin System, hypercoagulation and thromboinflammation and SARS-CoV-2 involvement of the Central Nervous System (either by direct invasion or through systemic diseases following COVID). These mechanisms are strongly intertwined.

As I will discuss in this message, the Complement System is a major contributor to hyperinflammation and tissue damage following coronavirus infection. The Complement interacts, by default, with blood platelets and endothelial cells and contributes to hypercoagulation- and the other way around (Paragraph 2). As can be gathered from biopsy and autopsy reports following COVID-19, depositions found in the microvasculature of COVID patients indicate Lectin Pathway-mediated damage (Paragraph 3).  Lastly, I will discuss therapeutical options to target the Complement cascade in COVID-19 (Paragraph 4). In order to write this message, I analyzed research papers from a body of knowledge spanning the last 3 decades. With regards to the Complement cascade, thromboinflammation, hypercoagulation and neurological involvement, it is clear that SARS-CoV-2 is similar to SARS-CoV-1 (2003). It cannot be stressed enough that therapeutic options for treatment of 2003-SARS complications and hematological complications in general should be revisited.

1      The complement system: mediator between innate and adaptive immunity;
1.1   Classical Pathway;
1.2   Alternative Pathway;
1.3   Lectin Pathway;
2      Contribution to SARS-CoV-2 severity;
2.1   Complement-induced Acute Lung Injury (ALI) and ARDS;
2.2   Complement anaphylatoxin C5a and IL-8 induction of Reactive Oxygen Species (ROS);
2.3   Interaction of the Complement System and NETs;
2.4   Complement System and coagulation;
2.5   Complement en endothelial dysfunction;
2.6   Do SARS-Coronaviruses specifically target the Lectin Pathway?
3      Cases of SARS-CoV-2 extensive complement deposition damage of the microvasculature (non-Diffuse Alveolar Damage/DAD);
4      Pharmaceutical intervention targeting the Complement cascade in COVID-19

1 The complement system: mediator between innate and adaptive immunity
The complement system refers to a system mediating between the innate and adaptive host immune response against invasion by pathogens, such as viruses. The adaptive immune response is what is needed to ward off bespoke invader. One function is pathogen lysis by the C56-9 (C5 to 9 = C5bC6C7 to C8 to C9) Membrane Attack Complex (MAC). By doing so, the pathogen, for example a virus, is cut and subsequently stripped from its contents. Opsonization is the process in which antibodies bind to the pathogen. Complement C1 binds to IgG, in order to initiate a cascade, which results in the binding of C3b to the pathogen. C3b subsequently adheres to the C3b receptor found on phagocytes. This induces phagocytosis, a process in which phagocytes (protective cells) ingest pathogens inside their membrane in order to form an isolating particle containing the pathogens (the phagosome). Activation of the complement cascade to initiate an immunity response or inflammation is a normal response to invasion of the body, but turns out to be detrimental when overactivation of the complement system occurs. The functions of the complement pathways are: (1) opsonization in order to constitute phagocytosis; (2) initiating inflammation through recruitment of neutrophils and monocytes by anaphylatoxins; (3) lysis of the pathogen by the MAC (Microbiology Principles and Explorations 10th edition, J.G. Black, December 2017).

There are three complement pathways: the classical (CP), alternative (AP) and lectin (LP) complement pathway. Upon programmed cell death (apoptosis), the complement pathways are activated on the cell surface. C3 is the key complement protein. Any of these pathways that produces C3b contributes to amplification of C3 convertase, resulting in a self-amplification loop (Complement System I: molecular mechanisms of activation and regulation, Frontiers in Immunology, June 2015, Volume 6 Article 262).

The relevance of the complement pathways with regards to SARS-CoV-2 is that complement anaphylatoxins C3a and C5a are hypothesized to contribute to cytokine storms in severe COVID cases. C5a attracts neutrophils and monocytes and is involved in the release of Reactive Oxygen Species (ROS), mast cell degranulation and vascular permeability (Inhibiting the C5-C5a receptor axis, Molecular Immunology, Volume 48, Issue 14, August 2011, p. 1631-1642; The case of complement activation in COVID-19 multiorgan impact, Kidney International (2020), 98, 314-322).

1.1  Classical pathway
The classical pathway is initiated by IgM or IgG antigen-antibody complexes binding to complement protein C1q (a protein that is well able to recognize pathogenic patterns in viruses and bacteria and which is capable of recognizing lipopolysaccharide (LPS)), in order to activate C1r which cleaves C1q. C1s cleaves C4 into C4a and C4b. C2 binds to C4b and is cleaved by C1s, to release C2a. C1qrs cleaves C4 and C2, resulting in the C3 convertase C4b2a. C3 is then cleaved into C3a and C3b. C3a is an anaphylatoxin, an inflammation mediator.

C3b is an opsonin, a "tagger", that binds to C4b2a to form C5 convertase C4b2a3b. C5 convertase cleaves C5 into C5a and C5b. Like C3a, C5a is an anaphylatoxin that mediates the inflammatory response by activating neutrophils. C5b forms with C6 (C5bC6) and binds C7, C8 and 12 molecules of C9 to form the TCC C5b-9 MAC that lyses the virus.

Thus: the classical pathway initiates inflammation via C3a and C5a (anaphylatoxins) or MAC (C5b) and opsonization and phagocytosis via C3b (opsonin). IgG strongly interacts with complement protein C1q. The presence of IgG determines the strength of the classical pathway activation of the complement system.

1.2  Alternative pathway
The alternative pathway (also known as the properdin pathway) is permanently active at a lower level to detect pathogens invading the body. Tick-over is a spontaneous hydrolysis of C3 into a fluid C3(H20), which binds to factor B (fB) to be cleaved by factor D (fD) to form the C3 convertase C3(H20) to amplify more C3a anaphylatoxins and C3b. C3b contributes to the alternative pathway amplification convertase, resulting in a C3 self-amplification loop. Factor D cleaves factor B into fragments Ba and Bb. When C3b attaches to fragment Bb, Properdin (Factor P) stabilizes the C3 convertase C3bBb. C3 is then cleaved into C3a and C3b.

In addition, C3b opsonizes the pathogen and binds a C3 convertase to generate C5 convertase C3bBb3b. C5 is then cleaved into the anaphylatoxin C5a that recruits neutrophils and monocytes, while C5b is involved in initiating the MAC. Factor H is a regulator of the AP and the amplification loop. Factor H inhibits the C3 convertase and concurs with factor B for binding C3b. Factor H and factor I (fI) and membrane-bound CD46, CD55 and Membrane Cofactor Proteine (MCP) serve as inactivators of C3b.

In contrast to the classical pathway and lectin pathway (CP and LP), the alternative pathway lacks C1q to serve as its "memory" in the recognition of viruses. This is where properdin and P-selectin come to aid by recruiting the C3 convertase C3(H20) to the surface of cells (Overview of Complement Activation, Seminars in Nephrology, 2013 Nov; 33(6): 479-492; see also Functional Characterization of Alternative and Classical Pathway C3/C5 Convertase Activity and Inhibition Using Purified Models, Frontiers in Immunology, 23 July 2018).

1.3  Lectin pathway
The lectin pathway (LP) uses Mannose-Binding Lectins (MBLs) and ficolins to recognize carbohydrate ligands on the surface of pathogens (sugary patterns). Mannose-Associated Serine Proteases (MASP) are substitute for C1 proteases C1r and C1s which are key in the recognition of viruses and bacteria. MBL forms complexes with MASP-1 and MASP-2, leading to cleavage of C4 and C2 and formation of the C3 convertase C4b2a. The binding of C3b to C3 convertase C4b2a form the C5 convertases that cleave C5 into C5a and C5b. While anaphylatoxin C5a is known for its contribution to inflammation, C5b forms the C5-9 MAC complex.

Each of these factors are involved in cytokine hyperactivation, cell injury, endothelial damage, hypercoagulation and thrombotic events, with the MAC, anaphylatoxins and overactivation of the lectin pathway as key factors.

The complement system: Classic Pathway, Alternative Pathway and Lectin Pathway

2  Contribution to SARS-CoV-2 severity

2.1  Complement induced Acute Lung Injury (ALI) and ARDS
As discussed briefly, amplification of anaphylatoxins C3a and C5a, the formation of the amplification loop and the formation of the MAC via C3 and C5 convertases contributes to immune-mediated injury. C5a constitutes inflammation through recruitment of neutrophils, monocytes, eosinophils, phagocytic cells, granule-based enzymes and T-lymphocytes (The role of C5a in acute lung injury induced by highly pathogenic viral infections, Emerging Microbes and Infections (2015) 4, e28, 27 April 2015). What is typical for SARS-Coronaviruses, is a rapid progression towards ARDS. As is the case with avian influenzaviruses, pulmonary fibro proliferative changes are observed at 11 days after symptom onset, with progression towards Acute Lung Injury (ALI). Increased levels of C5a are found in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF), but this is not the case with seasonal Influenza A (IVA). Not only are SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 entirely different from influenzaviruses, as they do not share an ancestor, Acute Lung Injury associated with excess C5a complement activation is a characteristic for SARS-CoVs, avian influenzaviruses and MERS-CoVs.

2.2  Complement anaphylatoxin C5a and IL-8 induction of Reactive Oxygen Species (ROS)
C5a as well as interleukin IL-8 is synthesized by pulmonary epithelial cells, macrophages, endothelial cells and neutrophils, among other pulmonary cells. C5a is reported to be able to amplify IL-8 to increase neutrophil counts and further pulmonary dysfunction. After activation of neutrophils and monocytes by C5a, an oxidative burst is generated, followed by the release of Reactive Oxygen Species (ROS) (The case of complement activation in COVID-19 Multiorgan Impact, Kidney International (2020) 98, 314-222). Higher amounts of ROS are observed in fibrotic lung cells.

2.3  Interaction of the Complement System and NETs
C5a in association with granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM CSF) is reported to be able to induce the release of NETs (neutrophil extracellular traps) and to activate macrophages and endothelial cells to promote vascular leakage and the release of NETs. NETs increase permeability of the pulmonary capillary barrier and induces inflammatory cytokine release (The role of C5a in acute lung injury induced by highly pathogenic viral infections, Emerging Microbes and Infections (2015) 4, e28, 27 April 2015). NETs and hypoxia further contribute to endotheliopathy. While component opsonization induces NET formation, blockade of complement receptors CR1 and CR3 inhibits NETosis (programmed cell death). Moreover, neutrophils and NETs contain C3, Factor B and Factor P (Properdin), which are key to the generation and stabilization of C3 convertase and complement cascade in the Alternative Pathway (AP). Priming neutrophils with lipopolysaccharides ('sugary' LPS) or TNF-α stimulates the release of Properdin, after which C3b is found on these neutrophils (NETosis, complement and coagulation: a triangular relationship, Cellular & Molecular Immunology, 2019 January;16(1):19-27).

When Interferon-gamma (IFN-γ) is used, C5a stimulates NETosis. C5a upregulates Toll-like receptors (TLR) to induce the NET response. The NETosis response is significantly enhanced when neutrophils are primed with Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-α). Factor H acts as a cofactor with Factor I in the inhibition of the Alternative Pathway by degrading C3b. Factor H is recruited to NETs when C3b is deposited on NETs. It is hypothesized that H is recruited to prevent deviant complement activation and MAC formation to protect neutrophil membranes from lysis. In their turn, pathogens are able to recruit Factor H on their surface to prevent C3b opsonization. In addition to induction of the complement system, NETs activate the coagulation pathway.

2.4 Complement system and coagulation
C5a is able to increase tissue factor activity in circulating form and on endothelial cells. Inhibition of C3 and C5 is shown to lead to reduced expression of tissue factor (The key roles of complement and tissue factor in E.coli-induced coagulation in human whole blood, Clinical & Experimental Immunology, October 2015, Vol. 182 Issue 1, p. 81-89). On mast cells, the complement system is able to enhance tissue factor and create a prothrombotic state. MASP-1 and MASP-2, the mannose proteases that initiate the Lectin Pathway, cleave prothrombin to an active thrombin and these proteases activate fibrinogen and factor XII, which stabilizes fibrin. Factor XII in its turn, cleaves C1 to activate the Classical Pathway. Complement inhibitor C1-INH inhibits factor XII and thrombin, while C4b-binding protein C4BP prevents coagulation inhibition by inhibiting protein S.

MAC formation (C5b-9) on platelets stimulates the release of prothrombotic Factor V. Platelets have C3a receptors, indicating that C3 and MAC are platelet activators. In addition, C5a and MAC induce the release of P-selectin from platelet alpha-granules and Ultra-Large Von Willebrand Factor Multimers (ULVWF) that promote platelet adhesion and shedding of thrombomodulin (TM). The MAC induces the release of procoagulant microparticles (PMP). VWF multimers can be bound by C3b to initiate the Alternative Pathway.

Thrombin acts as a C5-convertase in C3 depleted mice models. C3 -/- (knock-out) models have normal C5a levels, despite being deprived of the usual C3b formation. Thrombin is shown to convert C3 and C5 into C3a and C5a. Moreover, thrombin cleaves C5 into a C5b fragment that forms a MAC with significantly higher lysic potential than regularly generates C5b. Hence, thrombin activates C5 in a C3-independent matter (Thrombin generates previously unidentified C5 products that support the terminal complement activation pathway, Thrombosis and Hemostasis, August 23, 2012, Blood Vol. 120, number 8). Beside thrombin, plasmin, FX and FXI generate C3a and C5a, furthering inflammation.

To prevent thrombosis, mast cells express enzymatically active tissue plasminogen activator (t-PA), which induces fibrinolysis, the breakdown of fibrin clots. Anaphylatoxin C5a induces mast cells to express PA inhibitor PAI-I. As a result, the thrombotic state prevails (New Aspects in Thrombotic Research: Complement induced switch in Mast Cells from a profibrinolytic to a prothrombotic phenotype, Pathophysiology of Haemostasis and Thrombosis, 2003/2004; 33: 438-441). MASP-1 is able to activate Thrombin-Activated Fibrinolytic Inhibitor (TAFI). In its turn, fibrinolytic activator plasmin activates C3 and C5, C3-convertase independently inducing the release of C5a and the formation of a C3-convertase independent MAC (Complement Activation in Arterial and Venous Thrombosis is Mediated by Plasmin, EBioMedicine, March 01. 2016, Volume 5, p. 175-182).

2.5 Complement and endothelial dysfunction
C5a interacts directly with the C5aR receptor on endothelial cells. The MAC induces endothelial activation. The dysruption of the endothelium by the MAC induces endotheliitis, prompting the release of IL-6 and  IL-1β. Both C5a and the MAC stimulate the endothelium to release IL-8 and monocyte chemoattractant protein MCP-1 and to express adhesion molecules ICAM-1, E-selectin and VCAM. The MAC and C5a induce the release of P-selectin and VWF multimers (ULVWF) in order to promote platelet adhesion and the release of Thrombomodulin (TM) from the endothelium.
These mechanisms increase inflammation, coagulation and vascular permeability. Endothelial cells contain heparan on their surface to moderate inflammation and inhibit coagulation. Damage of endothelial cells by the MAC formation and anaphylatoxin C5a leads to loss of heparan. The shedding of heparan by damaged endothelial cells impairs anti-coagulation, furthering the thrombotic state (The role of C5a and antibody in the release of heparan sulfate from endothelial cells, European Journal of Immunology, November 1991, Vol. 21, Issue 11, p. 2887-2890).

2.6 Do SARS-Coronaviruses specifically target the Lectin Pathway? 
As of 2010, it has been hypothesized and reported that Mannose Binding Lectin (MBL) is able to bind to the Spike glycoprotein of SARS-CoV-1, dependent on an N-glycosylation site of SARS-Coronavirus (A Single Asparagine-Linked Glycosylation Site of the Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus Spike Glycoprotein Facilitates Inhibition by Mannose-Binding Lectin through Multiple Mechanisms, Journal of Virology, September 2010, Vol. 84, No. 17). According to a preprint on SARS-CoV-2, lung tissue of a patient revealed strong staining for MBL, C4, C3, MAC in alveolar epithelial cells, inflammatory cells and pneumocytes in alveolar spaces (Highly pathogenic coronavirus N protein aggravates lung injury by MASP-2-mediated complement over-activation, posted June 18, 2020). Although caution be taken with any preprint, reports of biopsies and autopsies following coronavirus infection support the hypothesis that overactivation of the Lectin Pathway is involved.

3  Cases of SARS-CoV-2 extensive complement deposition damage of the microvasculature (non-DAD)
A report of five cases confirms the activation of both the Alternative Pathway and Lectin Pathway. Depositions of MAC (C5b-9), C4d and MASP-2 were observed in the microvasculatory in SARS-CoV-2 patients. Patient 1 showed severe hemorrhagic pneumonitis with significant fibrin deposition within the septal capillary, endothelial cell necrosis and thrombotic nectrotizing capillary injury syndrome. C3d was similarly deposited in the septal capillary. Extensive C4d and MAC deposition was observed in the alveolar septal capillary. MAC deposition was also seen in normal appearing dermal capillaries. Patient 2 showed a similar pattern of septal capillary injury, hemorrhagic pneumonitis, fibrin deposition and dominant deposition of MAC formations in the microvasculature. Noteworthy, MAC depositions were found in normal appearing lung tissues, while C4d was solely observed in the injured microvasculature. MASP-2 demonstrated granular staining in the interalveolar septa. Patient 1 as well as patient 2 did not show Diffuse Alveolar Damage (DAD); no hyaline membranes were observed.

Patient 3 showed purpuric buttocks, thrombogenic vasculopathy with necrosis, interstitial and perivascular neutrophilia, breakdown of white blood cells and extensive MAC deposits in the microvasculature. In patient 4, purpuric patches were seen on foot soles and hand palms. Occlusive thrombi were found in the artery, including extensive deposits of MAC formations, C3d and C4d. Brain infarctions and a complete infarction in the area supplied by the left middle cerebral artery were revealed on CT. Like patient 3 and 4, patient 5 showed purpuric patching. Perivascular lymphocytic infiltrates and thrombi were accompanied by MAC and C4d (Complement associated microvascular injury and thrombosis in the pathogenesis of severe COVID-19: A report of five cases, Translational Research, June 2020, Vol. 220). A report of 31 COVID patients investigated the plasma levels of soluble C5b-9 (MAC) and C5a. While both the MAC and C5a were significantly elevated, C5a remained within normal range in some patients (Complement activation in patients with COVID-19: A novel therapeutic target, Journal of Allergy and Clinical Immunology, July 2020, Vol. 146, number 1).

4  Pharmaceutical intervention targeting the Complement cascade in COVID-19
C3 knock-out mice models were shown to be protected from lung inflammation. Viral titers are similar in the C3 wild type models and C3 knock-outs. C3 knock-outs did not show respiratory failure. While MCP-1 is expressed highly in both C3 models and C3 knock-outs, Granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF), IL-6, Tumor Necrosis Factor-alpha and IL-1a comprised highly produced cytokines and chemokines in C3 models. In models treated with a C3a receptor antagonist or antibodies against C5a, lung inflammation and injury are significantly reduced following MERS-Coronavirus (Complement Activation Contributes to SARS Coronavirus Pathogenesis, Host-Microbe Biology, 9 October 2018, Vol. 9, Issue 5, e01753-18).

Consecutive with the previously mentioned reports of COVID patients, see paragraph 3, blockade of the Mannan-Binding Lectin-Associated Serine Protease-2 (MASP-2) by Narsoplimab or Eculizumab might be considered to prevent Lectin Pathway-mediated hyperinflammation.

AMY-101 is a C3 inhibitor that prevents cleavage of C3, formation of C3 and C5, subsequently preventing formation of anaphylatoxins C3a and C5a and the MAC formation. IFX is a monoclonal antibody that specifically targets C5a, thereby preventing the release of inflammatory cytokines induced by C5a.

Therapeutic options for pharmaceutical inhibition of the complement cascade are:
Narsoplimab-   human antibody targeting MASP-2;
Avdoralimab-   monoclonal antibody prevents the binding of C5a to its receptor C5aR
Eculizumab-     anti-C5 monoclonal antibody preventing cleavage of C5 into C5a
Ravulizumab-   antibody against C5
C1-INH-           C1 classical pathway inhibitor, approved for treating hereditary angioedema
IFX-                  monoclonal antibody targeting C5a
AMY-101-        C3 inhibitor, preventing cleavage of C3, formation of C3 and C5 and subsequently preventing formation of C3a, C5a and MAC
(Complement Inhibition in COVID-19: A neglected therapeutic option, Frontiers in Immunology, July 2020, Volume 11, Article 1661; see also Complement System I: molecular mechanisms of activation and regulation, Frontiers in Immunology, June 2015, Volume 6 Article 262).

Targeting the complement cascade through pharmaceutical inhibitors

Therapeutic options targeting the complement cascade in SARS-CoV-2/COVID-19

Neuroinvasie van het Centraal Zenuwstelsel door SARS-CoV-2: een bespreking van klinische casus en neuroinvasieve mechanismen van SARS-CoV-2

In mijn bericht van 7 maart 2020 besprak ik het neuro-invasieve potentieel van SARS-CoV-1 en andere coronavirussen, een onderwerp dat sinds 2003 flink bestudeerd wordt (zie "Verspreiding en complicaties van coronavirussen", 7 maart 2020 ). Het neuro-invasieve potentieel van SARS-CoV-2 wordt echter sinds het begin van deze pandemie onderschat. Redelijkerwijs wordt de vraag gesteld of neurologische manifestaties het gevolg zijn van directe neuro-invasie door SARS-CoV-2, of een gevolg van door SARS-CoV-2 geïnduceerde trombo-inflammatoire verschijnselen.

Vanwege een gebrek aan autopsiemonsters kan virale replicatie van SARS-CoV-2 in het centrale zenuwstelsel (CZ) in veel gevallen niet worden bevestigd. Dat is geen reden om het bewustzijn over het risico op invasie van het CZ en perifere zenuwstelsel door SARS-CoV-2 te laten varen. Afgezien van directe neuro-invasie van het CZ, moeten neurologische manifestaties die worden opgewekt door ontstekingen en stollingsstoornissen (trombose en embolie) nauwlettend worden gemonitord. 

In deze bespreking zal ik ingaan op het neuro-invasieve potentieel van coronavirussen en neurologische manifestaties en mechanismen achter CoV-CZ-infectie. Waarom is het belangrijk om onderscheid te maken tussen neurologische manifestaties als gevolg van directe invasie van het CZ of manifestaties van het CZ die worden veroorzaakt door een ontsteking in de periferie (buiten het CZ)? Het belang is erin gelegen om de juiste therapeutische opties en timing van medische interventie te kunnen bepalen. Ik heb een selectie van casus gemaakt door via de database PubMed en de Wiley Library op "SARS-CoV-2" in combinatie met "Encephalopathy", "Encephalitis", "CNS", "Neuroinvasion", "ADEM", "ANE" en "Encephalomyelitis" te zoeken. Ik beschouw alles in de context: als neurologische klachten door onderliggende medische factoren kunnen worden verklaard, dan vermeld ik dat in de bespreking van de casus. Daarbij staat voorop dat infecties van het zenuwstelsel met grote zekerheid kunnen worden aangetoond, door het hersenruggenmergvocht (CSF) op pleiocytose, eiwitten en de aanwezigheid van SARS-CoV-2 te testen.

1. Over het neuro-invasieve potentieel van coronavirussen (2016-2020)
Net als ademhalingsvirussen in het algemeen kunnen SARS-CoV's schade aan het centrale zenuwstelsel veroorzaken. Coronavirussen kunnen encefalitis veroorzaken. De snelle replicatie van SARS-CoV-2 is een risicofactor voor het initiëren van overreactie van het menselijke immuunsysteem; als gevolg hiervan kan onder meer virale meningitis optreden (Human Coronaviruses and other respiratory viruses: Underestimated opportunistic pathogens of the Central Nervous System?, Viruses 2020, 12 (1), 14, gepubliceerd op 20 december 2019). In een jonge patiëntengroep met CoV werd een lichte ophoping van interleukinen IL-6, IL-8 en MCP-1 in de hersenvloeistof waargenomen. MCP-1 is betrokken bij het initiëren van ontstekingsreacties in de hersenen (Coronavirus infections in the Central Nervous System and respiratory tract show distinct features in hospitalized children, Intervirology 2016, vol. 59, no. 3, gepubliceerd in februari 2017).

In deze studie uit 2016 werd onderscheid gemaakt tussen infectie met het coronavirus en het centraal zenuwstelsel (CoV-CNS) en een infectie met de luchtwegen met coronavirussen (CoV-respiratoir). Het serumniveau van Granulocyte macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) was hoger bij CoV-CNS geïnfecteerde patiënten. GM-CSF heeft pro-inflammatoire eigenschappen en speelt een rol bij auto-immuun-encefalopathie (hersenontsteking door een auto-immuunreactie). De niveaus van interleukinen IL-6, IL-8, MCP-1 en GM-CSF waren significant verhoogd in monsters van hersenvocht van de CoV-CNS-patiëntengroep. Het aantal lymfocyten en eosinofielen was verlaagd in de CoV-CNS-groep, terwijl CoV-luchtwegpatiënten een significant lager aantal neutrofielen hadden. Het aantal monocyten in CoV-CNS-patiënten was verhoogd. Het serumgehalte van de granulocytkolonie-stimulerende factor (G-CSF) was significant verhoogd bij zowel CoV-CNS-patiënten als CoV-respiratoire patiënten.

Autopsies uitgevoerd tijdens de SARS-CoV-1-epidemie toonden viraal RNA in het cytoplasma van hypothalamische en cerebrale corticale neuronen, evenals hersenoedeem en focale neuronale degeneratie en neuronale necrose, uitgebreide hyperplasie van de gliacellen en cellulaire infiltraten. Dit betekent dat coronavirussen in het centrale zenuwstelsel binnendringen. Er werd in de autopsierapporten van de SARS-CoV-1-groep geen demyelinisatie, ofwel verlies van het isolerende merg om zenuwvezels, vermeld. Expressie van Interferon-gamma was te zien in glia. Infiltratie van CD68 + macrofagen en CD3 + T-cellen werd waargenomen in hersenneuronen en glia, wat duidt op het binnendringen van immuuncellen in de zenuwcellen (The neurology of COVID-19 revisited: A proposal from the Environmental Neurology Specialty Group of the World Federation of Neurology to implement international neurological registries, Journal of Neurological Sciences 414 (2020) 116884). 

In een test met ACE2-transgene muismodellen werd het falen van de ademhaling toegeschreven aan medullaire infectie (infectie van de hersenstam) met SARS-CoV. De reukzenuw bleek de ingang voor virale infectie van de hersenen te zijn. Een rapport over COVID-19-encefalitis onthult hemorragische laesies in de thalami (bloedingen), mediale temporale kwabben en de insula ("eilandjes", betrokken bij walging als gradatie van smaak). De mogelijkheid van door virussen veroorzaakte vasculitis (vaatontstekingen) via ACE2-receptoren in de hersenen, verhoogt het risico op cerebrovasculaire aandoeningen (COVID-19 and the nervous system, Journal of Neurovirology, 2020 May 23).

2. Neurologische manifestaties van virale infectie
Er zijn ten minste drie categorieën neurologische manifestaties die verband houden met virale infectie. Encefalopathie, inflammatoire encefalitis, hemorragische en ischemische beroerte zijn complicaties van systemische ziekten, zoals multi-orgaanfalen, ontsteking en coagulatie. Directe virale invasie van het centrale zenuwstelsel resulteert in encefalitis, meningitis en endotheliitis geassocieerd met celnecrose en hersendysfunctie. Acute gedissemineerde encefalomyelitis (ADEM), acute necrotiserende encefalopathie (ANE), het Guillain-Barré-syndroom en Kawasaki-achtige manifestaties zijn immuun-gemedieerde post-infectieuze manifestaties, dat wil zeggen dat zij pas ná virale infectie optreden en worden veroorzaakt door een reactie van het immuunsysteem. 

2.1 Neurologische manifestaties bij SARS-CoV-2-patiënten
In een casestudy onder 214 patiënten met SARS-CoV-2 werden neurologische symptomen gezien bij 36,4% van de patiënten. De gemiddelde leeftijd van de patiënten was 52 jaar. Van alle gemelde patiënten met manifestaties van het zenuwstelsel had 24,8% manifestaties van het centrale zenuwstelsel (hierna: CZ-manifestaties), 8,9% had perifere zenuwstelsel-manifestaties en 10,7% had skeletspierletsel. Typische symptomen van het perifere zenuwstelsel zijn anosmie (verlies van reuk) en ageusie (verlies van smaak). Met name 58,9% van de patiënten met CZ-manifestaties had een niet-ernstige infectie. Neurologische manifestaties traden op binnen 1-2 dagen na de infectie. 2 patiënten werden in het ziekenhuis opgenomen met door SARS-CoV-2 geïnduceerde hemiparese (halfzijdige verlamming), van wie geen koorts, hoest of diarree had. Van CZ-manifestaties werden hoofdpijn, verminderd bewustzijn, acute cerebrovasculaire ziekte, coma, delirium, ischemische beroerte en hersenbloeding gemeld.

2.1.1 Encefalopathie
In een onderzoek onder 58 patiënten had 69% agitatie, 67% had diffusieve tekenen van het corticospinale kanaal en 33% had het dysexecutief syndroom bestaande uit aandachtsproblemen, desoriëntatie en slecht georganiseerde responsbewegingen. Bij 8 patiënten werd verbetering in leptomeningeale ruimtes opgemerkt; bij 11 patiënten werd bilaterale frontotemporale hypoperfusie opgemerkt. 1 van de 8 patiënten had diffuse bifrontale vertraging, consistent met encefalopathie; bij 2 patiënten waren oligoklonale banden ("patronen" van antilichamen) aanwezig, eiwit- en immunoglobuline G-spiegels (antistoffen) waren verhoogd bij 1 patiënt. RT-PCR-reeksen van het hersenruggenmergvocht waren negatief voor SARS-CoV-2. Pleiocytose (toename van het aantal cellen) werd in geen van de gevallen waargenomen. Deze studie concludeert dat encefalopathie wordt geassocieerd met ARDS als gevolg van SARS-CoV-2-infectie, met ergernis en verwarring als kenmerkende klachten. Er kunnen geen conclusies worden getrokken met betrekking tot een ontstekingsreactie als oorzaak van de encefalopathie, aangezien er geen cytokinetests zijn uitgevoerd (Neurologic Features in Severe SARS-CoV-2 Infection, NEJM, 4 June 2020).

2.1.2 MRI-bevindingen bij afwezigheid van specifieke hersenruggenmergvocht-bevindingen: niet-specifieke encefalitis
Een studie waarin 50 COVID-patiënten werden onderzocht, meldt dat de meest voorkomende bevinding corticale signaalafwijkingen bij Fluid-Attenuated Inversion Recovery (FLAIR) waren. Bij 3 patiënten waren subcorticale (onder de hersenschors) en signaalstoornissen van de witte stof aanwezig; afwijkingen bij de frontale kwab waren aanwezig bij 4 patiënten; pariëtale lob in 3; achterhoofdskwab in 4; temporaalkwab in 1; insulaire schors bij 3 en cingulate gyrus bij 3 patiënten. Het hersenruggenmergvocht van 5 patiënten toonde een totaalbeeld van verhoogde eiwitwaarden bij 4 patiënten. Het aantal cellen, albumine, glucosespiegels en immunoglobuline G-index lagen binnen het normale bereik, er werden geen oligoklonale banden waargenomen. Acute intracraniële bevindingen bij afwezigheid van afwijkingen in het corticale signaal waren te zien bij 1 patiënt met acute transversale sinus trombose en 1 patiënt met acuut infarct in het rechter middengebied van de hersenslagader. 

Van de 2 gevallen zonder intracraniële bevindingen werd een verhoogd eiwit gevonden in het hersenruggenmergvocht. De belangrijkste differentiële (niet-specifieke) diagnose van deze bevindingen is infectieuze of auto-immuunencefalitis met toevallen, hypoxie en hypoglykemie. De gevallen van bilaterale frontale afwijkingen worden geassocieerd met hypoxie, omdat ARDS en frontotemporale perfusie gerelateerde factoren zijn. Microbloedingen in de hersenschors en afbraak van de bloed-hersenbarrière vergezeld van hypoxie zouden leiden tot het waargenomen beeldvormingspatroon. Over het algemeen kunnen er geen conclusies worden getrokken met betrekking tot virale of immuniteitsgemedieerde encefalitis (Brain MRI Findings in Patients in the ICU with COVID-19 Infection, RSNA Radiology, 8 May 2020).

2.1.3 Ongebruikelijke microbloedingen
MR-beelden van 9 patiënten met ongebruikelijke verschijnselen werden geanalyseerd. Alle patiënten leden aan ernstige hypoxemie secundair aan ARDS, met een vertraagd herstel van het bewustzijn. Geen van de patiënten had diffuse intravasculaire coagulatie (DIC); alle patiënten vertoonden een hyperfibrinemische toestand evenals septische of inflammatoire coagulatie. Microbloedingen werden waargenomen, specifiek bij het corpus callosum (de hersenbalk). Andere locaties van microbloedingen waren de achterste of voorste delen van de interne capsule en de hersensteel. Bij de meerderheid van de patiënten werden subcorticale regio's aangetast. Deze bevindingen worden níet geassocieerd met hypertensie en amyloïde angiopathie (beschadiging van de kleine bloedvaten van de hersenen). De betrokkenheid van de hersenbalk is niet consistent met hypertensie en amyloïde angiopathie; korte episodes van hypertensie kwamen voor bij slechts 2 van de 9 patiënten, die reeds met succes waren behandeld met antihypertensiva. 

Er wordt verondersteld dat directe schade aan het endotheel weefsel en de bloedvaten verklarend zou kunnen zijn, aangezien directe interactie tussen SARS-CoV-2 en de ACE2-receptor zou kunnen leiden tot beschadiging van de bloed-hersenbarrière en bloeding in het hersenweefsel. Van sommige van de op MR waargenomen laesies werd gemeld dat ze een lineaire vorm hadden die leek op een bloedvat, overeenkomend met het beeld dat wordt waargenomen bij hypercoagulatiestoornissen en microthrombi in longvaten van andere patiënten. Diffuus axonaal letsel (schade aan zenuwvezels) of lipidenembolie (afsluiting van een bloedvat door vet) onderzocht als mogelijke verklaringen (Unusual Microbleeds in Brain MRI of COVID-19 Patients, Journal of Neuroimaging, 8 July 2020).

2.1.4 Systemische hyperinflammatoire dysfunctie van het centrale zenuwstelsel: een mogelijke rol voor anakinra en tocilizumab
1 patiënt zonder comorbiditeiten kreeg linkszijdige verlammingen. Hoofdpijn en een verlamming ontwikkelden zich binnen 12 uur tot verwarring en opwinding. Het hersenruggenmergvocht vertoonde lymfatische pleiocytose (abnormale toename van immuuncellen) en verhoogde eiwitten. PCR van SARS-CoV-2 in het hersenvocht was negatief, maar het monster uit de keelneusholte bevestigde een SARS-CoV-2-infectie. Een tweede patiënt werd opgenomen met onrust, moeite bij het benoemen van objecten, desoriëntatie en verwarring. Het hersenvocht vertoonde ook bij deze patiënt lymfatische pleiocytose en verhoogde eiwitten. Bij beide patiënten was IL-6 verhoogd, bij één patiënt was IL-1β significant verhoogd. Bovendien vertoonde het hersenruggenmergvocht bij beide patiënten verhoogde ACE-spiegels. Er wordt verondersteld dat deze gevallen van encefalitis worden veroorzaakt door een cytokinestorm. Behandelingen gericht op IL-6 (tocilizumab) en IL-1 (anakinra) kunnen nuttig zijn om CZ-dysfunctie te behandelen (Increased CSF levels of IL-1β, IL-6 and ACE in SARS-CoV-2-associated encephalitis, Neuroimmunology & Neuroinflammation, 1 July 2020).

2.1.5 Leuko-encefalopathie en microbloedingen

11 patiënten kwamen in aanmerking voor hersen-MRI vanwege een ongebruikelijke, aanhoudend depressieve mentale toestand. Hersenstamreflexen waren normaal, maar de respons in extremiteiten nam af. Geen van de patiënten had duidelijke gedissemineerde intravasculaire coagulatie. Hersenruggenmergvocht was beschikbaar bij slechts 1 patiënt en was negatief voor meningitis en encefalitis en negatief voor SARS-CoV-2. Van 11 patiënten vertoonden 4 patiënten diffuse leuko-encefalopathie, 1 met microbloedingen en 6 met zowel microbloedingen als leuko-encefalopathie. Patiënten met leuko-encefalopathie hadden symmetrische hyperintensiteiten in beide zijdelingse diepe en subcorticale witte stof. Er werden afwijkingen waargenomen die zich uitstrekten van de precentrale gyrus tot aan het centrum semiovale en corona radiata. Bij de temporale en occipitale hoorns was de posterieure cerebrale witte stof bij alle patiënten afwijkend. De grijze kernen waren gespaard gebleven van leuko-encefalopathie. Afgezien van de pre-centrale gyrus en achterhoofdskwabben, bleef ook de juxtacorticale witte stof gespaard van leuko-encefalopathie. 

Deze bevindingen komen overeen met Delayed Posthypopoxic Leukoencephalopathy (DPHL), die 10-14 dagen na hypoxie optreedt en vergelijkbaar is met het ziektebeeld van slachtoffers van koolmonoxidevergiftiging. Acute hypoxische ischemie is uitgesloten, omdat de bij dat ziektebeeld aangedane hersengebieden in dit geval juist onaangedaan zijn. DPHL is waarschijnlijk gerelateerd aan celdood en daaropvolgende demyelinisatie. Waargenomen milde beperkte diffusie in dit onderzoek kan verband houden met acute demyelinisatie. Mogelijke etiologieën voor de waargenomen leuko-encefalopathie zijn: sepsis-geassocieerde, post-infectieuze demyelinisatie of hemorragische encefalitis en posterieur reversibel encefalopathiesyndroom.

In de juxtacorticale witte stof en het corpus callosum (de hersenbalk), met name het splenium, werden puntbloedingen waargenomen. Soortgelijke bloedingen zijn gemeld in gevallen van hoogteziekte en verwonding van de bloed-hersenbarrière. De waargenomen microbloedingen doen denken aan axonaal letsel. Er worden twee verschillende aandoeningen gediagnosticeerd: demyelinisatie en verstoring van de bloed-hersenbarrière. Beide aandoeningen zijn gerelateerd aan hypoxie veroorzaakt door SARS-CoV-2 (COVID-19-associated Diffuse Leukoencephalopathy and Microhemorrhages, RSNA Radiology, 21 May 2020).

2.1.6 Acute necrotiserende encefalopathie (ANE)
Een eerste studie naar vermoedelijke COVID-19-geassocieerde acute necrotiserende encefalopathie (ANE) gaat over een geval waarbij het hersenvocht niet op SARS-CoV-2 kon worden getest. CT-beelden onthullen symmetrische hypoatuatie binnen de bilaterale mediale thalami; hersen-MRI-beeldvorming onthult hemorragische laesies in de bilaterale thalami, mediale temporale lobben (ter hoogte van de slapen) en subinsulaire regio's. ANE is een zeldzame complicatie van influenza en andere virale infecties, die wordt toegeschreven aan cytokinestormen die leiden tot schade aan de bloed-hersenbarrière, zonder dat sprake is van directe virale invasie van de hersenen of postvirale demyelinisatie (COVID-19-associated Acute Hemorrhagic Necrotizing Encephalopathy: CT and MRI Features, RSNA Public Health Emergency Collection, Radiology 2020 Mar 31: 201187).  .

Een patiënt had een voorgeschiedenis van aplastische anemie met intermitterende transmissie van rode bloedcellen en bloedplaatjes. De patiënt had recent geen middelen gekregen om het immuunsysteem te onderdrukken. De patiënt vertoonde episodes van staren, spraakstilstand, flexie van beide schouders en een korte tonische clonische aanval. Een CT toonde een vroege zwelling van de hersenstam. Nieuwe lymfopenie werd waargenomen. Trombocytopenie in overeenstemming met aplastische anemie werd behandeld met humane leukocyten-antigeen-bloedplaatjes. De tweede CT-scan toonde zwelling van de hersenstam, nieuwe corticale en subcorticale hypodensiteit in de occipitale kwab en progressie van zwelling van de hersenstam met pontinebloeding en afwijkingen in de grijze stof, bestaande uit symmetrische hypodensiteiten, die ook in beide amygdalae te zijn waren. 

Het hersenruggenmergvocht vertoonde een eiwitverhoging, maar een normaal aantal witte bloedcellen. CSF-PCR voor SARS-CoV-2 was negatief. MRI vertoonde progressie van een uitgebreid abnormaal signaal en bloeding in een symmetrische verdeling binnen de dorsolaterale putamina (gelegen in de basale ganglia), thalamische kernen, subinsulaire regio's, splenium van het corpus callosum, cingulate gyri en perirolandische regio's. Er was een vermindering van ventriculi, basale stortbakken, temporale niet-hernia en matige celebellaire hernia. Ernstige trombocytopenie droeg bij tot de hemorragische componenten van encefalopathie. De patiënt was niet lymfopenisch vóór SARS-CoV-2-infectie. Testen op interleukines was niet mogelijk. Directe invasie (neurotroop) van het zenuwstelsel door SARS-CoV-2 is in dit geval onwaarschijnlijk, omdat de CSF-PCR negatief was. Een immunostorm is een zeer plausibele verklaring voor dit medische beeld van ANE (COVID-19-related acute necrotizing encephalopathy with brain stem involvement in a patient with aplastic anemia, Neurology Neuroimmunology & Neuroinflammation, 26 May 2020). 

2.1.7 Acute necrotiserende hersenontsteking (ANE), succesvol behandeld met steroïden
Een geval van acute necrotiserende encefalopathie bij een 51-jarige COVID-19-patiënt zonder een voorgeschiedenis van neurologische aandoeningen wordt mogelijk teweeggebracht door antilichamen. De patiënt reageerde niet, werd comateus, kreunde en vertoonde ritmische bewegingen van het rechterbovenbeen op dag 21 van de ziekte. Subtiele hyperintensiteiten bij bilaterale thalami werden waargenomen. Bloed en hersenvocht onthulden trombopenie, lymfopenie en ontsteking, CSF-albumine-cytologische dissociatie met verhoogde IgG-antilichamen en veranderde bloed-hersenbarriere. MRI vertoonde progressieve laesies met diffuse hyperintensiteit in de thalami, cerebellum, hersenstam en supratentoriale grijze en witte stof. Gebieden van het vezelnetwerk, als ventrale hippocampus commissuur, brachium van de colliculus en stria medullaris leken sterk gekleurd. Bilaterale distributie van afwijkingen aan de hersenstam, thalami, kleine hersenen en witte stof, hyperintensiteiten en schade aan bilaterale thalami is duidelijk te onderscheiden in ANE. Dit is anders bij klinische beelden van ADEM, die worden gedefinieerd door asymmetrische laesies met slecht afgetekende marges, voornamelijk te zien in periventriculaire gebieden en basale ganglia. 

Vroege behandeling met steroïden en polyvalente immunoglobuline was in deze casus zeer effectief. De vermoedelijke oorzaak is de reactie van de gastheer op SARS-CoV-2, geassocieerd met IgG gericht op een neuronaal antigeen. Celvernietiging en de afgifte van grote hoeveelheden auto-antigenen stimuleren zelf-reactieve cellen en kunnen leiden tot zelf-reactieve antilichamen. Ontsteking draagt ​​bij aan de productie van IgG en aantasting van de bloed-hersenbarrière (COVID-19-associated Acute Necrotizing Encephalopathy successfully treated with steroids and polyvalent immunoglobulin with unusual IgG targeting the cerebral fibre network, Postscript Letter, Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 10 July 2020).

2.1.8 Meningitis / encefalitis geassocieerd met SARS-CoV-2-infectie van het centrale zenuwstelsel
Een rapport uit februari 2020 beschrijft een eerste geval van een 24-jarige bewusteloze patiënt met vermoedelijke meningitis / encefalitis geassocieerd met SARS-CoV-2-infectie. Nekstijfheid en toevallen werden waargenomen. MRI vertoonde abnormale bevindingen van mediale temporale kwab, inclusief hippocampus, wat wijst op encefalitis. Daarnaast werd significante paranasale sinusitis waargenomen, een bevinding die het verdient aandacht te schenken aan retrograde synaptische transmissie van SARS-CoV-2 (transmissie van de neus naar de hersenen, zonder het ademhalingsstelsel). Hoewel SARS-CoV-2 niet werd gedetecteerd in het nasofaryngeale monster, was het hersenvocht positief voor SARS-CoV-2. Het aantal lymfocyten in het hersenruggenmergvocht was licht verhoogd (pleiocytose). Bloedlymfocyten waren verlaagd, het aantal witte bloedcellen was toegenomen, neutrofielen waren dominant en C-reactief proteïne was verhoogd. FLAIR-beeldvorming wees op rechter laterale ventriculitis en encefalitis op de rechter mesiale kwab en hippocampus (A first case of meningitis/encephalitis associated with SARS-CoV-2, International Journal of Infectious Diseases, Vol. 94, May 2020). In het geval van een 41-jarige patiënte met meningoencefalitis is géén RT-PCR van het ruggenmergvocht afgenomen, maar toediening van Hydroxychloroquine (HCQ) heeft opmerkelijke verbetering gebracht (Meningoencephalitis without respiratory failure in a young female with COVID-19 infection in Downtown LA, early April 2020, Brain, Behavior and Immunity, 2020 Jul; 87: 33).

2.1.9 ADEM, acute encefalomyelitis, verbeterd door methylprednisolon
Acute encefalomyelitis (ADEM) is een auto-immuunziekte van het zenuwstelsel, een zeldzame ziekte die voorkomt na virale infecties en die vooral kinderen treft. Er worden echter gevallen van ADEM gemeld die volwassenen treffen na een SARS-CoV-2-infectie. In één geval waarbij een 64-jarige betrokken was, meldde de patiënt een verlies van geur en smaak, dat zich snel ontwikkelde naar totale anosmie en ageusie, gevolgd door bilaterale slechtziendheid en gevoelsverlies aan het rechterbeen. Relatief afferent pupil defect werd gedetecteerd en gezichtsveldtesten vertoonden aan weerszijden defecten. Verder werden prikkelbaarheid, hoofdpijn, aangedaan sensorisch niveau van de rechter buik en linker hyperreflexie van de onderste ledematen gedetecteerd. MRI van de hersenen en de wervelkolom weergaf hersenletsel en één laesie op de achtste thoracale wervel (T8) en bilaterale oogzenuwversterking. Het hersenvocht vertoonde lymfotische pleiocytose, voornamelijk bestaand uit CD3 + CD4 + -T-cellen en milde proteïnorrachie (verhoogde eiwitten in CSF). Identieke immunoglobuline G oligoklonale banden waren aanwezig in CSF en serum. SARS-CoV-2 werd gedetecteerd in het hersenvocht. Serum onthulde anti-SARS-CoV-2 IgG. Het serum was negatief voor antiaquaporine-4 (AQ4) -antilichaam en antimyeline-oligodendrocytglycoproteïne (MOG), waardoor een neuromyelitis optica-spectrumsyndroom minder waarschijnlijk is. Behandeling met methylprednisolon verbeterde geleidelijk de symptomen geassocieerd met ADEM  (Acute disseminated encephalomyelitis after SARS-CoV-2 infection, Neuroimmunology & Neuroinflammation, 1 June 2020).

Een 54-jarige kreeg een episode van bewustzijnsverlies en langdurige reuk- en smaakstoornissen. RT-PCR voor SARS-CoV-2 was positief. Röntgen toonde interstitiële longontsteking. Bloedonderzoek toonde matige lymfocytopenie en lichte verhoging van inflammatoire indices (witte bloedcellen, C-reactief proteïne, fibrinogeen). Bij plotselinge verslechtering werd een bloedgastest uitgevoerd om ernstige hypoxie aan het licht te brengen. Een EEG toonde aan dat er twee aanvallen waren gestart vanuit het rechter frontotemporale gebied, diffuus in homologe contralaterale hemisfeer. Bij MRI werden meerdere hyperintense laesies van de periventriculaire witte stof waargenomen, zonder beperking of diffusie of verbetering. Soortgelijke laesies werden gevonden in de bulbo-medullaire overgang, het cervicale merg en het ruggenmerg. CSF RT-PCR voor SARS-CoV-2 keerde negatief terug. In dit geval wordt aangenomen dat de demyelinisatie wordt veroorzaakt door een vertraagde immuunrespons na de viremie. 

Systemische ontstekingsreactiesyndromen (SIRS) of SIRS-achtige syndromen bij SARS-CoV-2-patiënten kunnen optreden als gevolg van een cytokinestorm, waarbij IL-1, IL-6 en tumornecrosefactor-alfa (TNF-α) verantwoordelijk kunnen zijn voor overactivering van gliacellen, met daaropvolgende demyelinisatie. Er wordt verondersteld dat longontsteking met hypoxie leidt tot een verhoogd anaëroob metabolisme dat neurologische schade veroorzaakt. Het virus kan als alternatief de aanmaak van antilichamen tegen gliacellen veroorzaken, na infectie, die wordt geassocieerd met Guillain-Barré. Toediening van Dexamethason maakte een progressief herstel van de longfunctiestoornis mogelijk (SARS-CoV-2 can induce brain and spine demyelating lesions, Acta Neurochirurgica 162, 1491-1494 (2020), 4 May 2020).

Een niet-typische ADEM werd gezien bij een 71-jarige man, van wie de autopsie milde zwelling van de hersenen en hemorragische laesies verspreid door de witte stof van de hersenhelft aan het licht bracht. Een dag voordat de bevestiging van SARS-CoV-2 binnenkwam, ontwikkelde de patiënt acuut nierletsel, waarschijnlijk secundair aan shocktoestand en ademhalingsfalen in combinatie met een reactie op contrasttoediening. Niveaus van C-reactief proteïne, ferritine en IL-6 waren significant verhoogd. De hersenletsels bestonden uit brandpunten van intraparenchymaal bloed die de witte stof verstoorden, met macrofagen aan de rand van de laesies. Gegeneraliseerde reactieve gliosis was wijdverbreid in de witte stof. Beschadigde axonen markeerden de randen van de bloedingen. Er werd een verlies van myeline vastgesteld, met macrofagen en gefragmenteerde axonale processen binnen de laesies en oligodendrocyt-apoptose rond de laesies. 

Nabij hemorragische laesies was het weefsel relatief bespaard gebleven. Subtiele gebieden van subcorticale witte stof werden gezien met een variabele perivenulaire verdeling. Perivasculaire infiltraten bleken macrofagen te zijn en bijbehorend myeline-verlies was zichtbaar. De laesies vertoonden een bereik van axonaal letsel, tot matig axonaal letsel. Extra laesies in de witte stof vertoonden destructieve laesies met centraal fibrine geassocieerd met geforceerde rode bloedcellen, wat het verlies van myeline rond vaten uitstraalde. Axonaal letsel was gemarkeerd bij deze microscopisch geïdentificeerde laesies. Microscopische corticale infarcten werden geïdentificeerd met astrogliose rond de infarcten. Necrotiseerde neuronen waren verspreid in de neocortex, CA1 hippocampale regio en Purkinje-cellen in het cerebellum, wat wijst op hypoxisch-ischemisch letsel. Er werden weinig perivasculaire T-cellen gezien, maar er werd geen activering van B-cellen waargenomen. Immunokleuring van de hersenstam benadrukte perivasculaire macrofagen geassocieerd met aderverkalking. De laesies van de witte stof zijn hypothetisch vasculair. Microscopische neocorticale infarcten worden waarschijnlijk geassocieerd met microtrombo-embolie als gevolg van SARS-CoV-2-infectie, met een rol voor de ACE2-receptor als een mechanisme voor het letsel (Neuropathology of COVID-19: a spectrum of vascular and acute disseminated encephalomyelitis (ADEM)-like pathology, Acta Neuropathologica (2020): 140:1-6).

2.2 Markers voor ernstige infectie
Patiënten met ernstige infectie hadden een hoger aantal witte bloedcellen, een neutrofielentelling, een lager aantal bloedplaatjes, een lager aantal lymfocyten, een verhoogd C-reactief proteïne-gehalte, een hoog D-dimeer-gehalte, MOF, een verhoogd lactaatdehydrogenase-, alanine-aminotransferase- en aspartaat-aminotransferase-gehalte, verhoogd ureumstikstof, verhoogde creatininespiegels en verhoogde creatininekinasespiegels. Patiënten met skeletspierletsel hadden een verlaagd aantal lymfocyten en ernstig leverletsel en nierletsel (Neurologic Manifestions of Hospitalized Patients with Coronavirus Disease 2019 in Wuhan, China, JAMA Neurology, April 10, 2020). Neurotrope infectie van het centrale zenuwstelsel (directe virusinvasie van het zenuwstelsel) moet worden bepaald met hersenruggenmergvocht-PCR. Postinfectieuze immuun-gemedieerde neurologische aandoeningen (zoals ADEM en Guillain-Barré) kunnen worden onderscheiden van encefalitis door de afwezigheid van hersenvocht-pleiocytose en verhoogd hersenvocht-eiwit.

3. Mechanismen

3.1 Penetratie of vermijding van de Blood Brain Barrier en Blood Nerve Barrier
De ACE2-receptor (angiotensine-converterend enzym 2-receptor) is de gastheerreceptor voor SARS-CoV-2. De binding van SARS-CoV-2 omvat S-glycoproteïne-splitsing door Furin en priming door transmembraanprotease serine 2, TMPRSS2, gelokaliseerd in het celmembraan. ACE2 heeft ten minste twee verschillende functies. In de RAS, het renine-angiotensine-aldosteronsysteem dat de bloeddruk reguleert, klieft het angiotensine I tot ang 1-9 en angiotensine II tot ang 1-7, dat functioneert als een vaatverwijdend peptide. ACE2 reguleert ook de opname van aminonzuren in het endotheel van de darm. ACE2 wordt aangetroffen in het subfornische orgaan (SFO) in de hersenen, een gebied dat het cardiovasculaire systeem reguleert door middel van vochtbalans en hormoonsecretie. Het subfornische orgaan mist de bescherming van de bloed-hersenbarriere, dat maakt het orgaan gevoelig voor invloed van circulerende peptiden, de bouwstenen van eiwitten.

De bloed-hersenbarriere ​​beschermt het centrale zenuwstelsel (hersenen en ruggenmerg) tegen directe interactie met de bloedsomloop. De laag bestaat uit endotheelcellen, een basaalmembraan, astrocyten en gladde cellen (Vascular Smooth Muscle Cells, VSMC). Twee belangrijke immuuncellen die interactie hebben met het zenuwstelsel, zijn perivasculaire macrofagen en microgliacellen. Door bloed overgedragen voorlopers steken de BBB over (The Blood-Brain Barrier, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2015 Jan; 7(1)). Het aanvallen van immuuncellen zorgt voor immunologische ontstekingsmechanismen die neurologische manifestaties veroorzaken. Virale replicatie en de afgifte van cytokinen verhogen de doorlaatbaarheid van de BBB (Potential of SARS-CoV-2 to cause CNS infection: Biologic Fundamental and Clinical Experience, Frontiers in Neurology, 18 June 2020).

SARS-CoV's zijn voornamelijk betrokken bij endotheliitis. Dit wordt in verband gebracht met het vermogen van SARS-CoV om het centrale zenuwstelsel rechtstreeks te infecteren door de bloed-hersenbarriere te ontregelen door infectie van het endotheelweefsel van de vaten. De belangrijkste route is de ACE2-receptor die tot expressie wordt gebracht op endotheelcellen. Het vermijden van de bloed-hersenbarriere of de Blood Nerve Barrier (BNB) om toegang te krijgen tot het centrale zenuwstelsel is ook mogelijk, wanneer een virus de dorsale wortelganglia en autonome ganglia binnendringt (The neurology of COVID-19 revisited: A proposal from the Environmental Neurology Specialty Group of the World Federation of Neurology to implement international neurological registries, Journal of Neurological Sciences 414 (2020) 116884).

3.2 Verspreiding via het neurale reuknetwerk
Er wordt verondersteld dat de invasie van het zenuwstelsel door SARS-CoV-2 de ademhalingsfunctie beïnvloedt door beschadiging van het medullaire cardiorespiratoire centrum (gelegen in de hersenstam). In knaagdiermodellen bleek SARS-CoV zich via de reukweg te verspreiden naar subcorticale en corticale hersengebieden. De door SARS-CoV geïnfecteerde hersenstam werpt licht op de mogelijkheid dat de aanvoerende hersenzenuwen bij de invasie betrokken zijn. Aangezien er geen SARS-CoV is gedetecteerd buiten de neuronen van geïnfecteerde hersenweefsels, lijkt het waarschijnlijk dat de infectie uit verdergelegen (perifere) zenuwen wordt ontvangen, door synaptische transmissie tussen de zenuwcellen. SARS-CoV-2 zou de reukweg kunnen binnendringen door epitheelcellen in het slijmvlies te infecteren. Olfactorische axonen, de uitlopers van reukreceptoren, passeren het zeefbeen om te eindigen in de hersenen. Dit mechanisme, waarbij een virus neuronen in de periferie infecteert om axonaal transport te gebruiken om het zenuwstelsel binnen te dringen, wordt retrograde (axonaal) transport genoemd. Opmerkelijk is de bevinding dat grote hoeveelheden ACE2 en TMPRSS2 tot expressie komen in de steuncellen van het reukweefsel, wat verklaart dat het virus zich met succes aan dit weefsel bindt.
 
Bulbus olfactorius-hypothalamus-hippocampus-thalamus-corticale-PAG-amygdala
De reukbol verspreidt zich naar de reukkern, amygdala, piriforme cortex, peri-amygdaloïde cortex, insula en het voorste uiteinde van de parahippocampale gyrus (Anatomy of the olfactory nerves, Nerves and nerve injuries, Chapter 18, Vol. 1: 2015, p. 273-276). De entorhinale cortex van het reukcomplex heeft uitlopers over de gehele lengte van de hippocampus. Het reuksysteem stuurt vezels rechtstreeks naar corticale gebieden, zoals de frontale kwab (Cranial Nerve I: Olfactory Nerve, Textbook of Clinical Neurology, 2007, p. 99-112). De amygdala maakt deel uit van een breed hersencomplex dat de hypothalamus, hippocampus, orbitofrontale cortex en periaqueductale grijze stof (PAG) omvat. De amygdala heeft wederzijdse verbindingen met de hypothalamus via de fornix en stria terminalis en met de PAG. Het ontvangt projecties van de prefrontale cortex (Amygdala and hypothalamus: historical overview with focus on aggression, Neurosurgery Vol. 85, Issue 1, July 2019).

De corticomediale (midden van de cortex gelegen) amygdala is verbonden met de anterieure preoptische en ventromediale kern van de hypothalamus (opmerking: de POA bevat PGD2 (prostaglandine) synthase tot expressie brengende neuronen). De centrale kern van de amygdala is verbonden met de laterale hypothalamus (zie Grey's Anatomy 2e editie, 2008 en 2010). De piriforme cortex bevat feedbackcircuits binnen de cortex en centrifugale axonen naar de ipsilaterale (zelfde zijde) reukbol, evenals verbindingen met de contralaterale (tegenoverliggende) reukweg (Olfaction and Taste, Architecture of the Olfactory Bulb, in: The Senses: a comprehensive reference vol. 4, 2008). Met name ACE2 blijkt sterk tot expressie te komen in de piriforme cortex, evenals in hypothalamische kernen, ventrikels, substantia nigra, amygdala, hippocampi en de frontale cortex
("Angiotensin-converting enzyme 2 in the brain: properties and future directions", Journal of Neurochemistry, 2008 Dec; 107(6)). 

Schematische weergave van de medulla (hersenstam)

Nervus trigeminus en de neurale weg naar het autonome systeem
De grootste hersenzenuw is de nervus trigeminus (nervus trigeminus, V (= vijfde)), die onderkaak-, maxillaire en oftalmische vertakkingen heeft. Het dient als sensorische en motorische zenuw. De trigeminuskernen bevinden zich in de hersenstam. Trigeminusneuronen ontvangen sensorische informatie van het gezichtsslijmvlies. De afferente sensorische vezels van de trigeminuszenuw zijn afkomstig van cellichamen in het ganglion van Gasser. De sensorische primaire afferenten synapsen bij het Trigeminus Brainstem Nuclear Complex (VBNC) dat door de hersenstam loopt. De vezels eindigen in de ventrale posteromediale kern (VPM) van de thalamus.

Het solitaire kanaal, gelegen in de medulla, wordt gevormd door het ganglion van de nervus vagus, glossofaryngeale en geniculaire zenuw. De solitaire kanaalkern (NST) wordt beschreven als de viscerale kern van de hersenstam. De zenuwvezels vertrokken van de NST-synaps in de laterale en paraventriculaire hypothalamische kernen om naar de insula te projecteren. De nucleus ambiguus (NA) is betrokken bij de motorische functies van slikken en spreken. Zowel de NST als de VBNC bevinden zich dicht bij het cardiovasculaire centrum in de medulla oblongata, die de hartslag reguleert door middel van zenuw- en endocriene controle.

Ligging van de drielingzenuw (nervus trigeminus)

Conclusie
Evenals SARS-CoV-2 (2003) heeft SARS-CoV-2 neuroinvasieve capaciteiten. Het bewijs van de invasie van het centrale zenuwstelsel is aanwezig, maar er zal meer materiaal uit autopsies en biopten (afname weefsel), van beeldvormende technieken (CT-scans en MRI) moeten worden geanalyseerd om de aangerichte schade in het zenuwstelsel specifiek te beoordelen. In een aantal gevallen is er bewijs voor directe invasie van het huidige coronavirus in het zenuwstelsel; dat wordt bevestigd door detectie van SARS-CoV-2 in het hersenruggenmergvocht met RT-PCR (CSF of liquor cerebrospinalis). Het gaat bij directe CNS-invasie door het coronavirus om virale encefalitis, virale meningitis en virale endothelialitis (ontsteking endotheel weefsel, resulterend in onder meer microbloedingen in de hersenen). In andere, gevallen worden door  systemische ontstekingsmechanismen of een "cytokinestorm" in reactie op SARS-CoV-2-infectie, encefalopathie, encefalitis en Kawasaki-achtige manifestaties veroorzaakt. Inflammatoire encefalitis, een hersenontsteking die wordt veroorzaakt door de ontstekingsreactie van het lichaam op SARS-CoV-2, wordt bevestigd door het hersenruggenmergvocht op pleiocytose en verhoging van eiwitten te testen. Manifestaties van het zenuwstelsel die ná infectie optreden, zijn ADEM (Acute encefalmyelitis, met verlies van de witte stof), ANE (Acute Necrotiserende Encefalopathie, hersenontsteking met necrose (wegrotten) van het hersenweefsel) en Guillain-Barré. 

Waarom het onderscheid tussen directe neuroinvasie van SARS-CoV-2 of neurologische manifestaties veroorzaakt door inflammatoire mechanismen en immunologische mechanismen in reactie op SARS-CoV-2? Directe neuroinvasie, bijvoorbeeld virale meningitis, moet worden behandeld met antivirale therapie. In één geval van SARS-CoV-2-meningoencefalitis werd een patiënte succesvol behandeld met hydroxychloroquine (HCQ). Als neurologische manifestaties worden veroorzaakt door immunologische reacties, kan bijvoorbeeld Tocilizumab (IL-6-blokker) of Anakinra verbetering geven.