新型冠状病毒肺炎心脏损伤及其与血管紧张素转化酶Ⅱ的关系研究进展

裴茂华，王瑶，陈倩综述 龚作炯审校

新型冠状病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)是由新型冠状病毒引起，2020年2月11日国际病毒分类委员会(ICTV)将该病毒命名为严重急性呼吸综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)。SARS-CoV-2以血管紧张素转化酶Ⅱ(angiotensin converting enzyme Ⅱ，ACE2)为受体侵入细胞，造成感染[1-2]。临床上,SARS-CoV-2感染除典型发热、呼吸道症状之外,有相当比例的心脏损伤表现。本文综合以往冠状病毒研究与现有COVID-19报道,讨论新型冠状病毒肺炎患者心脏损伤的临床表现，对ACE2介导心脏损伤的机制进行综述，探讨ACE2与COVID-19患者心脏损害之间的联系。

1 新型冠状病毒肺炎患者心肌损伤的临床证据

新型冠状病毒感染的患者除了典型的呼吸系统表现外，部分患者还表现为与病毒感染相关的心脏损害症状。Huang等[3]报道最早确诊的41例SARS-CoV-2肺炎患者中，有5例(12.2%)出现急性心脏损伤，主要表现为高敏肌钙蛋白I(hs-cTnI)水平上升(>28 pg/ml)，天冬氨酸氨基转移酶升高(>40 U/L)15例，肌酸激酶升高(>185 U/L)13例，乳酸脱氢酶升高(>245 U/L)29例，都一定程度提示了心脏损伤。同时还发现41例患者中，有6例(14.6%)患者合并高血压，6例(14.6%)合并心血管疾病。Chen等[4]报道的99例新冠肺炎患者中，大多数患者的心肌酶谱异常，其中13例(13.1%)患者的肌酸激酶升高，75例(75.8%)患者的乳酸脱氢酶升高，其中1例肌酸激酶6 280 U/L，乳酸脱氢酶20 740 U/L。有40例(40.4%)患者合并心血管和脑血管疾病。Wang等[5]报道的138例患者中，55例(39.9%)乳酸脱氢酶升高，患者整体肌酸激酶和肌酸水平较高，且入住ICU的患者高于未入ICU的患者。常见并发症中心律不齐23例(16.7%)，急性心脏损伤10例(7.2%)。138例患者中64例患有并存疾病，其中高血压43例(31.2%)，心血管疾病20例(14.5%)。Guan 等[6]回顾性分析1 099例临床资料，发现原有高血压165例(15.0%)，冠心病27例(2.5%)。实验室检查中，277例乳酸脱氢酶增高，168例天冬氨酸氨基转移酶升高，90例肌酸激酶增高。结合已有的报道发现，SARS-CoV-2 感染患者有相当比例的心肌酶谱异常，部分患者已经确诊为病毒感染相关的心脏损伤。同时，在合并症中，心血管疾病是最常见的潜在疾病之一。最新研究提示[7]，出现心肌损伤的82例新冠肺炎患者，病死率51.2%，而无心肌损伤的患者病死率为4.5%。结合现有研究，心肌损伤是COVID-19重症患者的突出临床特征和不良事件的重要预测因素。

2 ACE2与ACE

血管紧张素转化酶(ACE)与ACE2同属于庞大的肾素—血管紧张素—醛固酮系统(RAAS)和激肽—缓激肽系统(KKS)家族(图1)。RAAS经典途径首先主要由肾脏释放的天冬氨酰蛋白酶肾素将肝蛋白血管紧张素原裂解为无活性的十肽血管紧张素Ⅰ(Ang Ⅰ)，然后血管紧张素转化酶(ACE)水解AngⅠ，去除2个C端氨基酸，从而生成具有生物活性的八肽血管紧张素Ⅱ(Ang Ⅱ)，AngⅡ有2个受体，血管紧张素Ⅰ型受体(AT1-R)和AT2-R。AT1受体具有血管收缩、醛固酮释放、肾近端小管盐潴留、通过脑内受体刺激交感神经系统等多种肽的经典作用[8]。AT1受体有2种亚型AT1A和AT1B，其中 AT1A受体介导了以上大部分作用。

2000年通过基因组研究首次发现ACE2[9]。ACE2是一种具有羧肽酶活性的锌金属蛋白酶，通过去除单个C端氨基酸，催化十肽的血管紧张素Ⅰ(AngⅠ)转化为九肽的血管紧张素(1-9)[Ang(1-9)]或将血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)转化为血管紧张素(1-7)[Ang(1-7)][10]。Ang(1-7)作用于特异性Mas受体，发挥舒张血管、抗炎、抗增生、抗纤维化和抗细胞凋亡等作用[11]，达到拮抗AngⅡ的生物学作用。

3 SARS-CoV-2造成心脏损伤的可能机制

3.1 SARS-CoV-2通过ACE2受体促进病毒进入靶细胞 SARS-CoV-2与严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)有很多相似之处。使用计算机建模，Xu等[12]发现SARS-CoV-2和SARS-CoV的刺突蛋白在维持范德华力的受体结合域具有几乎相同的3D结构。

图1 ACE和ACE2在RAS系统的作用

根据生化相互作用研究和晶体结构分析，SARS-CoV刺突蛋白与人ACE2具有很强的结合亲和力[13]。SARS-CoV-2和SARS-CoV棘突蛋白共有76.5%的同一性氨基酸序列，并且重要的是，SARS-CoV-2和SARS-CoV棘突蛋白具有高度的同源性[12-13]。进一步分析表明，SARS-CoV-2比SARS-CoV更有效地识别人ACE2，从而提高了SARS-CoV-2在人与人之间传播的能力[14]。另有研究发现，SARS-CoV-2能够利用除小鼠ACE2外的所有ACE2蛋白作为受体，但只能进入表达ACE2的细胞，这表明ACE2可能是SARS-CoV-2进入细胞的细胞受体，同时发现SARS-CoV-2不使用其他冠状病毒受体，如氨基肽酶N(APN)和二肽基肽酶4(DPP4)[1]。因此，SARS-CoV-2通过与人ACE2受体结合进入细胞。

3.2 SARS-CoV-2感染可能会下调ACE2表达 SARS-CoV-2通过ACE2受体进入细胞，对其存活和复制具有重要意义。已知许多病毒会诱导细胞受体下调，包括HIV、麻疹病毒、丙型流感病毒、6型人类疱疹病毒及冠状病毒[15]。受体下调可能会导致这些宿主细胞的自然生理功能受到严重损害，并伴随着受感染细胞、器官或个体的病变，但是，病毒强烈受益于受体表达的下调[16]，因为它导致了可控和有效的感染过程。受体下调可以防止已经在进行病毒复制的细胞受到感染，这通常是确保病毒颗粒有效释放所必需的[17-18]。

2003年导致“非典”的急性呼吸系统综合征冠状病毒(SARS-CoV)表面的S蛋白与受体识别并结合，通过一种新的网格蛋白和小泡无关的内吞途径进入宿主细胞。SARS冠状病毒是利用ACE2作为细胞融合和体内感染的必需受体，此外，ACE2 保护小鼠肺部免受急性肺损伤及SARS-Spike蛋白介导的肺损伤，提示ACE2在SARS感染和ARDS保护中起双重作用[19]。SARS-CoV病毒刺突蛋白与ACE2结合后， 下调细胞表面表达的ACE2水平，这种ACE2受体下调的现象，引起肺RAS活性失调，恶化可导致急性肺衰竭；心肌ACE2表达的下调可引起一些SARS患者的心脏损害。在感染SARS-CoV的心脏中，ACE2蛋白的完全丧失可能是由于SARS刺突蛋白激活ADAM-17/TACE，从而裂解和释放ACE2，和/或由于SARS-CoV与内皮细胞中的ACE2结合，导致配体/受体复合物的内吞作用，并随后在细胞内降解ACE2[20]。结合SARS及冠状病毒相关研究提示，新型冠状病毒致病机制与ACE2具有密切关系，新型冠状病毒通过ACE2受体介导侵入细胞，可能下调ACE2导致肺部、心脏等相关器官损伤。

3.3 ACE2下调引起心脏损伤的损伤机制 在正常情况下，ACE2和ACE的平衡对于组织损伤的形成有重要意义。ACE2主要生理作用是降低AngⅠ、AngⅡ和Des-Arg缓激肽，促进Ang(1-7)生成，后者通过特异性Mas受体发挥舒张血管、抗炎、抗增生、抗纤维化和抗凋亡等作用，达到拮抗AngⅡ的生物学作用。Ang(1-7)发挥抗生长活性，抑制血管紧张素Ⅱ诱导的丝裂原活化蛋白激酶[p38，细胞外信号相关激酶(ERK1/2)和c-jun氨基末端激酶(JNK)]的磷酸化和血管紧张素Ⅱ对转化生长因子β1(TGFβ1)的刺激。Ang(1-7)通过刺激心脏血管内皮生长因子-D和基质金属蛋白酶9的表达来促进血管生成，从而促进心脏修复和心室功能恢复[21]。当SARS-CoV-2感染时，介导ACE2表达下调，破坏了ACE2和ACE之间的平衡。ACE2—Ang(1-7)—MasR轴被抑制，Ang(1-7)对心脏的保护作用减弱。

同时，RAAS经典途径生成AngⅡ增多，增加了对心脏的毒害作用。一方面，循环中的AngⅡ激活多种靶组织中的AT1受体，上调交感神经系统，增加血管收缩，释放醛固酮，造成水钠潴留，加重心脏负担。AngⅡ还通过抑制一氧化氮合酶降低了一氧化氮有益血管舒张的作用。另一方面，血管紧张素Ⅱ还促进自由基的产生，刺激纤溶酶原激活物抑制剂1的释放，并增加组织因子和血管细胞黏附分子的表达。AngⅡ还通过促进血管平滑肌细胞增殖和白细胞黏附而具有致动脉粥样硬化作用[22]。

3.4 ACE2与COVID-19患者心脏损伤的联系 SARS-CoV-2引起心肺损伤的具体机制目前尚不明确。ACE2下调导致心脏损伤的机制已经研究的十分清楚，作为SARS-CoV-2的关键受体，COVID-19患者心脏损伤是否直接由ACE2导致，目前还有待进一步研究。Chen等[23]的研究首次建立了成人心脏单细胞图谱，发现ACE2高表达的周细胞可能是SARS-CoV-2的靶细胞。病毒感染对周细胞的损伤可能导致毛细血管内皮细胞功能障碍，引起微血管功能障碍，导致心脏损伤，而基础心力衰竭患者在mRNA和蛋白水平均显示ACE2表达增加，表明如果感染病毒，这些患者心脏病发作和病情危重的风险可能会更高。该研究结果解释了COVID-19基础心血管疾病患者重症发生率高的原因，也提示ACE2与心脏损伤有重要的联系。

4 COVID-19患者心脏损伤可能由多种因素共同作用所导致

COVID-19患者心脏损伤是由复杂多因素共同导致的，ACE2下调可能会导致心脏损伤，SARS-CoV-2的直接作用、炎性因子风暴、低氧等因素共同作用，加速了这一过程。在SARS死亡患者中，35%患者的心脏中检测到SARS-CoV，这表明SARS-CoV能够感染易感个体的心肌，同时SARS刺突蛋白激活ADAM-17/TACE的活化导致肿瘤坏死因子-α(TNF-α)释放增多[20]。因此SARS-CoV-2也可能直接攻击心肌细胞, 引起病毒性心肌损伤。

Huang等[3]研究发现，COVID-19病情越重,Th1型促炎因子GCSF、IP-10、MCP-1、MIP-1α、TNF-α等血清水平越高。SARS-CoV-2侵入组织，特别是肺部后免疫细胞过度活化，这会触发白细胞、内皮细胞和上皮细胞的激活，通过正反馈循环的机制形成炎性反应风暴，释放出更多的炎性反应介质，如TNF-α、白介素-1(IL-1)、IL-6、IL-8和IL-10，引起细胞和组织损伤，这被称为“炎性因子风暴”。“炎性因子风暴”会导致心脏损伤，是后期出现急剧恶化的多器官衰竭的主要原因。

在相关病例报道中，新型冠状病毒肺炎患者均以呼吸道症状为主要临床表现，当病毒复制引起急性大面积肺炎, 破坏肺实质和肺泡—毛细血管屏障, 可致肺血管渗漏和肺泡水肿, 大量纤维样黏液渗出, 肺透明膜形成, 肺通气/灌注比例失调, 肺毛细血管床有效容积减少, 造成严重缺氧, 继发酸中毒、水盐紊乱和糖脂等代谢障碍，损伤心脏功能[3-5，24]。同时，低氧血症可刺激颈动脉体中的缺氧化学感受器，从而激活全身交感神经系统和RAS，改变心脏ACE、ACE2和AngⅡ的表达，从而引起心肌损伤[25]。

5 待解决的问题

所有器官的内皮细胞中均存在ACE2，感染个体的血浆中也存在SARS-CoV，但很少有器官病毒阳性。这可能意味着，类似于HIV感染，一般病毒进入模型要求病毒包膜不仅要结合细胞表面受体(CD4)，而且要结合趋化因子共受体[CXCR4或CCR5(BBA)] ，SARS-CoV需要共受体进入细胞[26]。对于SARS-CoV-2，该病毒通过ACE2受体介导进入细胞，ACE2除在肺部表达外，在心脏、肾脏、消化道也大量表达，但是绝大多数新型冠状病毒肺炎患者都是以呼吸道症状为主要临床表现，这可能提示SARS-CoV-2需要存在一个共受体，特异性地造成肺部感染和损伤。未来的研究必须阐明除ACE2外，SARS-CoV-2与共受体的结合是否可能与肺和小肠的特异性感染有关。ACE2是否是直接导致COVID-19患者心脏损伤的原因，还需要大量基础研究来证实。在合并有高血压的COVID-19患者中，RAAS抑制剂的应用存在争议：一方面，RAAS抑制剂的使用可能会影响ACE2的表达和含量，进而影响SARS-CoV-2病毒的毒力；另一方面，RAAS抑制剂在保护肾脏和心肌方面具有有利作用，在高风险患者中停用RAAS抑制剂可能有临床失代偿的风险。在临床状况不稳定的患者中，与COVID-19患者相关的心肌损伤在停用RAAS抑制剂后可能构成更高的风险[27]。因此，欧洲心脏病学会(ESH) 发表声明[28]，建议对于目前具有此类药物适应证(如心力衰竭、高血压或缺血性心脏病)患者继续使用RAAS抑制剂。在随后的研究中[29-30]，对现有证据的严格审查都不支持RASS抑制剂对COVID-19患者的有害作用，因此并不建议COVID-19患者停用RAAS抑制剂。