新型冠状病毒肺炎与细胞因子风暴

李娜 李维 杨拴盈

西安交通大学第二附属医院呼吸与危重症医学科710004

2019年12月中旬在中国湖北省武汉市陆续出现了一些原因不明的肺炎患者[1]。这些患者主要表现为发热、干咳及乏力等。疫情发展非常迅速,2020年2月内已波及全国各省及全球数十个国家和地区。2020年1月上旬,我国科学工作者确定了引起此次肺炎的病原体是一种全新的冠状病毒,即严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-Co V-2),由它引起的这种肺炎称为新型冠状病毒肺炎 (COVID-19)[2]。近十七年来,冠状病毒已经导致了三次重大传染病的爆发流行,包括COVID-19、严重急性呼吸综合征 (severe acute respiratory syndrome,SARS)和中东呼吸综合征(Middle East respiratory syndrome,MERS)。

SARS-Co V-2是一种正链单股RNA 病毒,属于β属冠状病毒,有包膜。颗粒呈圆形或椭圆形,常为多形性,直径约60～140 nm,其基因特征与SARS-Co V 和MERSCo V 有明显的区别。目前研究显示其与SARS样冠状病毒同源性达79.6%,与蝙蝠冠状病毒基因同源性达96%[3]。临床实践表明,部分COVID-19患者早期病情较轻,但在发病7～10 d左右病情突然加重,甚至死亡,死亡原因多为多器官功能衰竭。细胞因子风暴是导致SARS和MERS患者病情急速恶化甚至死亡的重要原因之一。在本次COVID-19疫情中,部分重型与危重型患者加重的原因也可能与细胞因子风暴有关。

1 细胞因子风暴

1.1 细胞因子及细胞因子风暴 细胞因子是由免疫细胞及组织细胞分泌的在细胞间发挥调控作用的一类小分子可溶性蛋白质,其主要包括干扰素 (interferon,IFN)、IL、趋化因子、集落刺激因子、肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factors,TNF)等。细胞因子以自分泌、旁分泌或内分泌形式发挥作用,可通过结合相应受体调节细胞生长分化,调控免疫应答,参与炎症等多种疾病的发生、发展。

细胞因子风暴又称为细胞因子瀑布级联,或高细胞因子血症。细胞因子风暴最早由Ferrara等[4]于1993年研究移植物抗宿主病时提出的。当机体免疫系统受到感染 (细菌、病毒、真菌等)或非感染 (药物、自身免疫性疾病等)因素的影响时,机体先后启动非特异性免疫应答与特异性免疫应答,体内多种免疫细胞如巨噬细胞、中性粒细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞等可以释放多种细胞因子,如IL-1、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、趋化因子、粒细胞集落刺激因子、粒细胞巨核细胞集落刺激因子、IFN-γ、TNF-α等。这些细胞因子与中性粒细胞、巨噬细胞及多种免疫细胞之间通过特定的正反馈机制,使多种细胞因子及相关免疫细胞在组织、器官中异常增多、聚集,形成细胞因子风暴,最终导致单器官或多器官损伤甚至功能衰竭。

1.2 病毒感染与细胞因子风暴 多种病毒如SARS-Co V、甲型H1N1流感病毒、MERS-Co V 等感染人后均可导致细胞因子风暴。然而,不同冠状病毒感染导致细胞因子风暴时发挥主要作用的细胞因子谱可能不同,如SARS病毒相关的细胞因子风暴主要与IL-6、IL-8、IL-12、IFN-γ、干扰素-γ 诱导的蛋白10 以及单核细胞趋化蛋白1 相关。MERS-Co V 引起的细胞因子风暴主要与IFN-γ、TNF-α、IL-15、IL-17等有关。Channappanavar等[5]指出SARS 患者有严重的淋巴细胞计数减少,并且急性期SARS患者和健康个体相比,CD4+T 和CD8+T 细胞数量明显减低。这可能与抗原提呈细胞功能改变、树突状细胞迁移受损导致T 细胞活化障碍有关[6-8],也可能与Ⅰ型干扰素增多和应激反应引起糖皮质激素水平升高诱导T 细胞凋亡有关[9]。在MERS患者中也观察到了淋巴细胞计数减少的现象[10],但其原因尚不明确。

2 COVID-19与细胞因子风暴

2.1 SARS-Co V-2 导致的细胞因子风暴 目前已有COVID-19患者死亡尸体解剖表明病毒主要是在下呼吸道引起炎症反应并导致肺损伤[11]。因此,我们推测SARSCo V-2与血管紧张素转化酶2结合入侵人体后随即启动非特异性免疫应答。在细胞内一般通过3种主要类型的模式识别受体感知RNA 病毒,然后激活下游信号传导效应分子NF-κB和IRF3/7。其中,NF-κB 促进细胞中促炎因子(如TNF-α、IL-1β和IL-6)的转录,进一步触发Th1 和Th17炎症反应,使IFN-γ和IL-17分泌。IRF3/7会促进Ⅰ型IFN 的产生,进而激活JAK1/TYK2-STAT1/2 途径,上述两个过程均可进一步诱导其他促炎细胞因子和趋化因子 (如CCL-3、CCL-4、CXCL-8、CXCL-9)的表达[12]。

淋巴细胞减少是COVID-19患者中最突出的标志之一,其中主要包括CD4+T 细胞、CD8+T 细胞[13]、自然杀伤细胞、调节T 细胞[14]与B 细胞[15]数目减少和功能的减退,已有研究观察到T 细胞减少与血清细胞因子 (IL-6、IL-10和TNF-α)升高、免疫抑制分子 (如PD-1、Tim-3)水平升高有关[13,16]。我们推测可能是肺泡巨噬细胞或上皮细胞释放的细胞因子导致了淋巴系统功能异常,如TNF-α可导致T 细胞凋亡[17]、IL-10阻止T 细胞增殖[18]、IFN-1调节T 细胞再循环[19]等。

在COVID-19后期阶段 (7～10 d左右)存在患者病情突然恶化,表现为高热、进展的呼吸困难并出现全身多系统功能障碍。根据武汉大学中南医院报道的41例COVID-19患者的回顾性研究显示重症COVID-19患者血浆中多种促炎因子如IL-2、IL-7、IL-10、粒细胞集落刺激因子、干扰素-γ诱导的蛋白10、单核细胞趋化蛋白1、MIP-1α、TNF-α等表达水平明显升高,这提示重症患者体内最终发生了细胞因子风暴[20]。

因此,SARS-Co V-2入侵人体的过程首先是因病毒感染所产生的细胞因子促进炎症反应并将免疫细胞募集至肺部,随后出现细胞因子导致淋巴系统功能障碍,使得清除能力受损、病毒复制和传播增加,最终形成正反馈效应(即免疫级联放大效应),产生细胞因子风暴,使得肺泡壁及毛细血管漏出加重,坏死细胞及分泌物填充肺泡,肺泡壁毛细血管阻塞,透明膜形成,患者最终出现ARDS表现。

并且由于血管紧张素转化酶2 除了在肺部高表达外,还在血管内皮细胞、心脏、肾脏、肝脏、消化道等部位高表达。因此COVID-19不仅有ARDS的表现,部分重症患者同时有休克、急性心肌损伤、心率失常、急性肾损伤等并发症[21],临床上表现为多脏器功能衰竭。上述研究表明,SARS-Co V-2可以多靶点攻击人体,形成细胞因子风暴,造成单一或多脏器功能障碍。

2.2 细胞因子风暴的预警标志 通过检测血液、肺泡灌洗液中细胞因子以及细胞免疫水平的变化来预测COVID-19患者是否发生了细胞因子风暴。

由于细胞因子风暴多发生于重型、危重型患者中,因此检测细胞因子及细胞免疫水平可能对预警、早期诊断、早期治疗细胞因子风暴有一定临床意义。Wan等[22]分析了123例COVID-19患者外周血中细胞免疫水平和细胞因子含量。结果发现,和轻症患者相比,重症COVID-19 患者CD4+和CD8+T 淋巴细胞计数降低更明显。并且该研究在分析细胞因子时发现,和轻症患者相比,更多重症患者IL-6水平明显升高。该研究还提示淋巴细胞亚群与细胞因子之间无显著线性关系。在另一研究中,北京地坛医院应用LASSO COX 回归分析方法研究了61例COVID-19患者的预后因素,并探讨了以其预测病情转重的可行性。结果发现中性粒细胞计数/淋巴细胞计数 (neutrophil to lymphocyte ratio,NLR)升高是导致轻症患者发展为重症的独立危险因素,其中C指数为0.807 (95%CI：0.676～0.938),我们认为C 指数大于0.8时即有较强的预测准确性。因此,NLR 可能具有较好的预测价值。年龄≥50岁且NLR≥3.13的COVID-19普通型患者中,50%发展为重症,故建议对符合上述条件的COVID-19 患者应及时转入ICU[23]。

基于上述研究,临床上可根据细胞因子水平、淋巴细胞计数、NLR 等预测COVID-19患者病情发展趋势。国家卫生健康委员会制定的 《新型冠状病毒肺炎诊疗方案 (试行第七版)》[24]已经推荐进行细胞因子检测,但CD4+T、CD8+T、IL-6的cut-off值目前仍不清楚,需进行大样本临床研究。

2.3 细胞因子风暴的处理 糖皮质激素是目前已知有效的抗炎药物,其可抑制感染性和非感染性炎性反应,能防止或减轻急性炎症期的渗出、水肿及炎症细胞浸润。目前认为糖皮质激素可以通过基因组信号传递 (细胞核内DNA调节)、非基因组激活 (胞浆内NO 合成酶活化)途径诱导抗炎蛋白产生,其中主要是通过抑制NF-κB转录因子而起作用的,因此糖皮质激素是治疗自身免疫性炎症所致细胞因子风暴的基石。但糖皮质激素可能导致延迟治愈、延缓病毒清除、继发感染、骨质疏松、股骨头坏死、高血压、血糖升高等不良反应。一项关于流行性感冒、SARS、MERS的回顾性研究发现,应用糖皮质激素的不良反应大于患者临床获益[25]。

目前糖皮质激素是否可以用于治疗COVID-19患者还存在争议[25-26]。Wu等[27]分析了201例COVID-19患者后发现,在发生ARDS的患者 (n=84,41.8%)中,使用糖皮质激素可以降低死亡风险 (HR=0.38,95%CI：0.20～0.72,P=0.003)。但另一个纳入15项研究的meta分析提示,在COVID-19患者中使用糖皮质激素会导致更高的病死率(RR=2.11,P=0.019)、感染时间延长(P＜0.001)、继发细菌感染 (RR=2.08,P＜0.001)[28]。这个矛盾可能与患者个体差异以及用药时机、剂量不同有关。因此,糖皮质激素的使用是一把双刃剑,应把握好给药时机以防止过度炎症、细胞因子风暴的发生,同时应当注意给药剂量,遵循恰当剂量及短疗程的范围内个体化治疗的原则,以降低长期病毒感染、继发细菌感染的风险。

我国目前将糖皮质激素作为重症COVID-19治疗的方法之一,是考虑到COVID-19重症患者体内存在的细胞因子风暴。武汉大学中南医院对138例COVID-19患者治疗方式的回顾性分析显示,72.2%的重症患者在治疗过程中使用了糖皮质激素,而仅35.3%轻症患者使用了糖皮质激素[20]。糖皮质激素的剂量和疗程应根据病情的严重程度和对治疗的反应情况确定。

根据新发布的 《新型冠状病毒肺炎诊疗方案 (试行第七版)》[24],针对重型、危重型病例治疗时可根据患者呼吸困难程度、胸部影像学进展情况,酌情短期内 (3～5 d)使用糖皮质激素,建议剂量不超过相当于甲泼尼龙1～2 mg/ (kg·d)。当然,这个用量用法可能主要是基于SARS治疗的临床经验教训、相关的回顾性研究等结果。目前,我们还需要严格的随机对照试验以明确糖皮质激素的恰当给药时机和剂量,这是一个亟需解决的临床问题。

除糖皮质激素外,还可考虑使用如IFN-1、TNF-α阻断剂、JAK 抑制剂、抗IL-17单抗、抗IL-6单抗 (托珠单抗)等。重症COVID-19患者多有IL-6明显升高,提示抗IL-6单抗理论上可用于SARS-Co V-2感染导致的细胞因子风暴的治疗。目前已有临床试验评价其在COVID-19治疗中的疗效和安全性。

理论上,免疫学检查结果可能有助于判断导致细胞因子风暴的主要原因是细胞免疫还是体液免疫异常,抑或两者都有。这对指导临床医师采取针对性治疗无疑是明智的选择。对于以细胞免疫为主的患者,可选环孢素等;对于以体液免疫为主的患者,如何用药尚不明确,理论上可采用相应的免疫抑制剂、中西医结合方法予以辅助治疗;对于由于免疫功能低下的患者,可考虑应用丙种球蛋白、胸腺肽、干扰素等药物治疗。

此外,还可采用体外血液净化技术,如大容量血液过滤、级联血液过滤、血浆置换、血浆耦合过滤吸附等技术,控制过度的炎症反应,快速降低血清中细胞因子的水平。

3 问题与展望

细胞因子风暴是导致SARS和MERS患者病情恶化甚至死亡的重要原因,其在COVID-19病情恶化中可能发挥重要作用。根据现有的认识水平,细胞因子、细胞免疫水平有望作为一种预测手段,预判病情转归,这对于 “轻转重”的早发现、早诊断、早治疗有着至关重要的意义。尽管对SARS-Co V-2和细胞因子风暴关系的研究取得了很大进展,但仍有许多问题亟待解决：(1)由于人们对SARSCo V-2所知甚少,其与机体免疫系统的相互作用机制、易感基因、细胞因子风暴产生机制等都需要更多的基础研究去阐明; (2)目前针对细胞因子、免疫细胞与COVID-19病情的关系仍缺乏高质量的基础和临床研究;(3)要实现应用细胞因子水平指导临床诊疗,仍需大样本研究进一步明确细胞因子、免疫细胞水平与COVID-19患者病情、治疗方式、合并症等之间的关系;(4)在恰当处理细胞因子风暴以挽救重症COVID-19患者方面,目前可用的药物甚少,且缺乏循证医学证据等。相信随着相关研究的广泛开展,细胞因子风暴与重症COVID-19的关系将日渐明晰。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突