基于新冠肺炎病理生理機制的治療策略

高鈺琪

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)高原軍事醫(yī)學(xué)系， 極端環(huán)境醫(yī)學(xué)教育部重點實驗室， 軍隊高原醫(yī)學(xué)重點實驗室，重慶 400038)

自新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)發(fā)生以來，疫情迅速蔓延，截至2020年3月11日，全國累計確診病例80 955例，累計死亡病例3 162例。鑒于COVID-19對公眾健康的危害極大，各級政府、衛(wèi)生防疫、醫(yī)療、科研部門高度重視，圍繞病原體鑒定、溯源、病例篩查、人群隔離、疾病診斷、疫苗和新藥，以及治療方案等開展了大量研究。國家衛(wèi)生健康委員會制定了《新型冠狀病毒肺炎診療方案》，并已修訂至第七版，對指導(dǎo)臨床診治發(fā)揮了積極作用[1]。由于該病為新發(fā)傳染病，對其發(fā)病機制缺乏深入認識，尚缺乏特異有效的藥物和疫苗，治療措施多為對癥和支持治療。

COVID-19的基本病理生理機制是嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)與機體細胞膜上的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin-converting enzyme 2, ACE2)結(jié)合后，在進入細胞的同時，引起局部和全身的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、組織、細胞缺氧等，病程的發(fā)生發(fā)展和轉(zhuǎn)歸取決于損傷與抗損傷反應(yīng)的斗爭和力量對比，輕者可無明顯臨床癥狀，重者可發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)、膿毒癥休克、難以糾正的代謝性酸中毒和出凝血功能障礙及多器官功能衰竭等，嚴重者導(dǎo)致死亡。該病可表現(xiàn)為輕型、普通型、重型和危重型，其中80%以上病例為輕型和普通型[2]，重型和危重型的病例數(shù)較少，但救治難度大，病死率高。深入研究掌握新冠肺炎的發(fā)病機制，有針對性地及時阻斷或逆轉(zhuǎn)其病理性發(fā)展進程，阻止病情惡化，對提高治愈率、降低病死率具有重要意義。本文通過分析COVID-19的基本病理生理機制，重點探討預(yù)防和阻止普通型COVID-19向危重型發(fā)展轉(zhuǎn)化的抗炎、抗氧化和抗缺氧等干預(yù)策略，為臨床治療提供參考。

1 COVID-19的病因?qū)W和發(fā)生發(fā)展規(guī)律

1.1病因?qū)W 通過對COVID-19患者支氣管肺泡灌洗液的深度宏基因組測序證實，其病原體為一種新型冠狀病毒(2019 novel coronavirus, 2019nCoV)[3]。國際病毒分類委員會(International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV)基于病毒學(xué)分類原則、種系發(fā)生計算原理和已建立的病毒命名共識，發(fā)現(xiàn)引發(fā)肺炎的冠狀病毒為新發(fā)現(xiàn)病毒，且與引發(fā)SARS的冠狀病毒具有高度親緣性，因此將該病毒命名為SARS-CoV-2[4]。隨后，世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)將SARS-CoV-2引起的疾病命名為COVID-19。研究證明，SARS-CoV-2通過其表面刺突的S蛋白與細胞膜表面的ACE2結(jié)合侵染宿主細胞[5]，病毒在進入細胞后進行病毒復(fù)制、擴增、釋放的同時啟動機體的防御反應(yīng)和疾病過程。ACE2在人體各組織廣泛表達，在肺泡上皮、小腸上皮和血管內(nèi)皮細胞的表達尤為豐富，SARS-CoV-2感染人體后可引起以肺臟損傷為主的全身多器官損傷。

1.2COVID-19的基本臨床特征和轉(zhuǎn)歸 COVID-19病例多為輕型和普通，多數(shù)患者預(yù)后良好，約20%的患者病情嚴重。重癥患者多在發(fā)病1周后出現(xiàn)呼吸困難和/或低氧血癥，嚴重者可快速進展為ARDS、多器官衰竭等，危及生命[1]。研究顯示，在44 672例確診的COVID-19病例中，輕/中度患者36 160例，占80.9%，重度病例6 168例，占13.8%，危重病例2 087例，占4.7%，死亡1 023例，占危重病例的49%，占所有病例的2.29%。合并有心血管疾病、糖尿病、慢性呼吸道疾病、高血壓和癌癥患者的病死率較無合并癥者高得多[2]。對1 099例經(jīng)基因檢測確診COVID-19病例臨床特征的分析結(jié)果顯示，最常見的癥狀為發(fā)熱(87.9%)和咳嗽(67.7%)，少有腹瀉。入院時接受了CT檢查的840例中有76.4%顯示有肺炎表現(xiàn)，50%有磨玻璃樣改變，46%可見雙側(cè)片狀陰影。82.1%有淋巴細胞減少，36.2%血小板減少，5%入住ICU，15例(1.36%)死亡。嚴重肺炎是進入ICU、機械通氣或死亡的獨立危險因素。疾病的嚴重程度(血氧飽和度、呼吸頻率、白細胞/淋巴細胞及胸部CT改變)預(yù)示不良的臨床轉(zhuǎn)歸[6]。

雖然SARS-CoV-2刺突表面糖蛋白的氨基酸發(fā)生了一些改變，但總體上與SARS-CoV相似，都屬于SARS相關(guān)冠狀病毒，均以ACE2為結(jié)合受體，推測COVID-19可能與SRAS具有相同的或相似的病理變化[7]。對SARS患者的研究顯示，病毒復(fù)制主要發(fā)生于起病后1～2周內(nèi)，病毒載量在發(fā)病后10 d開始持續(xù)下降，但肺部情況的惡化卻也出現(xiàn)在這段時間，約20%患者發(fā)展為ARDS。發(fā)病后3周左右，所有患者IgG抗體陽性，咽拭子、肛拭子、血清等多種標(biāo)本病毒檢測均為陰性。即使是死亡病例，在病程后期肺內(nèi)也沒有明顯病毒復(fù)制[8]。對1例發(fā)病后2周死亡的COVID-19病理檢查結(jié)果也顯示，肺組織內(nèi)未見病毒包涵體，提示此時已沒有明顯的病毒復(fù)制[9]。

上述研究結(jié)果提示，SARS-CoV-2感染是COVID-19的始動因素，病情的嚴重程度與感染的病毒量和自身的免疫功能有關(guān)。大多數(shù)患者在輔助治療下可通過自身免疫功能清除病毒、修復(fù)炎性損傷而痊愈，少數(shù)患者病情嚴重，甚至死亡。

2 COVID-19的基本病理生理機制

COVID-19是由SARS-COV-2引起的以肺為主要靶器官的全身多器官損傷性疾病，其病理生理機制與SARS、中東呼吸窘迫綜合征(Middle East respiratory syndrome, MERS)等疾病相似，都涉及炎癥、發(fā)熱、缺氧、水、電解質(zhì)、酸堿平衡紊亂、休克等多個基本病理過程。免疫細胞過度活化、細胞因子風(fēng)暴(cytokine storm)、過度氧化應(yīng)激可能是COVID-19、SARS和MERS等疾病引起ARDS、膿毒癥休克及多器官衰竭，導(dǎo)致死亡的共同病理生理基礎(chǔ)。

2.1過度炎癥反應(yīng)與細胞因子風(fēng)暴 各種類型的病毒性肺炎嚴重時都引起嚴重肺損傷和ARDS。ARDS的主要病理特征是炎癥導(dǎo)致的肺微血管通透性增高，肺泡腔滲出富含蛋白質(zhì)的液體、進而導(dǎo)致肺水腫及透明膜形成。ARDS的本質(zhì)是多種炎癥細胞(巨噬細胞、中性粒細胞、血管內(nèi)皮細胞及血小板)及其釋放的炎癥介質(zhì)和細胞因子間接介導(dǎo)的肺臟炎癥反應(yīng)[10]。

ACE2是SARS-CoV-2的結(jié)合受體，SARS-CoV-2基因組第501位點堿基向T的特異突變增強了其與人體ACE2的結(jié)合能力[5]。ACE2在人體各組織廣泛表達，最豐富的是在肺泡上皮、小腸上皮和血管內(nèi)皮細胞。但此次COVID-19患者多以肺部表現(xiàn)為主，少有腹瀉，提示肺臟是SARS-CoV-2的主要靶器官[6]。病毒進入細胞后可誘導(dǎo)釋放單核細胞趨化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, GM-CSF)、巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)等細胞因子，與巨噬細胞表面的相應(yīng)受體結(jié)合使之活化?；罨木奘杉毎环矫婵赡技罅繂魏送淌杉毎?，一方面啟動特異性免疫反應(yīng)，同時產(chǎn)生釋放大量白細胞介素1β(interleukin-1β, IL-1β)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、IL-6、MCP-1等炎癥因子，引起組織損傷。MCP-1還可促進血管緊張素II(angiotensin II, Ang II)的合成進一步加重炎癥反應(yīng)[11]。Huang等[12]檢測了41例COVID-19病人(ICU病人13例，非ICU病人28例)血漿中27種炎癥免疫反應(yīng)細胞因子的表達，結(jié)果顯示，病人血漿中IL-1β、IL-1受體拮抗劑(IL-1 receptor antagonist, IL-1RA)、IL-7、IL-8、IL-9、IL-10、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)、粒細胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor, G-CSF)、GM-CSF、干擾素γ(interferon gamma，IFNγ)、干擾素誘導(dǎo)蛋白10(interferon-inducible protein 10, IP-10)、MCP-1、巨噬細胞炎癥蛋白1α(macrophage inflammatory protein-1 alpha, MIP1A)、巨噬細胞炎癥蛋白1α(macrophage inflammatory protein-1 beta, MIP1B)、血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor, PDGF)、TNF-α和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothlial growth factor，VEGF)的濃度均顯著高于正常成人，而ICU病人血漿中IL-2、IL-7、IL-10、G-CSF、IP-10、MCP-1、MIP1A和TNF-α的濃度顯著高于非ICU病人，提示炎癥風(fēng)暴與病人的嚴重程度密切相關(guān)。Xu等[9]報道了一例COVID-19死亡患者肺組織病理學(xué)檢查結(jié)果，雙肺顯示有彌散性肺泡損傷、透明膜形成、肺間質(zhì)中以淋巴細胞為主的單核細胞炎性浸潤等改變，其病理學(xué)特征與SARS和MERS高度相似；外周血流式細胞術(shù)檢測結(jié)果顯示，CD4+和CD8+T細胞顯著減少，但T細胞過度活化，CD4+T細胞中高度促炎的CCR4+CCR6+Th17增多，CD8+T細胞富含細胞毒性顆粒。

以往研究表明，病毒感染可通過激活核因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)、激活蛋白1(activator protein 1, AP1)及活化轉(zhuǎn)錄因子2(activating transcription factor 2, ATF2)等引發(fā)細胞因子大量分泌[13]。有關(guān)SARS-CoV-2感染后引發(fā)炎癥風(fēng)暴的具體機制尚不清楚，推測SARS-CoV-2感染后激活免疫細胞，釋放TNF-α、IL-1、干擾素、趨化因子等，介導(dǎo)大量免疫細胞向肺組織聚集浸潤，同時激活細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，啟動瀑布式炎癥級聯(lián)反應(yīng)，釋放大量細胞因子，并不斷激活更多的炎癥細胞，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致細胞因子風(fēng)暴。此外，SARS-CoV-2的敏感細胞受體ACE2本身也在炎癥反應(yīng)發(fā)生中發(fā)揮重要作用。ACE2的功能是將Ang I降解為Ang (1-9)，將Ang II降解為Ang (1-7)。Ang II是促炎分子，可直接結(jié)合于NF-κB促進炎癥細胞因子的轉(zhuǎn)錄表達。而Ang (1-7)可與其特異的Mas受體結(jié)合調(diào)控磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate, PIP3)/AKT和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase, ERK)信號通路發(fā)揮抗炎效應(yīng)[14]。在ACE/Ang II誘導(dǎo)的肺損傷模型中，隨著NF-κB的活化，細胞間粘附分子1(intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)表達增多，導(dǎo)致血管通透性增加，肺水腫程度加重[15]。冠狀病毒與ACE2結(jié)合導(dǎo)致ACE2可用數(shù)量減少，Ang II轉(zhuǎn)換為Ang (1-7)的過程受抑，而Ang I經(jīng)ACE生成的Ang II不斷增加，導(dǎo)致Ang II的堆積而加重炎癥反應(yīng)[16]。

2.3低氧血癥 缺氧可損傷多種器官、組織、細胞的代謝和功能。COVID-19患者發(fā)生低氧血癥的主要機制，一是炎癥損傷肺泡上皮細胞和肺毛細血管內(nèi)皮細胞，肺泡-毛細血管膜通透性增加，引起肺間質(zhì)和肺泡水腫，影響氧的彌散；二是肺表面活性物質(zhì)減少，肺泡表面張力增高，導(dǎo)致肺泡萎陷，有效參加氣體交換的肺泡數(shù)量減少，通氣/血流比例失調(diào)。患者的缺氧程度隨病情加重而加重，進展至ARDS時則導(dǎo)致頑固性低氧血癥和呼吸衰竭。嚴重低氧血癥既是ARDS的病理特征，也是反過來導(dǎo)致和加重全身各臟器功能損傷的重要原因。

缺氧和免疫及炎癥反應(yīng)之間的關(guān)系日益受到關(guān)注[22]。我們以往的研究顯示，缺氧可通過上調(diào)肺血管內(nèi)皮ICAM-1、血管細胞黏附分子1(vascular cell adhesion molecule-1, VCAM-1)、E-選擇素(E-selectin)等黏附分子表達，促進白細胞與肺血管內(nèi)皮粘附，引起肺組織炎癥細胞浸潤，激活肺泡巨噬細胞分泌大量炎癥因子，以及增強低劑量細菌脂多糖引起的Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)信號通路，放大炎癥反應(yīng)等多種途徑，在高原肺水腫發(fā)生中發(fā)揮重要作用[23-24]。此外，大量研究顯示，缺氧可引起多種組織、細胞的氧化應(yīng)激損傷。上述結(jié)果提示，缺氧不僅可直接引起廣泛的組織、細胞損傷，還可引起或加重炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等損傷性病理生理過程，可能是COVID-19發(fā)生發(fā)展的重要機制。

3 普通型COVID-19的治療策略

普通型COVID-19有發(fā)熱、呼吸道等癥狀，影像學(xué)可見肺炎表現(xiàn)[1]，部分病例可發(fā)展為重型或危重型。對普通型病例，在依照診療方案加強支持治療，保證充分熱量，維持水、電解質(zhì)、酸堿平衡、抗病毒治療的同時，應(yīng)重點加強病情監(jiān)測，適時采用抗炎、抗氧化和抗缺氧治療，以預(yù)防和阻止其向危重型的轉(zhuǎn)化。

3.1抗炎治療 大量研究表明，免疫細胞的過度活化和促炎性細胞因子大量釋放，引起細胞因子風(fēng)暴是導(dǎo)致ARDS、膿毒癥休克、多器官衰竭和死亡的主要機制。抑制過多的免疫細胞活化和細胞因子產(chǎn)生，阻斷細胞因子風(fēng)暴是救治危重癥患者的重要措施。對于危重型患者，在給予生命支持的同時，可使用糖皮質(zhì)激素抑制過度的炎癥反應(yīng)，并積極采用血漿置換、吸附、灌流、血液/血漿濾過等體外血液凈化技術(shù)，以清除血液中的炎性因子和細胞毒性物質(zhì)[1]。

有關(guān)應(yīng)用糖皮質(zhì)激素治療病毒性肺炎尚有爭議[25]，爭論的焦點之一是應(yīng)用時機和劑量。及時適量應(yīng)用糖皮質(zhì)激素從源頭上適度抑制免疫細胞過度活化和細胞因子持續(xù)大量產(chǎn)生有利于預(yù)防和阻止病情惡化[7-9]。對于普通型患者，應(yīng)加強對呼吸、心率、血氧飽和度、血液生化指標(biāo)(肝酶、心肌酶、腎功能等)及胸部影像學(xué)改變的監(jiān)測，積極開展細胞因子檢測。對發(fā)病超過7～10 d，生理、生化指標(biāo)或胸部影像學(xué)提示病情加重，或有炎癥因子升高者，可短期內(nèi)(3～5 d)給予小劑量糖皮質(zhì)激素，建議使用劑量為相當(dāng)于地塞米松0.05 mg·kg-1·d-1。

3.2抗氧化治療 ROS在炎癥細胞過度激活和組織、細胞損傷中具有重要作用，抗氧化治療對于呼吸系統(tǒng)感染性疾病的治療是有益的[26]。NOX2抑制劑羅布麻寧(apocynin)可顯著抑制流感誘導(dǎo)的細胞因子和ROS的產(chǎn)生[20]。維生素E(vitamin E, Vit E)具有清除自由基，抑制炎癥細胞在肺部聚焦等作用。維生素C(vitamin C, Vit C)是有效的抗氧化劑。N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl cysteine, NAC)具有抗氧化、抗炎、降低氣道病原菌致病力及免疫調(diào)節(jié)等多方面的作用，臨床研究顯示其對肺損傷有保護作用[27]。中藥提取物姜黃素(curcumin)[21]和大黃酸(rhein)[28]均可通過抑制病毒介導(dǎo)的氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)來抑制IAV的吸附和復(fù)制。檸檬酸代謝產(chǎn)物依他卡酸(itaconate)可通過激活核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor E2-related factor 2, NRF2)發(fā)揮抗炎和抗氧化作用[29]。組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase, HDAC)抑制劑可抑制呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus, RSV)介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，從而抑制RSV在肺泡上皮細胞中的復(fù)制[30]。上述研究提示，合理使用Vit C、Vit E、NAC等抗氧化制劑可抑制或減輕過度氧化應(yīng)激損傷，有助于COVID-19的治療。

3.3抗缺氧治療 對于重型、危重型患者，應(yīng)依據(jù)病情采取吸氧、高流量鼻導(dǎo)管氧療、無創(chuàng)機械通氣、有創(chuàng)機械通氣及體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)治療。

對于普通型患者，可給予低流量(2～3 L/min)吸氧。每隔20～30 min緩慢深呼吸5～10次，一方面可增加肺泡通氣量，利于氣體交換；另一方面可使更多的新鮮空氣(氧氣)進入肺內(nèi)，置換呼吸道解剖無效腔(死腔)中的殘留氣體，提高肺泡氣氧分壓；同時用力吸氣可進一步增大胸膜腔內(nèi)負壓，有助于防止肺泡萎陷、不張。

密切監(jiān)測血氧飽和度、動脈血氣分析和氧合指數(shù)。由于血紅蛋白氧解離曲線呈“S”型，動脈血氧分壓輕度降低處于“S”型上端平緩段時，血氧飽和度仍可維持在較高水平。由于普通型COVID-19患者可能存在肺間質(zhì)水腫等病理改變，靜息時(尤其是吸氧的情況下)血氧飽和度一旦發(fā)生明顯降低，往往提示病情加重，應(yīng)進行動脈血氣分析，判斷氧合情況，并予以及時處理。