In severe cases of coronavirus disease 2019 (COVID-19), viral pneumonia progresses to respiratory failure. Neutrophil extracellular traps (NETs) are extracellular webs of chromatin, microbicidal proteins, and oxidant enzymes that are released by neutrophils to contain infections. However, when not properly regulated, NETs have the potential to propagate inflammation and microvascular thrombosis — including in the lungs of patients with acute respiratory distress syndrome. We now report that sera from patients with COVID-19 have elevated levels of cell-free DNA, myeloperoxidase-DNA (MPO-DNA), and citrullinated histone H3 (Cit-H3); the latter 2 are specific markers of NETs. Highlighting the potential clinical relevance of these findings, cell-free DNA strongly correlated with acute-phase reactants, including C-reactive protein, D-dimer, and lactate dehydrogenase, as well as absolute neutrophil count. MPO-DNA associated with both cell-free DNA and absolute neutrophil count, while Cit-H3 correlated with platelet levels. Importantly, both cell-free DNA and MPO-DNA were higher in hospitalized patients receiving mechanical ventilation as compared with hospitalized patients breathing room air. Finally, sera from individuals with COVID-19 triggered NET release from control neutrophils in vitro. Future studies should investigate the predictive power of circulating NETs in longitudinal cohorts and determine the extent to which NETs may be novel therapeutic targets in severe COVID-19.

Patients with COVID-19 are at high risk for thrombotic arterial and venous occlusions. Lung histopathology often reveals fibrin-based blockages in the small blood vessels of patients who succumb to the disease. Antiphospholipid syndrome is an acquired and potentially life-threatening thrombophilia in which patients develop pathogenic autoantibodies targeting phospholipids and phospholipid-binding proteins (aPL antibodies). Case series have recently detected aPL antibodies in patients with COVID-19. Here, we measured eight types of aPL antibodies in serum samples from 172 patients hospitalized with COVID-19. These aPL antibodies included anticardiolipin IgG, IgM, and IgA; anti-β2 glycoprotein I IgG, IgM, and IgA; and anti-phosphatidylserine/prothrombin (aPS/PT) IgG and IgM. We detected aPS/PT IgG in 24% of serum samples, anticardiolipin IgM in 23% of samples, and aPS/PT IgM in 18% of samples. Antiphospholipid autoantibodies were present in 52% of serum samples using the manufacturer's threshold and in 30% using a more stringent cutoff (≥40 ELISA-specific units). Higher titers of aPL antibodies were associated with neutrophil hyperactivity, including the release of neutrophil extracellular traps (NETs), higher platelet counts, more severe respiratory disease, and lower clinical estimated glomerular filtration rate. Similar to IgG from patients with antiphospholipid syndrome, IgG fractions isolated from patients with COVID-19 promoted NET release from neutrophils isolated from healthy individuals. Furthermore, injection of IgG purified from COVID-19 patient serum into mice accelerated venous thrombosis in two mouse models. These findings suggest that half of patients hospitalized with COVID-19 become at least transiently positive for aPL antibodies and that these autoantibodies are potentially pathogenic.

Abstract Patients with coronavirus disease-19 (COVID-19) are at high risk for thrombotic arterial and venous occlusions. However, bleeding complications have also been observed in some patients. Understanding the balance between coagulation and fibrinolysis will help inform optimal approaches to thrombosis prophylaxis and potential utility of fibrinolytic-targeted therapies. 118 hospitalized COVID-19 patients and 30 healthy controls were included in the study. We measured plasma antigen levels of tissue-type plasminogen activator (tPA) and plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) and performed spontaneous clot-lysis assays. We found markedly elevated tPA and PAI-1 levels in patients hospitalized with COVID-19. Both factors demonstrated strong correlations with neutrophil counts and markers of neutrophil activation. High levels of tPA and PAI-1 were associated with worse respiratory status. High levels of tPA, in particular, were strongly correlated with mortality and a significant enhancement in spontaneous ex vivo clot-lysis. While both tPA and PAI-1 are elevated among COVID-19 patients, extremely high levels of tPA enhance spontaneous fibrinolysis and are significantly associated with mortality in some patients. These data indicate that fibrinolytic homeostasis in COVID-19 is complex with a subset of patients expressing a balance of factors that may favor fibrinolysis. Further study of tPA as a biomarker is warranted.

The release of neutrophil extracellular traps (NETs) by hyperactive neutrophils is recognized to play an important role in the thromboinflammatory milieu inherent to severe presentations of COVID-19. At the same time, a variety of functional autoantibodies have been observed in individuals with severe COVID-19, where they likely contribute to immunopathology. Here, we aimed to determine the extent to which autoantibodies might target NETs in COVID-19 and, if detected, to elucidate their potential functions and clinical associations. We measured anti-NET antibodies in 328 individuals hospitalized with COVID-19 alongside 48 healthy controls. We found high anti-NET activity in the IgG and IgM fractions of 27% and 60% of patients, respectively. There was a strong correlation between anti-NET IgG and anti-NET IgM. Both anti-NET IgG and anti-NET IgM tracked with high levels of circulating NETs, impaired oxygenation efficiency, and high circulating D-dimer. Furthermore, patients who required mechanical ventilation had a greater burden of anti-NET antibodies than did those not requiring oxygen supplementation. Levels of anti-NET IgG (and, to a lesser extent, anti-NET IgM) demonstrated an inverse correlation with the efficiency of NET degradation by COVID-19 sera. Furthermore, purified IgG from COVID-19 sera with high levels of anti-NET antibodies impaired the ability of healthy control serum to degrade NETs. In summary, many individuals hospitalized with COVID-19 have anti-NET antibodies, which likely impair NET clearance and may potentiate SARS-CoV-2-mediated thromboinflammation.