Effect of cephalosporins on immunometabolic processes caused by novel coronavirus infection


Cite item

Abstract

The excessive use of antibiotics to treat COVID-19 patients was caused by the fact that the new infection has symptoms similar to pneumonia. Almost 80% of COVID-19 patients received antibiotics. Cephalosporins were most often prescribed (30.1% of patients), followed by azithromycin (26% of patients). The use of antibiotics can have a number of negative consequences for the intestinal microbiota, including a decrease in species diversity, changes in metabolic activity, and the selection of antibiotic-resistant organisms, thereby indirectly affecting the immune system. Many of them have pronounced immunotropic properties and are also able to influence metabolic processes. Cephalospores significantly increase the secretion of cytokines such as TNF, IL-1b and IL-6. In addition, the expression density of the CD14 LPS-recognizing molecule on monocytes is also reduced, thus suppressing the response of monocytes to LPS. They also have an immunostimulating effect on the phagocytosis of neutrophils exposed to lipoteichoic acid (LTA) of Staphylococcus aureus (LTA). The aim of the work is to study the effect of cephalosparin antibiotics on the immunometabolic processes that occur during a new coronavirus infection. The study included 68 people. The first group consisted of 50 patients who did not receive antibiotics at the outpatient stage of treatment. The second group included 18 patients who received standard cephalosporin antibiotics on an outpatient basis. The study showed that antibiotics of the cephalosporin group affect the synthesis of protein and albumin by the liver in patients with a new coronavirus infection. Cephalosparins worsen leukopenia, lymphopenia and thrombocytopenia caused by the new coronavirus infection, as well as further inhibit the adaptive and humoral antiviral immune response.

Full Text

Актуальность. Пандемия новой коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19) вызвала резкий рост использования противомикробных препаратов из-за отсутствия адекватных методов лечения. Чрезмерное использование антибиотиков для лечения пациентов с COVID-19 было вызвано тем, что у новой инфекции симптомы схожи с пневмонией. Одной из важных причин применения антибиотиков явилась более высокая смертность в группах больных с ослабленным иммунитетом [1-4].

В связи с отсутствием эффективных методов лечения, чаще всего антибиотики назначались, исходя из предположения, что потенциальная угроза от препарата будет незначительной по сравнению с его пользой [5].

Почти 80 % пациентов с COVID-19 получали антибиотики. Чаще всего назначались цефалоспорины (30,1 % пациентов), за ними следовал азитромицин (26 % пациентов). Антибиотики назначали пациентам с COVID-19 независимо от степени тяжести заболевания; общая частота применения антибиотиков была одинаковой как у пациентов с тяжёлым или критическим течением болезни (77,4 %), так и у пациентов с лёгкой или умеренной формой болезни (76,8 %) [6].

Микробиота кишечника жизненно важна для нормального развития и функционирования человеческого организма, особенно для формирования и созревания адаптивной иммунной системы. Применение антибиотиков может иметь ряд негативных последствий для микробиоты кишечника, включая снижение видового разнообразия, изменение метаболической активности и селекцию устойчивых к антибиотикам организмов и тем самым косвенно воздействуя на иммунную систему.

Следует учитывать и то, что у многих антибиотиков имеются эффекты, выходящие за рамки их основной антибактериальной активности. Многие из них из различных групп обладают выраженными иммунотропными свойствами, а также способны влиять на метаболические процессы [7-9].

Антибиотики цефалоспоринового ряда относятся к классу бета-лактамных антибиотиков. Они имеют общие с пенициллинами элементы химической структуры (бета-лактамное кольцо) и механизм действия. За счет вариаций боковых цепей было получено множество молекул цефалоспоринов с широким и разнообразным спектром активности против грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Цефалоспорины вызывают переход от сбалансированного высвобождения цитокинов к воспалительному типу. Они значительно увеличивают секрецию таких цитокинов как TNF, IL-1β и IL-6. Кроме того, также снижают плотность экспрессии молекулы, распознающей липополисахариды CD14, на моноцитах, таким образом, подавляя ответ моноцитов на ЛПС. Они так же оказывают иммуностимулирующее действие на фагоцитоз нейтрофилов, подвергшиеся воздействию липотейхоевой кислоты (LTA) золотистого стафилококка LTA [10-12].

SARS‐CoV‐2 оказывает мощное влияние на запуск как врожденных, так и адаптивных иммунные реакции, что может приводить к гипервоспалению, а вследствие этого к повреждению тканей. Твкое влияние может быть реализовано посредством высокой вирулентности SARS‐CoV‐2, а также временным блокированием координации между врожденным и адаптивным иммунными реакциями. При новой коронавирусной инфекции часто наблюдаются нейтропения, лимфопения, снижение количества моноцитов, эозинофилов, базофилов. Низкие показатели клеточных элементов крови часто являются плохими прогностическими признаками при данной инфекции. У пациентов с новой коронавирусной инфекции из-за повреждения многих органов часто изменены многие биохимические показатели [13-20].

Учитывая вышеизложенные факты, можно сделать вывод о существовании сложного взаимодействия трех иммунопатофизиологических механизмов, а именно нарушений иммунитета из-за вызванного антибиотиками дисбактериоза кишечника; иммунометаболическим воздействием самого антибиотика; патологическим иммунометаболическим сценарием действия самого вируса.

Таким образом, при приеме антибиотиков возникает сложный динамический процесс, состоящий из различных взаимно влияющих звеньев.

Цель работы – изучить влияние на иммунометаболические процессы, возникающие при новой коронавирусной инфекции, антибиотиков группы цефалоспаринов.

Материалы и методы исследования. В исследование включены 68 человек госпитализированных в стационар с новой коронавирусной инфекцией средней формы течения. Первую группу составили 50 пациента не получавшие антибиотики на амбулаторном этапе лечения. Из них мужчин – 29, женщин – 21. Во вторую группу включены 18 пациентов получавшие на амбулаторном этапе антибиотики цефалоспоринового ряда в стандартной дозировке. Из них мужчин – 10, женщин – 8.

Таблица 1 - Клиническая характеристика пациентов

Показатель

1 группа

2 группа

Средний возраст, лет

59,3± 1,61

58,4±3,09

Длительность амбулаторного лечения, дней

6,39±0,43

6,4±0,50

Длительность госпитализации, дни

12,25±0,51

13,4±1,2

Длительность вирусоносительства, дни

18,44±0,64

18,21±1,1

Длительность лихорадочного периода

8,7±0,51

9,3±0,23

Объем поражения лёгких по КТ ОГК, %

24,26 ±1,55

29,0±2,0

Сатурация крови

95,0±0,27

94,3±0,46

 

В первой группе больные помимо стандартного лечения получали ингибиторы янус-киназ - 12 и интерлейкина-6 - 7 человек, во второй группе 5 и 6 пациента соответственно.

Из первой группы переведено в реанимационное отделение из-за ухудшения состояния 2 человека, из второй – 1.

Клиническое исследование проводилось согласно Правилам клинической практики в Российской Федерации, утвержденными приказом Минздрава России от 19.06.2003 N 266. Все пациенты подписывали добровольное информированное согласие на участие в исследовании.

В первый день поступления в стационар выполняли: компьютерную томографию органов грудной клетки, оценивали уровень сатурации крови кислородом, электрокардиографию. Выполняли биохимические, иммунологические, гематологические исследования. Определение SARS-CoV-2 проводилось методом ПЦР. Общий анализ крови исследовался на гематологическом анализаторе (BC-5150 Mindray) и включал следующие показатели: лейкоциты, нейтрофилы, лимфоциты, моноциты, эозинофилы, базофилы, тромбоциты, эритроциты, гемоглобин. Биохимические показатели (BS-120, Mindray) включали определение СРБ, АЛТ, АСТ, гамма-глутамилтранспептидазы (ГГТ), общего белка, альбумина, мочевины, креатина, глюкозы, лактатдегидрогеназы (ЛДГ), амилазы, билирубина, холестерина, мочевой кислоты. Иммунофенотипирование лимфоцитов выполняли на проточном цитометре Navios. Исследовались следующие показатели: Т-лимфоциты (CD45+CD3+), Т-хелперы (CD45+CD3+CD4+), Т-цитотоксические лимфоциты (CD45+CD3+CD8+), В-лимфоциты (CD45+CD3-CD19+), натуральные киллеры (CD45+CD3-CD(16+56)+).

Статистический анализ выполняли с помощью прикладных статистических программ, рассчитывали показатели описательной статистики. Количественные признаки представляли в виде среднего арифметического, медианы и межквартильного размаха (25-й и 75-й перцентили). Сравнение средних, медиан в группах осуществляли с помощью теста Стьюдента и Вилкоксона.

Полученные результаты и их обсуждение. Основными симптомами проявления вирусоносительства у пациентов были лихорадка, кашель, слабость, одышка.

Сопутствующие заболевания в первой группе выявлены следующие: гипертоническая болезнь у 18 человек, ишемическая болезнь сердца у 5, сахарный диабет 2 типа у 4. Сопутствующие заболевания во второй группе: гипертоническая болезнь - 6, ишемическая болезнь сердца - 1, сахарный диабет 2 типа - 3.

При оценке уровня прогностических биомаркеров не выявлено значительной разницы у пациентов в обеих группах (табл.2).

Таблица 2 – Уровень биомаркеров в исследуемых группах

Показатель

1 гр.

2 гр.

1 гр.

2 гр.

Р

M±m

M±m

Ме (Q25-Q75)

Ме (Q25-Q75)

Интерлейкин-6 пг/мл

4,21± 0,75

4,72±2,0

1,0 (0-3,5)

1,0 (0-2,0)

0,889

Ферритин нг/мл

556,02±64,77

494,61±115,95

342,5 (234,5-471,8)

408 (95,0-862,5)

0,941

СРБ мг/л

38,46±2,53

43±5,47

32,0 (19,0-44,5)

38,0 (29,0-52,0)

0,554

При сравнительном анализе биохимических показателей пациентов обеих групп выявлено, что цефалоспорины достоверно снижают показатели альбумина и общего белка. В этой же группе пациентов отмечено снижение уровня триглицеридов и мочевой кислоты (табл.3). Возможно, что цефалоспорины влияют на белковосинтетическую функцию печени, липидный обмен.

Таблица 3 – Уровень биохимических показателей

Показатель

1 гр.

2 гр.

1 гр.

2 гр.

Р

M±m

M±m

Ме (Q25-Q75)

Ме (Q25-Q75)

АСТ Ед/л

40,01±1,48

40±3,33

38,5 (30,0-49,0)

36,0 (29,0-46,0)

0,996

АЛТ Ед/л

38,26±1,88

47,53±5,79

35,0 (23,0-47,0)

41,0 (34,0-49,0)

0,321

Билирубин

9,93±0,81

8,58±1,28

9,4 (7,5-11,5)

8,6 (6,3-9,7)

0,212

Амилаза Ед/л

48,70±2,06

53,69±8,85

45,0 (33,8-59,0)

38,0 (29,0-51,0)

0,733

ГГТ Ед/л

56,24±4,29

92,38±24,37

39,0 (27,0-84,0)

44,0 (22,0-98,0)

0,307

ЛДГ Ед/л

322,8±12,7

367,5±27,2

291,0 (242,0-346,8)

373,0 (311,0-442,0)

0,251

Мочевина ммоль/л

5,91±0,21

6,06±0,41

5,5 (4,4-7,0)

6,4 (5,0-7,7)

0,780

Холестерин ммоль/л

4,71±0,11

4,73±0,18

4,6 (3,95-5,4)

4,8 (4,2-5,1)

0,950

Триглицериды ммоль/л

1,32±0,07

0,96±0,07

1,3 (0,8-1,6)

0,9 (0,8-1,1)

0,006

Общий белок г/л

70,35±0,7

66,7±0,9

71,0 (67,0-75,0)

67,0 (63,0-69,0)

0,011

Альбумин г/л

44,38±0,43

42,07±0,73

44,5 (42-47,0)

42,0 (41,0-43,0)

0,044

Глюкоза ммоль/л

7,51±0,28

7,06±0,33

6,7 (6,0-7,9)

6,5 (6,1-7,3)

0,469

Мочевая к-та мкмоль/л

363,5±12,85

278,4±28,33

340,5 (265,0-410,0)

276,0 (195,0-330,0)

0,048

 

Таблица 4 –Уровень показателей общего анализа крови

Показатель

1 гр.

2 гр.

1 гр.

2 гр.

Р

M±m

M±m

Ме (Q25-Q75)

Ме (Q25-Q75)

Лейкоциты*109

6,1±0,29

5,16±0,77

5,36 (3,9-8,14)

3,84 (2,66-6,07)

0,401

Нейтрофилы*109

4,54±0,27

4,03±0,69

3,69 (2,8-6,2)

3,12 (1,59-5,04)

0,592

Нейтрофилы %

72,7±1,01

74,1±2,5

74,7 (65,9-79,3)

75,4 (69,2-81,2)

0,670

Лимфоциты*109

1,23±0,05

0,89±0,07

1,14 (0,87-1,45)

0,87 (0,76-1,12)

0,005

Лимфоциты %

22,3±0,95

21,9±2,3

21,4 (16,2-29,9)

20,2 (15,1-26,1)

0,889

Моноциты*109

0,31±0,02

0,18±0,03

0,24 (0,14-0,32)

0,16 (0,1-0,28)

0,04

Моноциты %

4,56±0,23

3,67±0,39

4,15 (2,95-5,85)

3,4 (2,6-4,9)

0,111

Тромбоциты*109

202,5±8,0

165,8±10,1

181,0 (150,0-248,7)

152,5 (143,7-179)

0,041

Эритроциты*1012

4,48±0,04

4,53±0,14

4,7 (4,4-4,9)

4,7 (4,3-4,9)

0,422

Гемоглобин г/л

138,7±1,8

136,5±4,1

141,0 (132,3-149,0)

140,5 (124,3-149,3)

0,715

При анализе гематологических показателей у пациентов обеих групп можно сделать вывод, что на фоне более низкого количества лейкоцитов и нейтрофилов у пациентов второй группы отмечается резко выраженная достоверная лимфопения, снижение количества моноцитов и тромбоцитопения (табл.4).

Таблица 5–Иммунологические показатели в исследуемых группах

Показатель

1 гр.

2 гр.

1 гр.

2 гр.

Р

M±m

M±m

Ме (1-3)

Ме (1-3)

Т-лимфоциты %

62,8±1,27

51,18±3,34

65,5 (55,0-72,3)

50,0 (45,0-61,0)

0,023

Т-лимфоциты*109

0,77±0,04

0,44±0,05

0,71 (0,48-0,96)

0,44 (0,29-0,60)

0,001

Т-хелперы %

35,5±1,12

26,5±1,6

35,0 (29,0-41,5)

29,0 (23,0-31,0)

0,003

Т-хелперы*109

0,44±0,03

0,23±0,03

0,37 (0,24-0,55)

0,23 (0,17-0,32)

0,0004

Т-цитотоксические лимфоциты %

22,75±1,05

21,7±3,0

19,5 (15,8-27,3)

17,0 (12,5-30,5)

0,800

Т-цитотоксические лимфоциты*109

0,28±1,05

0,19±3,1

0,21 (1,14-0,33)

0,15 (0,10-0,27)

0,077

ИРИ

1,91±0,12

2,33±0,24

1,51 (1,04-2,53)

2,38 (1,57-3,08)

0,267

В-лимфоциты %

13,52±0,74

12,54±1,90

11,0 (8,8-17,0)

11,0 (6,5-17,0)

0,727

В-лимфоциты*109

0,14±0,01

0,09±0,01

0,12 (0,08-0,17)

0,10 (0,06-0,12)

0,032

Натуральные киллеры %

23,4±1,23

33,9±33,9

21,0 (15,3-32,2)

34,0 (21,5-47,0)

0,087

Натуральные киллеры*109

0,26±0,01

0,34±0,05

0,24 (0,14-0,32)

0,30 (0,16-0,55)

0,299

 

При анализе иммунологических показателей в исследуемых группах выявлено резкое снижение адаптивного (Т-хелперов) и гуморального (В-лимфоцитов) иммунитета у пациентов, принимавших на амбулаторном этапе лечения цефалоспорины. Так количество Т-клеток и Т-хелперов у них было снижено в 1,5 раза по сравнению с пациентами не принимавших антибиотики (табл.5).

Выводы. Антибиотики группы цефалоспоринов влияют на синтез белка и альбумина печенью у пациентов с новой коронавирусной инфекцией. Эти же препараты при COVID-19 еще больше достоверно снижают количество лейкоцитов, лимфоцитов, моноцитов и тромбоцитов. Вирус SARS‐CoV‐2 снижает адаптивный и гуморальный иммунный ответ. Применение цефалоспоринов еще больше усиливает иммунодепрессивное действие.

×

About the authors

Stanislav Mikhailovich Kostenko

Voronezh Regional Clinical Center for AIDS Prevention and Control

Author for correspondence.
Email: kostenko@aidsvrn.ru

PhD, Head of the Immunological Laboratory

Russian Federation, 394065, Russia, Voronezh, 29B Patriotov Avenue

Irina Anatolievna Tulinova

Voronezh Regional Clinical Center for AIDS Prevention and Control

Email: tulinova@aidsvrn.ru

main doctor

Russian Federation, 394065, Russia, Voronezh, 29B Patriotov Avenue

Vladimir Viktorovich Khamburov

N.N. Burdenko Voronezh State Medical University of the Russian Ministry of Health

Email: kld@vrngmu.ru

Associate Professor of the Department of Clinical Laboratory Diagnostics

Russian Federation, 394036, Russia, Voronezh, Studencheskaya Street, 10

Tatyana Anatolievna Musca

Voronezh Regional Clinical Center for AIDS Prevention and Control

Email: muha@aidsvrn.ru

Deputy Chief Physician

Russian Federation, 394065, Russia, Voronezh, 29B Patriotov Avenue

Dmitry Stanislavovich Kostenko

Voronezh Regional Clinical Center for AIDS Prevention and Control

Email: kostenko.dmitrij2012@yandex.ru

clinical laboratory physician

Russian Federation, 394065, Russia, Voronezh, 29B Patriotov Avenue

References

  1. Baby, B.; Devan, A.R.; Nair, B.; Nath, L.R. The Impetus of COVID-19 in Multiple Organ Affliction Apart from Respiratory Infection: Pathogenesis, Diagnostic Measures and Current Treatment Strategy. Infect. Disord.-Drug Targets Former. Curr. Drug Targets-Infect. Disord. 2021, 21, 514–526.
  2. Stankovska, G.; Memedi, I.; Dimitrovski, D. Coronavirus COVID-19 disease, mental health and psychosocial support. Soc. Regist. 2020, 4, 33–48.
  3. Townsend, L.; Hughes, G.; Kerr, C.; Kelly, M.; O’Connor, R.; Sweeney, E.; Doyle, C.; O’Riordan, R.; Martin-Loeches, I.; Bergin, C.; et al. Bacterial pneumonia coinfection and antimicrobial therapy duration in SARS-CoV-2 (COVID-19) infection. JAC-Antimicrobial Resist. 2020, 2, dlaa071.
  4. Wang, L.; Alexander, C.A. COVID-19 Compared with Other Viral Diseases: Novelties, Progress, and Challenges. Electron. J. Gen. Med. 2020, 18, em265.
  5. Usman, M.; Farooq, M.; Hanna, K. Environmental side effects of the injudicious use of antimicrobials in the era of COVID-19. Sci. Total. Environ. 2020, 745, 141053
  6. Malik, S.S.; Mundra, S. Increasing Consumption of Antibiotics during the COVID-19 Pandemic: Implications for PatientHealth and Emerging Anti-Microbial Resistance. Antibiotics 2023, 12, 45.
  7. Ramirez J, Guarner F, Bustos Fernandez L, Maruy A, Sdepanian VL and Cohen H (2020) Antibiotics as Major Disruptors of Gut Microbiota. Front. Cell. Infect. Microbiol. 10:572912. doi: 10.3389/fcimb.2020.572912
  8. Guarner F, Bustos Fernandez L, Cruchet S, Damião A, Maruy Saito A, Riveros Lopez JP, Rodrigues Silva L and Valdovinos Diaz MA (2024) Gut dysbiosis mediates the association between antibiotic exposure and chronic disease. Front. Med. 11:1477882. doi: 10.3389/fmed.2024.1477882
  9. Airola, C.; Severino, A.; Spinelli, I.; Gasbarrini, A.; Cammarota, G.; Ianiro, G.; Ponziani, F.R. “Pleiotropic” Effects of Antibiotics:New Modulators in Human Diseases. Antibiotics 2024, 13, 1176.
  10. Ziegeler, S.; Raddatz, A.; Hoff, G.; Buchinger, H.; Bauer, I.; Stockhausen, A.; Sasse, H.; Sandmann, I.; Horsch, S.; Rensing, H. Antibiotics modulate the stimulated cytokine response to endotoxin in a human ex vivo, in vitro model. Acta Anaesthesiol. Scand. 2006, 50, 1103–1110.
  11. Wang, J.; Shao, W.; Niu, H.; Yang, T.; Wang, Y.; Cai, Y. Immunomodulatory Effects of Colistin on Macrophages in Rats by Activating the p38/MAPK Pathway. Front. Pharmacol. 2019, 10, 729.
  12. Algorri, M.; Wong-Beringer, A. Differential effects of antibiotics on neutrophils exposed to lipoteichoic acid derived from Staphylococcus aureus. Ann. Clin. Microbiol. Antimicrob. 2020, 19, 50.
  13. B. Tomar, H.-J. Anders, J. Desai, S.R. Mulay. Neutrophils and neutrophil extracellular traps drive necroinflammation in COVID-19. Cells. 9 (2020) 1383.
  14. Z. Parackova, I. Zentsova, M. Bloomfield, P. Vrabcova, J. Smetanova, A. Klocperk, G. Meseˇznikov, L.F. Casas Mendez, T. Vymazal, A. Sediva. Disharmonic inflammatory signatures in COVID-19 Augmented neutrophils’ but impaired monocytes’ and dendritic cells’ responsiveness. Cells. 9 (2020) 2206.
  15. Liu J, Li S, Liu J, et al. Longitudinal characteristics of lymphocyte responses and cytokine profiles in the peripheral blood of SARS-CoV-2 infected patients. EBioMedicine. 2020;55:102763.
  16. Helene F. Rosenberg1, Paul S. Foster. Eosinophils and COVID-19: diagnosis, prognosis, and vaccination strategies. Semin Immunopathol. 2021; 43(3): 383-392.
  17. Miyake K, Ito J and Karasuyama H (2022) Role of Basophils in a Broad Spectrum of Disorders. Front. Immunol. 13:902494.
  18. Shen J, Fan J, Zhao Y, Jiang D, Niu Z, Zhang Z and Cao G (2023) Innate and adaptive immunity to SARS-CoV-2 and predisposing factors. Front. Immunol. 14:1159326.
  19. Kapten K, Orczyk K, Smolewska E. Immunity in SARS-CoV-2 Infection: Clarity or Mystery? A Broader Perspective in the Third Year of a Worldwide Pandemic. Arch Immunol Ther Exp (Warsz). 2023 Feb 21;71(1):7.
  20. Silva, M.J.A.; Ribeiro, L.R.; Gouveia, M.I.M.; Marcelino, B.d.R.; Santos, C.S.d.; Lima, K.V.B.; Lima, L.N.G.C. Hyperinflammatory Response in COVID-19: A Systematic Review. Viruses 2023, 15, 553.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies