ACE2与新型冠状病毒肺炎的心肾损伤

张晨阳，邵冬雪，郑 曦，焦光宇，郝丽英*

0 引言

新型冠状病毒肺炎(Coronavirus disease 2019，COVID-19)是新型冠状病毒(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)[2019新型冠状病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)]感染导致的，是一种具有传染性质的急性呼吸道疾病。

COVID-19患者除表现为典型肺炎症状之外，也可出现心肾损伤，若合并心肾系统基础疾病，则有较高的风险发展为重症甚至死亡[1-5]。Huang等[1]对41例感染SARS-CoV-2患者进行统计，其中13例(32%)患有基础疾病，包括糖尿病8例(20%)、高血压和心血管疾病6例(15%)，出现心脏损伤并发症5例(12%)。与非ICU患者比较，ICU患者血浆细胞因子异常升高，可能诱发全身炎症反应。侯涛[2]研究显示，有高血压、冠心病、糖尿病等基础疾病者，感染SARS-CoV-2后易转变为重症；另外，心肌酶升高提示SARS-CoV-2可能会引起心脏损伤。Li等[3]研究了59例COVID-19患者的肾功能，63%(32/51)的患者呈现蛋白尿，19%(11/59)和27%(16/59)的患者血浆肌酐和尿素氮水平升高，CT显示，100%(27/27)的患者有肾脏的影像学异常。《新型冠状病毒诊疗方案》(试行第7版)中也记录了心脏、肾脏的病理学转变，包括心肌细胞、肾小球、肾小管以及心肾间质方面的病变[6]。上述结果提示，SARS-CoV-2感染引起的心肾损伤值得关注和探讨。

关于COVID-19患者的心肾损伤，目前国内外研究大多集中于临床表现及治疗方面[1-7]，其机制研究较为概括或侧重于心血管系统的分析，对于肾脏方面的研究较少，仍然需要进一步挖掘。本文将就SARS-CoV-2的细胞受体展开，介绍其在心脏以及肾脏中的分布及作用，分析SARS-CoV-2引起心肾损伤的可能机制，并根据其机制总结临床上对于心肾损伤或合并心肾系统疾病肺炎患者的治疗方法和策略。

1 SARS-CoV及SARS-CoV-2的细胞受体研究

冠状病毒(Coronavirus，CoV)属于正链包膜RNA病毒，分为α、β、δ和γ 4属，可感染野生动物、畜群和人类，有时会暴发疫情，但更多时候感染后无明显症状，其中严重急性呼吸综合征病毒(Severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)和中东呼吸综合征病毒(Middle East respiratory syndrome CoV，MERS-CoV)都属于β-CoV，已引起过严重的流行性疾病暴发[8-9]。冠状病毒的突刺糖蛋白(S)能够识别宿主细胞受体并诱导病毒和细胞膜融合[10]。S蛋白包括S1和S2两个功能单元，S1专门识别宿主细胞受体，在大多数CoV中，受体结合域(Receptor-binding domain，RBD)位于S1的C末端；在S1与受体结合后，S2起到介导病毒和细胞膜之间融合的作用[11]。目前研究已知 SARS-CoV的宿主受体为血管紧张素转换酶2(Angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)[10-11]，是血管紧张素转换酶(Angiotensin-converting enzyme，ACE)的同源物。

SARS-CoV的RBD残基424-494因与受体完全结合，也被称为受体结合基序(Receptor-binding motif，RBM)[11]。

Zhou等[12]在疫情早期研究发现，SARS-CoV-2全长基因组序列和SARS-CoV序列相比有79.5%的一致性。同时，在用于CoV物种分类的开放阅读框ORF1ab中的7个保守的复制酶区域，SARS-CoV-2的氨基酸序列和SARS-CoV之间有94.6%的相同，表明这两种病毒属于同一物种。另外，其确定了SARS-CoV-2的受体同样是ACE2。Xu等[8]进一步研究发现，与SARS-CoV相比，SARS-CoV-2 RBM的5个关键残基(442、472、479、487、491)中，除了Tyr491外，其余4个均发生了变化，但该变化对其三维结构影响较小，其结构与SARS-CoV 的RBD结构几乎保持相同，依然具备与ACE2显著结合的活性。更为重要的是，Wan等[13]基于既往对SARS-CoV的研究，提出SARS-CoV-2除了在远离于ACE2受体结合域的loop结构中插入了一个残基外，其RBM序列相较于SARS-CoV的RBM而言无任何删除或插入，为SARS-CoV-2以ACE2作为受体提供了有力证据。Wrapp等[14]研究发现，SARS-CoV-2与ACE2 结合的亲和力远高于SARS-CoV与ACE2的亲和力(约10～20倍)。

2 RAS系统和ACE2

肾素-血管紧张素系统(RAS)是心血管生理和稳态的重要组成部分，该系统的放松调节对心血管和肾脏疾病的病理生理学有重要贡献[15-16]。除了经典的内分泌RAS系统外，局部RAS还存在于心血管、肾脏、脑等全身各组织中，与经典RAS系统相互作用(图1)，和ACE/AngⅡ/AT1R轴产生拮抗，该途径的关键成分是ACE2及其产物Ang-(1-7)和Ang-(1-9)[17]。

图1 ACE/ACE2与RAS系统注：Ang：血管紧张素原(Angiotensinogen)；Renin：肾素；AngⅠ：血管紧张素I(Angiotensin I)；AngⅡ：血管紧张素Ⅱ(AngiotensinⅡ)；ACE：血管紧张素转换酶；ACE2：血管紧张素转换酶2；AT1R：血管紧张素1型受体(AngⅡ type 1 receptor)；AT2R：血管紧张素2型受体(AngⅡ type 2 receptor)；MasR：Mas相关 G 蛋白偶联受体(Mas-related G-protein coupled receptor)

ACE是RAS系统中的一个关键酶[18]，其包含2个活性结构域，从肽底物的C末端去除二肽，主要将由肾素转化Ang而来的十肽AngⅠ降解为八肽AngⅡ，还可以降解缓激肽[19]。ACE2是2000年发现的RAS的一个新的组成部分，和ACE相比，其金属蛋白酶催化域存在42%的相同部分，和ACE的不同之处在于只有1个酶位点[20]。ACE2只能去除底物羧基末端的1个氨基酸，被证明能将AngⅠ裂解为Ang-(1-9)，ACE可将Ang-(1-9)转化成Ang-(1-7)；同时，ACE2也可以使AngⅡ降解为Ang-(1-7)，且主要通过该途径发挥其调节作用[21-23]。ACE2在小肠、十二指肠、胆囊、肾、睾丸、心脏及直肠等组织高度分布[3]，提示其在心肾功能中的重要作用，可能与新冠肺炎容易累及心肾有关[4,24]。

AngⅡ作为RAS的重要成员之一，受体为AT1R和AT2R。AngⅡ与AT1R结合时，在血管收缩、细胞增殖、炎症反应以及纤维化方面起到促进效应；当作用于AT2R时，则起到了相反的作用[25]，AngⅡ的大部分作用已被证实是由AT1R介导的[26]。Ang-(1-7)和Ang-(1-9)分别作用于MasR和AT2R。研究表明，ACE2/Ang-(1-7)/MasR轴和ACE2/Ang-(1-9)/AT2R轴与经典的ACE/AngⅡ/AT1R轴产生对抗[27-29]，对于心血管和肾脏体系的调节有重要作用。

3 ACE2在心脏的分布情况及作用

Northern杂交分析显示，ACE2 mRNA在心脏中以3.4-kb的转录表达，心室心肌的免疫组化分析显示，ACE2定位于大多数心内膜血管，包括毛细血管、小静脉、中型冠状动脉和小动脉[20]。ACE2参与心脏重构和功能的调节[30-31]。

Dang等[32]研究显示，右心室肥大和纤维化与ACE、AngⅡ、AT1R表达升高以及ACE2、Ang-(1-7)、MasR表达降低有关，通过丹参汤上调右心室组织中ACE2和MasR水平，下调ACE、AngⅡ和AT1R水平，可减轻其重构和纤维化。

RAS的过度活跃和心肌AngⅡ的产生是引起心力衰竭发生发展的重要因素[33]，可能是通过TGF-β1/Smad/AP-1信号通路的过度激活而导致[34]。Wang等[35]研究显示，AngⅡ受体拮抗剂(如奥美沙坦)能够上调ACE2/Ang-(1-7)/MasR轴，从而减轻心肌梗死后的心肌重构和纤维化。

对于Ang-(1-7)减轻间质纤维化和血管周围纤维化，减少病理性心脏重塑的保护作用，目前至少有3种机制：①Ang-(1-7)抑制心肌成纤维细胞DNA、蛋白质和胶原合成；②Ang-(1-7)增加心肌成纤维细胞中的双特异性磷酸酶DUSP1，与磷酸化ERK1/2的减少相关；③Ang-(1-7)抑制心肌成纤维细胞中有丝分裂原刺激的环氧合酶2和前列腺素E合成酶的增加，减少增殖性前列腺素的产生[36]。

Ma等[37]发现，ACE2过表达可改善阿霉素诱发的心肌病，包括降低细胞凋亡、炎症反应、氧化应激、左室容积、心肌纤维化程度和死亡率，增加左室射血分数，其机制可能涉及激活AMPK和PI3K-AKT通路，抑制ERK通路，减少TGF-β1表达，以及调节RAS系统成分，如减少心肌AngⅡ水平，增加心肌Ang-(1-7)的水平，同时降低ACE表达等。

在心血管疾病中，Ang(1-7)可以减少巨噬细胞浸润，使MCP-1、IL-6、TNF-α、NF-κB、ROS以及血管细胞黏附蛋白1水平下降，减少炎症反应，也能抑制细胞凋亡，增加一氧化氮的释放，从而保护心肌细胞，减少动脉粥样硬化的风险[38]。另外，在心脏组织中，Ang-(1-7)可以转化为一种新的RAS介质，即Alamandine，具有通过激活NOS酶诱导血管舒张、逆转内皮功能障碍、调节血压下降等心血管保护功能[39]。

4 ACE2在肾脏的分布情况及作用

在肾脏中，ACE2在肾小管和肾小球上皮细胞、血管平滑肌细胞、小叶间动脉内皮细胞和肾小球系膜细胞中高度表达[28]。ACE2介入肾脏的生理及病理进展调节。

RAS的过度活跃可导致肾脏损伤[40]，如糖尿病肾病、高血压肾病和急性肾损伤等。RAS驱动MAPK介导的细胞凋亡，NF-κB介导的炎症以及氧化还原失衡促进氧化应激可能是其引起肾脏损伤的潜在机制[41]。

实验模型研究已经探讨了ACE2在改善肾功能、炎症和纤维化方面的药理诱导的可行性[42]。ACE2/Ang-(1-7)/MasR轴通过拮抗激活的ACE/AngⅡ/AT1R轴的作用，发挥肾脏保护功能。

ACE2对糖尿病肾病的病理发生有显著影响，可减轻AngⅡ引起的血管收缩、纤维化、氧化应激、水和盐潴留[43]。研究表明，糖尿病肾病患者尿中ACE2表达上调[44]，可能与肾近端小管上皮被大量挤压使ACE2病理性脱落有关[43]。Liu等[45]发现，缺乏ACE2的小鼠在慢性AngⅡ输注后出现更严重的高血压肾病，包括血压升高、尿蛋白排泄、血清肌酐升高以及进行性肾纤维化和炎症，其机制可能是ACE2丢失靶向Smad7泛素降解，促进AngⅡ诱导TGF-β/Smad3介导的肾纤维化及NF-κB介导的高血压肾病。Sharma等[41]研究表明，AT2R和ACE2参与了缺血性急性肾损伤的发病机制，炎症、凋亡和其他致病信号的升高可能与RAS降压臂功能失调[即Ang-(1-7)和ACE2水平降低]，以及急性肾缺血损伤的严重程度有关。

5 ACE2与新型冠状病毒肺炎心肾损伤的机制

最近，越来越多的研究表明，ACE2在SARS-CoV-2感染过程中发挥重要作用[46-49]。一方面，ACE2作为SASR-CoV-2作用的受体，是病毒进入细胞内的“门户”，为SARS-CoV-2感染引起心肾损伤提供了机会，这是其消极的作用；另一方面，ACE2/Ang-(1-7)/MasR轴能够在心脏及肾脏中拮抗ACE/AngⅡ/AT1R轴带来的心肾损伤，即ACE2对于心肾功能也具有一定的保护作用，这是其积极的作用。病毒进入宿主细胞后，将会导致ACE2的表达水平下调[50]，ACE2缺乏虽然降低了脏器对于病毒的易感性，但同时也会导致RAS系统两臂失衡，进而引起心肾等多脏器损伤。临床报告显示，由SARS-CoV-2入侵引起的ACE2下调可能对ACE2缺乏症(如高血压及心血管疾病)患者尤其有害[51]，进一步表明了ACE2对心肾系统的重要保护作用。

关于SARS-CoV-2造成心肾损伤的机制目前尚不明确，通过分析SARS-CoV-2受体ACE2在心脏和肾脏中的分布和作用，推测SARS-CoV-2感染造成心肾损伤可能存在的机制为：①ACE2在心脏和肾脏中高度分布，提示心肾系统易受SARS-CoV-2的感染；②Liu等[52]发现，和健康人群相比，COVID-19患者血浆中AngⅡ水平较高，因此，SARS-CoV-2与ACE2受体结合使ACE2水平下调，导致ACE/AngⅡ/AT1R轴和 ACE2/Ang-(1-7)/MasR轴在患者的心肾调控中失衡，Ang-(1-7)生成减少，AngⅡ水平则绝对或者相对升高，从而收缩血管，升高血压，诱发心脏或肾脏的细胞凋亡，纤维化程度加重，引起氧化应激和炎症反应等一系列病理变化，导致COVID-19患者出现心肾损伤；③有研究表示，肺炎及其相关疾病引起心肌缺血后，心肌细胞损伤和死亡能够诱导多种促炎症机制，可能从而加重心脏发生更多损伤[50]；肾脏缺血性/再灌注损伤也可以引起急性炎症反应的激活，包括黏附分子增强、巨噬细胞和中性粒细胞活化和浸润，这与TGF-β形成、NF-κB激活以及促炎细胞因子(如IL-18)释放有关[53]。上述研究提示，心肾损伤可能会进一步诱导炎症因子风暴发生，从而使心脏和肾脏出现继发性的病变，甚至导致多脏器损伤。通过前文对ACE2在心肾中的功能分析可知，ACE2在心肌缺血及缺血性急性肾损伤的发病过程中均发挥一定作用，ACE2的缺乏加速了细胞凋亡，促进炎症反应的发生，心肾保护功能被削弱，也是导致心肾出现继发性损伤的重要原因之一。

另外，也有其他研究证明，包括SARS-CoV和MERS-CoV在内的病毒感染可明显上调ACE2的表达，表明SARS-CoV-2感染可能上调其细胞受体ACE2，从而加速进入细胞复制和扩散[54]，同时ACE2的上调也会介导细胞因子诱导炎症反应，引起免疫应答[55]。总之，作为SARS-CoV-2受体的ACE2在病毒感染时脏器损伤中的作用值得关注和深入研究。

6 新型冠状病毒肺炎心肾损伤的治疗方法与策略

基于上述对SARS-CoV-2感染导致心肾损伤的机制分析可见，调节RAS系统药物以及靶向作用于ACE2的药物等可能有助于减缓COVID-19患者的心肾损伤。

6.1 调节RAS系统的药物 RAS抑制剂，如ACE抑制剂(ACEI)和AngⅡ受体拮抗剂(ARB)在心血管疾病和肾脏疾病的治疗中发挥着重要的作用。临床研究显示，在接受ACE抑制剂的慢性心力衰竭患者中，血浆AngⅡ被抑制，Ang-(1-7)升高；反之，在急性心力衰竭和给予AngⅡ受体拮抗剂的患者中，AngⅡ升高，而Ang-(1-7)水平降低，Ang-(1-7)/AngⅡ比值降低与心力衰竭症状恶化和住院时间延长有关[56]。采用血管紧张素转换酶抑制剂治疗肾内科疾病能够改善患者的肾功能指标，可获得理想效果[57]，提示使用RAS抑制剂可能有助于缓解COVID-19患者的心肾损伤。然而，也有学者表示，使用ACEI和ARB治疗心肾疾病的同时，也能上调心肺循环中ACE2数量，可能增加了病毒感染风险，从而使病情加重[58]。因此，早在2月时即有报道，应根据合并高血压COVID-19患者的疾病严重程度停用ACEI和ARB等药物，并建议轻、重患者分别改用钙拮抗剂、肾素抑制剂和/或钙拮抗剂[59]。Huang等[60]将50例实验室确诊的住院高血压COVID-19患者，按基础降压药物分为RAS抑制剂组(20例)和非RAS抑制剂组(30例)，所有患者继续使用入院前抗高血压药物，结果显示，两组患者入院后临床指标变化无明显差异，说明RAS抑制剂对于加重COVID-19患者病情影响不大。但是鉴于该项研究样本数目有限，现阶段仍然缺乏大量的科学证据和临床数据来证明COVID-19和合并心脏基础疾病患者是否需要停止使用ACEI/ARB[61]，且没有足够的证据支持ACEI/ARB通过上调ACE2蛋白水平增加SARS-CoV-2感染的风险[62]，因此，关于RAS抑制剂在COVID-19尤其合并高血压患者在治疗方面的应用还存在争议。国内相关领域专家如张宇清[63]、孙宁玲[64]、李华俊和潘小宏[65]、李勇和李玉明[66]等以及国外心血管学会，例如欧洲心脏病学会[67]、美国心脏学会和心力衰竭协会[68]、加拿大心血管协会和心脏衰竭协会[69]、国际高血压学会[70]等，均建议合并高血压的COVID-19患者应继续保持使用ACEI和ARB药物对高血压等疾病的常规治疗。另外，张中等[71]提出，ARB类药物反馈调节肺部ACE2水平上升，发挥的保护作用可能多于其受体作用，提示RAS抑制剂对于心肾而言也可能是利大于弊；Kow等[72]也表示，使用ACEI/ARB类药物对心血管疾病的既定益处可能大于其目前的不确定风险。综上所述，目前的主流意见认为，RAS抑制剂对于治疗COVID-19患者没有明显负面影响，建议临床上可以继续使用此类药物治疗COVID-19患者的心肾损伤。

β受体阻滞剂可以通过抑制肾素释放，进而抑制RAS系统的活性，可能在下调ACE2，减少病毒的靶点和减轻COVID-19感染的疾病严重性方面有潜在应用价值[73-74]。然而该类药物的不良反应包括支气管痉挛。因此对于有心血管疾病的COVID-19患者使用β受体阻滞剂时，要注意监测肺部指标以及血氧浓度，若出现了缺氧或者支气管痉挛等不良反应以及重症COVID-19患者，建议停止β受体阻滞剂的服用[75]。

6.2 靶向作用于ACE2的药物 重组ACE2属于非膜结合受体，通过截获SARS-CoV-2病毒颗粒，防止病毒与ACE2的细胞表面结合进而避免随后的感染[50]，是治疗心力衰竭及肾脏损伤的潜在途径[76-77]。Lei等[78]通过将人类ACE2的胞外结构域与人免疫球蛋白IgG1的Fc区连接形成重组蛋白，与SARS-CoV和SARS-CoV-2的受体结合域具有高亲和力结合，在体外可有效中和SARS-CoV和SARS-CoV-2。Monteil等[79]研究发现，人重组可溶性ACE2(hrsACE2)能显著阻断SARS-CoV-2感染人血管器官和肾脏，表明hrsACE2可以作用于SARS-CoV-2感染的初期阶段。然而，此类药物是否只在感染早期有效尚不明确[50]。Kruse[80]认为，ACE2-Fc重组蛋白不仅可以作为抗体阻止病毒逃逸，产生长期免疫力，也能补充感染期间肺部ACE2水平的降低，从而直接改善急性呼吸窘迫的病理状态，提示其也可能弥补心肾系统ACE2水平的下降，对SARS-CoV-2引起的心肾损伤具有良好的治疗效果。总之，重组ACE2蛋白对于SARS-CoV-2的预防、诊断及治疗等方面仍待进一步研究。

6.3 其他治疗方法及策略 对于肾功能衰竭患者，治疗时应注重体液、酸碱和电解质平衡，并注意氮平衡、热量和微量元素等营养补充；若危重症患者的肾功能损伤则可以使用肾替代疗法[6]。维生素D能有效阻碍NF-κB激活[81]，逆转肾脏疾病中的炎症反应，与吡格列酮联用后，可以减轻肾缺血/再灌注诱导的损伤[53]，提示使用抗炎药物对抗炎症反应，同时合理联合使用其他药物，可能有效治疗心肾损伤。血浆净化治疗能减轻炎症对机体的损伤，可以用于重型或危重患者细胞因子风暴的早中期治疗[6]。也有研究显示，急性社会心理应激可以短暂激活人类RAAS，进而增加高血压及心血管疾病风险[82]，因此，关注患者的心理健康，及时做好心理疏导对于心肾损伤的治疗也具有积极作用。

7 小结及展望

SARS-CoV-2的受体为ACE2，因此，本文通过分析ACE2在心脏和肾脏中的作用，研究了COVID-19患者出现心脏肾脏的病理变化，包括血压升高、细胞凋亡、纤维化、氧化应激、炎症反应等的可能机制，同时，炎症反应的发生有可能引发细胞因子风暴，进而致使多脏器损伤，甚至危及生命。提示临床对COVID-19患者的治疗过程中，除了进行积极的肺炎病情控制，也要关注患者的心血管和肾脏系统的指标变化[83-84]，做到合理安排调整用药，对于合并有高血压、冠心病、糖尿病等疾病患者，尤其需要及时注意心肾功能的保护治疗。另外，由于ACE2主要通过ACE2/Ang-(1-7)/MasR轴发挥心脏和肾脏的保护作用，且Ang-(1-7)与 MasR结合是其发挥保护作用的关键部分，提出作用于Ang-(1-7)或MasR的药物使Ang-(1-7)上调或使用其类似物或许能够有效治疗SARS-CoV-2感染导致的心肾损伤，对于临床治疗及药物研发具有潜在应用价值。ACE2是一把双刃剑，其水平过高易加重病毒感染，过低也会致使ACE/AngⅡ/AT1R轴和 ACE2/ Ang-(1-7)/MasR轴调节失衡，最终都会导致心肾等多脏器损伤，因此，如何调节病理状态下ACE2水平使其处于平衡状态需要进一步研究探讨。