冠狀病毒感染對(duì)心血管系統(tǒng)的損傷及可能機(jī)制

王宇成， 陳瑞珍*， 熊丁丁

1. 上海市心血管病研究所，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院，上海 200032 2. Mercy Children’s Hospital, Ohio 43085, USA

冠狀病毒(coronavirus, CoVs)是一類具有包膜的RNA病毒。其中，SARS冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)和MERS冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)是人畜共患，具有高致病性的類型[1]。2019年出現(xiàn)的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)、2003年的SARS-CoV以及2015年的MERS-CoV的感染流行，同為21世紀(jì)以來發(fā)生的由CoVs引起的重大公共衛(wèi)生事件，對(duì)全球公共衛(wèi)生體系產(chǎn)生巨大沖擊。由于CoVs感染對(duì)人類健康危害巨大而目前仍無明確特異性治療措施，因此深入研究CoVs的致病作用和相關(guān)機(jī)制顯得尤為重要。

1 CoVs感染導(dǎo)致的相關(guān)心臟損傷

CoVs感染主要累及肺部，引起肺間質(zhì)性改變和急性呼吸窘迫綜合征。而CoVs對(duì)心血管的損傷作用同樣不容忽視。在2020年1月2日前確診的41例COVID-19患者中，有5例(12%)患者發(fā)生了SARS-CoV-2相關(guān)的心臟損傷，這些患者表現(xiàn)為心肌損傷標(biāo)志物升高和新發(fā)心電圖和心超檢查征象改變[2]。并且，心臟損傷與COVID-19病情的輕重也有顯著相關(guān)性。重癥患者和輕癥患者相比，心肌酶譜升高和心電圖異常表現(xiàn)具有顯著差異[3]。在一項(xiàng)包括135例SARS-CoV感染患者的研究中(包括輕癥患者59例，重癥患者76例)，輕重癥患者心電圖異常率分別為7.1%和24.3%；其中心律失常的發(fā)生率分別為12.5%和20.3%，心肌缺血發(fā)生率分別為3.6%和15.1%[4]。另外，心肌酶譜包括乳酸脫氫酶(LDH)和α-羥丁酸脫氫酶(HBDH)等在重癥患者中顯著增高(P<0.01)[4]。心律失常的產(chǎn)生可能與SARS-CoV侵犯心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)有關(guān)[5]。CoVs感染后心肌組織切片還可見巨噬細(xì)胞浸潤等炎癥性改變[6]，而且CoVs引起的全身系統(tǒng)性毒性改變也可累及心臟[7]。故CoVs引起的心臟損傷并非罕見，其發(fā)生與病情的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。

同時(shí)，病毒感染引起的心肌損傷常提示患者心功能異常和不良預(yù)后的發(fā)生。在一項(xiàng)針對(duì)321位H7N9流感病毒感染患者的研究中，和無心臟損傷患者相比，心臟損傷患者群體具有更低的PaO2/FiO2，更高的急性生理和慢性健康評(píng)估Ⅱ得分(acute physiology and chronic health evaluation Ⅱ score)，更久的ICU治療時(shí)間和更高的院內(nèi)死亡率[8]。由于CoVs相關(guān)心臟損傷是CoVs感染的一個(gè)嚴(yán)重并發(fā)癥，但具體發(fā)生機(jī)制未明，故本文將對(duì)CoVs引起心臟損傷的可能機(jī)制進(jìn)行探討。

2 CoVs對(duì)心臟損傷作用的可能機(jī)制

2.1 CoVs于心臟復(fù)制并直接損傷 病毒感染宿主細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制，并裂解細(xì)胞釋放更多的病毒。病毒在心肌細(xì)胞定位與繁殖，會(huì)對(duì)心臟造成損傷?？滤_奇病毒(coxsackie virus)作為一種單鏈RNA病毒，可以直接感染并損傷心肌細(xì)胞。研究表明[9]，感染高載量的柯薩奇病毒的心肌組織會(huì)在組織層面形成更嚴(yán)重的心肌病變，并向血清釋放更多的心肌損傷標(biāo)志物[如心臟肌鈣蛋白(cTnI)和肌酸激酶同工酶MB型(CK-MB)]。近年已有多項(xiàng)研究為CoVs在心臟中的復(fù)制提供了證據(jù)。一項(xiàng)研究通過對(duì)SARS感染后死亡患者的多器官組織樣本分析發(fā)現(xiàn)，約有40%的患者心肌標(biāo)本可檢出CoVs，并且估算得到每克心臟組織中，最大病毒載量為2.8×107拷貝；中位病毒載量為3.2×104拷貝[10]。另一項(xiàng)針對(duì)尸檢組織中SARS-CoV的時(shí)間和空間分布的研究發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV RNA水平相對(duì)穩(wěn)定，與死亡患者的病程長短無直接關(guān)系；且與上一研究估算得到的病毒載量結(jié)果相近[11]。CoVs還可以感染心臟內(nèi)特殊細(xì)胞(如竇房結(jié)細(xì)胞)，通過對(duì)SARS-CoV核酸原位雜交染色發(fā)現(xiàn)，竇房結(jié)內(nèi)部分特殊心肌細(xì)胞群存在病毒[5]。這也可以部分解釋重癥SARS-CoV感染患者合并心律失常者明顯增多。由于CoVs與柯薩奇病毒同屬于單鏈RNA病毒，并且CoVs可以在心肌細(xì)胞內(nèi)復(fù)制，由此推測，其對(duì)心肌的損傷有可能類似柯薩奇病毒對(duì)心肌的直接損傷作用。另一方面，CoVs感染心臟的途徑雖然未明，但是血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)作為受體在心臟組織高水平表達(dá)，可能為CoVs感染提供了條件[12]。通過對(duì)CoVs感染表達(dá)或不表達(dá)ACE2的細(xì)胞熒光染色實(shí)驗(yàn)顯示，ACE2同為SARS-CoV和SARS-COV-2的細(xì)胞表面受體。而其他一些CoVs受體如HCoV-229E受體氨肽酶N(aminopeptidase N，APN) 和 MERS-CoV受體二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4，DPP4)則不參與SARS-CoV-2感染細(xì)胞過程[13-14]。病毒的棘突通過受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(receptor-binding domain，RBD)與細(xì)胞表面的ACE2分子結(jié)合，發(fā)生膜融合和胞內(nèi)吞效應(yīng)，使病毒進(jìn)入細(xì)胞[15]。然而，也有研究則得到與之前相反的結(jié)論，即感染者心臟組織中無法檢測出CoVs[16]。

2.2 CoVs激活腎素血管緊張素(RAS)系統(tǒng) 在RAS系統(tǒng)中，ACE將血管緊張素Ⅰ(angiotensin Ⅰ，Ang Ⅰ)轉(zhuǎn)化為Ang Ⅱ。Ang Ⅱ主要通過血管緊張素Ⅱ1型受體(Angiotensin Ⅱ receptor type 1，AT1)，發(fā)揮收縮血管的作用。

RAS系統(tǒng)激活與心血管疾病關(guān)系密切，血管收縮升高血壓，增加心臟負(fù)荷，從而加劇心臟損傷和引起心衰[17]。而ACE2作為ACE的一種同源酶，卻可抵抗ACE的生理作用。ACE2可以將Ang Ⅰ(Ang 1-10)去除1個(gè)殘基，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性的Ang 1-9[18]；但其主要催化效應(yīng)是將Ang Ⅱ(Ang 1-8)去除1個(gè)殘基轉(zhuǎn)變?yōu)锳ng 1-7，因?yàn)锳ng Ⅱ作為底物的催化效能是Ang Ⅰ作為底物的催化效能的400倍[19]。之后Ang 1-7結(jié)合Mas受體，來拮抗Ang Ⅱ結(jié)合AT1的效應(yīng)[20]。ACE2在機(jī)體應(yīng)激時(shí)，對(duì)于維持血壓穩(wěn)定，改善心肌收縮發(fā)揮重要作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，Ace2敲除的小鼠灌注Ang Ⅱ，和對(duì)照組相比，血壓水平顯著升高，而在基線狀態(tài)下，血壓水平未有顯著改變[21]；但是，如果在心臟和血管中過表達(dá)ACE2，則可顯著降低血壓水平，維持心肌缺血后心功能[22-23]。

SARS-CoV感染不僅降低肺ACE2的水平，引起呼吸衰竭[24]；感染心臟時(shí)，還可引起心臟ACE2表達(dá)水平下降[6]。具體而言，在CoVs感染細(xì)胞過程中，其棘突蛋白作為表面分子與細(xì)胞表面ACE2受體結(jié)合，而CoVs棘突蛋白也直接參與ACE2表達(dá)下調(diào)。在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中，敲低CoVs棘突蛋白的表達(dá)，ACE2的表達(dá)會(huì)隨之顯著下降，同時(shí)Ang Ⅱ水平則顯著上升，從而激活RAS系統(tǒng)[24]。

機(jī)制上，在CoVs感染細(xì)胞過程中，CoVs棘突蛋白作為表面分子與細(xì)胞表面ACE2受體結(jié)合，通過解體蛋白和金屬蛋白酶17 (A disintegrin and metalloproteinase 17，ADAM17)/腫瘤壞死因子α轉(zhuǎn)換酶(Tumor necrosis factor alpha converting enzyme，TACE)依賴途徑，ACE2受體從細(xì)胞表面脫落[25]。ACE2受體脫落，可能是ACE2在細(xì)胞表面下調(diào)的原因。然而，這一現(xiàn)象只是病毒感染的伴隨過程，對(duì)病毒的復(fù)制并無顯著影響[26]。但細(xì)胞外液中的ACE2可以與病毒顆粒結(jié)合，阻斷傳染性子代病毒進(jìn)入細(xì)胞；故ACE2受體脫落可能減輕病毒在機(jī)體的擴(kuò)散[27]。

總之，CoVs感染機(jī)體，下調(diào)ACE2，激活RAS系統(tǒng)，增強(qiáng)Ang Ⅱ收縮血管效應(yīng)，減弱Ang 1-7保護(hù)心臟效應(yīng)，增加CoVs對(duì)心臟損傷的作用。

2.3 CoVs感染誘發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴和心臟免疫炎癥反應(yīng) 細(xì)胞因子風(fēng)暴(cytokine storm)又名高細(xì)胞因子血癥(hypercytokinemia)，是某種刺激(如感染或過敏反應(yīng))，引起機(jī)體免疫系統(tǒng)過度激活，細(xì)胞因子過度釋放，產(chǎn)生全身炎癥反應(yīng)的病理現(xiàn)象。細(xì)胞因子風(fēng)暴一詞最早被用于描述移植物對(duì)抗宿主反應(yīng)[28]。而病毒作為強(qiáng)致病的病原體，嚴(yán)重感染機(jī)體后可能引發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴，主要分為2步：(1)病毒感染局部組織器官，病毒成分作為病原相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)被固有免疫系統(tǒng)模式識(shí)別受體(Pattern recognition receptor，PRR)識(shí)別，激活下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)，局部結(jié)構(gòu)細(xì)胞和固有免疫細(xì)胞分泌多種細(xì)胞因子；(2)上一過程產(chǎn)生的細(xì)胞因子募集效應(yīng)細(xì)胞以清除病毒，此過程中，效應(yīng)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生和釋放第2波細(xì)胞因子[29]。過多分泌的細(xì)胞因子還可通過循環(huán)系統(tǒng)，激活全身各器官免疫系統(tǒng)，引起全身炎癥反應(yīng)[30]。

CoVs感染是否可以誘發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴？在一項(xiàng)研究中， SARS-CoV-2感染者血漿中白細(xì)胞介素1β、干擾素γ(IFN-γ)、干擾素誘導(dǎo)蛋白-10(IP-10)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)等促炎因子水平顯著升高[2]。隨后進(jìn)一步更大樣本研究發(fā)現(xiàn)，患者血漿炎癥指標(biāo)明顯升高；約86%的患者血漿C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein, CRP)水平升高，85%的患者紅細(xì)胞沉降率升高，52%的患者IL-6升高[31]。這些研究均提示，病毒感染細(xì)胞，誘發(fā)細(xì)胞因子分泌并釋放入血，引起細(xì)胞因子風(fēng)暴。另一項(xiàng)研究通過對(duì)SARS-CoV感染患者升高的細(xì)胞因子進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子風(fēng)暴產(chǎn)生主要和IFN-γ相關(guān)[32]。在體外實(shí)驗(yàn)中，SARS-CoV感染肺泡上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞(Dendritic Cell，DC)，也可促進(jìn)如IFN、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、IL-6等促炎細(xì)胞因子釋放[33-35]。機(jī)制上，病毒棘突蛋白可作為一種PAMP，通過被toll-like receptor 2(TLR2)識(shí)別，激活NF-κB通路，促進(jìn)固有免疫細(xì)胞產(chǎn)生和分泌炎癥因子[36]。同樣，SARS-CoV單鏈RNA作為另一種PAMP，通過被細(xì)胞表面TLR7或TLR8識(shí)別，促進(jìn)如TNF-α、IL-6、IL-12等細(xì)胞因子分泌[37]。并且，由于病毒感染和情緒緊張，機(jī)體兒茶酚胺分泌增加，從而進(jìn)一步維持細(xì)胞因子風(fēng)暴[38]。

隨著大量細(xì)胞因子釋放入血隨血流到達(dá)心臟，對(duì)心血管系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。其中，TNF-α和IL-1β可以抑制心肌收縮[39]，從而造成心肌供血的減少。另一方面，細(xì)胞因子也可以直接損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞，增加血管通透性[40]。TNF-α還可以激活凝血系統(tǒng)，促進(jìn)血栓形成[41]。這些效應(yīng)可協(xié)同進(jìn)一步加重心肌的缺血。心臟含有多種免疫細(xì)胞，包括組織特異性巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞、NK細(xì)胞和DC細(xì)胞等[42]。炎性細(xì)胞因子的刺激可激活心臟免疫系統(tǒng)。如IFN-γ通過激活心臟局部免疫細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞)，產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species, ROS)等細(xì)胞有毒物質(zhì)[43]，并啟動(dòng)心臟炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致心臟損傷。

2.4 CoVs感染引起心臟損傷其他機(jī)制 (1)低氧血癥：CoVs感染肺部，引起急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)，導(dǎo)致全身缺氧和低氧血癥。心臟作為體內(nèi)高能耗器官，缺氧可影響心肌細(xì)胞的有氧代謝過程。氧化磷酸化反應(yīng)受損使細(xì)胞ATP產(chǎn)生減少，心肌細(xì)胞能量供應(yīng)不足，導(dǎo)致心肌損傷。(2)兒茶酚胺心臟毒性：CoVs感染后患者的精神緊張、情緒波動(dòng)，會(huì)引起交感神經(jīng)系統(tǒng)過度興奮，兒茶酚胺分泌增多。兒茶酚胺對(duì)心臟具有毒性作用。(3)腎上腺素刺激可導(dǎo)致環(huán)磷酸腺苷(cAMP)介導(dǎo)的心肌細(xì)胞鈣超載[44]。(4)心臟交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)也被認(rèn)為是室性心律失常和心臟性猝死發(fā)生的重要因素[45]。

3 小 結(jié)

本文著重探討了CoVs感染引起心肌損傷主要的潛在機(jī)制。當(dāng)然，CoVs對(duì)心臟的損傷還可能與患者自身因素(如年齡、基礎(chǔ)慢性疾病以及吸煙等)相關(guān)[31]。所以CoVs對(duì)心臟損傷的機(jī)制仍需要進(jìn)一步深入研究來揭示。由于尚無針對(duì)CoVs的特異性治療藥物，目前針對(duì)感染合并心臟損傷的并發(fā)癥仍然以對(duì)癥支持治療為主。然而，結(jié)合本文所探討的主要機(jī)制，特異性抗CoVs活性藥物、RAS系統(tǒng)阻斷劑、抗炎藥物和細(xì)胞因子抑制劑或許可以對(duì)CoVs感染引起心臟并發(fā)癥發(fā)揮治療作用。