新型冠状病毒感染的肺炎相关心肌损伤及其机制

辛小军 魏晗 肖平喜

作者单位:211100 江苏南京,南京医科大学附属逸夫医院心血管内科

新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)[1]由新型冠状病毒(2019-novel coronavirus,2019-nCoV)所引起。2019-nCoV与曾在人群中引起大范围传播流行的严重急性呼吸综合征相关的冠状病毒(severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus,SARS-CoV)同属于β冠状病毒属[1]。有研究显示[2],2019-nCoV与2018年在中国舟山收集到的两种SARS样冠状病毒具有88%的同源性,且2019-nCoV和SARS-CoV具有相同的功能宿主细胞受体——血管紧张素转换酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2)[3]。

多项回顾性研究结果显示[1, 4-8],COVID-19患者大多以发热、干咳、乏力等为首发症状;外周血检查有白细胞总数正常或减少、C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)及血沉增加、乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)水平升高等生化指标的改变。严重者可见血氧饱和度下降,D-二聚体以及淋巴细胞进行性减少。同时肺部CT提示病毒感染后有肺间质的改变以及双肺多发的磨玻璃状影。

中国疾病预防控制中心公布了一份截至2020年2月11日共包含72 314例患者的报告[9]。该报告显示,合并有基础疾病的COVID-19患者总体病死率会升高,其中合并心血管疾病患者的病死率为10.5%,合并糖尿病为7.3%,合并高血压为6.0%。值得注意的是,在Huang等[4]、Zaki等[5]、Chan等[6]、Chen等[7]发布的研究结果中,多数患者出现了血清肌钙蛋白(cardiac troponin I,cTnI)、肌红蛋白(myoglobin,MYO)和肌酸激酶(creatine kinase,CK)等与心肌损伤相关的标志物水平的升高,且多数为重症患者。

心血管系统疾病已成为COVID-19患者诊疗过程中一个不容忽视的危险因素。而本文主要就2019-nCoV对患者造成的心肌损伤及其可能的机制进行探讨。

一、2019-nCoV与ACE2

冠状病毒具有26～32 kbp正股单链的核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)基因组,广泛分布于禽类和各种哺乳动物中[10]。根据其遗传学差异和不同的抗原交叉反应,可以分为α、β、γ和δ四群,但只有α和β两群中的7种冠状病毒会使人致病[11]。冠状病毒主要包含两种胞膜蛋白:受体结合位点的刺突蛋白(spike glycoprotein,S)和负责运输营养物质的膜糖蛋白(membrane glycoprotein,M)。S蛋白是一种三聚体Ⅰ类融合糖蛋白,广泛分布于冠状病毒包膜表面,其由受体结合亚基S1和膜融合亚基S2构成,主要介导了与宿主细胞受体之间的相互作用[12]。S蛋白以亚稳态的预融合构象存在,该构象通过结构重排完成病毒膜和宿主细胞膜的融合[12]。冠状病毒为了与宿主细胞受体结合,S1亚基的受体结合域(receptor-binding domain,RBD)通过构象运动暂时隐藏或暴露与受体结合的关键因素。这两种瞬时状态被称为“向下”构象和“向上”构象,分别对应于受体不可及状态和不太稳定的受体可及状态[13-15]。

最近有研究报道显示,2019-nCoV与SARS-CoV的感染机制相似,都是通过其包膜表面的S蛋白介导了与宿主细胞的ACE2之间的相互作用[3]。ACE2是由X染色体上ACE2基因编码的含有805个氨基酸的一种Ⅰ型跨膜糖蛋白[16]。作为一种嵌合体蛋白,ACE2于2000年被发现,其是ACE的同源类似物[17]。ACE2和ACE相似,同样具有两个结构域:氨基末端的催化结构域和羧基末端结构域。氨基末端的催化结构域位于胞外,有1个锌金属肽酶结构域的活性位点,其与ACE的氨基端序列同源性为41.8%[17-18]。同时,ACE2和ACE为Ⅰ型整合蛋白都有一个氨基端的信号肽和一个羧基端的跨膜域。

值得注意的是,ACE2氨基末端胞外结构域具有3个主要生理功能:(1)羧肽酶活性:将血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)转化为血管紧张素1-7(angiotensin 1-7,Ang1-7);参与了Apelin等多种肽类的代谢,Apelin可以合成为含77个氨基酸的前激素原,其可被加工成36个氨基酸的肽Apelin-36,进一步的蛋白水解产生Apelin-13。且有研究显示,全身应用Apelin-13可致使大鼠和小鼠低血压的产生[19-20]。(2)可以作为SARS-CoV的受体。(3)可以作为整合素β1和整合素α5的底物[21],提示ACE2在与整合素信号通路相关的心血管疾病中可能发挥一定的作用。

ACE2主要在心脏、肾脏和睾丸中表达,但在其他组织如结肠和肺中表达水平较低[18]。Crackower等[22]的研究结果显示,大鼠ACE2基因谱中已经有确定数量的位点和高血压相关,并且ACE2基因位点的2个单核苷酸的多态性与人类心血管疾病有关[23]。同时多项基础研究发现,在ACE2基因敲除的几种不同近交系小鼠中,均表现出了与衰老和压力负荷过高相关的心肌损伤,提示ACE2可能作为心肌损伤以及心力衰竭的调节因子[22,24-25]。Kassiri等[26]的研究中同样提到,在小鼠的心肌梗死模型中,ACE2的缺失加速了左心室的适应性重塑。

综上所述,2019-nCoV通过其S蛋白以ACE2为受体介导了对组织的损伤,并且ACE2也在心血管系统中扮演了重要的角色,所以2019-nCoV感染的患者可能会伴随不同程度的心血管系统的损伤。同时ACE2也成为COVID-19相关心肌损伤机制的一个重要因素。

二、2019-nCoV对心肌的影响

(一)对心肌的直接影响

冠状病毒对宿主细胞的感染主要通过其S蛋白的S1亚单位与宿主细胞ACE2受体结合。Li等[27]研究显示,SARS-CoV与ACE2的相互作用是通过S蛋白的三聚体启动的。该三聚体延伸到ACE2催化域的疏水口袋中,S1亚基的受体结合域显露出与ACE2受体结合的关键因素,从而表现出“向上”构象,与ACE2受体结合。然后在病毒与细胞融合前,S蛋白三聚体的稳定性遭到破坏,导致其S1亚基脱落和S2亚基转变为融合后的稳定构象。有研究显示,ACE2在被SARS-CoV感染时会与病毒一起内化,且内吞作用是病毒进入宿主细胞所必需的[27-28]。

2019-nCoV正是利用这种高度糖基化的S蛋白进入宿主细胞的[29]。同时,通过对2019-nCoV生物物理学和结构学分析发现,其S蛋白与ACE2结合的能力较SARS-CoV强[29]。2019-nCoV可能和SARS-CoV感染途径相似,通过其S蛋白的S1亚基和心肌细胞的ACE2的胞外催化域相互作用,然后病毒通过胞吞和膜融合的方式吸附入侵进入心肌细胞,进行基因合成、成熟病毒的包装和释放,从而直接对心肌细胞造成了损伤。但是还需要更多的研究来支持这种猜测。

(二)通过肾素-血管紧张素系统对心肌造成损伤

肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system,RAS)中ACE的主要生理作用是将血管紧张素I(angiotensin Ⅰ,Ang Ⅰ)转化为有效的血管收缩剂——Ang Ⅱ,但ACE2的生理作用与ACE相反,是将Ang Ⅱ转化为Ang1-7。同时ACE2也能将Ang Ⅰ转化为无活性的血管紧张素1-9(angiotensin 1-9,Ang1-9),然后在ACE或其他酶的作用下转化为Ang1-7。重要的是,ACE2直接代谢Ang Ⅱ生成Ang1-7,比将Ang Ⅰ转换成Ang1-9的效率高得多。

2020年2月,Liu等[30]发布的深圳市12例COVID-19患者分析中,血浆样本中Ang Ⅱ水平显著升高,并与病毒载量和肺损伤呈线性相关。既往已有动物实验研究表明[31],SARS-CoV可以与其受体ACE2结合,下调其表达,导致小鼠血液中Ang Ⅱ水平升高,并通过Ang Ⅱ受体1a(angiotensin Ⅱ type 1a receptor,AT1aR)来介导对组织的损伤。也有研究提到,心肌收缩功能的受损情况与心脏和血浆Ang Ⅱ升高的水平呈正相关,并且使用Ang Ⅱ受体阻滞剂也逆转了ACE2基因敲除小鼠的心肌受损情况[24-25]。

同时,既往也有一定关于Ang1-7的研究。Zisman等[32]在心力衰竭患者的心室中检测到Ang1-7水平的代偿性增加与ACE2的上调有关,同时也有研究显示[33],在缺血性心肌病患者的心肌细胞中也检测到Ang1-7水平的上升。在包括缺血-再灌注损伤、心肌梗死和高血压心肌病在内的啮齿动物心力衰竭模型中,Ang1-7治疗均可以改善心肌功能和心脏重塑,甚至可以提高存活率[34-35]。Ang1-7的生理作用一直存在争议,但其通常起着拮抗Ang Ⅱ的升压、增殖和促纤维化作用,并通过与G蛋白偶联受体Mas相互作用介导其血管保护作用[36-37]。

在人群中进行的几项研究表明[38],ACE2基因的多态性与中国女性代谢综合征患者的高血压有很强的相关性。Rentzsch等[39]在易自发高血压的大鼠模型血管中过表达ACE2,发现其具有明显的降低血压作用。同时Gurley等[40]向ACE2基因敲除小鼠中输入Ang Ⅱ后,发现其血压显著升高,且使用重组ACE2也能特异性地降低Ang Ⅱ所诱导的高血压[41]。因此,结合ACE2降解Ang Ⅱ生成的Ang1-7所具有的舒张血管的生理作用,提示ACE2在控制血压方面发挥着重要作用。

上述研究表明,ACE和ACE2及其作用产生的血管紧张素等产物可能在肾素-血管紧张素系统中起着平衡作用。2019-nCoV可能和SARS-CoV感染途径相似,在病毒包膜和宿主细胞膜融合的过程中,通过ACE2的跨膜结构域与病毒颗粒内化进入心肌细胞,同时伴随着ACE2胞外催化结构域的脱落,从而可能使细胞ACE2的羧肽酶活性等生理功能丧失。同时病毒侵入细胞,导致细胞的损伤和死亡也可能在一定程度上造成ACE2数量上的减少。这些原因都可能致使COVID-19患者的肾素-血管紧张素系统失衡,从而使Ang Ⅱ在体内积聚,通过细胞膜表面的AT1aR对心肌造成损伤,而同时Ang1-7的生成也会减少,对心肌的保护作用可能也会降低。

Ang Ⅱ和Ang1-7分别作为血管的收缩剂和舒张剂,Ang Ⅱ的增加和Ang1-7的减少也可能会使血压升高,从而导致心脏的后负荷增大。并且ACE2的下调使得具有降压作用的Apelin-13生成减少[19-20],也可能会在一定程度上造成COVID-19患者血压升高。因此,2019-nCoV感染患者可能由于Ang Ⅱ、Ang1-7及Apelin-13的失衡使得心脏后负荷增大,导致心肌耗氧量增大,加剧了由于肺炎肺损伤引起的心肌缺氧情况,从而可能会对心肌细胞的造成一定的损害。但同样的,这种可能的心肌损伤机制也需要更多的后续研究来支持和完善。

(三)病毒感染后造成的细胞因子风暴对心肌的损伤

2020年1月14日,Huang等[4]对41例COVID-19患者的研究中指出,病毒的感染还与细胞因子风暴有关,其特征是患者血浆中白介素(interleukin,IL)-1β、IL-2、IL-7和IL-10、粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor,G-CSF)、干扰素-γ诱导蛋白-10(interferon γ inducible protein-10,IP-10)、单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)、巨噬细胞炎症蛋白-1α(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)等浓度升高,并且炎症因子的水平和疾病的严重程度呈正相关。但该研究中也提到,抑制炎症的辅助型T细胞2(T helper 2 cell,Th2)的反应也增强了,这与SARS-CoV引发的免疫反应有所不同。在这41名患者中有5名重症患者检测到其超敏肌钙蛋白I(high-sensitivity cardiac Troponin I,hs-cTnI)水平显著升高,随后被诊断为病毒相关的急性心肌损伤。这些由病毒感染所引发的免疫反应失衡造成了细胞因子风暴,从而导致心肌损伤是患者预后不良的一个重要因素。

2020年2月18日Liu等[30]发布的深圳12例患者研究中有1例被确诊为爆发性心肌炎,其与心脏功能有关的生化指标,如CK、MYO、cTnI、脑钠肽(brain natriuretic peptide,BNP)、肌酸激酶同工酶MB(creatine kinase-MB,CK-MB)显著升高,发病5 d后超声心动图结果显示左心室射血分数(left ventricular ejection fraction,LVEF)为32%,左心室内径(left ventricular internal diameter,LVID)为61 mm。爆发性心肌炎并非病毒直接侵犯心肌,而是由于细胞因子风暴导致了严重的心肌细胞顿抑,心肌功能突然暂停,全身多器官功能衰竭而致患者死亡。此前,阜外医院赵妍等[42]通过对前期收治入院的169例急性病毒性心肌炎综合分析得出,在成人的急性病毒性心肌炎中,如果出现心电图QRS间期延长、心肌坏死标记物升高、LVEF降低,就极有可能发展为重症爆发性心肌炎。

(四)病毒感染造成的血液高凝状态对心肌的影响

Huang等[4]发布的41例患者分析结果显示,重症监护病房(intensive care unit,ICU)患者的D-二聚体水平和凝血酶原时间普遍要比入院时高,同时ICU患者D-二聚体的平均水平也要比非ICU患者高;一项家族聚集性病例研究显示[6],有3例患者的部分凝血酶原时间、D-二聚体水平或纤维蛋白原含量有不同程度的上升。这些生化指标都提示COVID-19患者在感染期间会出现不同程度血液高凝状态。

引起机体血液高凝状态产生的机制可能有以下3个方面:(1)在急性肺损伤中,ACE、Ang Ⅱ和AT1aR作为肺损伤促进因子发挥作用,而ACE2对Ang Ⅱ水平的负性调节则对肺损伤具有保护作用[31]。结合上述,2019-nCoV感染造成的肺组织损伤,可能导致肺部通气血流比例失调和气体交换障碍等一系列病理生理改变,从而形成顽固性低氧血症,引起血液中继发性红细胞增多、血液粘滞度增加。(2)血浆中炎症因子IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α水平升高也会通过多种途径来促进机体的凝血过程[43-44]。因此,COVID-19患者可能由于其炎症因子水平上升导致全身血液呈高凝状态。(3)有研究显示[39],在大鼠血管中过表达ACE2基因可改善其血管内皮功能。提示2019-nCoV感染可能会通过ACE2导致血管内皮受损从而激活凝血途径,造成血液高凝状态产生。

综上所述,由于全身血液高凝状态的产生,以及冠状动脉血管内皮受损可能诱发冠状动脉内血栓形成。同时,高凝状态可能致使全身微循环瘀滞,造成微血栓形成,脱落的微血栓可随血液循环进入冠状动脉内,形成外源性的冠状动脉血栓栓塞,从而导致心肌细胞受损。同时,重症COVID-19患者由于低血压、低灌注引起冠状动脉内供血供氧不足,也可能在一定程度上造成心肌损伤。

(五)病毒感染对心肌造成的其他影响

(1)病毒感染对心肌细胞的直接损害以及造成的心肌细胞代谢微环境的紊乱,也可能在一定程度上影响到心肌的电活动,造成严重的心律失常而致命。(2)在疫情期间,2019-nCoV感染患者在各种负面情绪如亲人离世等影响下,可能会产生应激性心肌病,又称心碎综合征。(3)在重症患者中,基础疾病伴随病毒感染后全身性炎症反应的发生,可能会造成各种临床并发症如心肾综合征、胆心综合征和胰心综合征等发生。提示我们在对重症患者的处理过程需注意多学科综合诊疗。

三、小结

综上所述,笔者主要从4个方面论述了与COVID-19可能相关的心肌损伤机制,但其确切的发病机制还尚不明了,需要更多的后续研究来进行深入探讨。但在2019-nCoV所致的心肌损伤研究中,ACE2可能会成为一个重要的研究靶点。同时,以上也提示在对COVID-19患者进行诊疗时,需格外重视关于心肌损伤的治疗。