新型冠狀病毒對(duì)肺氣血屏障結(jié)構(gòu)和功能的影響及機(jī)制研究進(jìn)展

邢越 王健 陳豫欽

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科 廣州呼吸健康研究院 呼吸疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家呼吸系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 廣東省血管疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室510120

新型冠狀病毒肺炎 (COVID-19)是由嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 (severe acute respiratory syndr o me coronavirus 2,SARS-Co V-2)感染引起的急性呼吸道傳染性疾病,能夠通過飛沫、氣溶膠、接觸及糞口途徑發(fā)生人與人之間的傳播,其全球大流行對(duì)世界公共衛(wèi)生安全造成了巨大威脅[1]。病毒的高復(fù)制及其對(duì)氣血屏障的破壞是低氧血癥進(jìn)展至呼吸衰竭的重要原因[2-3]。有研究發(fā)現(xiàn)COVID-19康復(fù)患者出院1 個(gè)月后仍有不同程度的肺功能下降,尤其重癥患者康復(fù)后肺總量和肺彌散功能下降更顯著,提示SARS-Co V-2感染后可能長(zhǎng)期存在某些病理改變,持續(xù)破壞肺泡結(jié)構(gòu)和氣血屏障功能,導(dǎo)致病毒感染后遺癥的發(fā)生。因此闡明SARS-Co V-2對(duì)肺氣血屏障結(jié)構(gòu)與功能的影響及機(jī)制對(duì)于COVID-19的臨床救治及康復(fù)管理具有重要意義。

1 COVID-19的病理改變及新型冠狀病毒的入侵機(jī)制

肺氣血屏障是氣體交換的必要生理結(jié)構(gòu),是肺換氣的執(zhí)行場(chǎng)所和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),氣血屏障將空氣腔 (肺泡腔)與血液腔 (毛細(xì)血管腔)分開,以保障氧氣和二氧化碳在空氣和血液之間有效擴(kuò)散,同時(shí)幫助維持肺泡的穩(wěn)定性,防止肺泡過度膨脹或塌陷[4-5]。我國開展的病理研究結(jié)果提示,在大體組織上可觀察到COVID-19患者肺組織變硬,表面有片狀出血灶、出血區(qū)及瘀斑,支氣管內(nèi)充滿膠凍狀血性滲出物[6-7]。鏡下均以彌漫性肺泡損傷為主要表現(xiàn)[8],肺泡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的破壞而失去完整性,同時(shí)伴有Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞增生,透明膜形成,部分肺泡腔內(nèi)纖維蛋白沉積伴不同程度的機(jī)化,嚴(yán)重者甚至有彌漫性肺泡出血,肺間質(zhì)明顯水腫,伴毛細(xì)血管微血栓形成[9]。同時(shí)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)肺泡周圍巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)、間充質(zhì)細(xì)胞和成纖維細(xì)胞增殖[10],提示在感染急性期時(shí),SARS-Co V-2可直接或間接損傷肺泡和肺微循環(huán),誘導(dǎo)高度炎癥反應(yīng),嚴(yán)重破壞肺氣血屏障,直接導(dǎo)致患者病情迅速進(jìn)展甚至死亡。

目前研究發(fā)現(xiàn),SARS-Co V-2 屬于β冠狀病毒屬,是有包膜的單股正鏈RNA 病毒,基因全長(zhǎng)約29.9 kb,和嚴(yán)重急性呼吸綜合征病毒 (severe acute respiratory syndrome cor onavir us,SARS-Co V)、中東呼吸系統(tǒng)綜合征病毒(Middle East respiratory syndro me coronavir us,MERSCo V)的基因組序列有高度一致性[11-12]。其表面由4種結(jié)構(gòu)蛋白組成,包括刺突蛋白 (S)、病毒包膜 (E)、基質(zhì)蛋白 (M)和核蛋白 (N),以及16種非結(jié)構(gòu)蛋白和一些輔助蛋白。與SARS-Co V 一樣,SARS-Co V-2侵入細(xì)胞取決于S蛋白,其S1 亞基可通過受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (receptor binding do main,RBD) 與 血 管 緊 張 素 轉(zhuǎn) 換 酶 2(angiotensin converting enzy me 2,ACE2)的肽酶結(jié)構(gòu)域結(jié)合,并利用宿主細(xì)胞表面的絲氨酸蛋白酶 (T MPRSS2)激活S2亞基[13],介導(dǎo)病毒-細(xì)胞膜融合[14-16]。SARS-Co V-2 S蛋白的RBD 和SARS-Co V 的序列相似度達(dá)到82%,與SARS-Co V 相比較,SARS-Co V-2 S 蛋白有一部分氨基酸殘基不同,可能是導(dǎo)致SARS-Co V-2和ACE2的結(jié)合力更高的原因,從而具有更強(qiáng)的傳染性。與膜融合后,病毒基因組RNA 被釋放到細(xì)胞質(zhì)中,而未包被的RNA 則翻譯2種多蛋白 (polyproteins,pp),即pp1a和pp1ab[17],它們編碼非結(jié)構(gòu)蛋白,并在雙膜囊泡中形成復(fù)制-轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。連續(xù)復(fù)制的復(fù)制-轉(zhuǎn)錄復(fù)合體合成并嵌套成亞基因組RNA,繼續(xù)編碼輔助蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白。新形成的全基因組RNA、N 蛋白和E蛋白組裝形成病毒顆粒芽[18]。最后,含病毒體的囊泡與質(zhì)膜融合以釋放病毒,以此往復(fù)循環(huán),在各器官組織細(xì)胞中復(fù)制。另外,Wang等[19]研究者發(fā)現(xiàn)S蛋白亦可結(jié)合宿主細(xì)胞CD147 受體,從而介導(dǎo)病毒進(jìn)入胞體。Chu等[20]在體外人肺細(xì)胞中鑒定了SARS-Co V-2可以利用硫酸乙酰肝素吸附和入侵宿主細(xì)胞,同時(shí)S蛋白上的f urinlike酶切位點(diǎn)是SARS-Co V-2 感染人肺細(xì)胞的關(guān)鍵位點(diǎn)。這些研究對(duì)SARS-Co V-2高效感染人肺的現(xiàn)象提供了新的機(jī)制理論。

2 SARS-Co V-2破壞氣血屏障的機(jī)制研究進(jìn)展

2.1 肺上皮細(xì)胞的形態(tài)與功能破壞是SARS-Co V-2攻擊人體的第一環(huán)節(jié) 氣道上皮細(xì)胞是病毒感染機(jī)體的第一道屏障。如前所述,SARS-Co V-2通過ACE2受體和T MPRSS2酶入侵宿主細(xì)胞。有研究者試圖通過檢測(cè)細(xì)胞ACE2 和T MPRSS2表達(dá)量的差異來尋找病毒感染的細(xì)胞類型,結(jié)果顯示鼻腔杯狀分泌細(xì)胞、肺纖毛細(xì)胞、Ⅱ型肺上皮細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞可檢測(cè)到ACE2 和T MPRSS 的RNA 高表達(dá)[21-22]。在肺組織的氣道上皮細(xì)胞、肺泡上皮細(xì)胞、肺血管內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中均能檢測(cè)到ACE2的表達(dá)[23-24]。Zhao等[25]研究分析了43 000多名健康人肺單細(xì)胞RNA 測(cè)序數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)肺83%的ACE2分布在Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞表面。以上研究結(jié)果提示,SARS-Co V-2 主要靶細(xì)胞可能為氣道上皮細(xì)胞。在體外模型實(shí)驗(yàn)中,Zhu等[26]發(fā)現(xiàn)SARSCo V-2比普通冠狀病毒具有更廣泛的氣道上皮細(xì)胞噬性,并利用超微顯微鏡觀察到其感染誘導(dǎo)人氣道上皮細(xì)胞發(fā)生一系列形態(tài)學(xué)改變和細(xì)胞病理效應(yīng),包括巨大合體細(xì)胞的形成,細(xì)胞緊密連接的破壞,細(xì)胞纖毛排列紊亂和細(xì)胞器異常聚集,并可見細(xì)胞融合呈串珠樣,伴大量上皮細(xì)胞凋亡及上皮基底完整性被破壞等。提示SARS-Co V-2可直接造成氣道上皮損傷,從而破壞呼吸道上皮的抵御功能。臨床觀察和病理解剖結(jié)果表明,重癥COVID-19患者呼吸道會(huì)產(chǎn)生大量黏液,堵塞支氣管和小氣道,使正常呼吸氣體交換受阻[27],加重肺部感染。He等[28]利用COVID-19患者的肺泡灌洗液經(jīng)行單細(xì)胞RNA 測(cè)序,發(fā)現(xiàn)黏蛋白相關(guān)基因MUC5 AC、MUC5B 等及促黏蛋白形成相關(guān)基因TFF3、TGM2在氣道上皮細(xì)胞中顯著高表達(dá),這與Lu等[29]研究結(jié)果一致。除黏蛋白外,研究者們同時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)控纖毛生成及結(jié)構(gòu)相關(guān)基因如FOXJ1、RFX3、IFT27、DNAI2等表達(dá)顯著下降,提示SARS-Co V-2感染后通過多種途徑增加氣道上皮細(xì)胞的分泌,同時(shí)纖毛活性降低,導(dǎo)致氣道黏液異常堆積,影響肺通氣功能,誘發(fā)ARDS和呼吸衰竭的發(fā)生。上述因素在COVID-19疾病進(jìn)展中對(duì)氣道上皮結(jié)構(gòu)的破壞和功能的調(diào)節(jié)起著重要的作用,對(duì)肺通氣、換氣功能有重要的影響,這些因素對(duì)肺泡上皮的作用及其具體機(jī)制尚缺乏研究。

2.2 SARS-Co V-2對(duì)肺血管的破壞是疾病加重的重要病理生理環(huán)節(jié) 臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)SARS-Co V-2感染還伴隨著肺血管的并發(fā)癥如肺動(dòng)脈栓塞。血管損傷和血栓形成是COVID-19導(dǎo)致氣血屏障損傷的重要機(jī)制之一。多國臨床研究發(fā)現(xiàn),在COVID-19重癥患者中肺動(dòng)脈栓塞的發(fā)生率為8.3%～31%[30-31],顯著高于其他類型冠狀病毒感染的重癥患者[32]。部分住院COVID-19患者表現(xiàn)為D-二聚體和纖維蛋白原升高,且這部分患者有更高的死亡風(fēng)險(xiǎn)[33-34]。這可能與SARS-Co V-2導(dǎo)致肺血管炎癥、肺血管內(nèi)皮功能障礙和彌散性血管內(nèi)凝血有關(guān)。病理研究提示患者肺表面布滿出血點(diǎn)和瘀斑,肺組織變硬,支氣管內(nèi)、肺泡內(nèi)充滿大量膠凍狀血性滲出物,鏡下有肺小動(dòng)脈微血栓形成、毛細(xì)血管充血、出血和滲出等改變,肺間質(zhì)水腫,炎癥細(xì)胞浸

潤(rùn)[8-9],直接證實(shí)了COVID-19 患者肺血管內(nèi)微血栓的形成。Varga等[35]通過電子顯微鏡觀察到COVID-19患者的肺小血管內(nèi)皮細(xì)胞中含有病毒包涵體和凋亡小體,炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)導(dǎo)致的內(nèi)皮炎,提示病毒可通過直接感染內(nèi)皮細(xì)胞或介導(dǎo)血管炎癥反應(yīng),募集炎癥細(xì)胞,從而導(dǎo)致廣泛的、與細(xì)胞凋亡相關(guān)的內(nèi)皮損傷,引起系統(tǒng)性微循環(huán)功能障礙。Acker mann等[36]比較了COVID-19和H1 N1的肺部病理表現(xiàn),結(jié)果表明COVID-19患者具有獨(dú)特的血管特征,表現(xiàn)為嚴(yán)重的內(nèi)皮損傷、肺泡-血管屏障破壞和微血栓形成,且這些血栓的數(shù)量是死于流感人群的9倍。許多危重患者同時(shí)表現(xiàn)出細(xì)胞因子風(fēng)暴的征兆。肺組織中IL-6、腫瘤壞死因子α(tu mor necrosis factor alpha,TNF-α)、ICA M-1和Caspase-1等炎癥因子的表達(dá)明顯高于H1 N1[37]。高水平的細(xì)胞因子會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙,進(jìn)而引發(fā)肺毛細(xì)血管床血管擴(kuò)張,從而導(dǎo)致彌散性血管內(nèi)凝血,加劇破壞性過程[38]。通過破壞血管內(nèi)皮細(xì)胞,冠狀病毒感染有可能導(dǎo)致肺循環(huán)血液高凝,進(jìn)一步加速微循環(huán)血栓的形成,使肺部獲得氧氣能力降低,提示肺泡膜的損傷特別是肺血管的損傷很可能是COVID-19患者肺彌散功能下降的重要原因。

2.3 SARS-Co V-2致肺纖維化是造成肺血?dú)馄琳辖Y(jié)構(gòu)與功能長(zhǎng)期破壞的重要原因 肺纖維化是呼吸道病毒感染后常見的預(yù)后結(jié)果,但在SARS-Co V-2 感染后似乎更為常見。COVID-19肺部早期病理變化表現(xiàn)為病毒性間質(zhì)性肺炎[8]。目前針對(duì)COVID-19 患者較長(zhǎng)時(shí)間的臨床隨訪研究發(fā)現(xiàn),部分患者胸部CT 出現(xiàn)肺間質(zhì)纖維化[39],肺小葉間隔增厚與病情進(jìn)展相關(guān)[40],可能與SARS-Co V-2廣泛破壞肺泡上皮細(xì)胞和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞有關(guān)。病毒對(duì)氣血屏障的破壞可能還會(huì)引發(fā)慢性肺血管和氣道的重塑,從而導(dǎo)致肺纖維化,最終導(dǎo)致不可逆的限制性肺功能惡化和死亡,但其機(jī)制尚不明確。此外,大量并發(fā)ARDS的重癥COVID-19患者在治療過程中使用有創(chuàng)機(jī)械通氣以維持呼吸功能,但有學(xué)者提出呼吸機(jī)相關(guān)的應(yīng)力性肺損傷可能在原發(fā)病基礎(chǔ)上對(duì)肺造成二次打擊,加重ARDS,促進(jìn)肺纖維化的發(fā)生[41-42]。SARS-Co V-2進(jìn)入呼吸道后,激活的巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的非特異免疫反應(yīng)是人體防御系統(tǒng)的第一道防線。Huang等[43]研究者通過與輕癥患者相比較,觀察到在重癥患者血漿中IL-2、IL-7、IL-10、TNF-α、粒細(xì)胞集落刺激因子、干擾素誘導(dǎo)蛋白10、單核細(xì)胞趨化蛋白1、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白1a表達(dá)顯著增加,提示存在高度激活的非特異性免疫應(yīng)答反應(yīng)。肺部巨噬細(xì)胞在γ-干擾素、TNF-α誘導(dǎo)下分泌的IL-12、i NOS、TNF-α、IL-1β、IL-23、IL-6 等 炎 癥 因子[44],具有強(qiáng)大的介導(dǎo)炎癥和組織損傷的作用,可能是導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴的驅(qū)動(dòng)因素[45-46]。Li等[47]對(duì)COVID-19患者外周血單核細(xì)胞進(jìn)行了蛋白質(zhì)組分析,發(fā)現(xiàn)病毒的非結(jié)構(gòu)蛋白10通過激活NF-κB通路,誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分泌IL-6、IL-8,介導(dǎo)中性粒細(xì)胞趨化,導(dǎo)致患者免疫應(yīng)答過激。對(duì)COVID-19患者不同器官的蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)肺部組織蛋白酶L1比ACE2上調(diào)更顯著,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了高表達(dá)的系統(tǒng)性免疫炎癥因子[48]。長(zhǎng)期處于這種高水平細(xì)胞因子平衡狀態(tài)下,會(huì)出現(xiàn)以正常組織持續(xù)損傷和反復(fù)修復(fù)為特征的病理性修復(fù),從而形成 “瘢痕”,最終導(dǎo)致組織纖維化,氣血屏障增厚,阻滯肺泡和微循環(huán)的氣體交換[49]。SARS-Co V-2導(dǎo)致肺纖維化的機(jī)制未明,這是關(guān)乎COVID-19患者長(zhǎng)期預(yù)后和康復(fù)的重要研究方向,亟待進(jìn)行研究攻關(guān)闡明機(jī)制。

3 總結(jié)與展望

綜上所述,SARS-Co V-2 對(duì)肺氣血屏障的直接及間接的功能及結(jié)構(gòu)性破壞,是導(dǎo)致COVID-19疾病進(jìn)展及患者死亡的重要原因。經(jīng)過全球的科研攻關(guān),目前已陸續(xù)揭示了SARS-Co V-2的分子結(jié)構(gòu)及侵入機(jī)制,研發(fā)出了抗擊COVID-19的疫苗。但SARS-Co V-2仍在全球范圍內(nèi)傳播,有些國家已出現(xiàn) “第二次疫情”,且其對(duì)人體的長(zhǎng)期危害未知,因此加強(qiáng)國際合作,進(jìn)一步深入研究COVID-19的肺泡上皮細(xì)胞損傷與肺間質(zhì)微血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷的機(jī)制,明確哪些因素在COVID-19中起著主要作用對(duì)于我們制定更合理的疾病防治策略,尋找更有效的患者救治方案,研究更科學(xué)的患者康復(fù)管理模式都具有十分重要的意義。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突