ПАТОМОРФОЛОГІЧНІ ЗМІНИ ЛЕГЕНЬ ПРИ КОРОНАВІРУСНІЙ ХВОРОБІ

Семко М.Р. Патоморфологічні зміни легень при коронавірусній хворобі. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 222 «Медицина», галузь знань 22 «Охорона здоров’я». – ДНП «Львівський національний медичний університет імені Данила Галицького»,
Львів, 2025.
Дисертація присвячена проведенню оцінки патоморфологічних змін структурних елементів легень на основі даних гістологічного, гістохімічного, імуногістохімічного та електронно–мікроскопічного досліджень легень при коронавірусній інфекції COVID-19, із визначенням їх фазоспецифічної динаміки та патогенетичного значення у формуванні респіраторного дистрес-синдрому (РДС) з розвитком коагулопатії, поліорганної
недостатності (ПОН) та наступного інтерстиціального фіброзу, а також проведенню оцінки ролі віку, статі, супутніх захворювань і результатів ПЛРтесту як факторів ризику летального перебігу, з метою покращення
діагностики, прогнозування перебігу та вдосконалення профілактики й лікування тяжких форм COVID-19.
Пандемія коронавірусної інфекції COVID‑19, спричинена вірусом SARS‑CoV‑2, стала одним із найсерйозніших викликів для сучасної медицини. Висока частота тяжких форм захворювання, значний рівень
летальності та різноманітність клініко‑патогенетичних проявів зумовили необхідність глибокого вивчення морфологічних механізмів ураження органів і систем. Особливе значення має дослідження легеневої тканини,
адже саме її ураження найбільш повно відображає системний характер хвороби, визначає тяжкість перебігу та прогноз. Легені вважаються головним полем патогенетичних змін, де поєднуються процеси запалення, коагулопатії та дифузного альвеолярного пошкодження, що формують основу клінічної картини COVID‑19.
При виконанні дисертаційної роботи було проведено ретроспективний аналіз даних протоколів розтинів 3744 померлих пацієнтів із COVID-19 віком від 19 до 100 років, виконаних у КЗ ЛОР «Львівське обласне
патологоанатомічне бюро» за 2021-2022 рр. Власний матеріал – 30 випадків померлих з коронавірусною інфекцією COVID-19 та 10 випадків померлих без патології легень (контрольна група). У всіх спостереженнях
ретроспективного та проспективного матеріалу проводився комплексний аналіз протоколів патологоанатомічного дослідження із визначенням віковостатевого розподілу, коморбідних станів, смертельних ускладнень, патоморфологічної картини. Імуногістохімічні дослідження (ІГХ) включало
вивчення маркерів запалення, фіброзу та проліферації, ендотеліальної дисфункції із використанням первинних моноклональних антитіл до CD68, CD3, CD8, CD20, CD138, CD163, CD44, CD45, CD31, CD34, α-SMA (Smooth Muscle Actin), Ki-67, TTF-1 фірм VENTANA (Roche), Dako, FLEX. Ультрамікроскопічне дослідження (трансмісійна електронна мікроскопія) посмертних екпрес-некропсій легень проведено у 10 померлих у КЗ ЛОР «Львівське обласне патологоанатомічне бюро» за 2021-2022 рр. Статистичне дослідження отриманих даних виконано за допомогою прикладних програм MS Excel 365, Statistica 12. Дизайн дослідження затверджено комісією з питань етики наукових досліджень, експериментальних розробок і наукових
творів Львівського національного медичного університету імені Данила Галицького (протокол №11 від 19 грудня 2022 року). Уперше в Україні проведено комплексний ретроспективний аналіз летальних ускладнень COVID‑19 у великій популяційній когорті, що включає 3744 випадки смерті. Встановлено, що провідними причинами летальності були гострий респіраторний дистрес‑синдром (93,70±0,40%), некроз епітелію
канальців нирок (82,96±0,61%), поліорганна недостатність (66,96±0,77%) та генералізовані порушення міуроциркуляції (МЦР) з розвитком COVID‑19‑асоційованої коагулопатії (САК) та ДВЗ‑синдрому (64,50±0,78%).
Виявлено фазоспецифічні особливості перебігу: при ранній смертності частіше реєструвався некроз епітелію канальців нирок (83,96±0,70%), тоді як у пізній він спостерігався рідше (77,97±2,04%; р=0,002). Альтеративні зміни внутрішніх органів та генералізовані мікроциркуляторні розлади найчастіше зустрічалися у пацієнтів із середніми термінами госпіталізації 15–21 день (70,88±1,85% та 68,05±1,90%). Серед супутніх захворювань переважали хронічна ішемічна хвороба серця (ХІХС) (83,12±0,61%), артеріальна гіпертензія (АГ) (73,13±0,72%) та цукровий діабет (ЦД) ІІ типу (17,28±0,62%), причому ЦД ІІ типу та ожиріння ІІІ–IV ступеня достовірно
частіше зустрічалися у жінок (р<0,001). Виявлено залежність між тривалістю госпіталізації та супутньою патологією: ЦД ІІ типу мав кожний четвертий пацієнт із перебуванням понад 22 доби (23,73±2,09%), тоді як при коротших термінах (до 14 діб) ЦД траплявся значно рідше (16,04–18,47%; р<0,05). Пацієнти з ожирінням ІІІ–IV ступеня частіше помирали у перші 14 діб (7,91±0,52% проти 5,16±0,90% при 15–21 добі; р=0,020).
Вперше визначено фактори ризику летального перебігу COVID‑19 в українській популяції: ймовірність ранньої смерті зростала на 20,0% у осіб похилого віку (RR=1,20; р=0,002) та на 11,31% у чоловіків (RR=1,11;
р=0,047). Найбільший ризик асоціювався з гіпоксичною енцефалопатією (RR=1,63), набряком легень (RR=1,29), стеатозом печінки з масивними некрозами гепатоцитів (RR=1,20), некрозом епітелію канальців нирок (RR=1,20), ожирінням ІІІ–IV ступеня (RR=1,32) та ішемічним інсультом (RR=1,27). Вперше встановлено фазоспецифічний зв’язок між позитивним результатом полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) та ризиком смерті: у середній фазі (15–21 доба) «ПЛР‑позитивність» асоціювалася зі зростанням летальності на 10,29% (RR=1,10; р=0,001), а у пізній (>22 доби) — із підвищеною частотою РДС та ПОН, що свідчить про патогенетичний вплив тривалої вірусної реплікації на тяжкість ураження легень та розвиток системних ускладнень. У пізній фазі найбільший вплив мали пневмофіброз (RR=1,95; р<0,001), двобічний фібринозний плеврит (RR=1,10; р=0,028), бронхопневмонія (RR=1,04; р=0,002) та гематопоетичні пухлини (RR=1,13;
р=0,047), тоді як АГ зберігала значний вплив на смертність і в пізні терміни (RR=1,05; р<0,001).
Уперше в Україні суттєво доповнено та систематизовано фазоспецифічні патоморфологічні, імуногістохімічні та ультраструктурні зміни легеневої тканини при COVID‑19‑асоційованій пневмонії, що охоплюють ексудативну, проліферативну та організаційну стадії дифузного альвеолярного пошкодження. Виявлено унікальне поєднання масивної макрофагальної інфільтрації з низькою проліферативною активністю та
фазові зміни клітин крові і МЦР, які формують морфологічний субстрат САК та розвитку постковідного пневмофіброзу. У ранні терміни (0–14 діб) переважали ознаки гострого ушкодження альвеолярно-капілярного бар’єра з формуванням гіалінових мембран, масивним набряком, нейтрофільною інфільтрацією та мікросудинними тромбозами. ІГХ-профіль характеризувався домінуванням макрофагальної відповіді (CD163⁺) при низькій проліферативній активності (Ki-67 ~5%), що свідчить про обмежений репаративний потенціал. Васкулярні зміни включали ендотеліїт, васкуліт та мікротромбози, підтверджені гіперекспресією CD34⁺, CD31⁺ та α-SMA⁺. У проліферативну фазу (15–21 доба) спостерігалися процеси активної репарації: проліферація фібробластів, інтерстиційний набряк, плоскоклітинна метаплазія та формування «молодого» фіброзу. ІГХ-профіль демонстрував масивну макрофагальну інфільтрацію (CD68⁺, CD163⁺), слабку Т- та В-клітинну відповідь (CD3⁺, CD8⁺, CD20⁺), низьку проліферативну активність (Ki-67 <5%) та поодинокі TTF-1⁺ клітини, що відображає обмежену епітеліальну регенерацію. Васкулярні зміни включали персистенцію запалення, фібриноїдні некрози та тромботичні ураження з ознаками склерозу й облітерації просвітів. У пізню фазу організації (22 доба і більше) наростали процеси ремоделювання з масивною проліферацією фібробластів, формуванням незрілої сполучної тканини, пневмофіброзом та порушенням альвеолярної архітектоніки. ІГХ-профіль характеризувався переважанням CD163⁺ макрофагів, низькою проліферативною активністю (Ki-67), обмеженою епітеліальною регенерацією (поодинокі TTF-1⁺ клітини) та відсутністю CD44⁺. Васкулярні зміни включали організуючі тромби, ангіоматоз, артеріосклероз та неоангіогенез, що свідчить про хронізацію процесу з високим ризиком постковідного фіброзу, ковідної васкулопатії та гіпертензії. Нами встановлено гіперекспресію α‑SMA у гладком’язових клітинах судин легень, що є маркером їхнього контрактильного фенотипу та свідчить про розвиток мезенхімально‑мезенхімальної трансформації. Виявлені зміни
підтверджують активне ремоделювання судинної стінки та пояснюють патогенез пост-ковідної легеневої гіпертензії й інтерстиціального фіброзу. Комплексне електронно‑мікроскопічне дослідження легеневої тканини
та клітин крові пацієнтів, які померли від тяжкого перебігу COVID‑19 дозволило нам систематизувати та доповнити фазоспецифічні ультраструктурні зміни. Встановлено тотальний некроз альвеолоцитів ІІ типу
з руйнуванням органел і ламелярних тілець у ранні терміни, появу синцитіальних структур і гігантських клітин у проліферативну фазу, а також незворотні перебудови альвеолярної архітектоніки з метаплазією та
цитомегалією у пізню фазу. Виявлені судинні зміни (стаз, мікротромбоз, ендотеліїт, тромбоваскуліт) та персистуюча імунна активація формують морфологічну основу розвитку РДС, САК та прогресуючого
інтерстиціального фіброзу. Окремо встановлено фазоспецифічні ушкодження клітин крові — від осмотичної нестабільності та гемолізу еритроцитів у ранні терміни до їх поліморфних патологічних форм і глибоких дегенеративних змін нейтрофілів у пізню фазу, що підтверджує ключову роль ендотеліальної
дисфункції та коагуляційного дисбалансу у патогенезі COVID‑19‑асоційованої коагулопатії. Встановлено критичний період (15–21 доба), коли поєднання альтеративних змін у мікросудинах та паренхімі формує «порочне коло» прогресування патологічних процесів. Це проявляється персистуючим ендотеліїтом і мікротромбозами, альтерацією альвеолоцитів ІІ типу з руйнуванням органел, інтерстиційним набряком та проліферацією фібробластів, що запускає фіброгенез. Імуногістохімічний профіль підтвердив масивну макрофагальну інфільтрацію при слабкій Т‑ та В‑клітинній відповіді, а електронно‑мікроскопічні дослідження виявили активацію нейтрофілів і тромбоцитів із формуванням NET‑пасток. Запропоновано концепцію ультраструктурного субстрату NET як патоморфологічної основи САК, що поєднує активацію нейтрофілів,
тромбоцитів та фібринових структур. Доведено прямий цитопатичний ефект SARS‑CoV‑2 на альвеолоцити ІІ типу та ендотеліоцити, що підтверджується наявністю віріоноподібних структур у цитоплазмі клітин.
Сформовано нову концептуальну модель COVID-19-асоційованої пневмонії, яка інтегрує дані світломікроскопічних, імуногістохімічних та електронно-мікроскопічних досліджень і пояснює багаторівневий патогенез — від тканинних імунних реакцій до внутрішньоклітинних ушкоджень, що визначає морфологічний субстрат розвитку респіраторного дистрес-синдрому, коагулопатії та прогресуючого інтерстиціального фіброзу. Отримані результати дозволяють удосконалити діагностичні критерії COVID-19-асоційованої пневмонії з урахуванням фазової патоморфології та ІГХ-профілю. Виявлені ультраструктурні ознаки можуть бути використані для розробки патогенетично обґрунтованих підходів до лікування та профілактики ускладнень (РДС, коагулопатія, фіброз). Встановлені фактори ризику (вік, стать, супутні захворювання, ПЛР) є визначальними для стратифікації пацієнтів за прогнозом та для оптимізації тактики ведення
інтенсивної терапії.
Ключові слова: COVID-19, SARS-CoV-2, коронавірусна пневмонія, дифузне альвеолярне пошкодження (ДАП), респіраторний дистрес-синдром дорослого типу (РДС), COVID-19-асоційована коагулопатія (САК), запалення, NET, пневмофіброз.

M.R. Semko. Pathomorphological changes in the lungs in coronavirus disease. – Manuscript.
Dissertation for the PhD degree (PhD) in specialty 222 "Medicine", Field of Knowledge 22 "Healthcare" – Public Non-Profit Institution «Danylo Halytsky Lviv National Medical University», 2025.
The dissertation is devoted to the assessment of pathomorphological changes in the structural elements of the lungs based on histological, histochemical, immunohistochemical, and electron‑microscopic studies of pulmonary tissue in coronavirus infection COVID‑19, with determination of their phase‑specific dynamics and pathogenetic significance in the formation of respiratory distress syndrome (ARDS) accompanied by coagulopathy, multiple organ failure (MOF), and subsequent interstitial fibrosis. It also addresses the evaluation of age, sex,
comorbidities, and PCR test results as risk factors for lethal outcomes, to improve diagnosis, predict disease course, and enhance the prevention and treatment of severe forms of COVID-19. The COVID‑19 pandemic caused by SARS‑CoV‑2 has become one of the most serious challenges for modern medicine. The high frequency of severe forms of the disease, significant mortality rates, and the diversity of clinical and pathogenetic manifestations necessitated an in‑depth study of the morphological mechanisms of organ and system damage. Special importance is attached to the study of lung tissue, since its involvement most fully reflects the systemic nature of
the disease, determines severity, and influences prognosis. The lungs are considered the principal site of pathogenetic changes, where processes of inflammation, coagulopathy, and diffuse alveolar damage converge to form the basis of the clinical picture of COVID‑19. In the course of the dissertation, a retrospective analysis was performed of autopsy protocols from 3,744 deceased patients with COVID‑19 aged 19 to 100 years, carried out at the Lviv Regional Pathoanatomical Bureau in 2021–2022. The author’s own material included 30 cases of deceased patients with COVID‑19 and 10 cases of deceased individuals without pulmonary pathology (control group). In
all retrospective and prospective observations, a comprehensive analysis of autopsy protocols was conducted, including age‑sex distribution, comorbid conditions, fatal complications, and pathomorphological features.
Immunohistochemical studies (IHC) involved the examination of markers of inflammation, fibrosis, proliferation, and endothelial dysfunction using primary monoclonal antibodies to CD68, CD3, CD8, CD20, CD138, CD163, CD44, CD45, CD31, CD34, α‑SMA (Smooth Muscle Actin), Ki‑67, and TTF‑1 (VENTANA/Roche, Dako, FLEX). Ultrastructural studies (transmission electron microscopy) of postmortem express‑necropsies of lungs were performed in 10
deceased patients at the Lviv Regional Pathoanatomical Bureau in 2021–2022. Statistical analysis of the obtained data was carried out using MS Excel 365 and Statistica 12. The study design was approved by the Ethics Committee of Scientific Research, Experimental Developments, and Scientific Works of Danylo Halytsky
Lviv National Medical University (Protocol No. 11, December 19, 2022). For the first time in Ukraine, a comprehensive retrospective analysis of lethal complications of COVID‑19 was conducted in a large population cohort comprising 3,744 deaths. The leading causes of mortality were acute respiratory distress syndrome (93.70±0.40%), necrosis of renal tubular epithelium (82.96±0.61%), multiple organ failure (66.96±0.77%), and generalized microcirculatory disorders with the development of COVID‑19‑associated coagulopathy (CAC) and disseminated intravascular coagulation (DIC) (64.50±0.78%). Phase‑specific features of disease progression were identified: in early mortality, necrosis of renal tubular epithelium was more frequent (83.96±0.70%), whereas in late mortality it was less common (77.97±2.04%; p=0.002). Alterative changes of internal organs and generalized microcirculatory disorders were most often observed in patients with intermediate hospitalization
periods of 15–21 days (70.88±1.85% and 68.05±1.90%). Among comorbidities, chronic ischemic heart disease (83.12±0.61%), arterial hypertension (73.13±0.72%), and type II diabetes mellitus (17.28±0.62%) predominated, with type II diabetes and grade III–IV obesity occurring significantly more often in women (p<0.001). A relationship between hospitalization duration and comorbid pathology was revealed: type II diabetes was present in every fourth patient with prolonged hospitalization (>22 days) (23.73±2.09%), whereas it was significantly less frequent in shorter stays (up to 14 days) (16.04–18.47%; p<0.05). Patients with grade III–IV obesity more often died
within the first 14 days (7.91±0.52% vs. 5.16±0.90% at 15–21 days; p=0.020). For the first time, risk factors for lethal outcomes of COVID‑19 in the Ukrainian population were identified: the probability of early death increased by 20.0% in elderly individuals (RR=1.20; p=0.002) and by 11.31% in men (RR=1.11; p=0.047). The highest risks were associated with hypoxic encephalopathy (RR=1.63), pulmonary edema (RR=1.29), hepatic steatosis with
massive hepatocyte necrosis (RR=1.20), necrosis of renal tubular epithelium (RR=1.20), grade III–IV obesity (RR=1.32), and ischemic stroke (RR=1.27). A phase‑specific relationship between PCR positivity and risk of death was established: in the intermediate phase (15–21 days), PCR positivity was associated with a 10.29% increase in mortality (RR=1.10; p=0.001), while in the late phase (>22 days) it correlated with higher frequencies of ARDS and MOF, indicating the pathogenetic impact of prolonged viral replication on the severity of lung injury
and systemic complications. In the late phase, the greatest impact was exerted by pulmonary fibrosis (RR=1.95; p<0.001), bilateral fibrinous pleuritis (RR=1.10; p=0.028), bronchopneumonia (RR=1.04; p=0.002), and hematopoietic tumors (RR=1.13; p=0.047), while arterial hypertension maintained a significant influence
on mortality even in late stages (RR=1.05; p<0.001). For the first time in Ukraine, phase‑specific pathomorphological, immunohistochemical, and ultrastructural changes of lung tissue in COVID‑19‑associated pneumonia have been substantially supplemented and systematized, encompassing the exudative, proliferative, and organizational stages of diffuse alveolar damage. A unique combination of massive macrophage
infiltration with low proliferative activity and phase‑dependent changes in blood cells and microcirculation was revealed, forming the morphological substrate of COVID‑19‑associated coagulopathy and the development of post‑COVID pulmonary fibrosis. In the early period (0–14 days), signs of acute damage to the alveolar–
capillary barrier predominated, including the formation of hyaline membranes, massive edema, neutrophilic infiltration, and microvascular thrombosis. The immunohistochemical profile was characterized by a dominant macrophage response (CD163⁺) with low proliferative activity (Ki‑67 ~5%), indicating limited reparative potential. Vascular changes included endotheliitis, vasculitis, and microthrombosis, confirmed by overexpression of CD34⁺, CD31⁺, and α‑SMA⁺. In the proliferative phase (15–21 days), active reparative processes were observed: fibroblast proliferation, interstitial edema, squamous metaplasia, and the formation of “young” fibrosis. The immunohistochemical profile demonstrated massive macrophage infiltration (CD68⁺, CD163⁺), weak T‑ and B‑cell responses (CD3⁺, CD8⁺, CD20⁺), low proliferative activity (Ki‑67 <5%), and occasional TTF‑1⁺ cells, reflecting limited epithelial regeneration. Vascular changes included persistent inflammation, fibrinoid necrosis, and thrombotic lesions with features of sclerosis and obliteration of luminal spaces. In the late organizational phase (≥22 days), remodeling processes intensified, with massive fibroblast proliferation, formation of immature
connective tissue, pneumofibrosis, and disruption of alveolar architecture. The immunohistochemical profile was characterized by predominance of CD163⁺ macrophages, low proliferative activity (Ki‑67), limited epithelial regeneration (occasional TTF‑1⁺ cells), and absence of CD44⁺. Vascular changes included organizing thrombi, angiomatous alterations, arteriosclerosis, and neoangiogenesis, indicating chronic progression with a high risk of post‑COVID fibrosis, COVID‑associated vasculopathy, and pulmonary hypertension. We identified hyperexpression of α‑SMA in pulmonary vascular smooth muscle cells, serving as a marker of their contractile phenotype and indicating the development of mesenchymal–mesenchymal transformation. These changes confirm active vascular wall remodeling and explain the pathogenetic basis of post‑COVID pulmonary hypertension and interstitial fibrosis
Comprehensive electron‑microscopic examination of lung tissue and blood cells from patients who died of severe COVID‑19 allowed us to systematize and expand the description of phase‑specific ultrastructural changes. Total necrosis of type II alveolocytes with destruction of organelles and lamellar bodies was established in the early period, the appearance of syncytial structures and giant cells in the proliferative phase, and irreversible remodeling of alveolar architecture with metaplasia and cytomegaly in the late phase. Vascular changes (stasis,
microthrombosis, endotheliitis, thrombo‑vasculitis) together with persistent immune activation form the morphological substrate of ARDS, COVID‑19‑associated coagulopathy (CAC), and progressive interstitial fibrosis.
Phase‑specific blood cell damage was also identified — ranging from osmotic instability and hemolysis of erythrocytes in the early period to polymorphic pathological forms and profound degenerative changes of neutrophils in the late phase, confirming the key role of endothelial dysfunction and coagulation imbalance in the pathogenesis of COVID‑19‑associated coagulopathy. A critical period (15–21 days) was established, during which the combination of alterative changes in microvessels and parenchyma creates a “vicious circle” of pathological progression. This is manifested by persistent endotheliitis and microthrombosis, alteration of type II alveolocytes with organelle destruction, interstitial edema, and fibroblast proliferation, initiating fibrogenesis.
The immunohistochemical profile confirmed massive macrophage infiltration with weak T‑ and B‑cell responses, while electron‑microscopic studies revealed activation of neutrophils and platelets with the formation of NET‑traps. A novel concept of the ultrastructural substrate of NETs is proposed as the pathomorphological basis of CAC, combining neutrophil and platelet activation with fibrin structures. A direct cytopathic effect of SARS‑CoV‑2 on type II alveolocytes and endothelial cells was demonstrated, confirmed by the presence of virion‑like structures in the cytoplasm of these cells.
A new conceptual model of COVID‑19‑associated pneumonia has been developed, integrating data from light‑microscopic, immunohistochemical, and electron‑microscopic studies. This model explains the multilevel pathogenesis — from tissue‑level immune reactions to intracellular damage — that defines the
morphological substrate of acute respiratory distress syndrome (ARDS), coagulopathy, and progressive interstitial fibrosis. The obtained results enable refinement of diagnostic criteria for COVID‑19‑associated pneumonia, taking into account phase‑specific pathomorphology and immunohistochemical profiles. The identified ultrastructural features may serve as a basis for pathogenetically grounded approaches to the treatment and prevention of complications (ARDS, coagulopathy, fibrosis). Established risk factors (age, sex, comorbidities, PCR
status) are critical for patient stratification by prognosis and for optimizing intensive care strategies.
Keywords: COVID‑19, SARS‑CoV‑2, coronavirus pneumonia, diffuse alveolar damage (DAD), adult‑type acute respiratory distress syndrome (ARDS), COVID‑19‑associated coagulopathy (CAC), inflammation, NETs, pneumofibrosis