血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2在新型冠狀病毒肺炎中的作用研究進(jìn)展

蔡金原綜述，朱傳龍審校

0 引 言

新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)已在全球超過200個國家和地區(qū)大流行[1]，其病原體被命名為SARS-CoV-2，主要通過呼吸道飛沫和近距離接觸傳播，可能存在氣溶膠傳播等[2]。最近有流行病學(xué)報道為SARS-CoV-2在家庭和醫(yī)院的人際傳播提供了證據(jù)[3-4]。隨著全世界科學(xué)家爭相研究SARS-CoV-2，其與血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin converting enzyme 2，ACE2)的相互作用關(guān)系日趨明朗。ACE2是腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system，RAS)的重要調(diào)控因子，與冠狀病毒感染和致病過程密切相關(guān)，因此有望成為目前防治COVID-19最重要的潛在靶點之一。本文就ACE2的生理功能、ACE2在新型冠狀病毒肺炎中的作用及靶向ACE2的防治策略作一綜述，以期對COVID-19再認(rèn)識與藥物研發(fā)提供幫助。

1 RAS與ACE2的功能

RAS是由一系列酶促級聯(lián)反應(yīng)組成的體液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要參與調(diào)節(jié)血壓、水、電解質(zhì)的平衡。其主要生理過程始于肝介導(dǎo)合成血管緊張素原(angiotensinogen，ATG)[5]，隨后腎產(chǎn)生腎素并以ATG為底物生成無活性的血管緊張素Ⅰ(angiotensin Ⅰ，Ang Ⅰ)，Ang Ⅰ在ACE的作用下轉(zhuǎn)化為AngⅡ，后者主要與AngⅡ1型受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor，AT1R)結(jié)合，成為ACE發(fā)揮促進(jìn)血管收縮、增加血管通透性與介導(dǎo)炎癥反應(yīng)作用的主要效應(yīng)分子[6-7]。AngⅡ還可激活解整合素-金屬蛋白酶17(a disintegrin and metalloprotease 17，ADAM17)，ADAM17作為脫落酶可切割A(yù)CE2，使ACE2喪失功能[8]。

自2000年有研究從心力衰竭和淋巴瘤患者的cDNA庫中鑒定出了ACE2，對RAS通路的研究有了新方向[9-10]。在2003年SARS暴發(fā)后，ACE2被證實為SARS-CoV的功能性受體[11]，一度成為焦點。ACE2是一種具有單羧基肽酶活性的金屬蛋白酶，雖與ACE同源，但生理作用卻截然不同。ACE2主要通過裂解AngⅡ生成Ang-(1-7)并與受體Mas結(jié)合，發(fā)揮血管擴(kuò)張、抗血栓、抗增殖和抗纖維等作用[12]。以ACE-AngⅡ-AT1R軸和ACE2-Ang-(1-7)-Mas軸的拮抗作用為核心，ACE2在多個系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

2 ACE2與SARS-CoV-2感染

SARS-CoV-2與SARS-CoV同為β科屬冠狀病毒[13]，具有79.6%的序列同一性[14]。有報道顯示COVID-19患者的臨床和病理特征與SARS-CoV感染的表現(xiàn)較為接近[15]，表明SARS-CoV-2與SARS-CoV確有一定實質(zhì)性的相似之處。SARS-CoV表面的刺突糖蛋白(S蛋白)介導(dǎo)對其受體ACE2的識別和膜融合[16-17]，在感染過程中，S蛋白被切割成S1和S2亞基，S1包含的受體結(jié)合域(receptor binding domain,RBD)可直接與ACE2的肽酶域結(jié)合[18]。有學(xué)者推測ACE2可能也是SARS-CoV-2受體，現(xiàn)已充分證實[14-19]。最新的研究解析了ACE2和SARS-CoV-2 S蛋白三聚體的高分辨率結(jié)構(gòu)[20]，揭示SARS-CoV-2兩個三聚體S蛋白與ACE2二聚體結(jié)合，并利用ACE2蛋白酶裂解S蛋白，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)吞作用。SARS-CoV-2與ACE2的結(jié)合力為14.7 nm[21]，比SARS-CoV強(qiáng)10～20倍，這一結(jié)果有助于解釋SARS-CoV-2為何具有超強(qiáng)的感染性。在病毒結(jié)合ACE2的過程中，跨膜蛋白酶絲氨酸2(transmembrane protease serine 2，TMPRSS2)對病毒S蛋白進(jìn)行剪切激活的輔助作用同樣必不可少[22]，TMPRSS2還能剪切ACE2的C末端片段，加強(qiáng)病毒的入侵[23]，換言之ACE2和TMPRSS2共表達(dá)是新冠病毒進(jìn)入細(xì)胞所必需的。此外，ADAM17對ACE2有削弱作用，可能也在SARS-CoV-2侵入宿主細(xì)胞的過程中發(fā)揮一定的影響力。

總體上看，ACE2在體內(nèi)的表達(dá)水平并不高，相較而言TMPRSS2分布更廣泛[24]，基于此，可認(rèn)為ACE2是SARS-CoV-2初次感染的限制因子。而SARS-CoV-2幾乎可利用所有(除外小鼠)的ACE2蛋白作為受體進(jìn)入可表達(dá)ACE2的細(xì)胞，卻不能直接進(jìn)入不表達(dá)ACE2的細(xì)胞[14]，同樣提示病毒感染與ACE2的分布密切相關(guān)，據(jù)此可推測ACE2高表達(dá)的部位可能是病毒感染的主要靶器官。之前有單細(xì)胞測序顯示，ACE2在人回腸、心臟、腎、膀胱、食道、肺和氣管中從高到低表達(dá)[25]，但在臨床上，COVID-19患者肺部系統(tǒng)癥狀更多見,呼吸道與外界連通帶來更多的肺組織暴露是較為肯定的一個因素。與之相對的，消化系統(tǒng)癥狀發(fā)生率卻遠(yuǎn)低于呼吸系統(tǒng)。在早期的一項臨床研究中，38例COVID-19患者僅發(fā)現(xiàn)1例有腹瀉[15]。最新的Meta分析顯示，與發(fā)熱和咳嗽相比，腹瀉、惡心和嘔吐等癥狀相對較少[26]，表明腸上皮實際上并不像預(yù)期的那樣容易被感染。眾所周知，腸上皮長期以來直接與外部環(huán)境相互作用，為應(yīng)對微生物威脅，腸道細(xì)胞進(jìn)化生成大量的抗菌肽并不斷增強(qiáng)黏膜屏障。有鑒于此，王軍平等[27]最近發(fā)現(xiàn)，腸道潘氏細(xì)胞特異性分泌的人類防御素5以39.3 nm的高親和力結(jié)合ACE2，并妨礙隨后的SARS-CoV-2 S1的募集，發(fā)揮呈顯著劑量依賴性的防御作用，在一定程度上可解釋為何COVID-19患者消化道癥狀不常見；另外，ACE2與腸上皮細(xì)胞與氨基酸轉(zhuǎn)運載體B0AT1的結(jié)合可覆蓋ACE2被TMPRSS2剪切的位點[20]，相較于腸上皮，肺部B0AT1的表達(dá)水平很低，這也是腸道不如肺部易感的另一個可能原因。

由于編碼ACE2的基因在X染色體(Xp22.2)上，理論上女性可能更易感，但大量中國的臨床數(shù)據(jù)顯示男性患者比例更高且更易重癥化。Zhao等[28]通過生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)亞裔男性肺中表達(dá)ACE2的細(xì)胞類型和占比高于女性從而具有更高的ACE2表達(dá)豐度，提示ACE2表達(dá)可能存在性別差異。此外，一項美印聯(lián)合研究顯示，男性感染SARS-CoV-2后，其體內(nèi)病毒清除較女性有明顯延遲。該研究還發(fā)現(xiàn)ACE2在睪丸中表達(dá)極高，在卵巢中卻幾乎檢測不到，推測睪丸可能是潛在的病毒儲存庫[29]。然而，另有中美聯(lián)合研究稱其男性受試患者被感染1個月后精液中并未檢出新冠病毒[30]，此后亦有其他研究得到男性COVID-19患者睪丸和生殖道并未受到感染的結(jié)果[31]?？紤]到上述研究或多或少存在一些局限性，如樣本量相對較小、可能存在選擇偏倚等[29-31]。SARS-CoV-2感染是否存在性別“偏好”有待于更大規(guī)模的人群數(shù)據(jù)加以驗證。

近來，ACE2被鑒定為一種干擾素刺激基因，是細(xì)胞天然抗病毒系統(tǒng)的一部分[32-33]。換言之，SARS-CoV-2感染人體宿主細(xì)胞后，人體免疫系統(tǒng)為抑制病毒而激活的干擾素通路反而有助于新冠病毒突破免疫屏障，即SARS-CoV-2可以通過劫持人體天然抗病毒通路，誘導(dǎo)人類細(xì)胞表面受體ACE2的表達(dá)，進(jìn)一步增強(qiáng)其感染力。

3 ACE2與SARS-CoV-2致病

由于SARS-CoV-2的受體ACE2在人體組織器官中廣泛存在，COVID-19很可能累及全身多個系統(tǒng)。與SARS相似，COVID-19一方面引起肺部和心血管系統(tǒng)的損傷，另一方面，病毒刺激免疫系統(tǒng)掀起細(xì)胞因子風(fēng)暴，加劇肺和血管內(nèi)皮系統(tǒng)的炎性病變，甚至誘導(dǎo)T細(xì)胞大量凋亡引起免疫耗竭和二次感染[34]，這可能是COVID-19重要的病理生理機(jī)制。

ACE2缺乏可導(dǎo)致呼吸衰竭，見于敗血癥、肺炎、SARS等[35-36]。以往的研究表明，SARS-CoV感染下調(diào)ACE2從而導(dǎo)致體內(nèi)AngⅡ水平升高[37]，肺血管通透性增加，引起滲出、水腫等，嚴(yán)重者還可通過激活免疫和炎癥相關(guān)信號通路，進(jìn)一步加劇組織損傷。有研究發(fā)現(xiàn)感染SARS-CoV的小鼠肺內(nèi)ACE2的表達(dá)明顯減少，AngⅡ明顯升高，ACE無明顯改變，而用重組人ACE2(rhACE2)可改善ACE2敲除小鼠肺水腫等癥狀，提示ACE2表達(dá)降低可能在SARS-CoV介導(dǎo)的肺損傷中起重要作用[36-38]。另有研究顯示，AT1R表達(dá)基因缺失的小鼠相較于野生型小鼠肺功能顯著改善，且肺水腫程度更輕[39]，AngⅡ2型受體(AT2R)失活的小鼠則急性肺損傷加劇。可確定的是，ACE、AngⅡ和ATlR的高表達(dá)加重組織損傷，而ACE2和AT2R可在一定程度上改善癥狀。有研究者報告，SARS-CoV-2感染確診患者的血漿C反應(yīng)蛋白和AngⅡ均高于健康對照者，且升高水平與病情嚴(yán)重程度正相關(guān)[40]，這一發(fā)現(xiàn)為COVID-19的發(fā)病機(jī)制提供了一定依據(jù)。

臨床上，SARS-CoV-2感染除典型呼吸道癥狀之外，還有相當(dāng)比例的患者有心肌損傷表現(xiàn)，可能與RAS失衡和肺損傷造成的缺氧及代謝障礙誘發(fā)原有心血管疾病加重有關(guān)。而病毒入侵所致ACE2表達(dá)下調(diào)引起的內(nèi)皮功能受損、血壓升高、心肌收縮力減弱與因AngⅡ增多激活轉(zhuǎn)化生長因子-β和絲裂原活化蛋白激酶信號通路、上調(diào)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶而加重的氧化應(yīng)激、炎癥和纖維化可能對心肌損傷也有一定影響[41]。此外，劉映霞等[34]的報道顯示，有1例患者發(fā)病后5d發(fā)展為暴發(fā)性心肌炎，心臟生化指標(biāo)顯著升高伴左心功能急劇下降的同時體內(nèi)病毒載量非常高，持續(xù)1周以上，有學(xué)者據(jù)此認(rèn)為心肌細(xì)胞可能受到病毒直接攻擊，但目前缺乏更多證據(jù)。

大多數(shù)學(xué)者同意COVID-19危重患者的嚴(yán)重癥狀與細(xì)胞因子風(fēng)暴有關(guān)，如急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)，目前已有部分病理學(xué)證據(jù)[42]。據(jù)報道，首批確診COVID-19的嚴(yán)重感染者中至少有1/3遭遇過細(xì)胞因子風(fēng)暴[15]，患者的血漿細(xì)胞因子和趨化因子不同程度地升高，病情更嚴(yán)重的患者其粒細(xì)胞集落刺激因子、重組人干擾素誘導(dǎo)蛋白-10、單核細(xì)胞趨化因子-1、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1A和腫瘤壞死因子-α等Th1型促炎細(xì)胞因子水平更高，而這一結(jié)果早在十多年前的SARS患者身上就已有所體現(xiàn)。ACE2對細(xì)胞因子風(fēng)暴而言不可或缺，一方面，病毒通過ACE2入侵激活了免疫系統(tǒng)誘發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴，一份SARS患者尸檢報告指出，促炎細(xì)胞因子在表達(dá)ACE2的細(xì)胞中高表達(dá)，在無ACE2表達(dá)的細(xì)胞中則不表達(dá)[43]，與前文所述SARS-CoV只進(jìn)入表達(dá)ACE2的細(xì)胞這一研究結(jié)果互相印證。另一方面，ACE2的降低負(fù)調(diào)其肺內(nèi)底物脫精氨酸緩激肽(des-Arg9bradykinin,DABK)的失活，增強(qiáng)了緩激肽受體B1(bradykinin receptor B1,BKB1R)的信號傳導(dǎo)，進(jìn)而降低DABK/BKB1R通路的失活效率，促進(jìn)炎癥因子釋放[44]。除此之外，亦有類似研究顯示AngⅡ可上調(diào)腎內(nèi)促炎細(xì)胞因子和趨化因子的合成[45-46]。靶細(xì)胞釋放的促炎細(xì)胞因子活化免疫細(xì)胞(包括單核-巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞)并促使這些細(xì)胞向肺和血管壁趨化聚集引起局部炎性反應(yīng)以清除病毒，同時釋放細(xì)胞因子刺激免疫細(xì)胞形成正反饋，引發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴，導(dǎo)致 T細(xì)胞大量凋亡造成細(xì)胞免疫缺陷。有回顧性研究發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2感染可引起外周血淋巴細(xì)胞減少，特別是CD4+和CD8+T細(xì)胞數(shù)量減少，CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生IFN-γ也受到抑制，提示體內(nèi)存在明顯的免疫功能受損，可能與COVID-19的嚴(yán)重程度有關(guān)[47-48]。

然而，目前無研究能確切證明SARS-CoV-2感染宿主細(xì)胞會引起ACE2的表達(dá)下調(diào)，ACE2對于COVID-19發(fā)病機(jī)制的具體作用有待進(jìn)一步研究?？紤]SARS-CoV-2與SARS-CoV在基因序列、臨床癥狀、感染過程等方面有較高的相似性，兩者很可能共享相同或十分相似的致病機(jī)理，至少在入侵宿主細(xì)胞后下調(diào)ACE2表達(dá)并上調(diào)ACE-AngⅡ-AT1R軸的機(jī)制上應(yīng)該是一致的。此外，并非所有SARS-CoV-2誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)都與ACE2有關(guān)，亦可能存在其他通路參與細(xì)胞因子風(fēng)暴，換言之，ACE2與COVID-19的細(xì)胞因子風(fēng)暴有多大程度的相關(guān)性目前仍無法定論。

4 ACE2與防治新策略

基于上述可能的機(jī)制，靶向ACE2的防治策略應(yīng)運而生。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(angiotensin-converting enzyme inhibitor，ACEI)可抑制ACE的激活以阻止AngⅡ升高，血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑(angiotensin receptor blocker，ARB)可通過阻斷AT1R，減少AngⅡ與ACE2的結(jié)合，理論上二者均有減輕或延緩肺損傷的作用，動物實驗證實，氯沙坦可減輕SARS的肺損傷程度[49]，但同時不應(yīng)忽視ACEI/ARB對ACE2-Ang-(1-7)-Mas軸的激活作用，有學(xué)者因此質(zhì)疑其反射性地上調(diào)ACE2可能會加速SARS-CoV-2擴(kuò)增，繼發(fā)更嚴(yán)重的肺衰竭，目前仍需要大樣本量的流行病學(xué)證據(jù)以明確合并心血管事件的COVID-19患者能否從ACEI/ARB獲利。如前所述，動物實驗顯示rhACE2可改善ACE2敲除小鼠肺水腫等癥狀，故補(bǔ)充外源性ACE2可能也是一種可行的方法。有研究發(fā)現(xiàn)，接受rhACE2治療的ARDS患者體內(nèi)AngⅡ很快下降，Ang-(1-7)水平迅速回升[50]，表明其肺部ACE/ACE2平衡得到改善，但由于樣本量較小，結(jié)果說服力還不夠。目前rhACE2已投于臨床試驗，初步結(jié)果較為滿意。有鑒于此，直接補(bǔ)充大劑量Ang-(1-7)可能療效更佳，但Ang-(1-7)在體內(nèi)半衰期過短(僅有數(shù)秒)，目前尚未開展臨床試驗。

Kruse等[51]提出可向患者體內(nèi)輸注分離出的RBD以預(yù)先占據(jù)ACE2，但動物實驗發(fā)現(xiàn)，排斥反應(yīng)加劇了小鼠的肺水腫，研制ACE2抗體可能有助于達(dá)成這一目的。之前有報道稱，重組ACE2與免疫球蛋白Fc片段的融合蛋白(rACE2-Fc)在小鼠的急慢性AngⅡ依賴性高血壓模型中均顯示出持久性的器官保護(hù)作用，且未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)[52]。受此啟發(fā)，雷長海等[53]構(gòu)建了一種由人ACE2的胞外結(jié)構(gòu)域與人IgG1的Fc片段相連的融合蛋白，并發(fā)現(xiàn)其能強(qiáng)力中和SARS-CoV-2，對COVID-19的預(yù)防和治療有巨大的潛在價值，目前已成為研究的熱點。此外，卡莫司他能夠靶向針對TMPRSS2，巴利替尼可結(jié)合內(nèi)吞調(diào)節(jié)因子AP2關(guān)聯(lián)激酶1，抑制病毒入胞和細(xì)胞內(nèi)組裝，還可與細(xì)胞周期蛋白G相關(guān)激酶結(jié)合，降低病毒感染細(xì)胞的能力[54]，但這些潛在的靶向治療藥物真實療效與價值仍需開展隨機(jī)臨床試驗方能明確。鑒于SARS-CoV-2的致病機(jī)制仍不明確，在確定藥物抗病毒活性、控制不良反應(yīng)的前提下，聯(lián)合應(yīng)用不同機(jī)制的抗病毒藥物可能是更合理的選擇[55]。

針對SARS-CoV-2的治療性中和抗體的開發(fā)可能是獲得控制COVID-19的標(biāo)準(zhǔn)化藥物的相對較快的方法[56]?；诩韧餍羞^的一些冠狀病毒的疫苗動物實驗顯示出了可抑制病毒感染的多克隆抗體強(qiáng)應(yīng)答[57-58]。此類概念驗證試驗結(jié)果表明，抗RBD抗體對SARS-CoV-2應(yīng)有一定的抵御作用。最近發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV抗體CR3022亦可與SARS-CoV-2 RBD結(jié)合[59]，且CR3022的表位不與ACE2結(jié)合位點發(fā)生重疊。SARS-CoV-2與SARS-CoV雖具有高度基因同源性，但二者RBD并無明顯抗體交叉反應(yīng)性，一些已知的SARS-CoV治療性中和抗體也不能有效地與SARS-CoV-2結(jié)合[22，59]。鑒于SARS-CoV與SARS-CoV-2在RBD上有所差別，基于SARS-CoV動物實驗得到的結(jié)論可能并不完全適用于SARS-CoV-2，明確其中差異或為疫苗研發(fā)成功的關(guān)鍵所在。據(jù)WHO統(tǒng)計，當(dāng)前疫苗研究已涵蓋滅活疫苗、重組蛋白疫苗、病毒載體疫苗、核酸疫苗等形式，目前尚無有效疫苗的出現(xiàn)[60]。值得一提的是，荷蘭學(xué)者報道已鑒定出一種完全人源的單克隆抗體，可阻止SARS-CoV-2感染培養(yǎng)的細(xì)胞[61]。SARS-CoV-2中和抗體或可成為疫苗之外控制COVID-19的又一希望。

5 結(jié)語與展望

ACE2是目前已知的多種冠狀病毒入侵人體的重要受體，與冠狀病毒感染、致病和損傷密切相關(guān)。針對ACE2及其相關(guān)靶點設(shè)計防治策略是目前的最有望取得突破的研究焦點之一。迄今為止，ACE2與感染風(fēng)險之間的相關(guān)性仍未明確，其他受體或因子參與的具體機(jī)制、炎癥介質(zhì)級聯(lián)反應(yīng)的具體過程、免疫系統(tǒng)在其中的具體作用亦是未知。但隨著全世界科學(xué)家全力投入研究，ACE2在COVID-19中的作用終將被闡明，更有針對性的防治手段也將被發(fā)掘應(yīng)用。COVID-19造成了不可估量的損失，但歷史表明這很可能不會是最后一次冠狀病毒大流行，對其更深層次機(jī)制的探究無論對當(dāng)下還是對后世都將有所裨益。