新型冠状病毒肺炎(COVID-19)肾脏损伤的机制探讨

瞿转综述 王惠明审校

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是新近发现的乙类并按甲类管理的传染病，自2019 年12月以来， COVID-19已造成全球4 870多万人感染，导致近120多万人死亡[1-2]，对世界公共卫生造成了严重的威胁。血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme，ACE2)是严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)的关键受体[3-4]，在靶器官损害中起关键作用。许多临床报道和回顾性研究均发现,除外以病毒性肺炎为特征的呼吸系统病变，肾脏作为ACE2高表达器官，也是SARS-CoV-2入侵的重要靶器官，部分新冠肺炎患者伴有急性肾损伤，并观察到重型及危重症型患者相关急性肾损伤(AKI)是COVID-19 患者死亡的独立危险因素之一，且AKI与SARS-CoV-2的肾脏靶向性有关[5-7]。因此探讨COVID-19肾损伤机制对预防和治疗肾损伤有重大意义。

1 SARS-CoV-2概述

冠状病毒(coronavirus,CoV)属于冠状病毒科,形态呈圆形或椭圆形,直径60～140 nm, 基因组为大型有包膜的正链RNA病毒，其5’端具有甲基化的帽子，编码一个非结构多聚蛋白，参与基因组的转录和复制; 而其3’端有Poly A 尾巴，编码包括刺突糖蛋白( spike protein,S 蛋白)、核衣壳蛋白(nucleocapsid protein,N蛋白)、小包膜糖蛋白(envelope protein,E蛋白)、膜糖蛋白(membrane protein,M蛋白)等一系列结构蛋白[8]。冠状病毒的S蛋白可以利用细胞表面受体ACE2的结合介导病毒的吸附和侵入过程。冠状病毒可分为4个属：α、β、δ和γ，其中α和β冠状病毒会感染人类[9]。已知6种冠状病毒可引起人类呼吸道、肠道等感染,被分为低致病性hCoVs(如HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63、HCoV-HKU)和高致病性hCoVs[如严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)、中东呼吸综合征冠状病毒(MERSCoV)]2种[10-13]。通过Zhou等[14]对3例重症肺炎患者样本进行无偏测序，发现了未知的β冠状病毒，全基因组与蝙蝠冠状病毒的同源性为96%，属于严重急性呼吸系统综合征相关的冠状病毒(SARSr-CoV)物种，被归类为β冠状病毒的2b谱系，世界卫生组织将其命名为 2019-nCoV，而后国际病毒分类委员会将其命名为严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)[15]。病毒基因组序列比对显示，SARS-CoV-2与SARS冠状病毒的同源性为79%左右，与MERS冠状病毒的同源性仅52%左右[16]，与SARS-CoV和MERS-CoV不同，SARS-CoV-2是本世纪感染人类的第3种高致病性冠状病毒。Lu等[17]对9例患者基因组进行结构分析表明，SARS-CoV-2能够与人类的ACE2受体结合。与SARS-CoV和MERS-CoV相同，SARS-CoV-2也通过S 蛋白与细胞表面受体ACE2结合进入靶细胞，引起损伤[3, 18]。新型冠状病毒感染导致临床最为常见的症状为发热、乏力和干咳，大多数患者出现呼吸困难和肺部双侧磨玻璃浑浊影像表现，常见并发症有急性呼吸窘迫综合征 、急性心肌损伤、急性肾损伤、休克和继发性感染[6, 19-22]。因肺是新型冠状病毒感染后最主要的靶器官,其引起的疾病被命名为新型冠状病毒感染肺炎(COVID-19)[23-24]。

2 SARS-CoV-2相关肾脏损害的临床表现

冠状病毒感染后引起的肾损伤并不少见，在以往关于SARS和MERS-CoV感染的报道中，5%～15%的病例中发生AKI，病死率很高(60%～90%),研究表明冠状病毒引起的肾脏损害以肾小管损伤为主，尿液检查异常较明显，但也出现肾小球滤过功能受损，表现为血肌酐、尿素氮水平升高[25-27]。

肺是SARS-CoV-2最主要的靶器官，多项研究表明，COVID-19 患者急性呼吸窘迫综合征(ARDS)发生率为17%～29%[21,28]。但肾脏也是常被累及的肺外器官之一，尤其是重症患者，更容易出现肾脏损伤。Chen等[20]报道的99例COVID-19患者中，6%患者血尿素氮升高，3%患者血清肌酐升高，AKI发生率3%。Guan等[21]报道了来自30个省、自治区和直辖市552家医院的1 099例COVID-19患者数据，其中轻症926例，重症173例，4.3%重症患者出现血肌酐>133 μmol/L，AKI发生率2.9%；轻症患者血肌酐>133 μmol/L者仅1%，AKI发生率仅0.1%。Cheng等[19]报道的710例COVID-19患者研究中，44.0%患者有蛋白尿，26.9%患者有血尿，血肌酐、尿素氮升高分别为15.5%、14.1%，且在研究期间，有3.2%患者发生AKI。该研究认为AKI是患者住院死亡率的独立危险因素。Wang等[6]报道，来自武汉中南医院的138例患者(其中36例收住ICU)资料显示，收住ICU的患者AKI发生率8.3%，而非ICU患者AKI发生率为2.0%。一项针对59例COVID-19患者(包括重症28例和死亡3例)的研究发现[29]，34%患者在入院第一天出现大量蛋白尿，63%患者在住院期间出现蛋白尿；19%(11/59)患者血浆肌酐升高， 3例死亡病例肌酐处于极高水平，27%(16/59)患者尿素氮升高。计算机断层扫描(CT)显示所有患者(n=27)肾脏放射学异常；27例患者中出现蛋白尿14例，肌酐升高3例，尿素氮升高4例。Diao等[30]报道的COVID-19患者85例研究中，27.06%(23/85)患者表现为急性肾功能衰竭(ARF)，年龄≥60岁的患者更易发生ARF (65.22% vs. 24.19%，P<0.001)。陈蕾等[31]对29例COVID-19患者的研究中，所有患者肌酐及尿素氮未见明显变化，考虑可能与样本量过少有关。综上所述，目前的数据及共识均认为新型冠状病毒导致AKI，且AKI是住院患者死亡的独立危险因素，但肾脏受累的确切机制尚不清楚。

3 SARS-CoV-2引起肾脏损害的可能机制

3.1 SARS-CoV-2损害肾脏的基础研究 目前研究表明,从患者血清、痰液、支气管肺泡灌洗液、尿液、唾液、粪便均可检出SARS-CoV-2病毒核酸[16, 21, 32]。国家《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第七版)》及据尸检和穿刺组织病理结果指出,肾小球球囊腔内见蛋白性渗出物，肾小管上皮变性、脱落，可见透明管型，间质充血，可见微血栓及灶性纤维化[33]。

3.2 ACE2介导SARS-CoV-2肾脏损伤

3.2.1 ACE2介导SARS-CoV-2直接攻击肾小管上皮细胞：ACE2已被证明是介导SARS-CoV-2入侵宿主细胞的特异性受体，但SARS-CoV-2不能与其他冠状病毒受体结合，如氨肽酶N (APN)和二肽基肽酶4 (DPP4)[34]。以往研究通过单基因RNA 测序发现，SARS-CoV-2的受体蛋白ACE2 在肾脏高表达，较呼吸道高出近100倍，且在近端肾小管表达增强，肾小球表达相对弱[23，34-35]。Wrapp等[36]解析了新型冠状病毒的 S 蛋白结构，该研究发现新型冠状病毒是利用高度糖基化的同源三聚体S蛋白进入宿主细胞，且 ACE2 蛋白与新型冠状病毒 S 蛋白的亲和力是SARS冠状病毒的 10～20 倍,提示该病毒传染性更强，推测这可能是 COVID-19 较SARS更容易发生肾脏损伤的原因。跨膜丝氨酸蛋白酶(transmembrane protease serines, TMPRSS)家族是冠状病毒S蛋白启动过程中的关键细胞蛋白酶，待病毒进入细胞后发挥重要作用[17]。多项研究通过单细胞转录组分析(scRNA seq)技术在单细胞水平分析了ACE2 受体和关键蛋白酶TMPRSS家族在肾脏细胞中的表达情况，发现ACE2 和TMPRSS家族基因在足细胞和近曲小管中显著共表达，其表达水平显著高于肺组织和消化道。研究结果提示，肾脏可能为SARS-CoV-2的靶向宿主细胞[16，35，37]。Diao等[30]报道6例COVID-19患者尸检结果中，肾脏病理显示死后肾脏组织有严重的急性肾小管坏死和淋巴细胞浸润。免疫组化结果显示，SARS-CoV-2 病毒核蛋白(NP)抗原在肾小管中积累。推测SARS-CoV-2可能通过与ACE2受体结合进入肾小管细胞，通过核内半胱氨酸蛋白酶中组织蛋白酶B和L(CatB/L)启动TMPRSS2细胞系中的S蛋白开始病毒复制,直接损伤肾小管和足细胞，导致患者出现蛋白尿[38-39]。

3.2.2 ACE2介导SARS-CoV-2致肾间质损伤：Fan等[40]报道，免疫组化显示ACE2蛋白主要分布在肾内血管内皮、肾小管上皮和冠状血管内皮细胞，而免疫细胞和肾小球壁层上皮细胞未见ACE2表达。在血液中可检测到SARS-CoV-2，全身所有血液均经过肾脏滤过，其中的代谢废物、炎性细胞、炎性介质、毒性物质等，都会接触到肾脏。因此，血液中的病毒可能通过肾内血管内皮细胞、肾小管上皮细胞的 ACE2感染肾脏，除增加肾脏的病毒载量外，内皮细胞及肾小管上皮细胞的ACE2与病毒结合，使内皮细胞被病原体标记，使其成为宿主免疫系统识别和攻击的目标。这或许是SARS-CoV-2引起肾间质水肿及肾小管损伤的原因。

3.2.3 ACE2介导SARS-CoV-2致慢性肾脏损伤：ACE2的器官和细胞特异性表达表明，ACE2在肾脏的局部肾素—血管紧张素系统中发挥着重要作用。因此，病毒可能直接与此类ACE2阳性细胞结合下调ACE2表达，不仅引起内皮功能受损、血压升高、降低肾小球滤过率,而且使AngⅡ相对增多,激活转化生长因子(TGF)-β和丝裂原活化蛋白激酶信号通路,上调NADPH氧化酶,加重氧化应激和炎性反应、纤维化[41]，远期可能转变为慢性肾脏病，目前仍缺少相关研究证实。

3.3 免疫攻击

3.3.1 免疫失调：Guo等[42]回顾性分析COVID-19死亡组与存活组患者资料发现，死亡组CD3+T细胞、CD3+CD4+T细胞、CD3+CD8+T细胞绝对计数水平均明显降低，提示细胞免疫功能低下，研究提出将淋巴细胞计数<0.8×109/L作为预测病毒性肺炎死亡风险模型(MuLBSTA score)的指标之一。Wan等[43]对123例COVID-19患者(轻症102例和重症21例)外周血和细胞因子进行相关分析，轻症组CD4+T细胞降低率为52.90%，重症组为95.24%;轻症组CD8+T降低率为28.40%，重症组为61.90%，说明在机体感染SARS-CoV-2的情况下，重症患者T淋巴细胞的抑制作用更强；NK细胞减少的比例分别为34.31%和47.62%,这表明SARS-CoV-2感染限制了NK细胞的活性；重症患者促炎因子IL-6和IL-10 水平明显升高。Huang等[28]报道COVID-19患者40例入院时白细胞减少10例(25%)，淋巴细胞减少26例(65%)。Diao等[30]报道，免疫组化显示，6例肾小管间质内巨噬细胞CD68+较多，2例肾小管间质内CD8+T细胞数量中等，而CD4+T细胞和CD56+NK细胞在受检组织内少见。提示SARS-CoV-2可能通过招募巨噬细胞浸润到肾小管间质而进一步引起肾小管损伤。6例尸检中均观察到C5b-9在小管上的沉积。在2个病例中，肾小球和毛细血管中也可见极低水平的C5b-9沉积。然而，正常肾脏组织中C5b-9表达缺失，提示SARS-CoV-2感染可能通过触发C5b-9沉积诱导急性肾小管坏死和AKI。Xu等[33]发现COVID-19患者外周血CD4+T细胞亚群中,高促炎性的CCR6+Th17比例增加,CD8+T细胞毒性增强。美国报道1例合并ARDS的COVID-19患者，穿刺病理结果显示，外周血CD4+和CD8+细胞的数量大大减少，高度促炎性的CCR4+CCR6+Th17细胞增加。以上研究表明免疫失调参与了AKI的发生、发展。

3.3.2 细胞因子风暴： 细胞因子风暴是指机体在感染微生物或其他剧烈刺激的情况下，免疫系统被过度激活，导致体液中多种细胞因子[IL-1、IL-6、IL-17、IL-12、TNF-α、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、G-CSF、IFN-γ诱导蛋白10(IP-10)、MCP-1等]迅速大量产生，导致单器官或多器官系统炎性反应过度表现，可能导致急性呼吸窘迫综合征、急性肾损伤、心肌损害、休克、弥散性血管内凝血、多器官功能衰竭，甚至危及生命[44]。Guo等[42]回顾性分析COVID-19死亡组与存活组患者资料发现，死亡组患者各项炎性因子水平较存活组更高，研究结果显示，死亡组患者体内存在过度的炎性反应。Huang等[28]在Lancet上发表研究结果指出，COVID-19患者血浆炎性因子IL-1β、IFN-γ、IP-10和MCP-1浓度显著升高， ICU收治患者比非ICU患者具有更高浓度的G-CSF、IP-10、MCP-1、巨噬细胞炎性蛋白1α(MIP1α)和TNF-α，相比于22 例非新冠病毒感染的肺炎患者，71 例普通型新冠肺炎患者T 细胞和B细胞下降显著，而单核细胞、中性粒细胞和 NK 细胞数量却无显著差异，而这3种细胞是细胞因子风暴的主要参与者，该研究指出细胞因子风暴与SARS-CoV-2感染疾病严重程度有关。陈蕾等[31]回顾性分析29例COVID-19 患者血清炎性因子发现，IL-2R、IL-6表达水平与病情严重程度有明显的相关性。Ruan等[45]分析了68例SARS-CoV-2感染死亡病例(68/150,45%)和82例出院病例(82/150,55%)的病例资料，2组间血尿素氮、血肌酐、IL-6水平存在显著性差异，提示COVID-19的死亡可能是由于病毒激活的细胞因子风暴综合征导致。以上研究表明新冠肺炎患者细胞因子风暴可能参与病情进展，并可能导致AKI及多器官功能障碍的发生及发展，最终导致严重COVID-19患者的死亡。

4 小 结

综上所述，COVID-19相关肾脏损伤发病机制可能与SARS-CoV-2通过ACE2介导直接攻击肾脏细胞、细胞因子风暴、免疫损伤等有关，但目前国内外少有SARS-CoV-2 致肾损伤的机制研究，且大多数临床研究的数据受限，因此还需要通过构建动物模型进一步探讨分子机制。对于临床上出现急性肾损伤或本身有肾脏疾病的新冠肺炎患者，后期治愈出院应仍保持随访状态，观察上述患者是否会有慢性肾脏损伤。