新冠病毒感染相关性肌病发病机制的研究进展

吴明军 崔小丽 薛庆亮

新冠病毒感染(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)最初以肺部感染为主,典型症状为发热、咳嗽和呼吸困难等,随着病毒不断发生变异,COVID-19诱发的肌病被越来越多的文献报道,包含典型的皮肌炎及可导致多器官衰竭甚至死亡的横纹肌溶解症。因此,进一步明确COVID-19相关性肌病发生的病理生理机制可能对改善新冠患者预后具有重要临床价值。

一、COVID-19相关性肌病发病

临床研究显示,COVID-19患者的肌痛发生率在19%～59%[1,2]。新冠死亡患者尸检发现20%～60%存在炎症性肌肉损害[3];另一项43例新冠死亡患者尸检研究[3]发现26例发生炎症性肌肉改变,以上临床研究提示COVID-19会诱发肌病。Aschman T.等人[4]在人体肌肉标本中发现了SARS-CoV-2 RNA,进一步证实SARS-CoV-2可能会直接导致肌病。COVID-19综合征是指部分COVID-19患者出现如气喘、乏力、反应迟钝等持续性症状,被称为“长新冠”。临床研究发现63%的患者在新冠治愈后出现持续肌无力和疲劳等症状[5];存在持续神经肌肉症状的COVID-19患者肌电图呈现肌病性改变[3];重症COVID-19患者出院19周后出现横纹肌溶解症[6]。由此推测长新冠中疲乏和肌无力可能与COVID-19相关性肌病有关。有研究指出长时间气管插管及重症监护室住院的COVID-19患者更易发生横纹肌溶解[7]。临床实验室化验多表现为肌酸激酶(Creatine kinase,CK)等肌酶标志物急性升高。一项荟萃分析指出,17%的COVID-19住院患者CK显著升高,这部分患者病情进展至危重甚至死亡的风险高达49%,而CK正常者仅24%[8],因此CK升高可能是COVID-19患者发生肌病甚至预后不良的预测指标。

通过接种新冠疫苗形成人群免疫屏障,可明显降低COVID-19导致的重症及死亡发生率。目前,临床研究证实SARS-CoV-2疫苗在人群中的安全性和有效性[9,10],但接种SARS-CoV-2疫苗仍存在较高的肌病发生率[3,11-14]。Hannah等[3]在一项纳入84例COVID-19相关肌病的回顾性研究中发现,疫苗接种后有1例发生局部肌炎,6例发生完全横纹肌溶解;Daniel等[11]报道了6例在接种新冠疫苗后出现肌病的病例。研究发现,接种新冠疫苗后出现肌病的大部分个体中抗黑色素瘤分化相关基因5(antimelanoma differentiation-associated gene 5,MDA5)抗体阳性[15],提示新冠疫苗相关肌病可能与疫苗诱发机体表达MDA5抗体滴度升高有关。另有研究[16]指出新冠疫苗通过激活树突状细胞而诱导MDA5抗体表达水平升高,从而促使1型干扰素(interferon 1,IFN-1)生成增多,触发下游炎症介质的释放,导致肌肉组织的炎性损害。Chan等[14]研究发现既往患皮肌炎的患者在接种新冠疫苗后病情加重,该研究指出疫苗编码的刺突蛋白可通过促进“超级抗原”反应的发生而导致遗传易感个体的全身免疫反应失调。García等[17]研究显示接种新冠疫苗可能会诱导遗传易感个体中病毒表面刺突蛋白(Spike protein,S蛋白)与多种组织抗原之间的免疫炎症反应,从而导致新冠疫苗相关性肌病的发生。另有研究[10]认为肌内注射疫苗会刺激肌细胞释放肌肉抗原,导致肌肉免疫性损伤,且RNA和DNA疫苗成分可能在肌肉中被吸收,从而诱发人体肌肉组织中自身免疫反应而损伤肌肉组织。

二、COVID-19相关性肌病发病机制

1.缺氧机制

COVID-19通过损伤肺组织而导致低氧血症甚至呼吸衰竭,缺氧与通气血流比例失调、死腔样通气及肺内分流等有关[18]。尸检报告发现COVID-19会导致肺血管内皮损害、微血栓及新生毛细血管形成[19],这些病理生理改变都会导致缺氧。缺氧会增加活性氧的产生而上调氧化应激反应并通过诱导肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的释放、核因子-κB(nuclear factor,NF-κB)活化而介导炎症反应[20]。De Luna等[21]研究证实在缺氧的条件下,机体表达缺氧诱导因子1α(Hypoxia inducible factor,HIF-1α)水平升高,HIF-1α通过促使人肌肉组织中的维甲酸诱导基因 I(Retinoic acid-inducible gene I,RIG-I)过表达而激活IFN-I转录信号,促使大量炎症介质产生而导致炎性肌损害。该研究[21]还发现肌炎患者肌肉组织中毛细血管减少,由此推测COVID-19发生长新冠后的肌无力的表现,可能与肌组织中毛细血管减少造成肌肉组织缺氧有关。研究[22]指出,蛋白质合成与降解之间的平衡是维持骨骼肌质量的重要决定因素,机体为适应COVID-19导致的缺氧环境,相关蛋白质的合成和降解会发生适应性调节,然而持续的低氧环境会破坏肌组织蛋白质代谢平衡,导致肌肉损伤。Mineo等[23]发现肺气肿患者在肺减容手术后,由缺氧引发的肌损害明显减轻。以上研究均表明COVID-19导致机体发生缺氧的病理生理改变会损害肌肉组织而导致肌病的发生。

2.免疫、炎症反应机制

SARS-CoV-2入侵人体后,在遗传易感个体中可通过分子模拟、表位扩散、旁位活化及B细胞活化等途径诱导自身免疫、炎症反应[24]。临床研究发现,重症COVID-19患者淋巴细胞显著减少(85.7%),外周调节性T细胞水平降低、C-反应蛋白及白细胞介素-6(Interleukin 6,IL-6)水平升高(94.7%、89.5%),抗52kDa SSA/Ro(Ro-52)抗体(20%)、抗60kDa SSA/Ro(Ro-60)抗体(25%)和抗核抗体(50%)等表达显著升高[25,26]。此外,有研究指出COVID-19引起自身免疫、炎症反应的病理生理机制可能包括:炎症小体的形成、氧化应激、非编码RNA反应、细胞自噬、细胞NF-κB等炎性转录因子表达增加及细胞因子相关分泌表型的形成等[27]。研究发现,SARS-CoV-2通过激活适应性免疫应答过程而上调IL-1、IL-6、IL-10、IFN-g、单核细胞趋化蛋白-1(Monocyte Chemoattractant Protein-1,MCP-1)和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子等炎症因子的表达水平,引发机体炎症风暴,并最终通过与肌细胞内补体相互作用导致肌病发生[28,29]。另有研究显示,COVID-19相关的炎症风暴可能与线粒体抗病毒信号蛋白(mitochondrial antiviral-signaling protein,MAVS)/RIG-I样受体(RIG-I-like receptors,RLR)介导的信号通路异常有关,在内质网和线粒体膜上,SARS-CoV-2可诱导MAVS激活并结合RLR形成RLR-MAVS多功能蛋白质复合物,RLR-MAVS通过与干扰素基因刺激物STING及 TNFR相关因子3相互作用而激活TANK结合激酶1,进而通过激活转录因子干扰素调节因子3(Interferon regulatory factor 3,IRF3)和NF-κB而产生大量炎症介质,在调控机体免疫、炎症反应中发挥重要作用,使新冠患者肌肉组织发生免疫及炎性损害[27]。

3.MDA5抗体机制

MDA5是一种胞质病毒RNA传感器,通过识别病毒RNA并触发先天免疫反应而上调IFN-1、TNF-α,IL-1,IL-6,IL-18等炎症细胞因子的表达,从而抑制病毒复制。研究指出,人体感染SARS-CoV-2后,体内显著增加的MDA5通过与细胞质中的双链 RNA 结合,并通过MAVS信号转导通路激活干扰素的表达并诱导炎症介质产生,损伤肌细胞[30,31]。一项274例COVID-19患者的临床研究发现,MDA5抗体阳性率达48.2%[15]。MDA5抗体是一种与皮肌炎发生相关的肌炎特异性自身抗体,MDA5抗体性肌炎是皮肌炎的一种罕见亚型,其特征是明显的溃疡性红斑性皮肤病变和快速进展型间质性肺病[11]。随着新冠病毒不断发生变异,SARS-CoV-2感染后MDA5抗体相关性皮肌炎的发病率逐渐升高[11]。多项研究均发现COVID-19和MDA5抗体性皮肌炎都可出现发热、皮疹、间质性肺炎、乏力肌痛等症状[29,31],并存在广泛的血管内皮功能障碍及血栓形成等病理生理改变[32]。此外,临床研究发现,COVID-19的肺影像学与MDA5抗体性肌炎所致的间质性肺炎均表现为弥漫性磨玻璃样改变[29]。有研究证实伴发MDA5抗体相关性皮肌炎的COVID-19患者具有三个与SARS-CoV-2蛋白序列高度一致的免疫原性线性表位[33],提示潜伏病毒感染和分子模拟可能在皮肌炎的病理生理机制中发挥重要作用。

4.分子模拟机制

研究显示,“分子模拟”可能是另一种引起COVID-19相关性肌病的病理生理机制。SARS-CoV-2表面的结构蛋白S和结构蛋白E及非结构蛋白Orf7a、orf7a、orf8b、orf9、orf2b等,与人体肌肉组织中的结构蛋白存在同源区域[27]。Marino等人将病毒蛋白与人类分子伴侣进行比较,并推测主要包含热休克蛋白的分子伴侣可能参与了SARS-CoV-2感染后的分子模拟现象[34]。SARS-CoV-2入侵会诱发机体产生针对病毒表面糖蛋白的抗体而造成肌肉组织免疫炎性损害[35]。此外,Lucchese等将SARS-CoV-2的氨基酸序列与免疫介导的多发性神经病相关的人类自身抗原进行了比较,结果显示嵌入SARS-CoV-2免疫活性表位的肽与人类热休克蛋白90及60存在相同序列,这两种热休克蛋白与吉兰巴雷综合症及其他自身免疫性疾病显著相关[36]。临床研究发现存在严重并发症的COVID-19患者,大部分患有高血压和糖尿病,这两种疾病都会引起血管内皮细胞的慢性炎性应激反应,血管内皮细胞通过胞内蛋白质修饰而异常地表达热休克蛋白等质膜分子,促使肌肉组织细胞在病毒感染期间出现分子模拟现象而发生肌病[37]。以上研究均提示分子模拟在COVID-19相关性肌病中起重要作用。

5.血管紧张素转换酶2机制

血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)是肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin angiotensin aldosterone system,RAAS)的调节因子,在心肌细胞、肺泡上皮细胞、呼吸道黏膜上皮、肾脏、结肠粘膜及骨骼肌细胞中高度表达[38,39]。ACE2存在两种形式:一种是位于细胞膜上的mACE2,由跨膜锚和细胞外结构域组成,是SARS-CoV-2病毒表面S蛋白的受体结合位点;另一种是循环中的可溶性sACE2[40]。目前研究发现,ACE2对SARS-CoV-2 具有高亲和力,SARS-CoV-2通过其表面S蛋白与人体细胞上的ACE2受体结合形成病毒-ACE2复合物而引发感染,病毒-ACE2复合物进入宿主细胞后可直接感染骨骼肌细胞并激活骨骼肌细胞中的免疫细胞[41],导致直接性病毒性骨骼肌损伤和间接免疫介导的骨骼肌损伤。Beyerstedt 等[42]研究指出SARS-CoV-2可与血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)竞争ACE2受体而抑制ACE2活性,使RAAS失衡,从而收缩骨骼肌血管而导致肌肉组织慢性缺血缺氧,加重骨骼肌细胞氧化应激、炎症反应及纤维化,最终导致肌病。Brevin等[43]研究通过抑制仓鼠体内法尼醇X受体(Farnesoid X receptor,FXR)而下调ACE2的表达,从而降低肺、胃肠道、胆道等组织细胞对SARS-CoV-2的易感性;此外该研究团队在人肺和肝脏异位灌注实验中用熊去氧胆酸和植物类固醇抑制FXR,ACE2的表达明显下降[43]。在一项纳入31例胆汁淤积性肝病合并COVID-19的队列研究中发现,长期服用熊去氧胆酸的患者COVID-19的患病率、危重率及死亡率明显低于阴性对照组[44],进一步证实ACE2是SARS-CoV-2引发感染的重要途径。另一项研究通过下调SARS-CoV-2感染后ACE2的表达而诱导缓激肽产生增加,进而功能失衡的RAAS及激肽释放酶-激肽系统促使COVID-19患者病情恶化[45]。因此,调节ACE2表达及其受体活性可能是具有较高遗传耐药屏障的多种SARS-CoV-2变异株的潜在治疗靶点。

三、总结

综上所述,COVID-19易合并肌肉组织损害,这些可能的机制还需要进一步在临床实践和基础研究中证实和修正。此外,基于MDA5抗体、ACE2及其受体、免疫和炎症反应等在新冠病毒引发的肌病中所起的重要作用,研发以抑制MDA5抗体、减轻机体免疫和炎症反应、降低ACE2表达并阻断ACE2受体与新冠病毒表面S蛋白结合等为靶点的COVID-19治疗药物,可能成为未来防治COVID-19的新方向。