A remaining challenge: hypercoagulability characterizing COVID-19, despite anticoagulation practices

Mechanisms of coagulation and thrombosis in COVID-19

 

Over the past eight months it has become increasingly clear that COVID-19 is characterized by hypercoagulation and thromboinflammation. The pathogen SARS-CoV-2 itself, the innate host immunity response, haemostatic factors, the Renin-Angiotensin-Aldosterone System (RAS/RAAS) and the complement system are wired up to evoke a procoagulant, thromboinflammatory state in COVID-19 affected patients. The mechanisms enhance thromboinflammation and reduce fibrinolysis (the breakdown of clots). 

A few reports indicate that the hypercoagulant state in COVID-19 remains, in spite of thromboprophylaxis. In an early report, Deep Venous Thrombosis (DVT) was observed among non-Intensive Care Unit patients receiving thromboprophylaxis with either enoxaparin or fondaparinux (Incidence of deep vein thrombosis among non-ICU patients for COVID-19 despite pharmacological thromboprophylaxis, Journal of Thrombosis and Haemostasis 2020;18:2358-2363). 

Another, more recent study reports ongoing activation of coagulation and fibrinolysis despite low therapeutic anticoagulation in COVID-19 patients. Hypofibrinolytic states (impairment of the breakdown of fibrin clots) occur, even in the presence of Low Molecular Weight Heparin (LMWH). It is hypothesized that low therapeutic anticoagulant therapies are insufficient to downregulate coagulation activation in COVID-19 (In vitro hypercoagulability and ongoing in vivo activation of coagulation and fibrinolysis in COVID-19 patients on anticoagulation, Journal of Thrombosis and Haemostasis 2020;18:2646-2653). 

Keeping it simple: is it just the case that prophylaxis at hospital admission is too late?
One key factor, a major factor, might be explanatory for ongoing thromboinflammation, the occurrence of Deep Venous Thrombosis (even after hospital discharge) and hypercoagulation in spite of prophylaxis: time. 

I hypothesize that the administration of thromboprophylaxis might be too late to curb already ongoing thrombotic activity in the vasculature, as thromboprophylaxis is received at the time of hospital admission, which is a main of 4 to 5 days after SARS-CoV-2 infection. If thromboinflammation occurs before or a few days from the onset of symptoms, thromboprophylaxis fails to break down fibrin accumulation and stabilized fibrin structures in the microvasculature. Markedly, a study involving 107 SARS-CoV-2 infected patients, chronic use of anticoagulation is associated with decreased thrombotic complications typical for COVID-19. Only 17 out of 107 chronically anticoagulated patients required Intensive Care (Chronic therapeutic anticoagulation is associated with decreased thrombotic complications in SARS-CoV-2 infection, Journal of Thrombosis and Haemostasis Vol. 18, Issue 10, October 2020, p2640-2645).

Nevertheless, questions on timing of thromboprophlaxis and therapeutic options for non-chronic anticoagulated COVID-19 remain to addressed. This is further complicated by a recent finding.

Pathogenesis of SARS-CoV-2: how this coronavirus impairs anticoagulation therapies
A recent finding is that the S-protein (spike) of SARS-CoV-2 binds heparin and heparan sulfate (Characterization of heparin and SARS-CoV-2 spike glycoprotein binding interactions, Antiviral Research Vol. 181, September 2020, 104873), which explains why heparin prophylaxis according to standard-dose LMWH or Unfractioned Heparin (UFH) is insufficient to reduce thrombotic activity in COVID-19 patients. The effect of nebulized heparin is under investigation.

A key role for hypoxia?
There are several topics to address. The timing and dose of anticoagulation therapies or thromboprophylaxis are essential, but mechanisms underlying thromboinflammation might offer insight into the presumed ongoing procoagulant state in COVID-19. Hypoxia and Hypoxia-inducible transcription factors (HIF) are a possible link between viral sepsis and thrombosis (Hypoxia and HIF activation as a possible link between sepsis and thrombosis, Thrombosis Journal 2019; 17: 16). The need for research of hypoxia as a trigger for thrombosis is expressed (Hypoxia- an overlooked trigger for thrombosis in COVID-19 and other critically ill patients, Journal of Thrombosis and Haemostasis, 29 July 2020; Incidence of Deep Vein Thrombosis among non-ICU Patients Hospitalized for COVID-19 Despite Pharmacological Prophylaxis: Response).

Making the shift towards more distinctive parameters to assess hypercoagulation: urokinase markers
Shifting towards distinctive parameters is recommended to provide more therapeutic targets. The urokinase pathway offers specific markers to assess the fibrinolytic state of a patient. PAP (plasmin-antiplasmin) and TAT (thrombin-antithrombin) as well as tPAI-C (tissue plasminogen activator-plasminogen activator inhibitor 1 complex) are the suggested specific markers to improve anticoagulation practice (Specific coagulation markers may provide more therapeutic targets in COVID-19 patients receiving prophylactic anticoagulant, Journal of Thrombosis and Haemostasis, 25 June 2020).

Noteworthy, an article published in ASH Blood from 1 May 1998 reviews the role of hypoxia in stimulating the urokinase-type plasminogen activator (uPAR) receptor, thereby enhancing cellular invasion (Hypoxia Stimulates Urokinase Receptor Expression Through a Heme Protein-Dependent Pathway, ASH Blood (1998) 91 (9):3300-3307).

SARS-CoV-2: is aanpassing van ACE2 binnen het RAAS een therapeutische optie?

Dit bericht is de Nederlandse versie van mijn bericht van 18 april 2020: "Pathways to deterioration in SARS-CoV-2: is enhancement of ACE2 in the RAAS system key? 
Het is bekend dat de spike-glycoproteïne (S) van SARS-CoV-2 humaan Angiotensineconverterend enzym 2-receptoren (ACE2-receptoren) gebruikt om de cellen van de gastheer binnen te dringen. De ACE2-receptor wordt aangetroffen in type II alveolaire cellen (AT2) van de longen, slokdarmepitheelcellen, enterocyten uit ileum en colon, neusholte, vasculaire endothelia, nierweefsel, epithelia van de dunne darm, testes en op de epitheelcellen van mondslijmvlies (High expression of ACE2 receptor of 2019-nCoV on the epithelial cells of oral mucosa, International Journal of Oral Science, 24 February 2020 ), evenals in de hersenstam en neurale cortex. SARS valt ACE2-verrijkte cellen binnen, alleen om zichzelf zeer snel te repliceren om andere cellen te samentrekken. Van de infectie van type II-pneumocyten en het vrijkomen van virussen in de luchtwegen met de nabijheid van het pulmonale capillaire bed wordt sterk vermoed dat het systemische verspreiding van het virus naar andere organen mogelijk maakt (ACE2 Receptor Expression and SARS Infection Depend on Differentiation of Human Airway Epithelia, Journal of Virology, December 2005).

Is ARDS een adequate classificatie?
Het is nog onduidelijk wat precies de plotse achteruitgang is bij ernstig zieke SARS-CoV-2-patiënten. Een plotselinge verslechtering bij patiënten met zuurstoftekort wordt aangeduid als "Acute Respiratory Distress Syndrome" (ARDS). Het valt te betwijfelen of ARDS, gekenmerkt door bilaterale infiltraten, hypoxemie en kortademigheid (Acute Lung Injury and ARDS: Pathophysiology and Treatment, Missouri Medicine, Jul-Aug 2010), een geschikte classificatie is voor de pathofysiologie geassocieerd met SARS-CoV-2 (COVID-19 Pneumonia: ARDS or not?, Critical Care 24, Article number 154 (2020)). Over het algemeen wordt de rol van specifieke pathogenen voor de ontwikkeling van ARDS als moeilijk te beoordelen beschouwd (Acute Respiratory Distress Syndrome and Pneumonia: A Comprehensive Review of Clinical Data, Clinical Infectious Diseases, Vol. 43 Issue 6, 15 September 2006.

Pathologische bevindingen van een vroege COVID-casestudy: overactivering van T-cellen
In één geval met betrekking tot pathologische bevindingen van COVID-19 geassocieerd met ARDS, bleef de zuurstofverzadiging boven de 95% tot de veertiende ziektedag. Op dag 14 van de ziekte verslechterde de hypoxemie en daalde de zuurstofsaturatie tot onder de 60%, gevolgd door een hartstilstand. Bilaterale diffuse alveolaire schade met cellulaire fibromyxoïde exsudaten (wondvocht) werd waargenomen, evenals een toename van pneumocyten en hyaline membraanvorming in de rechterlong; de linkerlong vertoonde longoedeem met hyalinevorming. Deze bevindingen werden beschouwd als suggestief voor ARDS met vroege aanvang. In beide longen werden mononucleaire inflammatoire infiltraten waargenomen die gedomineerd werden door lymfocyten. 

Een van de belangrijkste bijdragen tot verslechtering in dit geval was waarschijnlijk een overactivering van T-cellen. Hoewel perifere CD4- en CD8-T-cellen waren verminderd, waren ze hyperactief. Grote hoeveelheden HLA-DR (die antigeen presenteren en een ligand aan T-cellen leveren) en CD38 (glycoproteïne op het oppervlak van immuuncellen) werden gezien. Concentraties van CCR6 + Th17 (T-helpercellen) waren hoog, CD8 T-cellen bleken hoge concentraties cytotoxische granulaten te bevatten (Pathological findings of COVID-19 associated with ARDS, The Lancet, February 18 2020). Soortgelijke observaties werden gedaan in een onderzoek uit 2005 (ACE2 Receptor Expression and SARS Infection Depend on Differentiation of Human Airway Epithelia, Journal of Virology, December 2005).

Cytokine storm en invasie van het centrale zenuwstelsel en een rol voor Tocilizumab
Cytokine-storm, een overreactie van het immuunsysteem van de gastheren, is geopperd om de mechanismen achter plotselinge verslechtering te verklaren (The cytokine release syndrome of severe COVID-19 and IL-6R antagonist Tocilizumab may be the key, International Journal of Antimicrobial Agents, 29 March 2020; zie ook Cytokine release syndrome in severe COVID-19, AAAS, 17 April 2020); zie ook Cytokine release syndrome bij ernstige COVID-19, AAAS, 17 april 2020). Een andere route zou de invasie van het centrale zenuwstelsel en de hersenstam kunnen zijn, wat het zuurstofgebrek van patiënten zou kunnen verklaren. Beide routes zijn onlangs door onderzoekers afgewezen, omdat de verstrekte gegevens nog steeds onvoldoende zijn om te bewijzen dat ofwel cytokinestorm ofwel betrokkenheid van het CZS een belangrijke rol speelt bij zuurstofgebrek - naast meervoudig orgaanfalen.

Multi-factor beoordeling
Allereerst moet worden opgemerkt dat er geen homogeen soort ARDS bestaat. ARDS is een definitie die het acute begin van hypoxemie beschrijft (ARDS subphenotypes: Understanding a heterogeneous syndrome, Critical Care, 24 March 2020). Evenzo is de immuniteitsrespons bij SARS-CoV-2-patiënten heterogeen: behandeling van immuniteitsrespons is geen 'one size fits all'-zaak. Dit wordt nog verder bemoeilijkt door het feit dat immunomodulatie de antivirale activiteit in de gastheer niet mag schaden.

Wat moet en kan worden geleerd van SARS-1 (2003) als het gaat om het beoordelen van medische factoren?
Een uitgebreide beoordeling met meerdere factoren kan nuttig zijn om de routes van SARS, van invasie tot achteruitgang, te verklaren. Het lichaam is een systeem waarin de aangetaste delen elk bijdragen aan de ernst van de ziekte. Immuniteit en cardiovasculaire mechanismen zijn met elkaar verweven, daarom kan niet worden aangenomen dat deze mechanismen onafhankelijk bijdragen aan verslechtering. Deze systemen zijn een basisbehoefte om de machine draaiende te houden. Ik zou zeggen dat SARS in hoofdzaak een onbalans in de homeostase veroorzaakt, gekenmerkt door ACE2-verstoring en onbalans van het Renine-Angiotensine-Aldosteronsysteem, schade aan endotheelweefsel, hetgeen aanzet tot de ontstekingssoep / cascade, trombotische gebeurtenissen - deze mechanismen versterken elkaar in een overdrive-modus. Het samenspel tussen ontsteking en veneuze trombo-embolie is niet alleen een oorzaak en gevolg, maar een verweven interactie. Zie bijvoorbeeld: ''The role of inflammation in Venous Thromboembolism', Frontiers in Pediatrics, 23 May 2018, 2018:6:142'. 

Wat SARS-CoV-1 duidelijk heeft gemaakt, is dat stollingsstoornissen vaak voorkomen in ernstige gevallen. Endotheliumbeschadiging kan een vroege oorzaak zijn van een ontstekingscascade, gevolgd door trombotische voorvallen. In een SARS-recensie uit 2004 werd gezegd dat de SARS-epidemie-ervaring van 2003 een verhoogde waakzaamheid tegen beroerte en andere trombotische SARS-gerelateerde gebeurtenissen zou moeten rechtvaardigen bij toekomstige uitbraken van coronavirussen (Large artery ischaemic stroke in SARS, Journal of Neurology 251, October 2004).

Ik kom bij wat me intrigeerde in het kader van andere ziektestudies (cardiovasculair) en wat mijn aandacht weer trok tijdens de vroege fase van de SARS-CoV-2-pandemie: dat is de plausibele rol van ACE2 als onderdeel van het RAAS-systeem en het nadelige verlies van ACE2 tijdens infectie met SARS-CoV-2

Het RAAS-systeem en ACE
Het renine-angiotensine-aldosteronsysteem (RAAS) reguleert de bloeddruk en de vochtbalans. De RAS genereert angiotensine II (Ang II), dat zich bindt aan receptoren in de hersenen, nieren, vasculatuur en immuunsysteem. Angiotensinogen (Agt) is een substraat van renine. Renin splitst Agt op Angiotensin I (Ang I), en wordt vervolgens door ACE gesplitst op Ang II. Renine komt voornamelijk tot uiting in de nieren. Mastcellen zijn betrokken bij de afgifte van renine. In 2006 werd gevonden dat de afgifte van renine door cardiale mastcellen kan worden veroorzaakt door ischemie (Classical Renin-Angiotensin System in Kidney Physiology, Comprehensive Physiology, Vol. 4 Issue 3, July 2014)).

Bradykinine is een substraat voor ACE. Bradykinie  heeft vaatverwijdende en natriuretische eigenschappen. ACE inactiveert bradykinine en staat daarom bekend als kininase II. ACE-remmers verhogen het niveau van bradykinine (Unraveling the pivotal role of Bradykinin in ACE inhibitor activity, American Journal of Cardiovascular Drugs, 3 June 2016). De remming van ACE wordt geassocieerd met angio-oedeem (Effect of bradykinin receptor antagonism on ACE inhibitor-associated angioedema, Journal of Allergy and Clinical Immunology, July 2017, Vol. 140 Issue 1).

ACE-AngII moet in evenwicht zijn met ACE2-Ang 1-7
ACE2 splitst een residu van Ang I om Ang 1-9 te vormen en zet Ang II om in vaatverwijdend Ang 1-7 (NCBI: gene ID), dat Ang II blokkeert en ACE remt ((ACE2, a new regulator of the renin-angiotensin system, Trends in Endocrinology and Metabolism, May 2004). In een studie uit 2008 werd voorgesteld dat verlies van ACE2-expressie en lokaal verhoogde Ang II-productie lekkage van longvaten veroorzaakte na SARS-infectie. Penninger noemt de katalytische inactivering van metabolieten van bradykinine door ACE2 als risicofactor (The discovery of angiotensin-converting enzyme 2 and its role in acute lung injury in mice, Experimental Physiology, 25 April 2008). Vermindering van ACE2 tijdens infectie met SARS is waarschijnlijk de oorzaak van onevenredige niveaus van bradykinine, wat tot lekkage kan leiden.

Ang II staat erom bekend een centrale rol te spelen bij endotheeldisfunctie. Ang II verhoogt niet alleen de bloeddruk via vasoconstrictie (vernauwing van bloedvaten), de werking op de Ang II type I-receptor (AT1) heeft een negatieve invloed op de vaatwand en versterkt oxidatieve stress, wat resulteert in endotheelbeschadiging en endotheelcelapoptose. Oxidatieve stress verhoogt de expressie van plasminogeenactivatorinhibitor type I (PAI-1), wat resulteert in de rekrutering en binding van ontstekingscellen aan het endotheel weefsel, wat leidt tot ontsteking en trombose (A review of the role of bradykinin and nitric oxide in the cardioprotective action of Angiotensin-Converting Enzyme Inhibitors: Focus on Perindopril, Cardiology and Therapy 8, 1 October 2019).

Verbetering van ACE2 kan de sleutel zijn (New agents modulating the renin-angiotensin-aldosterone system- Will there be a new therapeutic option?, Experimental Biology and Medicine, 19 July 2016). Een recente follow-up van de studie van Penninger uit 2008 stelt menselijke recombinant ACE2 voor voor een ander mechanisme dat plausibel lijkt: de studie uit 2020 toont remming van het virus door hrsACE2 (Inhibition of SARS-CoV-2 infections in engineered human tissues using clinical-grade hrsACE2, Cell Journal Pre-Proof, April 2020). Eerder werd een vergelijkbare therapie voorgesteld met recombinant humaan ACE2, rhACE2, om de Ang II-plasmaspiegels te verlagen en Ang 1-7 en 1-5 te verhogen (Recombinant human ACE2: acing out Ang II in ARDS therapy, Critical Care, 13 December 2017) .

Wordt vervolgd...
In het volgende onderdeel zal ik de prevalentie van trombotische voorvallen en longembolie geassocieerd met SARS-CoV-1 (2003) en SARS-CoV-2 bespreken. Twintig jaar SARS heeft duidelijk gemaakt dat stollingsstoornissen optreden in SARS-gevallen - zelfs patiënten die terloops worden beschouwd als "niet in gevaar" lopen in feite risico op trombotische voorvallen. Houd er rekening mee dat al deze mechanismen, van ACE2-stoornis en ontregeling van het RAAS, ontsteking, trombose en trombocytopenie (stollingsstoornissen) en cytokinestorm met elkaar verweven zijn; deze mechanismen en pathologieën dragen bij tot verslechtering in ernstige gevallen van COVID-19.