Chronic Obstructive Pulmonary Disease Patients Have Increased Levels of Plasma Inflammatory Mediators Reported Upregulated in Severe COVID-19

Abstract

Background: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is associated with increased risk of severe COVID-19, but the mechanisms are unclear. Besides, patients with severe COVID-19 have been reported to have increased levels of several immune mediators. Methods: Ninety-two proteins were quantified in 315 plasma samples from 118 asthmatics, 99 COPD patients and 98 healthy controls (age 40-90 years), who were recruited in Colombia before the COVID-19 pandemic. Protein levels were compared between each disease group and healthy controls. Significant proteins were compared to the gene signatures of SARS-CoV-2 infection reported in the “COVID-19 Drug and Gene Set Library” and with experimentally tested protein biomarkers of severe COVID-19. Results: Forty-one plasma proteins showed differences between patients and controls. Asthmatic patients have increased levels in IL-6 while COPD patients have a broader systemic inflammatory dysregulation driven by HGF, OPG, and several chemokines (CXCL9, CXCL10, CXCL11, CX3CL1, CXCL1, MCP-3, MCP-4, CCL3, CCL4 and CCL11). These proteins are involved in chemokine signaling pathways related with response to viral infections and some, were found up-regulated upon SARS-CoV-2 experimental infection of Calu-3 cells as reported in the COVID-19 Related Gene Sets database. An increase of HPG, CXCL9, CXCL10, IL-6, MCP-3, TNF and EN-RAGE has also been experimentally detected in patients with severe COVID-19. Conclusions: COPD patients have altered levels of plasma proteins that have been reported increased in patients with severe COVID-19. Our study suggests that COPD patients have a systemic dysregulation in chemokine networks (including HGF and CXCL9) that could make them more susceptible to severe COVID-19. Also, that IL-6 levels are increased in some asthmatic patients (especially in females) and this may influence their response to COVID-19. The findings in this study depict a novel panel of inflammatory plasma proteins in COPD patients that may potentially associate with increased susceptibility to severe COVID-19 and might be useful as a biomarker signature after future experimental validation. © Copyright © 2021 Acevedo, Escamilla-Gil, Espinoza, Regino, Ramírez, Florez de Arco, Dennis, Torres-Duque and Caraballo.

Antecedentes: la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) se asocia con un mayor riesgo de padecer COVID-19 grave, pero los mecanismos no están claros. Además, se ha informado que los pacientes con COVID-19 grave tienen niveles elevados de varios mediadores inmunológicos. Métodos: Se cuantificaron noventa y dos proteínas en 315 muestras de plasma de 118 asmáticos, 99 pacientes con EPOC y 98 controles sanos (de 40 a 90 años), que fueron reclutados en Colombia antes de la pandemia de COVID-19. Se compararon los niveles de proteína entre cada grupo de enfermedad y controles sanos. Se compararon proteínas significativas con las firmas genéticas de la infección por SARS-CoV-2 informadas en la “Biblioteca de conjuntos de genes y fármacos COVID-19” y con biomarcadores proteicos probados experimentalmente de COVID-19 grave. Resultados: Cuarenta y una proteínas plasmáticas mostraron diferencias entre pacientes y controles. Los pacientes asmáticos tienen niveles elevados de IL-6, mientras que los pacientes con EPOC tienen una desregulación inflamatoria sistémica más amplia impulsada por HGF, OPG y varias quimiocinas (CXCL9, CXCL10, CXCL11, CX3CL1, CXCL1, MCP-3, MCP-4, CCL3, CCL4 y CCL11). Estas proteínas están involucradas en las vías de señalización de quimiocinas relacionadas con la respuesta a infecciones virales y algunas se encontraron reguladas al alza tras la infección experimental por SARS-CoV-2 de células Calu-3, como se informa en la base de datos de conjuntos de genes relacionados con COVID-19. También se ha detectado experimentalmente un aumento de HPG, CXCL9, CXCL10, IL-6, MCP-3, TNF y EN-RAGE en pacientes con COVID-19 grave. Conclusiones: Los pacientes con EPOC tienen niveles alterados de proteínas plasmáticas que se han reportado aumentados en pacientes con COVID-19 grave. Nuestro estudio sugiere que los pacientes con EPOC tienen una desregulación sistémica en las redes de quimiocinas (incluidos HGF y CXCL9) que podría hacerlos más susceptibles a la COVID-19 grave. Además, los niveles de IL-6 aumentan en algunos pacientes asmáticos (especialmente en mujeres) y esto puede influir en su respuesta al COVID-19.