Blood pathophysiology in the context of COVID-19
Date
2022-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The pathogen responsible for coronavirus disease 2019 (COVID-19), severe acute respiratory syndrome
coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is subject to genome mutations. By late 2020, the first SARS-CoV-2
variants of concern (VOCs) were characterised and shown to impact viral transmissibility and
pathogenicity. As of 2022, five VOCs have been characterised. Severe infection with earlier
SARS-CoV-2 variants such as beta and delta were associated with a prothrombotic state categorised
by a high incidence of thrombotic complications. For instance, microthrombi, including the
formation of amyloid fibrin microclots, are frequently reported in patients with COVID-19.
Factors suggested to contribute to COVID-19-associated coagulopathy (CAC) include an
unregulated pro-inflammatory milieu and direct viral mediated damage. The SARS-CoV-2 spike
glycoprotein (S protein) is responsible for host cell binding and has been shown in vitro to retain
the ability to mediate damage alone, suggesting a possible direct role of the S protein in
promoting disease. In light of the increased transmissibility and disease severity accompanying
some VOCs, the aim of this study was to assess the haemostatic profile associated with SARS-CoV-2
infection by differing variants. The secondary aim of this study was to determine the levels of
relevant plasma proteins implicated in coagulation and microclot formation in patients with acute
COVID-19 compared to healthy individuals.
The direct effects of S protein were assessed by exposing healthy control platelet-poor plasma to
the alpha and beta variants of the S1 subunit of S protein, respectively. Whole blood samples were
collected from healthy individuals and patients with COVID-19 to form a clinical model. COVID-19
patients represented two groups: beta or delta infection and omicron infection. Fluorescence
microscopy was used to visualise possible microclot formation and coagulation status was assessed
using thromboelastography. In the clinical model platelet activity was visualised also using
fluorescence microscopy. For the secondary aim, we used targeted proteomics to determine the plasma
levels of a selected group of proteins affecting clotting in patients with COVID-19 and healthy
control individuals.
S protein exposure to healthy control samples resulted in increased microclot formation for both
alpha and beta variants. The results of our clinical model confirmed that patients with omicron
presented with less severe clinical illness compared to prior variants. We found differing degrees
of hypercoagulability among the less virulent omicron and more virulent preceding variants, with
omicron conferring lesser hypercoagulability along the spectrum of CAC. Concerning the secondary
aim, elevated levels of serum amyloid A1 and fibrinogen were found to be associated with COVID-19.
The results of this study indicate a possible direct role of S protein in microclot formation and
consequently we suggest that the presence of S protein in circulation may contribute to the
hypercoagulable state associated with COVID-19. Moreover, microclots may play an important role in
reflecting the severity of symptoms observed in COVID-19. Lastly, this study reaffirmed the
presence of a pro-inflammatory state in COVID-19. However, additional research is required to
quantitatively characterise the constituents of microclots to further elucidate on their
role in COVID-19 pathophysiology.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die patogeen wat verantwoordelik is vir coronavirus-siekte 2019 (COVID-19), ernstige akute respiratoriese sindroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is onderhewig aan genoommutasies. Teen die einde van 2020 is die eerste SARS-CoV-2 variante van kommer (VOCs) wat met veranderinge in die virale oordraagbaarheid en patogenisiteit toon, beskryf. Tot en met 2020 is vyf VOCs beskryf. Ernstige infeksie met vroeë SARS-CoV-2 variante insluitened beta en delta was geassosieer met ‘n hiperstolbare toestand wat gekenmerk is deur ‘n hoë insidensie van trombotiese komplikasies. Mikrotrombi, insluitend die vorming van amiloïed fibrien mikroklonte, word gereeld gerapporteer in pasiënte met COVID-19. Faktore wat voorgestel is om by te dra tot COVID-19-geassosieerde koagulopatie (CAC) sluit in ‘n ongereguleerde pro- inflammatoriese milieu en direkte viraal gedrewe skade. Die SARS-CoV-2 sekel glikoproteïen (S proteïen) is verantwoordelik vir binding aan die gasheersel. Voormalige in vitro studies het getoon dat die S proteïen alleen virale skade kan bewerkstellig. Dit suggereer ‘n moontilke direkte rol wat S proteïen kan speel in die bevordering van die siekteverloop. Op grond van die verhoogde oordraagbaarheid en siekte-erns wat met sommige VOCs gepaardgaan, was die doel van hierdie studie om die hemostatiese profiel wat geassosieer word met SARS-CoV- 2 infeksie deur verskillende variante te karakteriseer. Die sekondêre doel was om die vlakke van relevante plasma proteïene wat betrokke is by stolling en mikroklontvorming in pasiënte met COVID-19 in vergelyking met gesonde individue te bepaal. Die direkte effekte van S proteïen op stolling is ondersoek deur kontrole individue se plaatjie- arme plasma van bloot te stel aan die alfa en beta variante van die subeenheid 1 van S proteïen, onderskeidelik. Heelbloed monsters is versamel vanaf gesonde individue en pasiënte met COVID-19 om ‘n kliniese model te vorm. Die COVID-19 pasiënte het twee groepe verteenwoordig: beta of delta infeksie en omikron infeksie. Fluoressensiemikroskopie is gebruik om moontlike mikroklontvorming te visualiseer en die stollingstatus is deur trombo- elastografie geanaliseer. Die kliniese model het ook van fluoressensiemikroskopie gebruik gemaak om plaatjie aktiwiteit te visualiseer. Geteikende proteomika is gebruik om die plasma vlakke van ‘n geselekteerde groep proteïene wat stolling affekteer te meet in pasiënte met COVID-19 en gesonde individue. S-proteïenblootstelling aan gesonde kontrolemonsters het gelei tot verhoogde mikroklontvorming vir beide alfa- en beta-variante. Die resultate van ons kliniese model het bevestig dat pasiënte met omikron minder ernstige kliniese siekte gehad het in vergelyking met vorige variante.Ons het verskillende grade van hiperstolbaarheid gevind onder die minder virulente omikron en meer virulente voorafgaande variante, met omikron wat minder hiperstolbaarheid langs die spektrum van CAC demonstreer. Wat die sekondêre doel betref, is gevind dat verhoogde vlakke van serumamyloïed A1 en fibrinogeen met COVID-19 geassosieer word. Die resultate van hierdie studie dui op 'n moontlike direkte rol van S-proteïen in mikroklontvorming en gevolglik stel ons voor dat die teenwoordigheid van S-proteïen in sirkulasie mag bydra tot die hiperstolbare toestand wat met COVID-19 geassosieer word. Verder kan mikroklonte 'n belangrike rol speel om die erns van simptome wat in COVID-19 waargeneem word, te weerspieël. Laastens het hierdie studie die teenwoordigheid van 'n pro- inflammatoriese toestand in COVID-19 herbevestig, maar bykomende navorsing is egter nodig om die samestelling van mikroklonte kwantitatief te beskryf om sodoende hul rol in COVID-19 patofisiologie verder toe te lig.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die patogeen wat verantwoordelik is vir coronavirus-siekte 2019 (COVID-19), ernstige akute respiratoriese sindroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is onderhewig aan genoommutasies. Teen die einde van 2020 is die eerste SARS-CoV-2 variante van kommer (VOCs) wat met veranderinge in die virale oordraagbaarheid en patogenisiteit toon, beskryf. Tot en met 2020 is vyf VOCs beskryf. Ernstige infeksie met vroeë SARS-CoV-2 variante insluitened beta en delta was geassosieer met ‘n hiperstolbare toestand wat gekenmerk is deur ‘n hoë insidensie van trombotiese komplikasies. Mikrotrombi, insluitend die vorming van amiloïed fibrien mikroklonte, word gereeld gerapporteer in pasiënte met COVID-19. Faktore wat voorgestel is om by te dra tot COVID-19-geassosieerde koagulopatie (CAC) sluit in ‘n ongereguleerde pro- inflammatoriese milieu en direkte viraal gedrewe skade. Die SARS-CoV-2 sekel glikoproteïen (S proteïen) is verantwoordelik vir binding aan die gasheersel. Voormalige in vitro studies het getoon dat die S proteïen alleen virale skade kan bewerkstellig. Dit suggereer ‘n moontilke direkte rol wat S proteïen kan speel in die bevordering van die siekteverloop. Op grond van die verhoogde oordraagbaarheid en siekte-erns wat met sommige VOCs gepaardgaan, was die doel van hierdie studie om die hemostatiese profiel wat geassosieer word met SARS-CoV- 2 infeksie deur verskillende variante te karakteriseer. Die sekondêre doel was om die vlakke van relevante plasma proteïene wat betrokke is by stolling en mikroklontvorming in pasiënte met COVID-19 in vergelyking met gesonde individue te bepaal. Die direkte effekte van S proteïen op stolling is ondersoek deur kontrole individue se plaatjie- arme plasma van bloot te stel aan die alfa en beta variante van die subeenheid 1 van S proteïen, onderskeidelik. Heelbloed monsters is versamel vanaf gesonde individue en pasiënte met COVID-19 om ‘n kliniese model te vorm. Die COVID-19 pasiënte het twee groepe verteenwoordig: beta of delta infeksie en omikron infeksie. Fluoressensiemikroskopie is gebruik om moontlike mikroklontvorming te visualiseer en die stollingstatus is deur trombo- elastografie geanaliseer. Die kliniese model het ook van fluoressensiemikroskopie gebruik gemaak om plaatjie aktiwiteit te visualiseer. Geteikende proteomika is gebruik om die plasma vlakke van ‘n geselekteerde groep proteïene wat stolling affekteer te meet in pasiënte met COVID-19 en gesonde individue. S-proteïenblootstelling aan gesonde kontrolemonsters het gelei tot verhoogde mikroklontvorming vir beide alfa- en beta-variante. Die resultate van ons kliniese model het bevestig dat pasiënte met omikron minder ernstige kliniese siekte gehad het in vergelyking met vorige variante.Ons het verskillende grade van hiperstolbaarheid gevind onder die minder virulente omikron en meer virulente voorafgaande variante, met omikron wat minder hiperstolbaarheid langs die spektrum van CAC demonstreer. Wat die sekondêre doel betref, is gevind dat verhoogde vlakke van serumamyloïed A1 en fibrinogeen met COVID-19 geassosieer word. Die resultate van hierdie studie dui op 'n moontlike direkte rol van S-proteïen in mikroklontvorming en gevolglik stel ons voor dat die teenwoordigheid van S-proteïen in sirkulasie mag bydra tot die hiperstolbare toestand wat met COVID-19 geassosieer word. Verder kan mikroklonte 'n belangrike rol speel om die erns van simptome wat in COVID-19 waargeneem word, te weerspieël. Laastens het hierdie studie die teenwoordigheid van 'n pro- inflammatoriese toestand in COVID-19 herbevestig, maar bykomende navorsing is egter nodig om die samestelling van mikroklonte kwantitatief te beskryf om sodoende hul rol in COVID-19 patofisiologie verder toe te lig.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2022.