SARS-CoV-2腎臟損傷的機制及研究進展*

謝文佳 綜述，周 陽，江 蕾，楊俊偉 審校

(南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院腎臟病中心，江蘇 南京 210000)

新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染導致的肺炎稱為新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)。感染SARS-CoV-2的患者不僅會出現(xiàn)嚴重呼吸系統(tǒng)癥狀，也可導致腎臟、心臟等諸多器官損傷[1]。其傳播途徑主要為呼吸道飛沫傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播[2]。COVID-19主要是由SARS-CoV-2表面S蛋白與血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(ACE2)結合后進入細胞并致宿主患病[3]，此過程需要Ⅱ型跨膜絲氨酸蛋白酶(TMPRSS2)或其他蛋白酶引發(fā)刺突蛋白的結構變化[4]。全球COVID-19感染人數(shù)仍持續(xù)增多，迫切需要對新出現(xiàn)的SARS-CoV-2進行深入研究，闡明其致病機制，并確定潛在的藥物靶點?，F(xiàn)從ACE2的分布特征將SARS-CoV-2造成腎臟損傷的機制及潛在的治療手段綜述如下。

1 ACE2的發(fā)現(xiàn)和COVID-19的感染機制

1.1ACE2的發(fā)現(xiàn) DONOGHUE等[5]和TIPNIS 等[6]分別從人類淋巴瘤和心力衰竭左心室組織互補脫氧核糖核酸文庫中發(fā)現(xiàn)了ACE的同源基因ACE2，而ACE與ACE2的生理作用卻截然相反。ACE2位于X染色體，含805個氨基酸，該基因編碼的蛋白屬于二肽基羧基二肽酶的ACE家族，這種分泌蛋白質(zhì)能將十肽血管緊張素Ⅰ(Ang Ⅰ)轉(zhuǎn)化為九肽 Ang 1～9或?qū)穗腁ngⅡ轉(zhuǎn)化為七肽Ang 1～7；該分泌蛋白的活性不受經(jīng)典ACE抑制劑影響，而Ang 1～9最終可被ACE或其他酶催化形成Ang 1～7[7]。Ang 1～7可作用于Mas受體，發(fā)揮拮抗Ang Ⅱ/血管緊張素Ⅱ1型受體(AT1R)的效應，如降低血壓、舒張血管、抑制炎癥和氧化應激等。冷凍電鏡技術分析ACE2的全長蛋白結構，揭示了ACE2以二聚體形式存在，同時，具有開放和關閉2種構象變化，且這2種構象均含有與SARS-CoV-2相互識別的界面[8]。

1.2COVID-19的感染機制 SARS-CoV-2屬于一個新的冠狀病毒獨立進化分支[9-10]，與急性呼吸道綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)同屬于β-冠狀病毒[11]，其同源性接近80%，二者主要差異在于開放閱讀框ORF1a和編碼S蛋白的基因序列。早有研究表明，SARS-CoV以ACE2為表面受體進入人體[12]。ZHOU等[13]使用表達或不表達人類、馬蹄蝠等ACE2的HeLa細胞進行了病毒感染性研究，結果顯示，SARS-CoV-2同樣以ACE2作為ACE2表達細胞的靶細胞侵入人體。ZIEGLER等[4]利用人類、非人類靈長類動物和小鼠單細胞RNA測序(scRNA-seq)收集健康和疾病的數(shù)據(jù)集，以找到組織在細胞亞群中SARS-CoV-2的假定靶標，其觀察到SARS-CoV-2表面S蛋白與ACE2結合后S蛋白被宿主蛋白酶TMPRSS2裂解，促使病毒進入宿主細胞。同時，從分子層面揭示了SARS-CoV-2表面S蛋白結合ACE2侵入人體，并且SARS-CoV-2表面S蛋白與ACE2的結合能力明顯高于SARS-CoV S蛋白與ACE2的結合能力[3]，這突出了SARS-CoV-2較SARS-CoV傳染性更強。有學者進一步通過分子對接的方式研究了SARS-CoV-2受體結合域與ACE2的關系[14]，其結果也印證了上述觀點。

2 腎臟ACE2的分布特征及生理功能

2.1腎臟ACE2的分布特征 有研究利用定量實時聚合酶鏈反應技術繪制了人體組織ACE2轉(zhuǎn)錄表達譜，結果顯示，腎臟ACE2表達豐富[15]。腎內(nèi)動靜脈血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞及近端腎小管上皮細胞ACE2表達量最高，腎小球壁層上皮細胞表達次之，腎小球臟層上皮細胞、遠端小管和集合管上皮細胞表達較少，而系膜區(qū)和腎小球內(nèi)皮細胞幾乎不表達ACE2[16]。表達于腎臟近端小管的ACE2主要聚集在刷狀緣[17]。此外，scRNA-seq分析結果提示，近端腎小管上皮細胞高表達ACE2[18]。提示其可能是SARS-CoV-2的易感細胞。表明腎小管相對較高地表達ACE2。據(jù)此可以推論，腎小管表達的ACE2為SARS-CoV-2侵犯腎小管提供了蛋白結構基礎，以至于引起腎臟損傷。

2.2生理情況下腎臟ACE2的功能 腎素-血管緊張素系統(tǒng)(RAS)是由一系列肽類激素及相應酶組成的重要體液調(diào)節(jié)系統(tǒng)[19]；ACE作為RAS的重要組成部分，在腎臟功能的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。在腎臟，ACE-AngⅡ-AT1主要作用是促進水鈉潴留、氧化應激、血管收縮、細胞增殖、炎癥和纖維化；而ACE2-Ang 1～7-Mas 通過上調(diào)一氧化氮和前列腺素水平促進水鈉排泄，產(chǎn)生利尿、降低氧化應激、舒張血管、抗細胞增殖、抗炎和抗纖維化等作用，從而保護腎臟免于損傷[20-22]。

3 SARS-CoV-2腎臟損傷可能的機制

3.1COVID-19患者腎臟受損的證據(jù) 目前，已有研究表明，SARS-CoV-2可造成腎臟損傷。有研究納入中位年齡63歲的701例COVID-19患者，入院時43.9%的患者出現(xiàn)蛋白尿，26.7%的患者出現(xiàn)血尿，14.4%的患者出現(xiàn)血清肌酐升高,13.1%的患者出現(xiàn)尿素氮升高,13.1%的患者腎小球濾過率估計值(eGFR)<60 mL/(min·1.73 m2),5.1%的患者發(fā)生急性腎損傷(AKI)[23]。另有研究表明，85例SARS-COV-2患者中27.07%的患者出現(xiàn)了AKI[eGFR較基線下降大于或等于30.00%或eGFR<90 mL/(min·1.73 m2)]，對6例合并腎損傷患者的腎組織進行病理分析觀察到不同程度的腎小管壞死、刷狀緣脫落和空泡變性；其腎小管表達了SARS-CoV-2核殼蛋白,以及在電鏡下呈現(xiàn)病毒樣顆粒，表明SARS-CoV-2可直接感染腎小管，進而造成腎小管壞死[24]。有研究從1例感染患者的尿液樣本中分離出SARS-CoV-2[25]，進一步表明腎臟既是SARS-CoV-2攻擊靶點，也可以是該病毒侵襲、復制和損傷的靶目標。從尸檢腎臟中分離出SARS-CoV-2并在體外感染細胞48 h后繁殖的病毒DNA增加了1 000倍，由此證實即便在患者死亡的情況下腎臟中也存在感染性病毒[26]。表明SARS-CoV-2可靶向攻擊腎臟，其嗜腎性與疾病嚴重程度(如過早死亡)和AKI的發(fā)展相關，指出了早期尿液檢測和后期治療對預防腎臟感染的重要性。

3.2SARS-CoV-2直接感染腎臟 SARS-CoV-2表面S蛋白與ACE2受體結合后侵入人體并產(chǎn)生影響。ACE2高表達的腎小管是SARS-CoV-2攻擊的主要靶點，從而誘導AKI。腎小管上皮細胞含有豐富的線粒體，容易受到缺血、感染和藥物等因素的影響，其主要表現(xiàn)為三磷酸腺苷耗竭、線粒體功能紊亂、上皮細胞極性消失與凋亡,以及壞死性細胞死亡等。利用透射電子顯微鏡檢測2個由尸體解剖所得腎臟中的病毒粒子和病毒樣顆粒，也觀察到腎組織細胞明顯腫脹、線粒體和溶酶體擴張[24]。在光鏡下同樣可見COVID-19患者腎臟出現(xiàn)彌漫性近端小管損傷、刷狀緣消失、非等距空泡變性，甚至彌漫性壞死[27]?？赡芘c腎小管高表達ACE2有關。另外對5例COVID-19患者腎臟進行ACE2染色也觀察到ACE2在近端腎小管細胞中表達顯著，但具體感染機制仍有待于進一步研究[24]。

3.3SARS-CoV-2間接損害腎臟 雖然已觀察到SARS-CoV-2可直接造成腎臟損害[24]，但在該病毒引起的炎癥環(huán)境刺激下受累腎臟損害可能進一步加重。病毒雖然首先經(jīng)由呼吸道入侵肺部，但隨著病情進展，尤其是出現(xiàn)病毒血癥后病毒也有可能經(jīng)由循環(huán)系統(tǒng)感染更多的人體器官，可能與患者后期出現(xiàn)腎衰竭等有關[16]。由致病性粒細胞巨噬細胞刺激因子(GM-CSF)和輔助性T淋巴細胞1、炎性單核細胞CD14+/CD16+引起過度激活的免疫反應可能與SARS-CoV-2有關，從而導致有害的臨床表現(xiàn)[28]。SARS-CoV-2感染的高病死率也可能與炎癥風暴有關，故建議使用現(xiàn)有的、經(jīng)批準的、具有公認安全性的療法識別和治療過度炎癥，以降低病死率[29]。

4 早期診斷COVID-19相關的腎臟損害

早期診斷COVID-19主要依據(jù)流行病學因素，如旅行史、接觸史，臨床表現(xiàn)和實驗室檢查(血常規(guī)、胸部影像學及病毒學檢查)[30]；而在核酸檢測手段被廣泛應用后檢出率較之前明顯升高。若在此診斷基礎上出現(xiàn)蛋白尿、血肌酐、尿素氮水平升高，以及腎臟影像及病理學改變則可考慮為COVID-19相關的腎臟損傷。然而目前出現(xiàn)越來越多的無癥狀感染者及無流行病學因素感染者[31]，應該對這類人群引起足夠重視。

5 SARS-COV-2腎臟損傷的治療

目前，尚缺乏針對SARS-CoV-2腎臟損傷的有效治療方法，對癥支持治療仍是主要的干預策略。已有多種臨床藥物研究正在進行中，包括抗病毒/炎癥的藥物，如COVID-19感染者恢復期血清、Ⅰ型干擾素、免疫球蛋白等；針對ACE2受體的藥物，如人重組可溶性ACE2(hrsACE2)；靶向TMPRSS2的藥物，如蛋白酶抑制劑(甲磺酸卡莫司他)；RAS系統(tǒng)抑制藥物，如ACE抑制劑/血管緊張素受體阻滯劑；RNA聚合酶抑制劑，如瑞德西韋；白細胞介素-1抑制劑，如阿那白滯素、卡那單抗等；針對細胞因子風暴藥物，如白細胞介素-6 抑制劑(Torcizumab)、GM-CSF抑制劑(Lenzilumab)等；抗凝藥物，如肝素等。

5.1ACE2及RAS系統(tǒng)相關制劑

5.1.1針對ACE2受體相關制劑 ACE2制劑可能對COVID-19有效。由膜錨蛋白水解產(chǎn)生的hrsACE2通常存在于血漿中，且濃度較低，增加其在組織位點的可用性將使其與和膜結合的ACE2的競爭轉(zhuǎn)為不能促進病毒進入細胞的可溶性蛋白[32-33]。在體外實驗中對SARS-CoV-2感染的猴腎源性上皮細胞和人造血管及腎臟器官進行了研究，將hrsACE2添加到被SARS-CoV-2感染的Vero-E6細胞培養(yǎng)環(huán)境中，hrsACE2降低了SARS-CoV-2的感染能力，并且降低程度與劑量有關；這個實驗模型也證明了病毒在近端管狀細胞復制活躍。但在體內(nèi)給予hrsACE2能否克服大規(guī)模SARS-CoV-2感染仍需進一步研究[33]。另外，從茶中篩選到的有效單體分子——表沒食子兒茶素沒食子酸酯能強力結合SARS-CoV-2表面S蛋白，并有效阻斷SARS-CoV-2表面S蛋白與人ACE2受體的結合。同時，表沒食子兒茶素沒食子酸酯不僅能阻止二者相互結合，并且對已結合受體的S蛋白還有促進二者解離的作用。

5.1.2激活ACE2-Ang 1～7-Mas信號通路 ACE2-Ang 1～7-Mas信號通路中的ACE2激活劑可能治療SARS-CoV-2感染有效。重氮氨苯脒(DIZE)作為ACE2激活劑可使大鼠頸動脈斑塊內(nèi)ACE2表達上調(diào)，使斑塊膠原蛋白含量增加，基質(zhì)金屬蛋白酶9蛋白表達下調(diào)，巨噬細胞浸潤減少，以此減輕炎性反應[34]。DIZE通過激活ACE2-Ang 1～7-Mas軸，增加Ang 1～7含量，從而降低腎臟纖維化及炎癥水平[35]。在由腎切除造成的慢性腎衰竭大鼠模型中腎組織ACE2表達下降，但DIZE可增加大鼠腎皮質(zhì)ACE2的表達和活性[36]。說明ACE2激活劑可能是抑制SARS-CoV-2引起腎臟損害的治療靶點。

5.1.3抑制ACE-Ang Ⅱ-AT1R信號通路 ACE2與ACE的生理作用相反，通過ACE-Ang Ⅱ-AT1R軸間接增加ACE2含量或許對COVID-19有效。SARS-CoV-2與體內(nèi)ACE2結合會大量耗竭靶器官ACE2，使ACE2-Ang 1～7-Mas信號通路受到明顯抑制，ACE2/ACE比例降低[37]，ACE-Ang Ⅱ-AT1R通路活性增強，使RAS失衡，炎性細胞因子增加，從而導致患者病死率升高。故可以使用ACE-Ang Ⅱ-AT1R信號通路抑制劑減輕炎性反應，如ACE抑制劑卡托普利、依那普利等，以及AT1R抑制劑氯沙坦、纈沙坦等均可能是有效治療COVID-19的藥物。

5.2疫苗 接種疫苗仍是防治SARS-CoV-2感染有效的手段，其表面的S蛋白是疫苗研發(fā)理想的抗原靶點。GAO 等[38]發(fā)布了全球首個新冠疫苗動物實驗結果，其使用2種不同劑量(3μg/6μg)的疫苗分別為獼猴提供了針對SARS-CoV-2攻擊的部分或完全保護，通過監(jiān)測其臨床體征、血液學和生化指標及組織形態(tài)學分析，對疫苗進行系統(tǒng)評價表明其安全性。另外一種基于異源腺病毒載體的疫苗，適用于初次免疫-加強免疫接種，其結果顯示，基于異源rAd26和rAd5載體的SARS-CoV-2疫苗具有良好的安全性，并誘導了強烈的體液和細胞免疫應答[39]。截至目前，中國已有16個SARS-CoV-2疫苗進入臨床試驗階段，其中7個SARS-CoV-2疫苗進入Ⅲ期臨床試驗階段，國藥集團中國生物研制的SARS-CoV-2滅活疫苗已獲國家藥監(jiān)局批準附條件上市，保護效力達到世界衛(wèi)生組織及國家藥監(jiān)局相關標準要求，未來將為全民免費提供。

6 展 望

目前，雖然有學者對SARS-CoV-2發(fā)病機制進行了研究，但該機制仍不確切。也有不少研究對SARS-CoV-2感染的療效進行了大量動物和人體試驗，但均僅限于小樣本研究，結果可靠性尚不明確。因此，闡明SARS-CoV-2的發(fā)病機制至關重要。有研究表明，SARS-CoV-2可能通過結合ACE2和TMPRSS2進入相對高表達ACE2的腎臟，因此，研發(fā)靶向ACE2藥物將有可能減輕SARS-CoV-2腎臟損傷的臨床癥狀。但安全、有效的疫苗才是阻止病毒傳播有效的手段。目前，中國生產(chǎn)的滅活疫苗已附條件上市，期待未來有更多安全、有效的疫苗。