COVID-19相關心肌受累的機制探討

摘要 自新型冠狀病毒（COVID-19）暴發(fā)以來，已有超過4.57億人感染COVID-19，并有超過1 190萬人死亡。對人類的健康及社會經濟的發(fā)展造成了嚴重的不良影響。盡管COVID-19主要是呼吸系統(tǒng)疾病的病原體，但越來越多的證據表明其對心血管系統(tǒng)也有影響，臨床表現包括心臟相關癥狀、心電圖變化等。本研究概述了COVID-19的結構和感染宿主細胞的過程，并總結了COVID-19相關心肌受累的最新機制。心內膜活檢的病理學依據是COVID-19心肌炎的確診方法。雖然COVID-19相關心肌受累的機制仍不明確，但是可能與以下幾種原因相關：1）病毒感染直接侵襲心肌細胞；2）過度炎癥和細胞因子風暴；3）氧化應激和線粒體損傷。概述COVID-19的結構和功能，并總結COVID-19相關心肌受累的機制。

關鍵詞 心肌細胞；新型冠狀病毒；刺突蛋白；血管緊張素轉化酶2；發(fā)病機制；綜述

doi：10.12102/j.issn.1672-1349.2024.20.012

作者單位 山西醫(yī)科大學附屬汾陽學院（山西汾陽 032200），E-mail：mchengjiahao@163.com

通訊作者 李建國，E-mail：lijianguo0024@sina.com

引用信息 程佳豪，李建國.COVID-19相關心肌受累的機制探討［J］.中西醫(yī)結合心腦血管病雜志，2024，22（20）：3724-3727.

新型冠狀病毒（COVID-19）感染大流行對全球范圍產生了前所未有的影響^［1］。COVID-19主要通過飛沫和接觸傳播，疾病蔓延快，影響范圍大，世界衛(wèi)生組織（WHO）宣布為公共衛(wèi)生事件。截至2023年4月3日，WHO最新發(fā)布的數據顯示全球累計報告COVID-19感染病例數已超過4.57億人，死亡人數超過1 190萬人^［2］。COVID-19可以感染任何人，但某些人群可能更容易被感染、病情更嚴重或死亡風險更高。老年人和患有慢性疾病者COVID-19感染率較高，如高血壓、糖尿病和冠心病等^［3］。此外，醫(yī)護人員和接觸感染者的家庭成員也更容易感染。隨著時間的推移，了解到了一些其他的易感人群，包括肥胖者、吸煙者、兒童和孕婦。COVID-19是一種呼吸道病毒，但也會對其他系統(tǒng)和器官產生影響^［4-5］，包括免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經系統(tǒng)等。其中，心血管系統(tǒng)尤為受到關注，因為新型冠狀病毒感染病人可出現心肌損傷、心律失常、凝血異常和血栓等問題，并且COVID-19對康復的COVID-19病人仍可能具有持久的心血管系統(tǒng)影響^［6］。概述COVID-19的結構和功能，并總結COVID-19相關心肌受累的機制。

1 COVID-19的結構及感染宿主細胞的過程

COVID-19是一種單節(jié)段正鏈RNA病毒，屬于具有最大RNA基因組的正冠狀病毒亞科，粒子直徑為60～140納米，表面覆蓋著刺突蛋白（S蛋白）。冠狀病毒的特點是基因重組和變異率高，這有助于其生態(tài)多樣性^［7］。COVID-19的基因組長度約為30 000個核苷酸，包含14個開放閱讀框（ORF），包括兩端的兩個非編碼區(qū)和多個編碼非結構性蛋白（NSPs）、輔助蛋白和其他蛋白的區(qū)域。COVID-19基因組的5′端大約有2/3基因編碼2個重疊的多聚蛋白：pp1a和pp1ab12。這兩種多聚蛋白被兩種病毒蛋白酶消化成16種NSPs，對病毒的復制和轉錄至關重要。病毒基因組3′末端的4個ORF編碼一套典型的結構蛋白，包括核衣殼蛋白（N）、刺突蛋白（S）、膜蛋白（M）和包膜蛋白（E）^［8］。S蛋白是COVID-19的主要抗原，可通過furin樣蛋白酶裂解為兩個功能亞基S1和S2，分別負責介導與宿主細胞的附著和膜融合。M蛋白是病毒的主要膜蛋白，覆蓋在病毒顆粒的內部表面，并與E蛋白一起形成病毒包膜。E蛋白則是一個小型、膜相關的蛋白，位于病毒包膜中，并參與病毒組裝和釋放。N蛋白是COVID-19的核心蛋白，主要功能是維持病毒基因組的完整性，并促進病毒RNA復制和轉錄。這些結構蛋白在病毒顆粒的組裝和復制中發(fā)揮關鍵作用，并參與抑制宿主免疫反應，而9種輔助蛋白在被感染宿主的過程中提供了選擇性優(yōu)勢^［9-10］。

COVID-19感染宿主細胞的過程：首先，病毒粒子外表面的S蛋白負責與宿主受體結合以附著在細胞膜上，然后是病毒和宿主細胞膜融合以及病毒基因組RNA釋放到細胞中。隨后，宿主核糖體被劫持產生兩種病毒復制酶多蛋白，這些酶多蛋白可以通過兩種病毒編碼蛋白酶，即主蛋白酶和木瓜蛋白酶樣蛋白酶，進一步加工成16種成熟的NSPs。這些NSPs能夠組裝成復制和轉錄復合物以啟動病毒RNA復制和轉錄。然后基因組RNA和結構蛋白組裝成成熟的后代病毒粒子，隨后通過胞吐作用釋放，引發(fā)另一輪感染^［11］。

2 COVID-19相關心肌受累的表現

COVID-19感染后的心臟相關癥狀包括胸痛、胸悶、氣短、心悸、呼吸困難等，部分COVID-19感染的病人以首發(fā)胸悶癥狀就診。 COVID-19與很多心血管并發(fā)癥如心律失常、心力衰竭、心源性休克、暴發(fā)性心肌炎和心源性死亡等有關。臨床表現較輕的病人心律失常患病率可能較低，然而，危重病人發(fā)生心律失常的風險更高，其中最常見的表現是竇性心動過速，但也會出現其他表現，包括心房顫動或撲動、室性心律失常、心動過緩、QT 間期延長以及 ST 段和T波改變。 COVID-19感染的多種機制會影響冠狀動脈系統(tǒng)，出現血管內皮細胞損傷、動脈粥樣硬化斑塊不穩(wěn)定，導致心肌缺血。

3 COVID-19相關心肌受累和心肌炎的機制

雖然COVID-19能對心血管系統(tǒng)造成影響已被廣泛認可，但是目前COVID-19引起的相關心肌受累機制尚未完全闡明。COVID-19心臟病理學報道發(fā)現不一，從典型的淋巴細胞性心肌炎、血栓性微血管病到缺乏明顯的淋巴細胞浸潤和心肌細胞損傷，大多數病例不符合既往的達拉斯心肌炎標準^［12］，關于心肌炎、炎癥和心臟受累的術語使用的命名不一致進一步阻礙了對COVID-19心臟受累的解釋。為了更好地闡述，相關定義采用最新的2022年美國心臟病學會（ACC）關于成人 COVID-19心血管后遺癥的專家共識，心肌受累是由心電圖、超聲心動圖、心血管核磁共振成像（cardiovascular magnetic resonance，CMR）和/或組織病理學表現的心肌異常定義的疾病，伴或不伴癥狀，伴或不伴心肌肌鈣蛋白（cTn）升高。心肌炎是指在沒有血流受限冠狀動脈疾病的情況下，存在心臟癥狀（如胸痛、呼吸困難、心悸、暈厥）、cTn升高以及活檢或尸檢時心電圖、超聲心動圖、CMR和/或組織病理學表現異常的疾病。心肌損傷：cTn水平高于第 99 個百分位參考上限的疾病。

3.1 病毒感染直接侵襲心肌細胞

血管緊張素轉換酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）是一種805個氨基酸的單羧肽酶Ⅰ型跨膜糖蛋白，在參與腎素-血管緊張素系統(tǒng)調節(jié)血壓的過程中起重要作用，ACE2在許多組織中表達，但最豐富的是肺泡上皮細胞、腎臟、心臟、胃腸道和睪丸^［13-14］。在COVID-19暴發(fā)之前，ACE2已被確定為SARS冠狀病毒感染的基本受體以及SARS中致命肺衰竭的保護分子^［15-16］。S蛋白的S1亞單位與ACE2結合，此過程是COVID-19進入宿主細胞的關鍵步驟。如今，對ACE2的關注較前大為增高，除了是COVID-19的受體之外，它還成為COVID-19感染的一個潛在的治療靶點，并且COVID-19感染下調ACE2的表達，這可能在 COVID-19中發(fā)揮關鍵的致病作用^［17］。在一項體外細胞試驗中，利用COVID-19菌株感染了人類誘導的多能干細胞衍生心肌細胞^［18］。在受感染心肌細胞的上清液中檢測到濃度增加的病毒RNA，得出了COVID-19以血管緊張素轉換酶和組織蛋白酶依賴的方式在體外感染心肌細胞的結論。一項來自美國內布拉斯加州大學醫(yī)學中心對21例COVID-19感染致死者尸檢隊列研究發(fā)現了新型冠狀病毒感染直接損傷心肌細胞的證據^［19］，保羅漢森等在其中16例的心肌細胞、心肌內皮細胞、心肌脂肪細胞和心肌間質中檢測到了COVID-19，并出現心肌細胞水腫、中性粒細胞外補網（Nets）聚集等炎癥表現。分別與未感染心肌炎和病毒性心肌炎的對照組相比，COVID-19感染表現出直接病毒損傷，如病毒存在，cTnI耗盡和活化的胱天蛋白3水平顯著升高，表明了心肌細胞凋亡。但是，內布拉斯加州大學醫(yī)學中心的研究有不足之處。首先，活化的胱天蛋白3對細胞凋亡具有提示性，但不是直接病毒損傷的特定指標，因為病毒損傷的間接影響也可能導致活化的胱天蛋白3表達增加。其次，研究得出的肌鈣蛋白水平耗盡可能與研究對象都是在死亡后才診斷出來的，不能反映第一時間COVID-19入侵人體時cTn的變化。佩雷斯-貝爾梅霍等^［20］的實驗也印證了COVID-19直接侵襲心肌細胞，他們發(fā)現COVID-19更傾向于感染心肌細胞，而不是成纖維細胞和內皮細胞。但這并不能阻止一些學者^［21］持反對意見?？傊珻OVID-19可以入侵感染人心肌細胞并發(fā)揮細胞毒性作用，ACE2是其關鍵受體，未來還需要更確切的證據來證明COVID-19直接侵襲心肌細胞。

3.2 過度炎癥和細胞因子風暴

COVID-19可以直接或間接損傷心臟，但與直接損傷相比，過度炎癥可能是心臟損傷的更重要原因^［22］。COVID-19感染的一個關鍵特征是淋巴細胞減少^［23］，也可能感染樹突狀細胞。樹突狀細胞功能障礙導致的活化缺陷引起的T細胞凋亡和衰竭可能會推動COVID-19的免疫功能紊亂^［24］。單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞的COVID-19感染導致其活化和分泌白細胞介素6（IL-6 ）和其他炎性細胞因子。COVID-19的感染能夠誘導炎癥信號通路的異常反應。該病毒激活NF-κB信號通路，該通路已被證明是感染誘導的大規(guī)模促炎反應的主要途徑^［25］。多項研究報道，COVID-19病人血清中的促炎細胞因子如白細胞介素、干擾素誘導蛋白10（interferon induced protein 10，IP-10）和巨噬細胞趨化蛋白2（monocyte chemotactic protein 2，MCP-2）增加，其誘發(fā)了全身炎癥反應綜合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS），激活了細胞因子風暴（cytokine release syndrome，CRS）^［26-27］。細胞因子風暴可以影響心肌收縮和心臟電傳導，直接導致心源性休克和惡性心律失常，還可能引起大面積的心肌水腫、心肌壞死和負性肌力作用^［28］。細胞因子風暴的根本原因可能在于促炎癥和抗炎癥反應的不平衡。COVID-19的心臟受累是一種血管中心性巨噬細胞驅動的炎癥過程^［29-30］，過度炎癥和細胞因子風暴會造成內皮細胞的破壞和高凝狀態(tài)，S蛋白在對內皮細胞功能和穩(wěn)定性的影響方面起重要作用。S蛋白的結合降低了表面ACE2和細胞內Krüppel樣因子2（KLF2）的表達^［31］，同時增加了動脈內皮細胞中血管性血友病因子（von Willebrand factor，vWF）的細胞表面表達。KLF2和vWF表達的變化表明內皮功能障礙，并可能使血管炎癥和凝血持續(xù)存在，這可能會加速心血管微血栓形成。

3.3 氧化應激和線粒體損傷

氧化應激是一種非特異性病理狀態(tài)，反映了活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生速率與抗氧化過程之間的不平衡^［32］。正常情況下，ROS的產生與清除保持氧化-抗氧化的平衡，在調節(jié)信號通路轉導、細胞的增殖與凋亡等過程中發(fā)揮著重要的作用。當氧化-抗氧化的平衡被炎性細胞因子、環(huán)境毒素等因素打破時，機體會產生氧化應激反應，導致細胞中線粒體呼吸鏈受損，脂質、糖類、蛋白質、DNA等大分子物質發(fā)生空間結構的變性、斷裂，造成細胞的氧化損傷，從而促進心臟疾病的病理過程。一般來說，細胞中產生的ROS有3種類型，即自由基超氧化物、羥基和過氧化氫。還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶是ROS生成的關鍵來源，其關鍵介質是腎素-血管緊張素系統(tǒng)^［33］。COVID-19感染下調ACE2，AngⅡ的水平有所增加。隨后，AngⅡ與AngⅠ受體（ACE1）結合，ACE1刺激NADPH氧化酶活性，導致ROS的產生增加。COVID-19陽性病人的DNA損傷、氧化應激和細胞因子水平顯著增加^［34］，極易發(fā)展成急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）和呼吸衰竭，由于肺功能損傷會造成機體缺氧，進而導致心肌損害和供血不足，損傷心臟功能。線粒體的正常功能可以幫助維持心肌細胞的正常代謝和能量供應，急性缺氧通過減少腺苷三磷酸（ATP）產生和增加耗氧量來降低線粒體氧利用效率^［35］。COVID-19的S1蛋白可以通過ACE2改變線粒體膜電位（Δψm）^［36］、線粒體鈣離子水平超載、ROS積累和線粒體動態(tài)，從而破壞心肌細胞的線粒體功能。心肌細胞收縮所需的能量主要通過線粒體氧化磷酸化產生。因此，線粒體ATP合成減少會損害心臟功能。一項使用人誘導的多能干細胞來源心肌細胞的研究發(fā)現，COVID-19的M蛋白導致線粒體碎裂并改變線粒體生物能量^［37］。

4 小 結

本研究綜述了COVID-19相關心肌受累的3種主要機制：1）病毒感染直接侵襲心肌細胞；2）過度炎癥和細胞因子風暴；3）氧化應激和線粒體損傷。目前已報道了許多COVID-19相關心肌受累的臨床案例，但其機制仍不能完全闡明。由于心臟磁共振成像（MRI）及心肌內膜活檢的應用受限，對其機制的研究也受到影響，未來可能隨著研究樣本量的增多，對COVID-19分子檢測手段的增加，可解釋COVID-19相關心肌受累機制。

參考文獻：

［1］ 國家老年醫(yī)學中心，中國老年醫(yī)學學會心電與心功能分會，北京醫(yī)學會心血管病學分會影像學組，等.新型冠狀病毒感染相關心肌損傷、心肌炎和感染后狀態(tài)管理專家共識（第二版）［J］.中國循環(huán)雜志，2023，38（2）：105-115.

［2］ 張海洪.突發(fā)公共衛(wèi)生事件相關研究的倫理思考——基于新冠病毒肺炎疫情防控的思考［J］.中國醫(yī)學倫理學，2020，33（4）：415-418.

［3］ ZHOU F，YU T，DU R H，et al.Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan，China：S9TUTg+QOXwwl+l0fZ3SKQ==a retrospective cohort study［J］.Lancet，2020，395（10229）：1054-1062.

［4］ MAO L，JIN H J，WANG M D，et al.Neurologic manifestations of hospitalized patients with coronavirus disease 2019 in Wuhan，China［J］.JAMA Neurology，2020，77（6）：683-690.

［5］ CHEN T，WU D，CHEN H L，et al.Clinical characteristics of 113 deceased patients with coronavirus disease 2019：retrospective study［J］.BMJ，2020，68：m1091.

［6］ PUNTMANN V O，NAGEL E.Toward better understanding of cardiac involvement post COVID［J］.JACC Cardiovascular Imaging，2023，16（5）：625-627.

［7］ CUI J，LI F，SHI Z L.Origin and evolution of pathogenic coronaviruses［J］. Nature Reviews Microbiology，2019，17（3）：181-192.

［8］ YANG H T，RAO Z H.Structural biology of SARS-CoV-2 and implications for therapeutic development［J］.Nature Reviews Microbiology，2021，19（11）：685-700.

［9］ BAI C Z，ZHONG Q M，GAO G F.Overview of SARS-CoV-2 genome-encoded proteins［J］.Science China Life Sciences，2022，65（2）：280-294.

［10］ YAN W Z，ZHENG Y H，ZENG X T，et al.Structural biology of SARS-CoV-2：open the door for novel therapies［J］.Signal Transduction and Targeted Therapy，2022，7（1）：26.

［11］ CARABELLI A M，PEACOCK T P，THORNE L G，et al.SARS-CoV-2 variant biology： immune escape， transmission and fitness［J］.Nature Reviews Microbiology，2023，21（3）：162-177.

［12］ THOMAS ARETZ H.Myocarditis：the Dallas criteria［J］.Human Pathology，1987，18（6）：619-624.

［13］ LMAI Y，KUBA K，OHTO-NAKANISHI T，et al. Angiotensin-converting enzyme 2（ACE2） in di sease pathogenesis［JLxK1sGhDpWPzcj/ufKOgudUP5YjGZ6o8jNzSrd3U5/I=］.Circulation Journal，2010，74（3）：405-410.

［14］ KUBA K，IMAI Y，OHTO-NAKANISHI T，et al.Trilogy of ACE2：a peptidase in the renin-angiotensin system，a SARS receptor，and a partner for amino acid transporters［J］.Pharmacology & Therapeutics，2010，128（1）：119-128.

［15］ KUBA K，IMAI Y，RAO S，et al.A crucial role of angiotensin converting enzyme 2（ACE2） in SARS coronavirus-induced lung injury［J］.Nature Medicine，2005，11（8）：875-879.

［16］ TURNER A J，HISCOX J A，HOOPER N M.ACE2：from vasopeptidase to SARS virus receptor［J］.Trends in Pharmacological Sciences，2004，25（6）：291-294.

［17］ DATTA P K，LIU F M，FISCHER T，et al.SARS-CoV-2 pandemic and research gaps：understanding SARS-CoV-2 interaction with the ACE2 receptor and implications for therapy［J］.Theranostics，2020，10（16）：7448-7464.

［18］ BOJKOVA D，WAGNER J U G，SHUMLIAKIVSKA M，et al.SARS-CoV-2 infects and induces cytotoxic effects in human cardiomyocytes［J］.Cardiovascular Research，2020，116（14）：2207-2215.

［19］ HANSON P J，LIU-FEI F，NG C，et al.Characterization of COVID-19-associated cardiac injury： evidence for a multifactorial disease in an autopsy cohort［J］.Laboratory Investigation，2022，102（8）：814-825.

［20］ PEREZ-BERMEJO J A，KANG S，ROCKWOOD S J，et al.SARS-CoV-2 infection of human iPSC-derived cardiac cells reflects cytopathic features in hearts of patients with COVID-19［J］.Science Translational Medicine，2021，13（590）：eabf7872.

［21］ DAL FERRO M，BUSSANI R，PALDINO A，et al.SARS-CoV-2，myocardial injury and inflammation：insights from a large clinical and autopsy study［J］.Clinical Research in Cardiology，2021，110（11）：1822-1831.

［22］ HE W，ZHOU L，XU K，et al.Immunopathogenesis and immunomodulatory therapy for myocarditis［J］.Science China Life Sciences，2023，66（9）：2112-2137.

［23］ POLONI T E，MORETTI M，MEDICI V，et al.COVID-19 pathology in the lung， kidney， heart and brain：the different roles of T-cells，macrophages， and microthrombosis［J］.Cells，2022，11（19）：3124.

［24］ ZHENG M J，GAO Y，WANG G，et al.Functional exhaustion of antiviral lymphocytes in COVID-19 patients［J］.Cellular & Molecular Immunology，2020，17（5）：533-535.

［25］ INGRAHAM N E，LOTFI-EMRAN S，THIELEN B K，et al.Immunomodulation in COVID-19［J］.The Lancet Respiratory Medicine，2020，8（6）：544-546.

［26］ AKBARSHAKHA，EDUARDO MARBáN E.COVID-19 and the Heart［J］.Circulation Research，2020，26（10）：1443-1455.

［27］ SEWANAN L R，CLERKIN K J，TUCKER N R，et al.How does COVID-19 affect the heart？［J］.Current Cardiology Reports，2023，25（3）：171-184.

［28］ HANG W J，CHEN C，SEUBERT J M，et al.Fulminant myocarditis：a comprehensive review from etiology to treatments and outcomes［J］. Signal Transduction and Targeted Therapy，2020，5（1）：287.

［29］ TSCHPE C，AMMIRATI E，BOZKURT B，et al.Myocarditis and inflammatory cardiomyopathy：current evidence and future directions［J］.Nature Reviews Cardiology，2021，18（3）：169-193.

［30］ ZHANG R，CHEN X，ZUO W J，et al.Inflammatory activation and immune cell infiltration are main biological characteristics of SARS-CoV-2 infected myocardium［J］.Bioengineered，2022，13（2）：2486-2497.

［31］ PANIGRAHI S，GOSWAMI T，FERRARI B，et al. SARS-CoV-2 spike protein destabilizes microvascular homeostasis［J］. Microbiology Spectrum，2021，9（3）：e0073521.

［32］ PIZZINO G，IRRERA N，CUCINOTTA M，et al.Oxidative stress： harms and benefits for human health［J］.Oxidative Medicine and Cellular Longevity，2017，2017：8416763.

［33］ ALAM M S，CZAJKOWSKY D M.SARS-CoV-2 infection and oxidative stress：pathophysiological insight into thrombosis and therapeutic opportunities［J］. Cytokine & Growth Factor Reviews，2022，63：44-57.

［34］ BASARAN M M，HAZAR M，AYDIN M，et al.Effects of COVID-19 disease on DNA damage，oxidative stress and immune responses［J］.Toxics，2023，11（4）：386.

［35］ ZHAO R Z，WANG X B，JIANG S，et al.Elevated ROS depress mitochondrial oxygen utilization efficiency in cardiomyocytes during acute hypoxia［J］.Pflugers Archiv，2020，472（11）：1619-1630.

［36］ HUYNH T V，RETHI L，LEE T W，et al. Spike protein impairs mitochondrial function in human cardiomyocytes：mechanisms underlying cardiac injury in COVID-19［J］.Cells，2023，12（6）：877.

［37］ RAMACHANDRAN K，MAITY S，MUTHUKUMAR A R，et al.SARS-CoV-2 infection enhances mitochondrial PTP complex activity to perturb cardiac energetics［J］.iScience，2022，25（1）：103722.

（收稿日期：2023-05-09）

（本文編輯 王麗）