IL-6 and IL-18 cytokine traps in COVID-19

A. A. Korotaeva; Коротаева А. А.; Elena V. Samoilova; Самойлова Елена Виленовна; D. A. Chepurnova; Чепурнова Д. А.; N. V. Pogosova; Погосова Н. В.; D. T. Kuchiev; Кучиев Д. Т.; F. N. Paleev; Палеев Ф. Н.

doi:10.15789/2220-7619-IAI-16651

IL-6 and IL-18 cytokine traps in COVID-19

Authors: Korotaeva A.A.¹, Samoilova E.V.¹, Chepurnova D.A.¹, Pogosova N.V.¹, Kuchiev D.T.¹, Paleev F.N.¹
Affiliations:
1. National Medical Research Centre of Cardiology named after academician E.I. Chazov
Issue: Vol 14, No 3 (2024)
Pages: 411-415
Section: SHORT COMMUNICATIONS
Submitted: 25.07.2024
Accepted: 25.07.2024
Published: 28.07.2024
URL: https://iimmun.ru/iimm/article/view/17713
DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-IAI-16651
ID: 17713

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Cytokines are mediators of immunity that regulate inflammation. Intensity of inflammatory process is strongly dependent on the cytokine type and duration of its effect. Interleukin 6 (IL-6) and interleukin 18 (IL-18) play an important role in the initiation and progression of inflammation. Cytokines regulate the inflammatory process in different ways by inducing or inhibiting inflammatory reactions. Functional activity of cytokines is limited by trap molecules whose levels determine initiation of protective or pathological effects of interleukins. Soluble glycoprotein sgp130 functions as a trap for IL-6, while IL-18 is controlled by IL-18 binding protein (IL-18BP). High IL-6 and IL-18 levels were recorded in COVID-19 patients, being associated with unfavorable outcome of the disease. Our objective was to compare sgp130 and IL-18BP levels in patients with different degrees of COVID-19. Retrospective study included 74 COVID-19 patients (40 men and 34 women) aged 63±14 years. The patients were assigned to groups according to severity of lung damage. Group 1 included patients without lung damage; group 2, patients with moderate pneumonia (< 50% lung damage); group 3, patients with severe pneumonia (> 50% lung damage). Plasma levels of cytokines and their trap molecules were determined by quantitative immunoenzyme assay. IL-6 and IL-18 plasma concentrations increased with COVID-19 severity. Ambiguous changes were recorded for their traps. Plasma levels of sgp130 were lower in patients with moderate pneumonia than in patients without lung damage. In patients with severe pneumonia sgp130 plasma concentrations were higher than those in patients with mild pneumonia, being similar to those in patients without lung damage. In contrast to sgp130, IL-18BP levels decreased with COVID-19 severity. Thus, an increase in IL-6 and IL-18 levels parallel to COVID-19 severity is accompanied by ambiguous changes in the levels of their trap molecules. The ratio between the levels of IL-6 and IL-18 and their traps reflects the degree of COVID-19 severity.

Keywords

IL-6, IL-18, soluble IL-6 receptor, sgp130, IL-18 binding protein, COVID-19

Full Text

Введение

Цитокины — это уникальные иммуннорегуляторные молекулы. Обеспечивая межклеточное взаимодействие, они регулируют силу и продолжительность иммунного ответа и воспалительного процесса [1]. Цитокины взаимодействуют между собой, образуя единую рабочую сеть. Сбалансированность провоспалительных и противовоспалительных цитокиновых реакций способствует успешному разрешению воспалительного процесса. Однако изменение уровней цитокинов может нарушать данный баланс и приводить к развитию патологических процессов. В частности, увеличение уровней различных цитокинов ассоциировано с прогрессированием инфекции COVID-19, вызываемой коронавирусом SARS-CoV-2. Особое внимание в данном аспекте отводится интерлейкину 6 (IL-6) и интерлейкину 18 (IL-18). Уровни IL-6 и IL-18 были высокими у пациентов, умерших в результате COVID-19, и коррелировали между собой [3, 10]. Также выявлена корреляционная связь между повышенными уровнями IL-6 и длительным COVID-19, который ассоции руется с долгосрочными последствиями инфекции и различными осложнениями, включая необратимое повреждение органов [12].

В организме человека существуют механизмы, ограничивающие функциональную активность IL-6 и IL-18. Для IL-6 характерно наличие двух сигнальных путей: классического и транс-сигнального. При классической передаче сигнала IL-6 образует комплекс со своим рецептором IL-6Р на мембране клеток, а при транс-сигнализации — с растворимой формой рецептора sIL-6R. Циркулирующий в крови растворимый гликопротеин sgp130 является ловушкой и ингибирует активность IL-6, реализуемую транс-сигнальным путем, не влияя на классическую сигнализацию [4]. Считается, что эффекты IL-6, способствующие патологическим процессам, опосредуются преимущественно транс-сигнальным путем, в то время как противовоспалительная активность IL-6 реализуется классической передачей сигнала [8]. Для IL-18 контролирующим фактором является IL-18-связывающий белок (IL-18BP), который, обладая высоким сродством к IL-18, подавляет IL-18-зависимые эффекты [2]. Уровни цитокиновых ловушек являются определяющими факторами для инициации либо защитных, либо патологических эффектов интерлейкинов.

В настоящем исследовании оценивали уровни ловушек IL-6 и IL-18 у пациентов с разными формами COVID-19

Материалы и методы

В исследование включили 74 пациента с COVID-19, из них 40 мужчин (54%) и 34 женщины (46%). Средний возраст пациентов составил 63±14 лет. Все пациенты, включенные в исследование, подписывали информированное согласие по забору биологических образцов для банкирования, одобренное Этическим комитетом НМИЦ кардиологии им. акад. Е.И. Чазова (протокол № 249 от 30.09.2019 г.).

Пациенты были разделены на группы в соответствии со степенью поражения легких по данным компьютерной томографии. В первую группу входили пациенты без поражения легких; во вторую группу — пациенты с умеренной формой пневмонии, с поражением легких до 50%; в третью группу — пациенты с тяжелой формой пневмонии, с поражением легких ≥ 50%.

Образцы крови отбирали на 2–4 день госпитализации и хранили при температуре –80°С до проведения исследования.

Уровни IL-6, sgp130, sIL-6R, IL-18 и IL-18BP определяли иммуноферментным методом с использованием наборов реактивов фирмы R&D Systems, фирмы eBioscience, Cloud-Clone Corp.

Статистическую обработку данных проводили с помощью пакета программ IBM SPSS STATISTICS 23. Результаты представлены в виде медианы с указанием интерквартильного интервала (25-й процентиль; 75-й процентиль) для параметров, имеющих распределение, отличное от нормального. При сравнении групп по количественному признаку использовали непараметрические критерии Манна–Уитни для независимых выборок. Статистически значимыми считались результаты при уровне достоверности p < 0.05.

Результаты и обсуждение

Концентрации IL-6, sIL-6R и IL-18 в крови пациентов возрастали по мере увеличения тяжести COVID-19 (рис. 1), в то время как уровни ловушек цитокинов менялись неоднозначно.

Рисунок 1. Уровни IL-6 (А), sIL-6R (Б) и IL-18 (В) в зависимости от тяжести COVID-19

Figure 1. IL-6 (A), sIL-6R (B) and IL-18 (C) levels depending on the severity of COVID-19

Примечание. Результаты представлены в виде бокс-плотов, где показаны медианы, интерквартильный размах (Q₁; Q₃), максимальные и минимальные значения; p — значение приведено для критерия Манна–Уитни.

Note. Box plots show medians (middle lines) with first and third quartiles (boxes), and whiskers show maximum and minimum values. Mann–Whitney test results are expressed as p-values.

Уровни sgp130 в группе пациентов с умеренной формой пневмонии были ниже, чем у пациентов без поражения легких. А у пациентов с тяжелой формой пневмонии уровни sgp130 оказались выше, чем у пациентов с умеренной формой и были схожи с уровнями в группе без поражения легких (рис. 2A).

Рисунок 2. Уровни IL-18BP (А) и sgp130 (Б) в зависимости от тяжести COVID-19

Figure 2. IL-18BP (A) and sgp130 (B) levels depending on the severity of COVID-19

Note. Box plots show medians (middle lines) with first and third quartiles (boxes), and whiskers show maximum and minimum values. Mann–Whitney test results are expressed as p-values.

Sgp130 и sIL-6R конститутивно присутствуют с крови и являются компонентами буферной системы, которая регулирует период полураспада IL-6 [8]. У здоровых людей концентрации sgp130 и sIL-6R находятся в молярном избытке, предполагая, что свободный IL-6 быстро захватывается и нейтрализуется [9]. Наблюдаемое в настоящем исследовании снижение уровней sgp130 у пациентов с умеренной формой пневмонии свидетельствует об интенсивном расходовании этого гликопротеина на данной стадии COVID-19. Выявленное повышение уровней sgp130 на тяжелой стадии COVID-19 может быть связано с увеличением его продукции. Другие исследователи также показали, что уровни sgp130 повышаются при тяжелой стадии COVID-19 по сравнению с умеренной [7].

Нами установлено, что изменения уровней ловушки IL-18 в зависимости от стадии COVID-19 отличались от изменений ловушки IL-6. В отличие от sgp130, уровни IL-18BP снижались при увеличении тяжести COVID-19 (рис. 2Б). Наиболее высокие уровни IL-18BP наблюдались у пациентов без поражения легких. При этом уровни IL-18 в этой группе пациентов были ниже, чем в остальных исследуемых группах (рис. 1). Возможно, на данной стадии COVID-19 ловушка интенсивно связывается с IL-18, тем самым активно ингибируя провоспалительные эффекты цитокина. На более тяжелых стадиях COVID-19 происходит нарушение баланса между продукцией IL-18 и его ловушки. Низкие уровни IL-18BP при повышенных уровнях IL-18 недостаточны для эффективной нейтрализации IL-18. Выявленное в настоящем исследовании нарушение баланса между концентрациями IL-18 и IL-18BP может приводить к увеличению концентрации свободного биологически активного IL-18, который вносит свой вклад в патогенез заболевания.

Дисбаланс в продукции IL-18 и его ловушки описан при многих хронических воспалительных заболеваниях. Дисбаланс может выражаться в увеличении продукции IL-18 при снижении, отсутствии увеличения или недостаточном увеличении продукции IL-18BP. В частности, при системной красной волчанке отмечено значительное повышение уровней IL-18 и IL-18BP [6]. У больных волчаночным нефритом также наблюдалось повышение плазменных уровней IL-18 и IL-18BP, в то время как при первичном нефротическом синдроме повышался только IL-18BP [5]. При ревматоидном артрите уровни IL-18 повышались, а уровни IL-18BP понижались как в сыворотке, так и в синовиальной жидкости [11].

Таким образом, увеличение уровней IL-6 и IL-18 по мере возрастания тяжести COVID-19 не сопровождается однозначными изменения ми уровней их ловушек, что приводит к неконтролируемому увеличению активных форм цитокинов и прогрессированию заболевания. Соотношение между концентрациями IL-6 и IL-18 и их ловушек отражает степень тяжести COVID-19.

About the authors