COVİD-19: SİTOKİN FIRTINASI VE MAS PATOGENEZİ

COVID-19 enfeksiyonu, çoğu kişide yakınmasız ya da hafif belirtilerle atlatılırken, hastaların bir kısmında hastane yatışı gerektiren pnömonilere yol açar.  Bunların bir kısmı da akut respirator distres sendromunun (ARDS) ortaya çıkmasıyla yoğun bakım yatışına ve mekanik ventilasyona muhtaç olur. İşte bu şiddetli klinik sürecin belirleyicilerinden birisi sitokin fırtınası olarak adlandırdığımız durumdur. Bir başka isimlendirme olarak, sitokin salınma sendromu (SSS) veya hipersitokinemi terimleri de kullanılmaktadır. Sitokin fırtınası nedir? Günümüzde çok duyarlı teknikler ile femtogram düzeyindeki sitokinleri bile ölçmek olası iken, sitokin fırtınasının tam olarak ne anlama geldiğini söylemek zordur.  Sitokin fırtınası, bağışıklık sistemini oluşturan hücrelerin aşırı etkinleşmesine bağlı olarak ortaya çıkan kontrolsüz sitokin üretimi ve yüksek dereceli inflamasyon ile özellikli bir durum olarak tanımlanabilir (1). Sitokin fırtınası sadece infeksiyöz nedenlerden değil, genetik, onkolojik ve bazı romatolojik hastalıkların seyri sırasında da meydana gelir. Sitokin fırtınası sonuçta çoklu organ yetersizliklerine ve yüksek mortaliteye yol açar. Bir viral etken ya da başka bir antijenik yapı nasıl inflamasyona yol açar, takiben nasıl sitokin fırtınasına kadar ilerleyen ve hayatı tehdit eden süreç başlar sorusunun yanıtını bilebilmek için inflamasyon yolaklarının çalışma mekanizmalarını bilmek gerekir.

Bağışıklık sistemi ve İnflamasyon

Bağışıklık sistemi, doğal (innate) ve edinsel (adaptive) bağışıklık sistemi olmak üzere iki kısımdan oluşur. Bu iki sistem birbirlerinden bağımsız değildirler, birbirleri ile eş güdüm içinde çalışırlar. Doğal bağışıklığın elemanları, nötrofiller, makrofajlar, monositler, dendritik hücreler, kompleman sistemi ve sitokinlerden oluşur. Bu hücreler üzerinde “pattern recognition receptors” (PRRs) olarak adlandırılan ve yabancı antijenleri tanıma özelliği olan reseptörler bulunmaktadır. Bu reseptörler “pathogen-associated molecular patterns” (PAMPs) olarak adlandırılan, organizmaya yabancı olan ya da yabancı olmasa da çeşitli süreçler sonucu değişime uğramış yapıları tanırlar ve bunlara karşı inflamatuvar bir tepkinin oluşması için inflamatuvar yolakların etkinleşmesini sağlarlar (2). Ancak bağışıklık sistemini etkinleştiren sadece hücre dışından gelen antijenik yapılar değildir. Hücre içinden de kaynaklanan antijenik özellikli yapılar ortaya çıkabilir. Bunlar “danger associated molecular patterns” (DAMPs) olarak adlandırılır. Bunlar da hücredeki inflamatuvar yolakları etkinleştiren uyaranlar olarak rol oynarlar. PRR’lerin en önemlileri hem hücre yüzeyinde hem de hücre içi endozomların membranında bulunan “Toll-like” reseptörlerdir. Örnek vermek gerekirse, viral PAMP’lar, özelllikle de viral RNA’lar, endosomal TLR-7’ler ve sitozolik nükleik asit sensörü olan “retinoic-acid inducible gene 1” (RIG-1) ve “melanoma differentiation-associated protein 5 (MDA5) tarafından algılanır (3,4).

Viral bir etken inflamatuvar yolakları nasıl etkinleştirir?

Virüsün kendisi, partikülleri ya da piroptosis olarak adlandırdığımız inflamatuvar aracılıklı hücre ölümünü takiben ortaya çıkan hasarla ilişkili moleküller (DAMPs), hücre yüzeyinde bulunan ya da hücre içinde bulunan “toll like” reseptörler aracılığı ile algılanır. Bu algılama sonucu 3 ayrı doğal bağışıklık tepkisi ortaya çıkar. Bunlardan ilki, NF-ĸB aracılıklı inflamatuvar sitokin sentezini arttıran genlerin aktifleşmeleri; ikincisi, tip 1 interferon aracılıklı antiviral yanıtı sağlayan düzenleyici genlerin etkinleşmesidir (5). Bağışıklık sisteminin doğal bağışıklık kanadını etkinleştiren bir başka durum, virus ile infekte hücrelerde ortaya çıkan DAMP’lari tanıyan ve bunlara karşı inflamasyon kaskadını harekete geçiren inflamazom sisteminin etkinleşmesidir. İnflamazom aktivasyonu sonucu IL-1 beta sentezi ve salınımı artar (6).  Bütün bu süreçler, dıştan ya da içten gelen zararlı ya da yabancı etkene karşı organizmanın dengeli bir şekilde, kendisine zarar vermeyecek ölçüde bir inflamatuvar yanıtın verilmesini sağlar. Böylece zararlı etken, sınırlı bir inflamatuvar yanıt ile ve kısa süre içerisinde ortamdan temizlenir. Bu süreçte virus ile enfekte hücreler doğal bağışıklık sisteminin bir elemanı olan NK hücreler tarafından ve edinsel bağışıklık sisteminin elemanı olan CD8 (+) sitotoksik T hücreleri tarafından perforin aracılıklı hücre lizisi mekanizması ile parçalanarak ortadan kaldırılır. Bunun yanında antiinflamatuvar sitokinler ve regülatör T lenfositleri de inflamasyonun sınırlanmasına katkı sağlarlar. Bu dengeli, organizmaya zarar vermeden gelişen bağışıklık sistemi yanıtına “fonksiyonel immün yanıt” denir (Resim 27.1).

Resim 27.1. SARS-CoV-2 virüsüne karşı gelişen normal “fonksiyonel” immün yanıt (Resim yazar tarafından düzenlenmiştir). PAMPs: “Pathogen-associated molecular patterns”, DAMPs: “Danger associated molecular patterns”

SARS-CoV-2 virüsü ve immünopatogenezi

Sitokin fırtınasını daha iyi anlamak için hastalık etkeni ile immün sistemin nasıl etkileştiğini bilmemiz gerekir. SARS-CoV-2 virüsü ile temastan makrofaj aktivasyon sendromuna (MAS) kadar ilerleyen süreç nasıl gelişmektedir? SARS-CoV-2 virüsü damlacık yoluyla alındıktan sonra üst solunum yoluna takiben akciğere yerleşmektedir. Virüs, ACE2 reseptörünü kullanarak farinks, larinks, tip-II pnömositleri, alveolar maktrofajları ve endotel hücrelerini enfekte eder. Virüs yüzeyinde bulunan S protein S1 ve S2 alt tiplerden oluşur.  S1, ACE2 reseptörüne bağlanırken S2 hücre membranı ile füzyon yapar. Ancak bu olaydan önce bir transmembran serin proteazı olanTMPRSS2’nin S proteinini S1 ve S2 olmak üzere 2 parçaya ayırması gerekir. S-ACE2 birleşimi ve membran füzyonundan sonra virus hücreye girer (7). Hücre içinde endosomik sistemi kullanarak sitoplazmaya ulaşır ve burada virus viral RNA genomunu çoğaltır ve yeni virus partikülleri oluşturur. Takiben bulunduğu hücre parçalanır ve virus ortama dağılarak diğer hücreleri enfekte etmeye devam eder (8). Bütün bunlar olurken bağışıklık sistemi ne yapar? Bunun için bağışıklık sisteminin enfeksiyon etkenlerine karşı nasıl tepki verdiğine bakmamız gerekir. SARS-CoV-2 virüsü hem doğal hem de edinsel bağışıklık sistemini etkiler (9). Yukarıda sözünü ettiğimiz, NF-kB yolu, tip I interferon yolağı ve inflamazom aktivasyonu sonucu proinflamatuvar sitokinlerin genlerindeki aktifleşmeyle sitokinler sentezlenir ve salgılanır. SARS-CoV-2 infeksiyonu sırasında önce IL-1β, IL-1RA, IL-7, IL-8, IL-10, IFN-ɣ, “monocyte chemoattractant peptide” (MCP)-1, “macrophage inflammatory protein” (MIP)-1A, MIP-1B, “granulocyte-colony stimulating factor” (G-CSF) ve “tumor necrosis factor-alpha” (TNF-α) gibi sitokinlerin düzeyi artar (10). Özellikle yoğun bakım hastalarında IL-2, IL-7, IL-17, IL-10 ve TNF-α gibi sitokinler çok daha fazla artar (10, 11). Ayrıca bu süreçte CXCL8, IP10, MCP1, MIP1α, MIP1β gibi kemokinler de artar ve inflamatuvar sürece katkı sağlarlar. Kemokinler, NK hücrelerini, dendritik hücreleri, nötrofilleri, monositleri ve lenfositleri olay yerine çekerler. Bu lenfositler (CD4 T hücreler) bir yandan dendritik hücreler tarafından kendilerine sunulan viral antijenik yapıları tanırlar ve SARS-CoV-2 virüsünün spike proteinine ve nükleokapsid proteinine yönelik özgül antikor geliştirilmesi için B lenfositlere sinyal gönderirler. Diğer yandan da virüsü hedefleyen ve temizleyen sitotoksik T lenfositleri uyarırlar.  Ig A, M ve G tipi antikorlar bu immünolojik olaylar sonucunda oluşur ve ACE2 reseptörü taşıyan hücrelerin infekte olmasını sağlayacak virüsün nötrolizasyonunda önemli işlev görürler.

SARS-CoV-2 virüsü sitokin fırtınasına nasıl yol açar?

COVID-19 enfeksiyonu etkeni olan SARS-CoV-2 virüsü immün sistem üzerinde nasıl etki gösterir de sitokin fırtınasına ve MAS’a kadar ilerleyen bir dizi olaylara yol açar? Bu süreçte genetik ve epigenetik faktörlerin ne kadar belirleyici olduğunu tam olarak bilmiyoruz. Ancak bazı ailelerde birden fazla kişinin COVID-19 enfeksiyonundan daha ağır etkilenmeleri ya da ölmeleri ek genetik ve epigenetik faktörlerin önemli olabileceğini akla getiriyor.  SARS-CoV-2 virüsü vücudun inflamatuvar yolaklar aracılığı ile geliştirdiği doğal antiviral yanıtını bozar. Bu virüse bağlı gelişen “disfonksiyonel” immün yanıt durumu olarak adlandırılır (12) (Resim 2). Bu disfonksiyonda virusun yapısal ve yapısal olmayan proteinleri sorumludur.  Enfeksiyon sırasında özellikle de şiddetli olgularda lenfopeni gelişir (13). Bu bozulmuş bir immün sistemin göstergesidir. Lenfositler ve onların alt grupları dengeli bir immün yanıtın oluşmasında oldukça önemlidir.  COVID-19 enfeksiyonu sırasında gelişen bu lenfopeni kontrolsuz bir immün yanıtın ilk işaretidir. Özellikle şiddetli olgularda CD3+, CD4+ T yardımcı hücreler ve “sitotoksik süpresör T hücreler (CD3+, CD8+), regülatör T hücreler normal düzeylerinin altındadırlar. Regülatör T hücrelerin immün homeostazisin sürdürülmesinde çok önemli bir işleve sahiptirler ve kontrolsüz immün yanıtı kontrol altında tutmada önemli işlev görürler.  Öte yandan SARS-CoV-2 virüsü kendi RNA’sının tanınmasını sağlayan PRR’leri işlevsizleştirilir. Ayrıca antiviral bir mikroçevre yaratmada önemli işlevi olan kemokinlerin reseptörleri virüsler tarafından bloke edilir (14, 15). Böylece, virüs temizlenmesinde gerekli olan hücrelerin enfeksiyon bölgesine taşınması engellenmiş olur. Bu engelleyici etkinin bedeli virus replikasyonunun artması, piroptozis ile hücrelerin ölmesidir. Dengeli bir şekilde gerçekleşmesi gereken inflamatuvar yanıt yerine ortamdaki aşırı endojen ve eksojen antijenik yapılar abartılı bir inflamatuvar yanıt oluştururlar. Sonuçta TNF, interferon-γ, IL-1, IL-6, IL-18, and IL-33, CCL2, CCL3, “monocyte chemotactic protein-1” (MCP-1) gibi kemokinler, IL-10 ve “transforming growth factor-β” gibi immünsüpresif sitokinler salınır. Tüm bu mediatörler, makrofaj aktivasyonunun arttırırken, ARDS, çoklu organ yetersizliklerine ve makrofak aktivasyon sendromuna yol açan sürecin gelişimini sağlarlar (11) (Resim 27.2).

Resim 27.2. SARS-CoV-2 virüsüne karşı gelişen “disfonksiyonel” immune yanıt. Bu anormal immün yanıtta etkili olan olası faktörler; sitokin fırtınası ve MAS gelişiminin olası mekanizmaları (Resim yazar tarafından düzenlenmiştir).

COVID-19: Makrofaj Aktivasyon Sendromu

MAS ve hemofagositik lenfohistiyositozis (HFLH) birbirlerinin yerine kullanılabilen kavramlardır. Aslında HFLH terimi şemsiye bir kavramdır. Primer ve sekonder olmak üzere 2 formdan oluşur. Primer form otozomal resesif geçişlidir, çeşitli mutasyonlara bağlı olarak gelişir ve aileseldir (16, 17). Bu nedenle familial HFLH denir. Sitotoksik T hücrelerinin ve NK hücrelerinin gerekli olan “ortadan kaldırıcı” işlevlerinin azalması ya da ortadan kalkması hastalığın temel mekanizmadır (18, 19). Bu durum, antijenik uyarının hızla ortadan kaldırılmasını engellemekte ve süreğen bir immün uyarı sağlamaktadır. Sonuçta uzamış bir immünolojik sinaps ortaya çıkmakta, IFNγ artışı olmakta, makrofajlar aktive olmakta ve hemofagositoz işlevlerinde aşırı artma meydana gelmektedir (19).  Sekonder form ise viral, bakteriyel, fungal infeksiyonlar yanında hematolojik ya da solid maliniteler ve otoimmün ya da otoinflamatuvar hastalıkların seyrinde ortaya çıkar. Akut gelişen ateş, organomegaliler, lenfadenopatiler, hiperferritinemi, sitopeni ve sitokin fırtınası ile özelliklidir. MAS ise gerçekte sekonder bir HFLH durumudur ve daha çok erişkinin still hastalığı, sistemik jüvenil idyopatik artrit gibi hastalıklar yanında SLE ve Kawasaki gibi otoimmün ya da otoinflamatuvar hastalıkların seyrinde gelişmektedir (16,17). MAS, sitokin fırtınasına bağlı olarak hemofagositik aktivite kazanan neoplastik olmayan iyi farklılaşmış makrofajların ve T hücrelerinin aktivasyonu ve proliferasyonu ile karakterizedir.  MAS, CD8+ T hücrelerinin ve dendritik hücrelerin perforin aracılıklı hücre lizisinin bozulması sonucunda CD8+T hücrelerinin ve NK hücrelerinin aşırı aktivite kazanmalarıyla ortaya çıkar ve sonuçta makrofajlar aşırı aktivite olurlar. Bu ise aşırı bir sitokin yapımına ve salınmasına yol açar. Bu sitokinler kemik iliği ve diğer retiküloendotelial sistemdeki hücrelerin fagositozunu kolaylaştır. Bütün bu immüno-inflamatuvar aktivasyonun laboratuvar karşılığı hiperferritinemi, hemositopeni, hepatik disfonksiyon ve pıhtılaşma eğilimidir. COVID-19 ile ilgili hiperinflamasyon, yukarıda sözünü ettiğimiz hastalıkların seyrinde gelişen MAS ile bazı ortak klinik ve laboratuvar özelliklere sahiptir. Örneğin IL-1β, IL-2, IL-6, IL-7, IL-17 ve TNF-α gibi sitokinler ve G-CSF, CXCL10, CCL3, and MCP1 gibi kemokinler MAS’da olduğu gibi, COVID-19 pnömonisi olan hastalarda da aşırı artar (20). COVID-19 enfeksiyonu sırasında sadece bu sitokin ve kemokinler değil ayrıca, ferritin, CRP, and D-dimer gibi laboratuvar değerlerinin yükselmesi de MAS benzeri bir hiperinflamasyonun ve fibrinolizin olduğunu düşündürmektedir. (21, 22). Bütün bunlara rağmen COVID-19 hiperinflamasyonu birebir MAS ölçütlerine uymaz. Hiperferritinemi COVID-19 pnömonisinin önemli bir özelliği olmasına rağmen ortalama ferritin değerleri 800 ng/ml iken (22), MAS’lı hastalarda ortalama değer 10 000 ng/ml’den daha yüksektir (23-26). Bunun yanında MAS seyrinde fibrinojen ve platelet sayısı azalırken, D-dimer artar. Bunlar dissemine intravasküler koagülopatinin varlığını gösterir (27). COVID-19 seyrinde sadece D-dimer yüksektir. MAS’da organomegaliler varken, COVID-19 enfeksiyonu seyrinde hepatosplenomegali görülmez ya da daha azdır (27). Bu örnekler, COVID-19 enfeksiyonu seyrinde MAS benzeri hiperinflamasyonunun olduğunu düşündürse de tam MAS olarak değerlendirmemek gerekir. Ancak viral enfeksiyonların MAS gelişiminde bir neden olduğunu göz önünde bulundurduğumuzda, COVID-19 enfeksiyonu sırasında da MAS ölçütlerini klinik olarak karşılayan hastalarla karşılaşma olasılığımız bulunmaktadır. Örneğin Yang ve ark. tarafınca yapılan geriye dönük bir çalışmada, hastaların %6,3’nün HFHL ölçütlerini karşıladığı saptanmıştır. Bu hastaların da tümü eks olmuştur (28). HFLH tanısı için bazı kriterler geliştirilmiştir. “Histiocyte Society” tarafından 2004 yılında geliştirilmiş kriterlerin ölçütleri: ateş, organomegali, sitopeni, hipertrigliseridemi (>65 mg/dl), hipofibrinojenemi (<150 mg/dl), ferritin düzeyi (≥500 μg/L), histolojik olarak hemofagositozun gösterilmesi, NK hücre aktivitesinin azalması ya da olmaması, sCD25 (sIL2Rα) ≥ 2400 U/ml parametrelerinden oluşmaktadır (29). HScore ölçütleri daha çok seconder HFLH tanısı için geliştirilmiş ve puanlama esasına dayanan bir değerlendirmedir. HScore’un  ≥169 olması HFLH tanısı için %93 duyarlılığa %86 özgüllüğe sahiptir. Ancak bu ölçütleri COVİD-19 olgularına uyarlamanın bazı zorlukları bulunmaktadır. Çalışmalarda, COVID-19 enfeksiyonlu hastalarda trigliserid düzeyine rutin bakılmaması, organ büyüklüğünü araştırmış verilerin eksikliği, histopatolojik

değerlendirmelerin çoğunlukla olmaması bu skorlamanın klinikte kullanılmasını zorlaştırmaktadır. Sonuç olarak, SARS-CoV-2 virüsünün MAS’a ya da MAS benzeri hiperinflamasyona yol açma riski yüksektir. Şiddetli COVID-19 enfeksiyonu, aslında, akciğere sınırlı hiperinflamatuvar bir durumdur. Bazı araştırıcılar bu gibi durumları organa spesifik hiperinflamatuvar durum olarak adlandırmaktadır (31). Ancak hastalığın şiddetinin artması ile ve inflamasyonun kontrol altına alınamaması sonucunda çoklu organ yetersizliklerine kadar ilerleyen süreç gelişmektedir. Bu durumların mekanizmaları konusunda daha ileri çalışmalara gerek vardır. MAS tedavisinde kullanılan ilaçların ve tedavi yaklaşımlarının, şiddetli COVID-19 enfeksiyonu sırasında da kullanılması ve bazı çalışmalarda yararlarının gösterilmesi ortak mekanizmalara sahip olduklarını akla getirmektedir. 

Sonuç

COVID-19 enfeksiyonun farklı klinik seyri, virus faktörleri yanında (mutasyon özelliği, viral yük) immün sistemin farklı davranışları ve yandaş hastalıkların beraberliği ile ilgili olabilir. “Fonksiyonel” bir immün yanıt, virüsün hızla temizlenmesini sağlayarak sınırlı bir inflamasyon oluştururken, interferon yapımındaki yetersizlik ve başka mekanizmalar ile özellikli “disfonksiyonel” bir immün yanıt çoklu organ yetersizliklerine kadar ilerleyen bir sürece yol açar. Bu konuda yapılacak moleküler çalışmalar, hastalığın mekanizmalarını daha iyi anlamamızı sağlayacaktır. 

Teşekkür: Resimlerin çizimini yapan Doç Dr. Barış Cansu’ya ve Prof. Dr. Döndü Ü. Cansu’ya çok teşekkür ederim.

KAYNAKLAR