2019冠状病毒病重症化的免疫炎症机制与临床干预策略

宋枚芳，申 川(综述)，王亚东，赵彩彦(审校)

(河北医科大学第三医院感染内科，河北 石家庄 050051)

自2019年12月以来，由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)感染所致的2019冠状病毒病(corona virus disease-19,COVID-19)在全球迅速蔓延。COVID-19患者根据临床表现分为轻型、普通型、重型和危重型，死亡病例多来自重型与危重型。由病毒诱发机体失控性免疫应答所致的细胞因子风暴相关的炎症反应是患者重症化的主要机制。在目前还没有针对COVID-19特效药物的情况下，阐明失控性免疫炎症反应发生的分子机制有助于寻找临床干预措施的靶点，为防控COVID-19重症化、降低病死率发挥积极作用。现将免疫炎症反应在COVID-19中的作用以及相应的临床干预措施作一综述。

1 SARS-CoV-2及其受体

冠状病毒是包膜单股正链RNA病毒，主要由刺突蛋白(spike protein,S)、包膜蛋白(envelope protein，E)、核衣壳蛋白(nucleoprotein,N)和膜蛋白(membrane protein,M)构成，包括α、β、γ和δ四个属，其中冠状病毒的β属可引起严重的疾病甚至死亡。SARS-CoV-2与严重急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV)、中东呼吸道病毒综合征冠状病毒(middle east respiratory syndrome coronavirus,MERS-CoV)均属于冠状病毒的β属并具有一定的相似性。SARS-CoV-2通过呼吸道飞沫和密切接触传播，比SARS-CoV和MERS-CoV毒力弱，但具更强的传播性[1]。遗传序列分析显示SARS-CoV-2与SARS-CoV和MERS-CoV分别有约79%和50%的核苷酸同源性[2]。SARS-CoV-2与SARS-CoV均利用S蛋白与血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2)结合进入宿主细胞，且SARS-CoV-2与ACE2的亲和力是SARS-CoV的10～20倍[3]。83% ACE2受体表达于肺泡Ⅱ型上皮细胞。其次，在食道上皮细胞、回肠和结肠上皮细胞、心肌细胞、胆管细胞、肾近端小管细胞和膀胱上皮细胞等也存在ACE2的高度表达[4]。

2 COVID-19重症化的表现与机制

COVID-19患者中轻症者居多，表现为急性呼吸道感染或轻症肺炎，早期症状表现为发热、干咳及乏力，胸部影像学为双肺多发小斑片影及间质改变，以肺外带明显。Tian等[5]对2例患有肺腺癌的患者进行肺叶切除时发现其曾患有COVID-19，肺部病理表现为水肿、蛋白渗出及间质增厚，肺泡腔内被少量炎性细胞浸润，透明膜形成不明显，此病理表现可能是COVID-19肺部受累的早期阶段。随着疾病的进展，COVID-19患者可出现呼吸困难和(或)低氧血症，更为严重者可快速进展为急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)、难以纠正的代谢性酸中毒、脓毒症休克、凝血功能障碍和多器官功能衰竭等。COVID-19死亡患者的肺脏可见双肺弥漫性肺泡损伤、透明膜形成等提示存在ARDS[6]。Li等[7]对83例COVID-19患者进行回顾性研究发现，重症COVID-19的典型胸部CT表现为实变影、铺路石征、线性混浊和支气管壁增厚。姚小红等[8]对3例COVID-19死亡患者进行肺脏、心脏、肝脏等多器官微创尸检发现肺间质纤维化、单核和巨噬细胞浸润及微血管内透明血栓，其他器官受到不同程度的累及，表现为实质细胞的变性、坏死和小血管内透明血栓。这些证据均提示免疫炎症反应在COVID-19病情进展中发挥着重要的作用。

2.1细胞因子风暴 细胞因子风暴是一种失控性炎症反应，表现为促炎细胞因子的过度释放，引起ARDS和多脏器功能衰竭。COVID-19患者均存在不同程度的免疫失调，而失控性免疫应答引发细胞因子风暴相关的炎症反应是COVID-19患者重症化的主要原因。Huang等[9]研究发现，入住重症监护病房(intensive care unit，ICU)的COVID-19患者白细胞介素(interleukin，IL)-2、IL-7、IL-10、干扰素诱导蛋白10(interferon-inducible protein-10，IP10)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor,GCSF)、单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、巨噬细胞炎症蛋白1A(macrophage inflammatory protein-1A,MIP-1A)的血浆浓度高于非ICU患者。Diao等[10]对重症COVID-19患者研究发现IL-6和TNF-α水平明显升高。Ruan等[11]对150例确诊COVID-19病例的回顾性、多中心研究发现，死亡患者的C反应蛋白与IL-6水平高于出院患者，这表明由病毒引起的过度炎症与COVID-19患者的死亡密切相关。一项荟萃分析显示，重症COVID-19患者的IL-6水平与非重症患者相比显著升高，这说明IL-6可作为一项COVID-19疾病进展的潜在标志物[12]。COVID-19死亡患者尸检发现弥漫性肺泡损伤、单核巨噬细胞浸润、肺间质纤维化和多脏器实质细胞受损等[8]进一步佐证了细胞因子风暴的存在。

2.1.1促炎T淋巴细胞激活 细胞因子风暴的形成促使T淋巴细胞的分化及活性发生变化，T淋巴细胞的损伤是COVID-19患者病情恶化的原因之一。COVID-19患者CD4+T细胞、CD8+T细胞减少，但是发挥促炎作用的Th17型CD4+T细胞增加。Xu等[6]研究发现，COVID-19死亡患者外周血中高度促炎的CCR6+Th17细胞数量显著增加，进一步证明了Th17型细胞因子风暴的存在。Th17细胞产生的IL-17可促进炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-a的产生，具有广泛的促炎作用。COVID-19患者的IL-1β、γ-干扰素(interferon-γ,IFN-γ)、IP-10、MCP-1等细胞因子的大量释放也可能导致Th1细胞激活，Th1细胞激活后可分泌IL-2、IFN-γ、IFN-α、肿瘤坏死因子β(tumor necrosis factor-β,TNF-β)等[9]。Th1的激活还可诱导巨噬细胞向M1方向极化，引起炎性因子如IL-1β、IL-6、IL-18、IL-12、IL-23、TNF-α和趋化因子配体1-3(CXC chemokine ligand 1-3，CXCL1-3)、CXCL5、CXCL8-10、CXCL16、C-C趋化因子配体(C-C chemokine ligand,CCL)11、CCL2-5和CX3趋化因子配体(CX3 chemokine ligand,CX3CL)等的分泌而发挥促炎作用。研究表明，COVID-19患者体内抑制炎症反应的IL-4和IL-10细胞因子水平增加[13]，其发生机制可能与病毒持续存在时，T细胞逐渐失去效应能力呈细胞耗竭状态相关[14]，具体机制有待进一步证实。

2.1.2抗体依赖性增强(antibody dependent enhancement,ADE) ADE的作用机制研究较多，宿主细胞表面的抗体Fc受体(Fc receptor，FcR)、补体受体等均可介导ADE作用。结合病毒的抗体Fc段可与某些表面表达FcR的细胞结合而介导病毒进入，使病毒在细胞内持续复制，不仅能引起机体的二次应答反应，还可产生细胞因子风暴加重病情。ADE的发生及相关的炎症反应与抗体的特异性、浓度、亲和力和种型等因素有关。抗病毒中和抗体引起的炎症反应是COVID-19发生严重肺部炎症的可能机制。高抗体效价被认为是严重疾病的危险因素，在某些患者中可能具有负面作用。一项关于173例COVID-19患者的分析报道显示，合并严重疾病的患者具有更高的IgG反应和总抗体滴度[15]。这提示SARS-CoV-2感染机体后可能存在ADE，但尚无确凿的证据，仍需进一步探索。

2.1.3固有免疫激活 SARS-CoV-2进入机体后，固有免疫作为机体的第一道防线，可通过模式识别受体对病毒RNA进行识别并诱导Ⅰ型干扰素(type Ⅰ interferon,IFN-Ⅰ)产生。IFN-Ⅰ型干扰素包括IFN-α和IFN-β等，可在感染的早期抑制病毒复制，并在诱导机体适应性免疫应答中发挥重要作用。SARS-CoV-2的S蛋白与细胞ACE2受体结合后引发免疫反应，产生炎性细胞因子并抑制IFN反应，这可能是病毒早期复制失控的原因之一。病毒的持续复制使IFN-I产生增多，引发巨噬细胞及中性粒细胞的大量涌入。Wang等[16]对138例COVID-19患者研究发现，重症患者中性粒细胞数量异常增多。巨噬细胞及中性粒细胞启动肺部早期炎症使肺上皮-内皮屏障功能受损，严重时大量炎症介质及细胞因子释放引发ARDS。

2.2凝血功能紊乱 COVID-19重症患者几乎均存在凝血功能障碍[9]。COVID-19重症患者血小板降低、凝血酶原时间延长、纤维蛋白降解产物及D-二聚体升高提示凝血系统与纤溶系统失衡，对COVID-19死亡患者尸检发现多脏器小血管内透明血栓提示患者发生弥散性血管内凝血[8]。同时，凝血功能障碍的出现及纠正是影响重症患者转归的独立危险因素[9]。细胞因子风暴引起IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α产生增加而促进凝血过程，是重症患者凝血功能障碍的主要原因。炎性因子大量产生损伤血管内皮细胞，致使中性粒细胞、单核巨噬细胞和血小板表达并释放组织因子(tissue factor,TF)，TF进入血液后通过一系列途径最终使凝血酶原转化为凝血酶。凝血酶不仅在血栓形成中发挥着重要的作用，还可促进中性粒细胞释放蛋白酶及活性氧加重内皮损伤，刺激血小板释放CD40配体，进而使IL-6和IL-8合成增加而加重炎症反应，如此形成一个恶性循环。由此可见，细胞因子风暴使COVID-19患者的凝血过程向促凝方向转化，导致血栓形成甚至威胁患者生命。SARS-CoV-2诱发免疫功能失调致凝血功能紊乱的分子机制还需要更为深入的基础和病理学研究。

3 免疫炎症机制对临床干预措施的启发

目前对于COVID-19的治疗无特效的药物，最好的防控策略是早发现、早隔离、早报告和早治疗。在治疗过程中应掌握其重症化的机制、预警表现与关口前移、防止重症化、及早治疗，降低病死率。

3.1抗炎药 糖皮质激素抑制促炎细胞因子的产生而发挥强大的抗炎作用。但是，目前COVID-19患者对于是否应用糖皮质激素治疗存在争议。赵建平等[17]认为对于重症COVID-19患者的治疗可试用中小剂量及短疗程的激素。但由于激素的应用会抑制机体免疫反应，不仅影响病毒清除甚至还会出现一些相关的并发症，故一部分研究者对应用糖皮质激素持否定态度。目前的关键是选择合适的患者、寻找能够有效指导患者应用糖皮质激素的生物学标记物。阿那白滞素是一种IL-1受体拮抗剂，可阻断促炎细胞因子IL-1α和IL-1β的活性。一项回顾性队列研究发现，应用阿那白滞素可改善呼吸功能并提高COVID-19患者的存活率[18]。JAK抑制剂不仅可以抑制炎性细胞因子，还有利于机体抵抗病毒的侵袭。鲁索替尼是JAK1/2抑制剂，研究发现接受其治疗的COVID-19重症患者临床症状改善，且体内的IL-6、IL-12、MIP-1α、MIP-1β、神经生长因子β、巨噬细胞迁移抑制因子和血管内皮生长因子的水平明显降低[19]。

3.2免疫抑制剂 托珠单抗(tocilizumab,TCZ)抑制免疫功能，阻断IL-6和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的信号传导途径进而减少炎症反应。目前TCZ广泛用于治疗自身免疫性疾病，包括类风湿关节炎、成人斯蒂尔氏病和大血管炎。COVID-19患者可使用TCZ预防或治疗细胞因子风暴。Luo等[20]选取了15例COVID-19患者，给予TCZ治疗后患者C反应蛋白、IL-6指标均低于治疗前水平。一项回顾性病例对照研究表明，TCZ可减少COVID-19重症患者的ICU入院次数和(或)病死率[21]。然而，应用TCZ治疗的过程中还应注意由此引发的严重感染、血小板减少、中性粒细胞减少和肝损害。

3.3免疫增强剂 静脉注射免疫球蛋白(intravenous immunoglobulin,IVIG)可提高机体防御能力，阻断与靶细胞相关的受体，防止病原体进一步破坏靶细胞。此外，IVIG还可影响淋巴细胞的分化与成熟，抑制炎性因子的产生而减轻炎症损伤。重症患者易存在ARDS或细胞因子风暴，大剂量的IVIG应用可能作为防止肺部炎症进一步恶化的有效方法。一项对1 099例COVID-19患者研究发现其IVIG使用率达13.1%，重症患者使用率为33.5%[22]。一项研究发现，进入ICU后48 h内启动IVIG可以减少机械通气的时间，提高患者的有效治疗水平[23]。早期开始IVIG治疗和大剂量输注可以使COVID-19患者受益。因此，IVIG可作为治疗COVID-19一种安全而有效的药物。

3.4抗凝治疗 Lin等[24]认为IVIG联合低分子肝素抗凝是重症患者治疗的关键环节。若患者出现淋巴细胞明显减少、炎症因子异常升高及凝血指标异常(尤其是D-二聚体出现4倍升高)时，应启动IVIG和抗凝治疗。同时，对于D-二聚体明显增高且无抗凝禁忌证者，建议预防性使用抗凝药物。Yin等[25]研究发现在D-二聚体>3.0 mg/L的重症COVID-19患者中，肝素使用者的28 d病死率(32.8%)低于非使用者(52.4%)。应密切关注重症COVID-19患者的高凝状态，若无禁忌应考虑对其进行抗凝治疗，同时在抗凝治疗期间还需警惕出血问题。

3.5其他 血液净化是通过建立血液通道，利用血浆置换、吸附、滤过、透析等原理达到净化血液的一种治疗方式，可以有效清除炎性细胞因子、阻断细胞因子风暴和维持水电解质等内环境的稳定。有研究表明，应用血浆置换可以降低COVID-19重型患者的炎症因子水平，表现为C反应蛋白和IL-6水平显著下降[26]。Zhang等[27]认为人工肝血液净化系统作为针对炎性因子风暴的疗法，在降低重症COVID-19患者的病死率方面具有良好的潜力。间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)具有分化为多种组织细胞的潜能，具有抗炎和抗凋亡的作用，可对损伤的组织进行修复，为COVID-19患者的临床治疗提出新思路。Leng等[28]在7例COVID-19患者中进行MSC静脉移植的临床实验，发现患者TNF-α水平显著降低，而IL-10水平升高，这不仅有效规避了炎性因子风暴，还显著改善了重症患者的预后。目前关于MSC治疗COVID-19的临床研究相继开展，其有效性和安全性有待进一步探索。

4 总结与展望

免疫炎症反应在COVID-19重症化的作用机制尚未完全阐明，仍需未来进一步研究。当前COVID-19已呈全球大流行，探究其有效的治疗策略已刻不容缓。针对免疫炎症机制的阐明所采取的相应干预措施有待进一步临床研究证实其安全性与有效性。COVID-19的最终控制有待于疫苗的应用、有效的抗病毒药物与积极的调控炎症反应来实现。