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. 2024 Jul 18;36:e20240028en. doi: 10.62675/2965-2774.20240028-en
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Identification of distinct phenotypes and improving prognosis using metabolic biomarkers in COVID-19 patients

Andressa Santana 1, Gabriele da Silveira Prestes 1, Marinara Dagostin da Silva 1, Carolina Saibro Girardi 2, Lucas dos Santos Silva 2, José Cláudio Fonseca Moreira 2, Daniel Pens Gelain 2, Glauco Adrieno Westphal 3, Emil Kupek 4, Roger Walz 5, Felipe Dal-Pizzol 1,6, Cristiane Ritter 1,6
PMCID: PMC11321718  PMID: 39109758

ABSTRACT

Objective

To investigate the relationship between the levels of adipokines and other endocrine biomarkers and patient outcomes in hospitalized patients with COVID-19.

Methods

In a prospective study that included 213 subjects with COVID-19 admitted to the intensive care unit, we measured the levels of cortisol, C-peptide, glucagon-like peptide-1, insulin, peptide YY, ghrelin, leptin, and resistin.; their contributions to patient clustering, disease severity, and predicting in-hospital mortality were analyzed.

Results

Cortisol, resistin, leptin, insulin, and ghrelin levels significantly differed between severity groups, as defined by the World Health Organization severity scale. Additionally, lower ghrelin and higher cortisol levels were associated with mortality. Adding biomarkers to the clinical predictors of mortality significantly improved accuracy in determining prognosis. Phenotyping of subjects based on plasma biomarker levels yielded two different phenotypes that were associated with disease severity, but not mortality.

Conclusion

As a single biomarker, only cortisol was independently associated with mortality; however, metabolic biomarkers could improve mortality prediction when added to clinical parameters. Metabolic biomarker phenotypes were differentially distributed according to COVID-19 severity but were not associated with mortality.

Keywords: COVID-19, Coronavirus infections, Hidrocortisone, Phenotype, Metabolism

INTRODUCTION

Different clinical phenotypes have been attributed to coronavirus disease 2019 (COVID-19) pneumonia; some patients have mild to moderate respiratory symptoms, and others require hospitalization and mechanical ventilation.(1) Patients with poor clinical outcomes include those with metabolic disorders such as obesity and diabetes.(1-3) These findings suggest that dysfunctional adipose tissue and metabolism play a role in regulating systemic and pulmonary inflammatory responses against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), leading to excessive lung injury and respiratory failure.(4)

A convergence point for this could be insulin resistance.(5) It has been suggested that angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is an important molecular link between insulin resistance and COVID-19 severity.(6,7) Insulin resistance is also associated with a chronic proinflammatory state, which can induce a more severe cytokine storm during COVID-19.(8) Additionally, adipokines, such as ghrelin, leptin, and resistin, have been extensively studied in many chronic disorders and are widely related to obesity and insulin resistance; however, their precise role in critical illness is largely unknown.(9) Ghrelin, leptin, and resistin have been associated with inflammatory host responses in critically ill patients.(10) Leptin, for instance, is implicated in cell-mediated immunity and cytokine crosstalk, and hyperresistinemia might be fundamental in persistent inflammation that occurs in septic shock.(11) It has been hypothesized that adipokines are the missing link between obesity and outcomes in patients with severe COVID-19, but no robust evidence to support this hypothesis has been reported to date.(12,13)Recently, it was demonstrated that circulating adipokine levels are associated with COVID-19 hospitalization or the need for mechanical ventilation but not with mortality.(14)

Other endocrine biomarkers (EBs), such as cortisol, C-peptide, glucagon-like peptide-1 (GLP-1), insulin, and peptide YY (PYY), appear to be associated with clinical outcomes in hospitalized patients with COVID-19.(15-19) Serum cortisol levels appear to be an independent predictor of unfavorable outcomes, and there is an apparent association between other metabolic markers and inflammation modulatory pathways in patients with COVID-19.(15-19)

Patients who are overweight, obese, or have metabolic disorders tend to have different serum levels of adipokines and EB (cortisol, C-peptide, GLP-1, insulin, and PYY) compared to those without metabolic comorbidities, which could be associated with poor outcomes in patients with COVID-19. Therefore, the aim of this prospective cohort study was to investigate the relationships between the levels of adipokines and other EBs (collectively referred to as metabolic biomarkers, MBs) and outcomes in hospitalized patients with COVID-19 to establish prognostic clusters based on clinical and laboratory parameters.

METHODS

Study design

A prospective cohort study was conducted on subjects admitted to six intensive care units (ICUs) in two tertiary hospitals in southern Brazil between June and November 2020. The study was performed in accordance with the Declaration of Helsinki and the Brazilian National Health Council Resolution 466. The Ethics Committee of Hospital São José (31384620.6.1001.5364) and Centro Hospitalar Unimed (31384620.6.2002.5362) approved the protocol. All subjects or their surrogates provided written informed consent before inclusion in the study.

Settings

The study sample consisted of consecutive subjects admitted to the ICUs of the participating hospitals from June to November 2020.

Participants

Subjects aged older than 18 who were diagnosed with COVID-19 through reverse-transcription polymerase chain reaction or a rapid antigen test and who required supplemental oxygen (World Health Organization [WHO] class 5), noninvasive ventilation (WHO class 6), or invasive mechanical ventilation (WHO class 7) due to COVID-19 pneumonia were included in the study.(20) Subjects who were asymptomatic (WHO class 1) or symptomatic (WHO class 2, ambulatory mild disease, independent) were included as a control group. The control group was selected by convenience advertising the study on e-mail lists from the university and hospital participating in the study. Subjects with severe chronic diseases (e.g., chronic kidney disease resulting from dialysis, Child‒Pugh class C cirrhosis, severe chronic obstructive pulmonary disease, severe heart failure) or diseases that alter the inflammatory response, such as those requiring long-term use of immunosuppressants, active cancer, poorly controlled human immunodeficiency virus infection, and receiving palliative care or with a life expectancy of less than 24 hours, as judged by the attending physician, were excluded.

Procedures

Following enrollment, venous blood samples were collected within 24 hours after ICU admission. It was not possible to ascertain whether blood was collected before or after corticosteroid administration. Sociodemographic and clinical information was collected directly from the patients or their surrogate or electronic medical records. The levels of MB (cortisol, C-peptide, GLP-1, insulin, PYY, ghrelin, leptin, and resistin) were measured using the Metabolism/Obesity 9-Plex Human ProcartaPlexTM Panel 2 (Cat. #EPX060-10824-901, Thermo Fisher Scientific Waltham, Massachussets, USA) and a Luminex® MAGPIX system (Luminex Corporation, Austin, Texas, USA). Protein concentrations were calculated using the online Procarta Plex Analysis Application (Thermo Fisher Scientific).

Statistical analysis

Continuous variables are expressed as the mean and standard deviation (SD). Categorical data are expressed as frequencies and percentages. Survivor and Nonsurvivor groups were compared using Kruskal‒Wallis and Wilcoxon‒Mann‒Whitney tests for continuous outcomes and chi‒square tests for categorical outcomes, and multivariable binary logistic regression was used to analyze the adjusted differences between groups. Additionally, multivariable binary logistic regression was used to determine the associations between the primary outcome, hospital mortality, and independent variables, which were conceptually divided into core demographic, including age and sex, and clinical prognostic factors (Simplified Acute Physiology Score [SAPS] III, Charlson Comorbidity Index, chest computed tomography [CT] score, Sequential Organ Failure Assessment [SOFA] and body mass index [BMI]), hereafter referred to as “core predictors,” and the MB. The latter were categorized into quintiles owing to their highly nonnormal distributions. Variables were entered into the regression if a threshold of p < 0.20 was reached in the univariate analysis or if there was biological plausibility associated with the outcome. The receiver operating characteristic (ROC) curves for the core predictors alone and the core predictors plus the MB predictors were compared in terms of accuracy, measured using the area under the ROC curve (AUROC), as well as the sensitivity, specificity, positive and negative predictive values, and likelihood ratios of positive and negative tests. The AUROC was cross-validated on five independent samples to avoid model fitting and evaluation of the same sample. Bootstrap bias-corrected 95% confidence intervals (95%CIs) were used to express AUROC uncertainty. Spearman’s correlation coefficient was used to assess pairwise correlations between the numerical variables. A hierarchical cluster of the corresponding correlation matrix was used to identify the clusters of coexpressed biomarkers. Additionally, a nonhierarchical K-means clustering analysis was performed to assess MB clustering.

The data were analyzed using IBM SPSS Statistics version 22.0 (IBM Corp., Armonk, New York, USA) and Stata version 13.1 (StataCorp, College Station, Texas, USA). The type I error level was set to 0.05 for all the statistical analyses.

RESULTS

Participant characteristics

Two hundred thirteen subjects were included in this study, of whom 53 (25%) died during hospitalization; a comparison between those who died and those who survived is shown in table 1. Older age, higher BMI, need for mechanical ventilation, extension of COVID-19 pneumonia on CT, disease severity on ICU admission (measured using the SAPS III), comorbidities (measured using the Charlson Comorbidity Index), and degree of organ dysfunction (measured using the SOFA) were associated with in-hospital mortality. After adjustment, only the SOFA score at admission and the SAPS III score were independently associated with in-hospital mortality.

Table 1. Participant characteristics.

  Survivor (n = 160) Nonsurvivor (n = 53) Unadjusted p value Adjusted OR (95%CI)
Sex, male 99 (62) 37 (70) 0.29 NA
Age 53 ± 15 62 ± 13 < 0.001 1.02 (0.98 - 1.07)
Ethnicity, white 152 (95) 48 (90) 0.24 NA
BMI 26 ± 10 29 ± 5 0.026 1.02 (0.95 - 1.09)
Time from the beginning of symptoms (days) 10.5 ± 3.7 10.9 ± 4.2 0.67 NA
Transferred from        
Emergency Department 115 (72) 37 (70)   NA
COVID-19 ward 9 (6) 4 (8) 0.87
Other hospital 36 (22) 12 (22)  
Mechanical ventilation need 46 (29) 37 (70) < 0.001 NA
Thorax CT scan extension of lesions > 50% 51 (32) 28 (53) 0.006 0.87 (0.5 - 1.5)
Charlson comorbidity index 1.62 ± 1.5 2.34 ± 1.65 0.004 0.94 (0.67 - 1.3)
Diabetes mellitus 14 (9) 7 (13) 0.34 NA
Corticosteroid use 122 (76) 44 (83) 0.30 NA
SOFA at admission 2 [1 - 4] 4 [2 - 8] < 0.001 1.2 (1.09 - 1.5)
SAPS III score 39 ± 25 58 ± 20 < 0.001 1.02 (1.004 - 1.04)

OR - odds ratio; 95%CI - 95% confidence interval; NA - not applied; BMI - body mass index; CT - computed tomography; SOFA - Sequential Organ Failure Assessment; SAPS - Simplified Acute Physiologic Score. The results are expressed as the n (%), mean ± standard deviation or median [interquartile range].

Metabolic biomarkers and disease severity

In the analysis of participants according to the WHO severity scale, cortisol, resistin, leptin, insulin, and ghrelin levels significantly differed between groups (Figure 1). Plasma cortisol and resistin levels were greater in mechanically ventilated subjects than in those with less severe disease (Figure 1A and B). Ghrelin and insulin levels were greater in hospitalized subjects (WHO categories 5 - 7) than in those with mild disease (Figure 1C and D). Additionally, leptin levels were greater in subjects with WHO category 5 disease than in subjects with WHO categories 2 - 3 and 6 or 7 disease (Figure 1E). Lower ghrelin and higher cortisol levels were the only variables significantly associated with mortality (Figure 2); however, after adjusting for clinical variables, a higher cortisol level was the only biomarker independently associated with mortality (odds ratio [OR]: 1.003; 95%CI 1.00 - 1.006; AUROC 0.61 [95%CI] 0.51 - 0.7). Body mass index and measured MB were not significantly correlated, except for a weak correlation with leptin level (r = 0.15, p = 0.028) (Figure 3). Since cortisol could have a nonlinear association with mortality, we analyzed quartiles of cortisol levels, but only higher cortisol levels were associated with mortality (Table 2).

Figure 1. Metabolic biomarkers and COVID-19 severity.

Figure 1

Figure 2. Metabolic biomarkers and COVID-19 mortality.

Figure 2

PYY - peptide YY; glucagon-like peptide-1.

Figure 3. Spearman’s correlations between metabolic biomarker levels and body mass index.

Figure 3

PYY - peptide YY; GLP-1 - glucagon-like peptide 1; BMI - body mass index.

Table 2. Quartiles of cortisol levels and mortality.

Cortisol levels Survivor (n = 160) Nonsurvivor (n = 53) p value
25 quartile 46 (82) 10 (18)  
25 - 50 quartile 47 (84) 9 (16) 0.046
50 - 75 quartile 34 (65) 18 (35)  
75 quartile 33 (67) 16 (33)  

The results are expressed as the n (%).

Multivariate logistic regression was used to investigate the ability of MBs to predict in-hospital mortality. Adding MB to the core clinical predictors (Table 3) significantly improved the AUROC from 90.31% (95%CI: 70.78 - 85.33%) to 92.65% (95%CI: 86.86 -95.74%). Significant improvements were also observed for sensitivity (from 40 to 70%, p < 0.001), negative predictive value (from 82 to 89%, p = 0.014), accuracy (from 80 to 93%, p = 0.003), and the likelihood ratios of a positive/negative test (p < 0.001). Doubling the likelihood ratio of a positive test with the addition of MB doubled the odds of correctly predicting in-hospital mortality. Within the range of 10 - 15% false-positive test results, which is considered acceptable in many screening applications, the MB improved the correct prediction of in-hospital mortality by approximately 10 - 30% compared with the ROC without the MB (Table 3 and Figure 4).

Table 3. Diagnostic parameter comparison of two in-hospital survival models derived by multivariable logistic regression and 5-fold cross-validation.

Parameter name Clinical predictors Clinical + MB predictors Parameter difference p value
Value 95%CI bounds Value 95%CI bounds
Lower Upper Lower Upper
Sensitivity 39.6 27.59 53.06 69.81 56.46 80.48 < 0.001
Specificity 94.3 89.28 97.12 95.07 90.17 97.59 0.400
PPV 72.4 54.58 85.30 84.09 71.00 92.00 0.112
NPV 81.7 74.05 86.00 89.40 83.48 93.47 0.014
AUROC 80.4 70.78 85.33 92.65 86.86 95.74 0.003
LRT+ 7.03 4.77 10.36 14.16 10.46 19.17 < 0.001
LRT- 0.64 0.60 0.68 0.32 0.28 0.36 < 0.001

MB - metabolic biomarker; 95%CI - 95% confidence interval; PPV - positive predictive value; NPV - negative predictive value; AUROC - area under the receiver operating curve; LRT+ - likelihood ratio of a positive test; LRT- - likelihood ratio of a negative test; The results are expressed as the %. The results are expressed as the n (%), mean ± standard deviation.

Figure 4. ROC curve comparison between the ability of clinical (blue) and clinical plus biomarker (brown) variables to predict in-hospital mortality among COVID-19 patients, as determined by multivariate logistic regression and 5-fold cross-validation.

Figure 4

Clustering based on metabolic biomarkers

Spearman’s correlation coefficient was used to assess the pairwise correlation of the measured biomarkers, and the clusters of hierarchical coexpressed biomarkers are shown in the corresponding correlation matrix (Figure 5). The cluster between insulin/resistin and leptin reinforced the observed association between these biomarkers and disease severity (Figure 1). This hierarchical cluster was extended to ghrelin in the next step (Figure 5), and ghrelin was associated with disease severity. Notably, cortisol, which is associated with disease severity and is the only biomarker independently associated with mortality, did not cluster with these biomarkers (Figure 5). To further explore this potential relationship, a nonhierarchical K-means cluster analysis was performed. Using all the measured biomarkers, two phenotypes were identified: phenotype 1, which included 147 subjects, and phenotype 2, which included 66 subjects. The demographic and clinical characteristics were similar between the two phenotypes (Table 4). The distinct phenotypes were associated with the WHO severity scale but not mortality (Table 4). Similar results were obtained using the nonhierarchical K-means cluster to guide the correlation matrix and hierarchical cluster to select a few biomarkers to determine the phenotypes. Similar phenotyping was possible using only leptin and insulin levels.

Figure 5. Spearman´s correlations between metabolic biomarker levels and hierarchical cluster analysis.

Figure 5

PYY - peptide YY; GLP-1 - glucagon-like peptide-1. The magnitude of each correlation is denoted with a color, where the red color indicates a positive correlation and the blue color indicates a negative correlation.

Table 4. Characteristics of biomarker clusters.

  Cluster 1 (n = 147) Cluster 2 (n = 66) p value
Gender, male 98 (67) 38 (58) 0.20
Age 56 ± 16 53 ± 14 0.17
BMI 27 ± 9 28 ± 9 0.23
Time from the beginning of symptoms (days) 10.7 ± 4.1 10.5 ± 3.6 0.91
Transferred from      
Emergency Department 108 (73) 44 (67) 0.40
COVID-19 ward 7 (5) 6 (9)
Other hospital 32 (22) 16 (24)
Thorax CT scan extension of lesions > 50% 58 (39) 21 (32) 0.48
Charlson comorbidity index 1.9 ± 1.5 1.5 ± 1.5 0.12
Diabetes mellitus 17 (12) 4 (6) 0.21
Corticosteroid use 115 (78) 51 (77) 0.87
SAPS III score 42 ± 26 50 ± 23 0.13
SOFA at admission 3.6 ± 2.9 3.0 ± 2.7 0.081
Cortisol levels 41 ± 63 18 ± 37 0.002
C-peptide levels 839 ± 858 1258 ± 1407 0.002
GLP levels 310 ± 255 424 ± 255 < 0.001
Ghrelin levels 957 ± 483 1199 ± 564 < 0.001
Insulin levels 10845 ± 2642 11882 ± 2682 0.001
Leptin levels 5581 ± 3442 18390 ± 5994 < 0.001
PYY levels 188 ± 25 189 ± 18 0.627
Resistin levels 8654 ± 5338 12229 ± 6111 < 0.001
WHO severity scale      
Category 5 53 (36) 34 (51) 0.03
Category 6 36 (24) 7 (11)
Category 7 58 (40) 25 (38)
Nonsurvivor 36 (24) 17 (26) 0.84

BMI - body mass index; CT - computed tomography; SAPS - Simplified Acute Physiologic Score; SOFA - Sequential Organ Failure Assessment; GLP - glucagon-like peptide; PYY - peptide YY; WHO - World Health Organization; NA - not applied. The results are expressed as the n (%), mean ± standard deviation

DISCUSSION

In this multicenter study examining a large cohort of patients with COVID-19, we found that different MBs and patient phenotypes based on MBs were associated with disease severity, but only cortisol levels were independently associated with mortality. Additionally, MB improved the ability of the clinical variables to predict mortality. It is not possible to ascertain whether these biomarkers are significantly involved in the progression of the disease to more severe forms or if they are simply an epiphenomenon of the complex pathological process that occurs during COVID-19 development.

A notable finding of this study is that we did not find any significant correlation between BMI and measured MB, except for leptin levels. Even for leptin, the correlation was weak despite its statistical significance. This finding is different from what has been observed in healthy individuals(21) but is similar to the findings of another recent study.(14) Flikweert et al.(14) hypothesized that COVID-19 can induce adipose tissue dysfunction and altered the secretion of adipokines, but this pattern has been observed in patients with sepsis,(22) suggesting that a complex interplay exists between adipose tissue and inflammation in these conditions; additionally, this could be secondary to the lower mean BMI observed in our cohort, where only 39% (84 out of 213 patients with a BMI ≥ 30) were overweight.

Cortisol is the most studied biomarker to date. In this study, higher cortisol levels were associated with in-hospital mortality and appeared to be an independent prognostic marker in critically ill patients with COVID-19. Cortisol levels are relatively well established in the literature as a severity marker and mortality predictor in patients with COVID-19.(23-27)

There is a paucity of large cohort studies on MB other than cortisol and COVID-19 severity. Ghrelin receptors have been detected in lung tissue, and studies have shown that ghrelin has protective effects on acute lung injury models.(28) In this study, higher ghrelin levels were found in COVID-19 survivors. Ghrelin levels are inversely correlated with the length of mechanical ventilation and ICU stay, and higher serum ghrelin levels are correlated with survival in patients with sepsis.(29) However, we did not find any prospective studies determining the role of ghrelin in predicting the prognosis of patients with COVID-19.

In patients with COVID-19, leptin modulation of the inflammatory system can directly contribute to the pathophysiology of the disease because high leptin levels are associated with a proinflammatory response and infection severity in obese and nonobese patients.(30,31) Leptin appears to be protective against respiratory infections, and serum leptin levels are inversely proportional to inflammatory biomarkers in patients hospitalized for pneumonia.(32) In contrast, during viral infections in obese patients, altered leptin levels can lead to a proinflammatory cytokine response and a deficient response to infection.(33) Patients with COVID-19 generally have higher serum leptin levels than healthy controls, but the relationship between serum leptin levels and COVID-19 severity is not robust.(14,34-38) Our results reflect this uncertainty. Leptin levels were greater in WHO category 5 than in all other categories but were not associated with mortality.

Resistin levels are increased in patients with sepsis and are associated with mortality independent of BMI in patients with sepsis.(39,40)Resistin levels are greater in patients with COVID-19 than in healthy controls,(41) and resistin is correlated with disease severity and outcome, irrespective of the presence of obesity or metabolic syndrome.(14, 42,43)Our results are consistent with these previous findings: resistin levels were greater in patients with WHO category 7 disease, independent of BMI, but did not predict mortality.

We also studied C-peptide, GLP-1, insulin, and PYY, but insulin levels were the only EBs that were greater in patients with more severe forms of the disease than in patients with WHO category 1 and 2 diseases. To the best of our knowledge, none of these markers have been studied as prognostic biomarkers for COVID-19. As observed in sepsis, COVID-19 can induce hypermetabolic stress, which is associated with hyperglycemia and insulin resistance.(44) Hyperinsulinism is an adaptation response to the excessive release of counterregulatory hormones, and this could partially explain our results.

Independent of clinical parameters, patients with COVID-19 could be clustered into two phenotypes associated with disease severity. This approach could be useful for delivering more personalized care. In another study, five phenotypes of hospitalized COVID-19 patients were identified using creatinine, albumin, CRP, white blood cell count, and clinical characteristics.(45) Patients with a phenotype characterized by renal failure, hypoalbuminemia, anemia, lymphopenia, and elevated CRP levels had the highest likelihood of ICU transfer or in-hospital mortality. Three subphenotypes, namely, a history of chronic hypertension, fever, respiratory and nonrespiratory symptoms, and age, have been found to be associated with clinical deterioration.(46) Additionally, some phenotypes were found to be associated with better outcomes after the introduction of dexamethasone therapy for treating COVID-19, reinforcing the idea that phenotyping patients can have an impact on prognosis and treatment stratification.(47) To the best of our knowledge, this study is the first to provide discriminative phenotypes based only on EB levels.

Few prospective studies have included a large number of patients from different centers, which is a major strength of this study. Additionally, this study is the first to show that MBs can improve the prognostic accuracy of clinical parameters and can be used to phenotype patients independent of clinical parameters. However, this study also has several limitations. First, MBs were analyzed at a single time point after hospital admission, leading to a lack of information on metabolic modifications over time and their association with disease progression. This is one of the great challenges of biomarker use and phenotyping in complex diseases such as COVID-19. We believe that this limitation could be mitigated by the fact that biomarkers add to the prognostic value of relevant clinical parameters. Additionally, since the time elapsed between the self-reported beginning of COVID-19 symptoms and study inclusion was similar between groups, this could reduce the possible temporal bias related to a single time point measurement of biomarkers. Second, some relevant adipokines, such as adiponectin and visfatin, were not measured, thus preventing a comprehensive assessment of the role of MBs in patients with COVID-19. Third, glycemic control during the ICU could affect mortality and be impacted by dexamethasone use, but unfortunately, we do not have information on these parameters (such as median capillary blood glucose and glycosylated hemoglobin), which should be noted as a limitation of our study. However, some studies have not associated glycemic control with disease severity even in diabetic patients receiving dexamethasone.(48) Fifth, MB phenotypes could also impact long-term outcomes, since persistent muscle atrophy, new onset of diabetes, and other metabolic outcomes are associated with COVID-19,(49-51)and further studies are required to assess the role of MB in predicting the long-term outcomes of patients with COVID-19. Sixth, we only have information on corticosteroid use, not the dose of the drug administered; thus, although the number of patients who used corticosteroids was similar among survivors and nonsurvivors, it is possible to have some confounders, mainly related to the dose used. However, the institutional protocol suggested the use of dexamethasone 6mg, which could partially attenuate this bias. Seventh, during the data analysis, we performed multiple comparisons, and this intrinsically carries a potential bias, which must be taken into account when reading our results.

CONCLUSION

Cortisol was the only single biomarker independently associated with mortality; however, metabolic biomarkers improved mortality prediction when added to clinical parameters. Metabolic biomarker phenotypes were differentially distributed according to COVID-19 severity but were not associated with mortality. Taken together, these results suggest that MB may play a role in COVID-19 progression and could reflect an imbalance in different pathways affected by SARS-CoV-2 infection.

Availability of data and materials

The datasets used and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author upon reasonable request.

Funding

This work was supported by Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico/Ministério da Saúde, Secretaria de Ciência, Tecnologia e Insumos Estratégicos, Departamento de Ciência e Tecnologia (MCTIC/CNPq/FNDCT/MS/SCTIE/DECIT), 07/2020, grant number 401263/2020-7, and BRF S.A. Hub unrestricted donation, and Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul-Programa de Pesquisa para o Sistema Único de Saúde (FAPERGS-PPSUS) #21/2551-0000073-2

The funding sources did not have any role in the design of the study; the collection, analysis, or interpretation of the data; or the writing of the manuscript.

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Identificação de fenótipos distintos e melhoria do prognóstico usando biomarcadores metabólicos em pacientes com COVID-19

Andressa Santana 1, Gabriele da Silveira Prestes 1, Marinara Dagostin da Silva 1, Carolina Saibro Girardi 2, Lucas dos Santos Silva 2, José Cláudio Fonseca Moreira 2, Daniel Pens Gelain 2, Glauco Adrieno Westphal 3, Emil Kupek 4, Roger Walz 5, Felipe Dal-Pizzol 1,6, Cristiane Ritter 1,6

RESUMO

Objetivo

Investigar a relação entre os níveis de adipocinas e outros biomarcadores endócrinos e os desfechos em pacientes hospitalizados com COVID-19.

Métodos

Estudo prospectivo que incluiu 213 indivíduos com COVID-19 internados na unidade de terapia intensiva, em que foram medidos os níveis de cortisol, peptídeo-C, peptídeo-1 semelhante ao glucagon, insulina, peptídeo YY, grelina, leptina e resistina; analisamos suas contribuições para o agrupamento de pacientes, gravidade da doença e previsão de mortalidade hospitalar.

Resultados

Os níveis de cortisol, resistina, leptina, insulina e grelina diferiram significativamente entre os grupos por gravidade, conforme definido pela escala de gravidade da Organização Mundial da Saúde. Além disso, níveis mais baixos de grelina e mais altos de cortisol foram associados à mortalidade. A adição de biomarcadores aos preditores clínicos de mortalidade melhorou significativamente a precisão na determinação do prognóstico. A fenotipagem de indivíduos com base nos níveis de biomarcadores plasmáticos produziu dois fenótipos diferentes, que foram associados à gravidade da doença, mas não à mortalidade.

Conclusão

Como único biomarcador, apenas o cortisol foi independentemente associado à mortalidade; no entanto, os biomarcadores metabólicos podem melhorar a previsão de mortalidade quando associados a parâmetros clínicos. Os fenótipos dos biomarcadores metabólicos foram distribuídos diferencialmente, conforme a gravidade da COVID-19, mas não foram associados à mortalidade.

Keywords: COVID-19, Infecções por coronavírus, Hidrocortisona, Fenótipo, Metabolismo

INTRODUÇÃO

Diferentes fenótipos clínicos foram atribuídos à pneumonia causada pela doença do coronavírus 2019 (COVID-19). Alguns pacientes apresentam sintomas respiratórios leves a moderados, e outros necessitam de hospitalização e ventilação mecânica.(1) Os pacientes com desfechos clínicos desfavoráveis incluem aqueles com distúrbios metabólicos, como obesidade e diabetes.(1-3) Esses achados sugerem que o tecido adiposo e o metabolismo disfuncionais desempenham papel na regulação das respostas inflamatórias sistêmicas e pulmonares contra o coronavírus da síndrome respiratória aguda grave 2 (SARS-CoV-2), levando a lesão pulmonar excessiva e à insuficiência respiratória.(4)

Um ponto de convergência para isso pode ser a resistência à insulina.(5) Sugeriu-se que a enzima conversora de angiotensina 2 (ECA2) é um importante elo molecular entre a resistência à insulina e a gravidade da COVID-19.(6,7) A resistência à insulina também está associada a um estado pró-inflamatório crônico, que pode induzir uma tempestade de citocinas mais grave durante a COVID-19.(8) Além disso, as adipocinas, como a grelina, a leptina e a resistina, foram amplamente estudadas em muitos distúrbios crônicos e estão amplamente relacionadas à obesidade e à resistência à insulina; no entanto, seu papel preciso na doença crítica é amplamente desconhecido.(9) A grelina, a leptina e a resistina têm sido associadas a respostas inflamatórias do hospedeiro em pacientes em estado crítico.(10) A leptina, por exemplo, está implicada na imunidade mediada por células e na interação de citocinas, e a hiperresistinemia pode ser fundamental na inflamação persistente que ocorre no choque séptico.(11) Cogitou-se a hipótese de que as adipocinas são o elo perdido entre a obesidade e os resultados em pacientes com COVID-19 grave, mas, até o momento, não foi relatada evidência robusta para apoiar essa hipótese.(12,13) Recentemente, foi demonstrado que os níveis de adipocinas circulantes estão associados à hospitalização por COVID-19 ou à necessidade de ventilação mecânica, mas não à mortalidade.(14)

Outros biomarcadores endócrinos (BEs), como o cortisol, o peptídeo-C, o peptídeo-1 semelhante ao glucagon (GLP-1), a insulina e o peptídeo YY (PYY), parecem estar associados a desfechos clínicos em pacientes hospitalizados com COVID-19.(15-19) Os níveis séricos de cortisol parecem ser um preditor independente de desfechos desfavoráveis, e há uma aparente associação entre outros marcadores metabólicos e vias moduladoras da inflamação em pacientes com COVID-19.(15-19)

Pacientes com sobrepeso, obesidade ou distúrbios metabólicos tendem a ter níveis séricos diferentes de adipocinas e BEs (cortisol, peptídeo-C, GLP-1, insulina e PYY) em comparação com aqueles sem comorbidades metabólicas, o que poderia estar associado a desfechos desfavoráveis em pacientes com COVID-19. Assim, o objetivo deste estudo de coorte prospectivo foi investigar as relações entre os níveis de adipocinas e outros BEs (coletivamente chamados de biomarcadores metabólicos, BMs) e os desfechos em pacientes hospitalizados com COVID-19, para estabelecer agrupamentos de prognóstico a partir de parâmetros clínicos e laboratoriais.

MÉTODOS

Desenho do estudo

Trata-se de estudo de coorte prospectivo realizado em indivíduos admitidos em seis unidades de terapia intensiva (UTIs) em dois hospitais terciários no Sul do Brasil entre junho e novembro de 2020. O estudo foi realizado de acordo com a Declaração de Helsinque e a Resolução 466 do Conselho Nacional de Saúde do Brasil. Os Comitês de Ética do Hospital São José (31384620.6.1001.5364) e do Centro Hospitalar Unimed (31384620.6.2002.5362) aprovaram o protocolo. Todos os indivíduos ou seus substitutos forneceram consentimento livre e esclarecido por escrito antes da inclusão no estudo.

Contexto

A amostra do estudo consistiu em indivíduos consecutivos admitidos nas UTIs dos hospitais participantes de junho a novembro de 2020.

Participantes

Foram incluídos no estudo indivíduos com mais de 18 anos de idade que foram diagnosticados com COVID-19 por meio da reação em cadeia da polimerase com transcrição reversa ou de teste rápido de antígeno e que necessitaram de oxigênio suplementar (classe 5 da Organização Mundial da Saúde [OMS]), ventilação não invasiva (classe 6 da OMS) ou ventilação mecânica invasiva (classe 7 da OMS) devido à pneumonia por COVID-19.(20) Os indivíduos assintomáticos (classe 1 da OMS) ou sintomáticos (classe 2 da OMS, doença leve ambulatorial, independente) foram incluídos como grupo controle. O grupo controle foi selecionado por conveniência, anunciando o estudo em listas de e-mail da universidade e do hospital que participaram do estudo. Foram excluídos indivíduos com doenças crônicas graves (por exemplo: doença renal crônica resultante de diálise, cirrose Child-Pugh classe C, doença pulmonar obstrutiva crônica grave e insuficiência cardíaca grave) ou que alteram a resposta inflamatória, como aquelas que exigem o uso prolongado de imunossupressores, câncer ativo, infecção pelo vírus da imunodeficiência humana mal controlada e que recebem cuidados paliativos ou com expectativa de vida inferior a 24 horas, conforme avaliação do médico responsável.

Procedimentos

Após a inscrição, coletaram-se amostras de sangue venoso dentro de 24 horas após a admissão na UTI. Não foi possível verificar se o sangue foi coletado antes ou depois da administração de corticosteroides. As informações sociodemográficas e clínicas foram coletadas diretamente dos pacientes ou de seus substitutos ou de prontuários médicos eletrônicos. Os níveis de BMs (cortisol, peptídeo-C, GLP-1, insulina, PYY, grelina, leptina e resistina) foram medidos usando o Metabolism/Obesity 9-Plex Human ProcartaPlexTM Panel 2 (Cat. #EPX060-10824-901, Thermo Fisher Scientific, Waltham, Massachussets, Estados Unidos) e um sistema Luminex® MAGPIX (Luminex Corporation, Austin, Texas, Estados Unidos). As concentrações de proteína foram calculadas usando o aplicativo on-line Procarta Plex Analysis Application (Thermo Fisher Scientific).

Análise estatística

As variáveis contínuas são expressas como média e desvio-padrão (DP). Os dados categóricos são expressos como frequências e porcentagens. Os grupos de sobreviventes e não sobreviventes foram comparados usando os testes de Kruskal-Wallis e Wilcoxon-Mann-Whitney para resultados contínuos e testes de qui-quadrado para resultados categóricos; utilizou-se regressão logística binária multivariável para analisar as diferenças ajustadas entre os grupos. Além disso, utilizou-se regressão logística binária multivariável para determinar as associações entre o desfecho primário, a mortalidade hospitalar e as variáveis independentes, que foram conceitualmente divididas em fatores demográficos essenciais, incluindo idade e sexo, e fatores prognósticos clínicos (Simplified Acute Physiology Score [SAPS] III, Índice de Comorbidade de Charlson, escore de tomografia computadorizada de tórax [CT], Sequential Organ Failure Assessment [SOFA] e índice de massa corporal [IMC]), doravante denominados “preditores essenciais”, e BMs. Os últimos foram categorizados em quintis, devido às suas distribuições altamente não normais. As variáveis foram incluídas na regressão se fosse atingido um limite de p < 0,20 na análise univariada ou se houvesse plausibilidade biológica associada ao desfecho. As curvas receiver operating characteristic (ROC) dos preditores principais isoladamente e dos preditores principais mais os preditores de BMs foram comparadas em termos de precisão, medida usando a área sob a curva ROC (ASC ROC), bem como a sensibilidade, a especificidade, os valores preditivos positivos e negativos e as razões de verossimilhança de testes positivos e negativos. A ASC ROC foi validada de forma cruzada em cinco amostras independentes para evitar o ajuste do modelo e a avaliação da mesma amostra. Os intervalos de confiança de 95% (IC95%) com correção de viés de bootstrap foram usados para expressar a incerteza da ASC ROC. Utilizou-se o coeficiente de correlação de Spearman para avaliar as correlações de pares entre as variáveis numéricas. Um agrupamento hierárquico da matriz de correlação correspondente foi usado para identificar os agrupamentos de biomarcadores coexpressos. Além disso, foi realizada uma análise de agrupamento não hierárquico K-means para avaliar o agrupamento BMs.

Os dados foram analisados usando o IBM SPSS Statistics versão 22.0 (IBM Corp., Armonk, Nova Iorque, Estados Unidos) e o Stata versão 13.1 (StataCorp, College Station, Texas, Estados Unidos). O nível de erro tipo I foi definido como 0,05 para todas as análises estatísticas.

RESULTADOS

Características dos participantes

O estudo incluiu 213 indivíduos, dos quais 53 (25%) morreram durante a hospitalização; a tabela 1 apresenta uma comparação entre os que morreram e os sobreviventes. Idade avançada, IMC mais alto, necessidade de ventilação mecânica, extensão da pneumonia por COVID-19 na TC, gravidade da doença na admissão na UTI (medida pelo SAPS III), comorbidades (medida pelo Índice de Comorbidade de Charlson) e grau de disfunção orgânica (medida pelo SOFA) foram associados à mortalidade hospitalar. Após o ajuste, somente a pontuação SOFA na admissão e a pontuação SAPS III foram independentemente associadas à mortalidade hospitalar.

Tabela 1. Características dos participantes.

  Sobrevivente (n = 160) Não sobrevivente (n = 53) Valor de p não ajustado RC ajustada (IC95%)
Sexo, masculino 99 (62) 37 (70) 0,29 NA
Idade 53 ± 15 62 ± 13 < 0,001 1,02 (0,98 - 1,07)
Etnia, branca 152 (95) 48 (90) 0,24 NA
IMC 26 ± 10 29 ± 5 0,026 1,02 (0,95 - 1,09)
Tempo de início dos sintomas (dias) 10,5 ± 3,7 10,9 ± 4,2 0,67 NA
Transferido de        
Emergência 115 (72) 37 (70)   NA
Ala de COVID-19 9 (6) 4 (8) 0,87
Outro hospital 36 (22) 12 (22)  
Necessidade de ventilação mecânica 46 (29) 37 (70) < 0,001 NA
Extensão > 50% das lesões na TC do tórax 51 (32) 28 (53) 0,006 0,87 (0,5 - 1,5)
Índice de comorbidade de Charlson 1,62 ± 1,5 2,34 ± 1,65 0,004 0,94 (0,67 - 1,3)
Diabetes mellitus 14 (9) 7 (13) 0,34 NA
Uso de corticosteroides 122 (76) 44 (83) 0,30 NA
SOFA na admissão 2 [1 - 4] 4 [2 - 8] < 0,001 1,2 (1,09 - 1,5)
Escore SAPS III 39 ± 25 58 ± 20 < 0,001 1,02 (1,004 - 1,04)

RC - razão de chances; IC95% - intervalo de confiança de 95%; NA - não se aplica; IMC - índice de massa corporal; TC - tomografia computadorizada; SOFA - Sequential Organ Failure Assessment; SAPS - Simplified Acute Physiologic Score. Resultados expressos como n (%), média ± desvio-padrão ou mediana [intervalo interquartil].

Biomarcadores metabólicos e gravidade da doença

Na análise dos participantes de acordo com a escala de gravidade da OMS, os níveis de cortisol, resistina, leptina, insulina e grelina diferiram significativamente entre os grupos (Figura 1). Os níveis plasmáticos de cortisol e resistina foram mais altos em indivíduos ventilados mecanicamente do que naqueles com doença menos grave (Figura 1A e B). Os níveis de grelina e insulina foram maiores em indivíduos hospitalizados (categorias 5 a 7 da OMS) do que naqueles com doença leve (Figura 1C e D). Além disso, os níveis de leptina foram maiores em indivíduos com doença da categoria 5 da OMS do que em indivíduos com doença das categorias 2 - 3 e 6 ou 7 da OMS (Figura 1E). Níveis mais baixos de grelina e mais altos de cortisol foram as únicas variáveis significativamente associadas à mortalidade (Figura 2); no entanto, após o ajuste para variáveis clínicas, “níveis mais altos de cortisol” foi o único biomarcador independentemente associado à mortalidade (razão de chances [RC]: 1,003; IC95% 1,00 - 1,006; AUROC 0,61 [IC95%] 0,51 - 0,7). O IMC e os BMs medidos não foram significativamente correlacionados, exceto por uma correlação fraca com o nível de leptina (r = 0,15, p = 0,028) (Figura 3). Como o cortisol poderia ter uma associação não linear com a mortalidade, analisamos os quartis dos níveis de cortisol, mas somente os níveis mais altos de cortisol foram associados à mortalidade (Tabela 2).

Figura 1. Biomarcadores metabólicos e gravidade da COVID-19.

Figura 1

Figura 2. Biomarcadores metabólicos e mortalidade por COVID-19.

Figura 2

PYY - peptídeo YY; peptídeo-1 semelhante ao glucagon.

Figura 3. Correlações de Spearman entre os níveis de biomarcadores metabólicos e o índice de massa corporal.

Figura 3

PYY - peptídeo YY; GLP-1 - peptídeo 1 semelhante ao glucagon; IMC - índice de massa corporal.

Tabela 2. Quartis de níveis de cortisol e mortalidade.

Níveis de cortisol Sobrevivente (n = 160) Não sobrevivente (n = 53) Valor de p
Quartil 25 46 (82) 10 (18)  
Quartil 25 - 50 47 (84) 9 (16) 0,046
Quartil 50 - 75 34 (65) 18 (35)  
Quartil 75 33 (67) 16 (33)  

Resultados expressos como n (%).

Utilizou-se a regressão logística multivariada para investigar a capacidade dos BMs de prever a mortalidade hospitalar. A adição de BMs aos principais preditores clínicos (Tabela 3) melhorou significativamente a ASC ROC de 90,31% (IC95% 70,78 - 85,33%) para 92,65% (IC95% 86,86 - 95,74%). Também foram observadas melhorias significativas na sensibilidade (de 40 para 70%, p < 0,001), no valor preditivo negativo (de 82 para 89%, p = 0,014), na precisão (de 80 para 93%, p = 0,003) e nas razões de verossimilhança de teste positivo ou negativo (p < 0,001). A duplicação da razão de verossimilhança de teste positivo com a adição de BMs dobrou as chances de prever corretamente a mortalidade hospitalar. Dentro do intervalo de 10 a 15% de resultados de testes falso-positivos, que foi considerado aceitável em muitas das aplicações de triagem, os BMs melhoraram a previsão correta da mortalidade hospitalar em aproximadamente 10 a 30% em comparação com a ROC sem os BMs (Tabela 3 e Figura 4).

Tabela 3. Comparação de parâmetros de diagnóstico de dois modelos de sobrevida intra-hospitalar derivados de regressão logística multivariável e validação cruzada de cinco vezes.

Nome do parâmetro Preditores clínicos Preditores clínicos + BMs Diferença de parâmetro Valor de p
Valor Limites IC95% Valor Limites IC95%
Inferior Superior Inferior Superior
Sensibilidade 39,6 27,59 53,06 69,81 56,46 80,48 < 0,001
Especificidade 94,3 89,28 97,12 95,07 90,17 97,59 0,400
VPP 72,4 54,58 85,30 84,09 71,00 92,00 0,112
VPN 81,7 74,05 86,00 89,40 83,48 93,47 0,014
AUROC 80,4 70,78 85,33 92,65 86,86 95,74 0,003
RV+ 7,03 4,77 10,36 14,16 10,46 19,17 < 0,001
RV- 0,64 0,60 0,68 0,32 0,28 0,36 < 0,001

BMs - biomarcadores metabólicos; IC95% - intervalo de confiança de 95%; VPP - valor preditivo positivo; VPN - valor preditivo negativo; ASC ROC - área sob a curva receiver operating characteristic; RV+ - razão de verossimilhança positiva; RV- - razão de verossimilhança negativa. Resultados expressos como %.

Figura 4. Comparação da curva ROC entre a capacidade das variáveis clínicas (azul) e clínicas e biomarcadores (marrom) de prever a mortalidade hospitalar em pacientes com COVID-19, conforme determinado pela regressão logística multivariada e validação cruzada de cinco vezes.

Figura 4

Agrupamento baseado em biomarcadores metabólicos

Utilizou-se o coeficiente de correlação de Spearman para avaliar a correlação entre pares dos biomarcadores medidos; os agrupamentos de biomarcadores hierárquicos coexpressos são mostrados na matriz de correlação correspondente (Figura 5). O agrupamento entre insulina/resistina e leptina reforçou a associação observada entre esses biomarcadores e a gravidade da doença (Figura 1). Esse agrupamento hierárquico foi estendido para a grelina na etapa seguinte (Figura 5), e a grelina foi associada à gravidade da doença. Notavelmente, o cortisol, que estava associado à gravidade da doença e era o único biomarcador independentemente associado à mortalidade, não se agrupou com esses biomarcadores (Figura 5). No intuito de explorar ainda mais essa possível relação, foi realizada uma análise de agrupamento não hierárquica K-means. Usando todos os biomarcadores medidos, foram identificados dois fenótipos: o fenótipo 1, que incluiu 147 indivíduos, e o fenótipo 2, que incluiu 66 indivíduos. As características demográficas e clínicas foram semelhantes entre os dois fenótipos (Tabela 4). Os fenótipos distintos foram associados à escala de gravidade da OMS, mas não à mortalidade (Tabela 4). Resultados semelhantes foram obtidos usando o agrupamento não hierárquico K-means para orientar a matriz de correlação e o agrupamento hierárquico para selecionar alguns biomarcadores para determinar os fenótipos. Foi possível obter fenotipagem semelhante usando apenas os níveis de leptina e insulina.

Figura 5. Correlações de Spearman entre os níveis de biomarcadores metabólicos e a análise de agrupamento hierárquico.

Figura 5

PYY - peptídeo YY; GLP-1 - peptídeo-1 semelhante ao glucagon. A magnitude de cada correlação é indicada por uma cor, sendo que a cor vermelha indica correlação positiva e a cor azul indica correlação negativa.

Tabela 4. Características dos agrupamentos de biomarcadores.

  Agrupamento 1 (n = 147) Agrupamento 2 (n = 66) Valor de p
Sexo, masculino 98 (67) 38 (58) 0,20
Idade 56 ± 16 53 ± 14 0,17
IMC 27 ± 9 28 ± 9 0,23
Tempo a partir do início dos sintomas (dias) 10,7 ± 4,1 10,5 ± 3,6 0,91
Transferido de      
Emergência 108 (73) 44 (67) 0,40
Ala de COVID-19 7 (5) 6 (9)
Outro hospital 32 (22) 16 (24)
Extensão > 50% das lesões na TC de tórax 58 (39) 21 (32) 0,48
Índice de comorbidade de Charlson 1,9 ± 1,5 1,5 ± 1,5 0,12
Diabetes mellitus 17 (12) 4 (6) 0,21
Uso de corticosteroides 115 (78) 51 (77) 0,87
Escore SAPS III 42 ± 26 50 ± 23 0,13
SOFA na admissão 3,6 ± 2,9 3,0 ± 2,7 0,081
Níveis de cortisol 41 ± 63 18 ± 37 0,002
Níveis de peptídeo-C 839 ± 858 1.258 ± 1407 0,002
Níveis de GLP 310 ± 255 424 ± 255 < 0,001
Níveis de grelina 957 ± 483 1.199 ± 564 < 0,001
Níveis de insulina 10.845 ± 2642 11.882 ± 2682 0,001
Níveis de leptina 5.581 ± 3442 18.390 ± 5994 < 0,001
Níveis de PYY 188 ± 25 189 ± 18 0,627
Níveis de resistina 8.654 ± 5.338 12.229 ± 6.111 < 0,001
Escala de gravidade da OMS      
Categoria 5 53 (36) 34 (51) 0,03
Categoria 6 36 (24) 7 (11)
Categoria 7 58 (40) 25 (38)
Não sobrevivente 36 (24) 17 (26) 0,84

IMC - índice de massa corporal; TC - tomografia computadorizada; SAPS - Simplified Acute Physiologic Score; SOFA - Sequential Organ Failure Assessment; GLP - peptídeo semelhante ao glucagon; PYY - peptídeo YY; OMS - Organização Mundial da Saúde; NA - não se aplica. Resultados expressos como n (%) ou média ± desvio-padrão.

DISCUSSÃO

Neste estudo multicêntrico que examinou uma grande coorte de pacientes com COVID-19, descobrimos que diferentes BMs e fenótipos de pacientes a partir de BMs foram associados à gravidade da doença, mas apenas os níveis de cortisol foram independentemente associados à mortalidade. Além disso, os BMs melhoraram a capacidade das variáveis clínicas de prever a mortalidade. Não é possível determinar se esses biomarcadores estão significativamente envolvidos na progressão da doença para formas mais graves ou se são simplesmente um epifenômeno do complexo processo patológico que ocorre durante o desenvolvimento da COVID-19.

Um achado notável deste estudo é que não encontramos correlação significativa entre o IMC e os BMs medidos, exceto os níveis de leptina. Mesmo no caso da leptina, a correlação foi fraca, apesar de sua significância estatística. Esse achado é diferente do que observado em indivíduos saudáveis,(21) mas semelhante aos achados de outro estudo recente.(14) Flikweert et al.(14) levantaram a hipótese de que a COVID-19 pode induzir a disfunção do tecido adiposo e alterar a secreção de adipocinas, mas esse padrão foi observado em pacientes com sepse,(22) sugerindo que existe uma interação complexa entre o tecido adiposo e a inflamação nessas condições; além disso, isso pode ser secundário ao IMC médio mais baixo observado em nossa coorte, em que apenas 39% (84 de 213 pacientes com IMC ≥ 30) estavam acima do peso.

O cortisol é o biomarcador mais estudado até o momento. Neste estudo, níveis mais altos de cortisol foram associados à mortalidade hospitalar e pareceram ser um marcador prognóstico independente em pacientes graves com COVID-19. Os níveis de cortisol estão relativamente bem estabelecidos na literatura como um marcador de gravidade e preditor de mortalidade em pacientes com COVID-19.(23-27)

Há uma escassez de estudos de coorte de grande porte sobre BMs que não o cortisol e a gravidade da COVID-19. Os receptores de grelina foram detectados no tecido pulmonar, e estudos demonstraram que a grelina tem efeitos protetores em modelos de lesão pulmonar aguda.(28)Neste estudo, níveis mais altos de grelina foram encontrados em sobreviventes da COVID-19. Os níveis de grelina estão inversamente correlacionados com o tempo de ventilação mecânica e permanência na UTI, e níveis séricos mais altos de grelina estão correlacionados com a sobrevida em pacientes com sepse.(29) No entanto, não encontramos nenhum estudo prospectivo que determinasse o papel da grelina na previsão do prognóstico de pacientes com COVID-19.

Em pacientes com COVID-19, a modulação do sistema inflamatório pela leptina pode contribuir diretamente para a fisiopatologia da doença, pois níveis elevados de leptina estão associados a uma resposta pró-inflamatória e à gravidade da infecção em pacientes obesos e não obesos.(30,31) A leptina parece ser protetora contra infecções respiratórias, e os níveis séricos de leptina são inversamente proporcionais aos biomarcadores inflamatórios em pacientes hospitalizados por pneumonia.(32) Por outro lado, durante infecções virais em pacientes obesos, níveis alterados de leptina podem levar a uma resposta pró-inflamatória de citocinas e a uma resposta deficiente à infecção.(33) Pacientes com COVID-19 geralmente têm níveis séricos de leptina mais altos do que controles saudáveis, mas a relação entre os níveis séricos de leptina e a gravidade da COVID-19 não é robusta.(14,34-38) Nossos resultados refletem essa incerteza. Os níveis de leptina foram maiores na categoria 5 da OMS do que em todas as outras categorias, mas não foram associados à mortalidade.

Os níveis de resistina estão aumentados em pacientes com sepse e estão associados à mortalidade, independentemente do IMC em pacientes com sepse.(39,40) Os níveis de resistina são maiores em pacientes com COVID-19 do que em controles saudáveis,(41) e a resistina está correlacionada com a gravidade da doença e o desfecho, independentemente da presença de obesidade ou síndrome metabólica.(14,42,43) Nossos resultados são consistentes com esses achados anteriores: os níveis de resistina foram maiores em pacientes com doença da categoria 7 da OMS, independentemente do IMC, mas não previram a mortalidade.

Também estudamos o peptídeo-C, o GLP-1, a insulina e o PYY, mas os níveis de insulina foram os únicos BEs que foram maiores em pacientes com formas mais graves da doença do que em pacientes com doenças de categoria 1 e 2 da OMS. Até onde sabemos, nenhum desses marcadores foi estudado como biomarcadores prognósticos para a COVID-19. Como observado na sepse, a COVID-19 pode induzir o estresse hipermetabólico, que está associado à hiperglicemia e à resistência à insulina.(44) O hiperinsulinismo é uma resposta de adaptação à liberação excessiva de hormônios contrarreguladores, e isso poderia explicar parcialmente nossos resultados.

Independentemente dos parâmetros clínicos, podem-se agrupar os pacientes com COVID-19 em dois fenótipos associados à gravidade da doença. Essa abordagem pode ser útil para oferecer um atendimento mais personalizado. Em outro estudo, cinco fenótipos de pacientes hospitalizados com COVID-19 foram identificados usando creatinina, albumina, PCR, contagem de leucócitos e características clínicas.(45) Pacientes com um fenótipo caracterizado por insuficiência renal, hipoalbuminemia, anemia, linfopenia e níveis elevados de PCR tiveram a maior probabilidade de transferência para a UTI ou mortalidade hospitalar. Três subfenótipos, a saber, histórico de hipertensão crônica, febre, sintomas respiratórios e não respiratórios e idade, foram associados à deterioração clínica.(46) Além disso, alguns fenótipos foram associados a melhores resultados após a introdução da terapia com dexametasona para o tratamento da COVID-19, reforçando a ideia de que a fenotipagem de pacientes pode ter um impacto no prognóstico e na estratificação do tratamento.(47) Até onde sabemos, este estudo é o primeiro a fornecer fenótipos discriminativos com base apenas nos níveis de BEs.

Poucos estudos prospectivos incluíram um grande número de pacientes de diferentes centros, o que é um dos principais pontos fortes deste estudo. Além disso, este estudo é o primeiro a mostrar que os BMs podem melhorar a precisão prognóstica dos parâmetros clínicos e ser usados para fenotipar pacientes independentemente dos parâmetros clínicos. No entanto, este estudo também tem várias limitações. Primeiro, os BMs foram analisados em um único momento após a admissão hospitalar, o que levou a uma falta de informações sobre as modificações metabólicas ao longo do tempo e sua associação com a progressão da doença. Esse é um dos grandes desafios do uso de biomarcadores e da fenotipagem em doenças complexas, como a COVID-19. Acreditamos que essa limitação pode ser atenuada pelo fato de que os biomarcadores aumentam o valor prognóstico de parâmetros clínicos relevantes. Além disso, como o tempo decorrido entre o início dos sintomas da COVID-19 autorrelatados e a inclusão no estudo foi semelhante entre os grupos, isso poderia reduzir o possível viés temporal relacionado a uma única medição de ponto de tempo dos biomarcadores. Em segundo lugar, algumas adipocinas relevantes, como a adiponectina e a visfatina, não foram medidas, impedindo uma avaliação abrangente do papel dos BMs em pacientes com COVID-19. Em terceiro lugar, o controle glicêmico durante a UTI poderia afetar a mortalidade e ser impactado pelo uso de dexametasona, mas, infelizmente, não temos informações sobre esses parâmetros (como a glicemia capilar mediana e a hemoglobina glicosilada), o que deve ser observado como uma limitação do nosso estudo. No entanto, alguns estudos não associaram o controle glicêmico com a gravidade da doença, mesmo em pacientes diabéticos que receberam dexametasona.(48)Em quinto lugar, os fenótipos dos BMs também poderiam afetar os resultados de longo prazo, uma vez que a atrofia muscular persistente, o novo início do diabetes e outros resultados metabólicos estão associados à COVID-19,(49-51)e são necessários mais estudos para avaliar o papel dos BMs na previsão dos resultados de longo prazo dos pacientes com COVID-19. Em sexto lugar, só temos informações sobre o uso de corticosteroides, não sobre a dose do medicamento administrado; portanto, embora o número de pacientes que usaram corticosteroides tenha sido semelhante entre sobreviventes e não sobreviventes, é possível que haja alguns fatores de confusão, principalmente relacionados à dose usada. Entretanto, o protocolo institucional sugeriu o uso de dexametasona 6 mg, o que poderia atenuar parcialmente esse viés. Em sétimo lugar, durante a análise dos dados, realizamos comparações múltiplas, e isso traz intrinsecamente um possível viés, que deve ser levado em conta ao ler nossos resultados.

CONCLUSÃO

O cortisol foi o único biomarcador individual independentemente associado à mortalidade; entretanto, os biomarcadores metabólicos melhoraram a previsão de mortalidade quando adicionados aos parâmetros clínicos. Os fenótipos dos biomarcadores metabólicos foram distribuídos de forma diferenciada de acordo com a gravidade da COVID-19, mas não foram associados à mortalidade. Em conjunto, esses resultados sugerem que os BMs podem desempenhar um papel na progressão da COVID-19 e podem refletir um desequilíbrio em diferentes vias afetadas pela infecção por SARS-CoV-2.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados e/ou analisados durante o presente estudo estão disponíveis com o autor correspondente mediante solicitação razoável.

Financiamento

Este trabalho foi apoiado pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Ministério da Saúde, Secretaria de Ciência, Tecnologia e Insumos Estratégicos, Departamento de Ciência e Tecnologia (MCTIC/CNPq/FNDCT/MS/SCTIE/DECIT), 07/2020, número de concessão 401263/2020-7, e Hub BRF S.A., doação irrestrita, e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul-Programa de Pesquisa para o Sistema Único de Saúde (FAPERGS-PPSUS) nº 21/2551-0000073-2.

As fontes de financiamento não tiveram qualquer participação no desenho do estudo, coleta, análise ou interpretação dos dados e nem na redação do manuscrito.


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