Prognostic value of cytokines in COVID-19 associated pneumonia

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is often complicated by cytokine storm syndrome. Although many interleukins (IL) have predictive value, the sensitivity and specificity of a single marker is limited.

AIM: The purpose of the study is to develop an objective and informative cytokine storm scale for assessing the risk of developing a critical course in patients with COVID-19 associated pneumonia.

MATERIALS AND METHODS: A total of 226 cases of COVID-19 were investigated, 36 (16 %) of which were with poor outcomes. The cytokines IL-1b, IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, IL-18, TNF-á, IFNá, IFN-ã were studied by enzyme immunoassay, commercial kits manufactured by Vector-Best, RF.

RESULTS: Since IL-6, IL-10, IL-18, and procalcitonin were associated with disease severity and death, these indicators were integrated into a 12-point scale called the cytokine storm scale. The patients who scored more than 6 points had a high risk of a poor outcome of the disease. According to ROC analysis, the area under the curve for the cytokine storm scale was larger than for each of the four markers separately [AUC 0.90 (95% CI 0.8455–0.9592), p < 0.001].

CONCLUSIONS: Thus, the cytokine storm scale system presents superior performance in determining patients with favorable and fatal outcomes to each individual cytokine.

About the authors

Olga Yu. Tkachenko

First Pavlov State Medical University

Author for correspondence.
Email: tkachenie@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1479-6551
SPIN-code: 6593-8770

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Margarita Yu. Pervakova

First Pavlov State Medical University

Email: margaritalerner@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9630-257X
SPIN-code: 8820-5850

MD

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Sergey V. Lapin

First Pavlov State Medical University

Email: svlapin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4998-3699
SPIN-code: 9852-7501

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Aleksandra V. Mazing

First Pavlov State Medical University

Email: alex_mazing@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3055-6507
SPIN-code: 4458-4633

MD, Cand. Sci. (Med.), Leading Research Associate

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Darya A. Kuznetsova

First Pavlov State Medical University

Email: lariwar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5318-354X
SPIN-code: 6110-6168

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Anna N. Moshnikova

First Pavlov State Medical University

Email: moshnikova-anna@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4604-0660
SPIN-code: 7252-3525

MD

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Irina V. Kholopova

First Pavlov State Medical University

Email: irinakholopova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9520-453X
SPIN-code: 8964-4523

MD

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Tatyana V. Blinova

First Pavlov State Medical University

Email: tvblinova@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-4896-3319
SPIN-code: 1637-4357

MD, Cand. Sci. (Med.), Research Associate

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Elena A. Surkova

First Pavlov State Medical University

Email: easurkova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5191-0221
SPIN-code: 6518-8128

MD, Cand. Sci. (Med.), Research Associate

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Aleksandr N. Kulikov

First Pavlov State Medical University

Email: ankulikov2005@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4544-2967
SPIN-code: 3851-6072

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Evgeniy A. Vorobyev

First Pavlov State Medical University

Email: vorobyeveval@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5891-8621

MD

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Snezhana V. Vorobyeva

First Pavlov State Medical University

Email: blaze04@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5659-4731

MD

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Oksana V. Stanevich

First Pavlov State Medical University

Email: oksana.stanevich@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6894-6121
SPIN-code: 9542-2524

MD

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Yuriy S. Polushin

First Pavlov State Medical University

Email: polushinyus@1spbgmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6313-5856
SPIN-code: 2006-1194

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor, Academician of the RAS

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Irina V. Shlyk

First Pavlov State Medical University

Email: irina_shlyk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0977-8081
SPIN-code: 1715-1770

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Alexey Afanasyev

First Pavlov State Medical University

Email: alex-txf@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0277-3456
SPIN-code: 4389-6271

MD, Cand. Sci. (Med.), Assistant Lecturer

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Elena G. Gavrilova

First Pavlov State Medical University

Email: egavrilova70@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9126-3206

MD, Cand. Sci. (Med.), Assistant Professor

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Olga N. Titova

First Pavlov State Medical University

Email: titovaon@spb-gmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4678-3904
SPIN-code: 4801-4985

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 6-8 L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022

Elizaveta V. Volchkova

City Multiprofil Hospital No. 2

Email: elizavetavolch@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6712-5121

MD

Russian Federation, Saint Petersburg

Vsevolod G. Potapenko

First Pavlov State Medical University; City Clinical Hospital No. 31

Email: potapenko.vsevolod@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2985-0503
SPIN-code: 9113-5912

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Svetlana V. Khudonogova

North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Email: Svetlana.Khudonogova@szgmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5161-8714
SPIN-code: 1613-3189

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Vadim I. Mazurov

North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Email: maz.nwgmu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0797-2051
SPIN-code: 6823-5482

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor, Academician of the RAS, Honored Scientist of the Russian Federation

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Wu C, Chen X, Cai Y, et al. Risk factors associated with acute respiratory distress syndrome and death in patients with coronavirus disease 2019 pneumonia in Wuhan, China. JAMA Intern Med. 2020;180(7):934–943. doi: 10.1001/jamainternmed.2020.0994
  2. Mehta P, McAuley DF, Brown M, et al. COVID-19: consider cytokine storm syndromes and immunosuppression. Lancet. 2020;395(10229):1033–1034. doi: 10.1016/S0140-6736(20)30628-0
  3. Snijder EJ, Van der Meer Y, Zevenhoven-Dobbe J, et al. Ultrastructure and origin of membrane vesicles associated with the severe acute respiratory syndrome coronavirus replication complex. J Virol. 2006;80(12):5927–5940. doi: 10.1128/JVI.02501-05
  4. Dias Junior AG, Sampaio NG, Rehwinkel J. A balancing act: MDA5 in antiviral immunity and autoinflammation. Trends Microbiol. 2019;27(1):75–85. doi: 10.1016/j.tim.2018.08.007
  5. Barnes BJ, Adrover JM, Baxter-Stoltzfus A, et al. Targeting potential drivers of COVID-19: Neutrophil extracellular traps. J Exp Med. 2020;217(6):e20200652. doi: 10.1084/jem.20200652
  6. Myrstad M, Ihle-Hansen H, Tveita AA, et al. National early warning score 2 (NEWS2) on admission predicts severe disease and in-hospital mortality from COVID-19 — a prospective cohort study. Scand J Trauma Resusc Emerg Med. 2020;28(1):66. doi: 10.1186/s13049-020-00764-3
  7. Liang W, Liang H, Ou L, et al. Development and validation of a clinical risk score to predict the occurrence of critical illness in hospitalized patients with COVID-19. JAMA Intern Med. 2020;180(8):1081–1089. doi: 10.1001/jamainternmed.2020.2033
  8. Altschul DJ, Unda SR, Benton J, et al. A novel severity score to predict inpatient mortality in COVID-19 patients. Sci Rep. 2020;10(1):16726. doi: 10.1038/s41598-020-73962-9
  9. McGonagle D, Sharif K, O’Regan A, Bridgewood C. The Role of cytokines including interleukin-6 in COVID-19 induced pneumonia and macrophage activation syndrome-like disease. Autoimmun Rev. 2020;19(6):102537. doi: 10.1016/j.autrev.2020.102537
  10. Song J, Park DW, Moon S, et al. Diagnostic and prognostic value of interleukin-6, pentraxin 3, and procalcitonin levels among sepsis and septic shock patients: a prospective controlled study according to the Sepsis-3 definitions. BMC Infect Dis. 2019;19(1):968. doi: 10.1186/s12879-019-4618-7
  11. Grifoni E, Valoriani A, Cei F, et al. Interleukin-6 as prognosticator in patients with COVID-19. Journal of Infection. 2020;81(3):452–482. doi: 10.1016/j.jinf.2020.06.008
  12. Herold T, Jurinovic V, Arnreich C, et al. Elevated levels of IL-6 and CRP predict the need for mechanical ventilation in COVID-19. J Allergy Clin Immunol. 2020;146(1):128–136.e4. doi: 10.1016/j.jaci.2020.05.008
  13. Satış H, Özger HS, Aysert Yıldız P, et al. Prognostic value of interleukin-18 and its association with other inflammatory markers and disease severity in COVID-19. Cytokine. 2021;137:155302. doi: 10.1016/j.cyto.2020.155302
  14. Chen I-Y, Moriyama M, Chang M-F, Ichinohe T. Severe acute respiratory syndrome coronavirus viroporin 3a activates the NLRP3 inflammasome. Front Microbiol. 2019;10:50. doi: 10.3389/fmicb.2019.00050
  15. Lu L, Zhang H, Dauphars DJ, He YW. A potential role of interleukin 10 in COVID-19 pathogenesis. Trends Immunol. 2021;42(1):3–5. doi: 10.1016/j.it.2020.10.012
  16. Huang C, Wang Y, Li X, et al. Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet. 2020;395(10223):497–506. doi: 10.1016/S0140-6736(20)30183-5
  17. Diao B, Wang C, Tan Y, et al. Reduction and functional exhaustion of T cells in patients with coronavirus disease 2019 (COVID-19). Front Immunol. 2020;11:827. doi: 10.3389/fimmu.2020.00827
  18. Han H, Ma Q, Li C, et al. Profiling serum cytokines in COVID-19 patients reveals IL-6 and IL-10 are disease severity predictors. Emerg Microbes Infect. 2020;9(1):1123–1130. doi: 10.1080/22221751.2020.1770129
  19. Lauw FN, Pajkrt D, Hack CE, et al. Proinflammatory effects of IL-10 during human endotoxemia. J Immunol. 2000;165(5.):2783–2789. doi: 10.4049/jimmunol.165.5.2783
  20. Zhang J, Dong X, Cao Y-Y, et al. Clinical characteristics of 140 patients infected with SARSCoV2 in Wuhan, China. Allergy. 2020;75(7):1730–1741. doi: 10.1111/all.14238
  21. Wang D, Hu B, Hu C, et al. Clinical characteristics of 138 hospitalized patients with 2019 novel coronavirus-infected pneumonia in Wuhan, China. JAMA. 2020;323(11):1061–1069. doi: 10.1001/jama.2020.1585
  22. Zhou F, Yu T, Du R, et al. Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan, China: a retrospective cohort study. Lancet. 2020;395(10229):1054–1062. doi: 10.1016/S0140-6736(20)30566-3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Forest graph showing the relationship of various comorbidities with the risk of death. Groups of comorbidity with the highest odds ratios are highlighted in red. CKD — chronic kidney disease; CAD — coronary artery disease; COPD — chronic obstructive pulmonary disease; AH — arterial hypertension; CHF — congestive heart failure; T2D — type 2 diabetes; CM — comorbidity

Download (86KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Concentration of interleukin 6, interleukin 18, interleukin 10, procalcitonin in the healthy individuals, recovered and the deceased patients with COVID-19-associated pneumonia. IL-6 — interleukin 6, IL-18 — interleukin 18, IL-10 — interleukin 10, PCT — procalcitonin

Download (254KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. ROC curves of the cytokine storm scale, C-reactive protein, lactate hydrogenase, ferritin, D-dimer, neutrophils for predicting the critical course of COVID-19. CS — cytokine storm; CRP — C-reactive protein; LDH — lactatdehydrogenase

Download (123KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Cytokine storm scale and age (a); Cytokine storm scale and comorbidity (b). CM — comorbitidies; CS — cytokine storm

Download (126KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2021 Tkachenko O.Y., Pervakova M.Y., Lapin S.V., Mazing A.V., Kuznetsova D.A., Moshnikova A.N., Kholopova I.V., Blinova T.V., Surkova E.A., Kulikov A.N., Vorobyev E.A., Vorobyeva S.V., Stanevich O.V., Polushin Y.S., Shlyk I.V., Afanasyev A., Gavrilova E.G., Titova O.N., Volchkova E.V., Potapenko V.G., Khudonogova S.V., Mazurov V.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».