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作者：香雪精準醫療--唐先青
發(fā)布時(shí)間：2020-04-02
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摘要：由新型冠狀病毒（SARS- CoV-2）引起的冠狀病毒疾病19（COVID-19）正在全球203國家和地區爆發(fā)和持續蔓延。COVID-19超強的傳染性和高的死亡率使得本次抗疫就猶如一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的世界大戰。它的傳染性高是因為SARS- CoV-2的潛伏期較長(cháng)（2-14天），并且在早期無(wú)癥狀或者輕癥時(shí)便可以人際傳播。它的致死原因則是由于它能引起人體細胞因子釋放風(fēng)暴（CRS），進(jìn)而導致急性呼吸窘迫綜合癥（ARDS），產(chǎn)生嚴重的肺部器官衰竭而死亡。本文將對比SARS-CoV和MERS-CoV的一些研究數據，來(lái)理解SARS-CoV-2的宿主病理反應、免疫應答、細胞因子風(fēng)暴，及應對策略。
關(guān)鍵詞：嚴重急性呼吸綜合癥冠狀病毒2（SARS-CoV-2），冠狀病毒疾病19（COVID-19），細胞因子釋放風(fēng)暴（CRS），急性呼吸窘迫綜合癥（ARDS）
介紹：
從2019年12初開(kāi)始，在湖北的省會(huì )武漢市首先爆發(fā)了不明原因肺炎。2020年1月7日中國科學(xué)家從病毒感染者體內分離得到了一種新型冠狀病毒（命名為SARS-CoV-2，早期名稱(chēng)為2019-nCoV）。隨后在2月份，WHO正式將由新型冠狀病毒引起的肺炎命名為冠狀病毒疾病2019（COVID-19）。截至目前，COVID-19在全球多點(diǎn)爆發(fā)，并呈現蔓延擴大趨勢，全世界確診感染者已經(jīng)高達63萬(wàn)人之多，死亡人數已經(jīng)超過(guò)3萬(wàn)，全球死亡率在4.7%，其中意大利死亡率最高為10.8%，我國的死亡離在4.0%（數據來(lái)源于WHO官方網(wǎng)站2020年3月30日公布）。在2002-2003年爆發(fā)的嚴重急性呼吸綜合癥（SARS）的死亡率是9.14%（744/8096），2011年爆發(fā)的中東呼吸綜合癥（MERS）的死亡率是34.4%（858/2494），COVID-19的死亡率雖不及SARS和MERS，但是傳染力都極大地超過(guò)了后二者[1]。
COVID-19病人的普遍臨床癥狀為發(fā)燒、咳嗽、氣短、疲倦或肌肉疼痛，老年人和有基礎慢性病如高血壓、心血管病和糖尿病等人群是新冠病毒感染的高危人群[2]。2020年2月17號，中國科學(xué)家Xu Zhe等人在《The Lancet》雜志上發(fā)表了對一位新冠病毒感染者的尸體活檢報告文章，發(fā)現新COVID-19的病理特征與SARS和MERS冠狀病毒感染極為相似，這類(lèi)病毒的致死原因是引起病人肺泡損傷伴隨大量細胞內黏液滲出，繼而引發(fā)急性呼吸窘迫綜合癥（ARDS）[3]。ARDS的根本發(fā)病原因即細胞因子風(fēng)暴（CRS）：肺組織中的炎癥反應失控，過(guò)度免疫反應使得大量的免疫細胞在肺中激活和募集，異常升高的細胞因子與過(guò)度激活的免疫細胞，造成肺毛細血管內皮細胞及肺泡上皮細胞彌漫性損傷，大量滲出液聚集阻塞氣道，致使患者呼吸困難窒息而死[4]。本文將借助SARS-CoV和MERS-CoV的一些研究數據，來(lái)理解新型冠狀病毒SARS-CoV-2在宿主體內的病理反應、免疫應答、細胞因子風(fēng)暴，及應對建議。
SARS-CoV-2感染進(jìn)入宿主機理
中國科學(xué)家率先從病人體內分離病毒并且對SARS-CoV-2進(jìn)行了全基因組測序，發(fā)現它與2個(gè)蝙蝠來(lái)源的SARS類(lèi)冠狀病毒序列最相近（88%同源性），與SARS-CoV的同源性為79%和MERS-CoV的同源性為50%。更進(jìn)一步，他們還通過(guò)同源建模發(fā)現SARS-CoV-2的Spike蛋白受體結合結構域（RBD）與SARS-CoV十分相似，這預示SARS-CoV-2也是用血管緊張素轉換酶2（ACE2）作為融合的細胞受體[5]，后續相關(guān)體外研究證實(shí)了這一推測[6]（如圖1）。有報道稱(chēng)還存在其它融合受體。
圖1. 系統發(fā)育分析和同源建模展示SARS-CoV SARS-CoV-2 MERS-CoV的受體結合結構域
圖片引自文章[5]
宿主對SARS-CoV-2的免疫應答
大多數病人都會(huì )發(fā)展為淋巴細胞減少癥（Lymphopenia）和肺炎（Pneumonia），在胸部CT顯示肺部毛玻璃樣混濁變化。在COVID-19的重癥病人體內，還發(fā)現了高水平的促炎因子，包括IL-2、IL-7、IL-10、G-CFS、IP-10、MCP-1、MIP-1A和TNFα[2]，即細胞因子風(fēng)暴，這些發(fā)現跟SARS和MERS極為一致，淋巴細胞減少和細胞因子風(fēng)暴能引發(fā)病毒性敗血癥和炎癥性肺損傷，進(jìn)一步導致嚴重肺炎、急性呼吸窘迫綜合癥（ARDS）、休克、器官衰竭和死亡[1]。
先天性免疫應答：基于病毒基因組測序發(fā)現SARS-CoV-2和SARS-CoV有比較大的相似性（79%），可以推測SARS-CoV-2采用了相似的策略來(lái)調節宿主的先天性免疫應答，如圖2. SARS-CoV-2通過(guò)ACE-2進(jìn)入肺泡細胞或其它表達ACE-2的細胞（可能還存在其它受體），早期階段病毒會(huì )抑制抗病毒IFN應答導致大量的病毒復制，進(jìn)而涌入大量的中性粒細胞和單核/巨噬細胞導致促炎因子高表達，即形成細胞因子風(fēng)暴，特異性的Th1/Th17被激活進(jìn)一步加強炎癥應答。[1]。
適應性免疫應答：體液免疫應答通過(guò)產(chǎn)生中和抗體，在感染后期限制了感染和阻止未來(lái)二次感染。體外研究發(fā)現，從5個(gè)病人體內的獲得的血清（含有特異性抗體）可以中和SARS-CoV-2[7]。T細胞免疫應答通過(guò)誘導刺激CD8+和CD4+ T細胞活化，殺死被SARS-CoV-2感染的細胞。科學(xué)家對一例病人尸體活檢發(fā)現其外周CD4+和CD8+ T細胞顯著(zhù)減少，但它們是高度活化的狀態(tài)，這些過(guò)度活化的T細胞，包括增加的Th1/Th17和高細胞毒性的CD8+ T細胞導致了嚴重的免疫損傷[3]。
圖2. 宿主對SARS-CoV-2的先天性免疫應答。
圖片引自文章[1]
細胞因子風(fēng)暴：冠狀病毒真正的致命武器
細胞因子釋放風(fēng)暴（CRS），最早由Ferrara 等于1993 年在移植物抗宿主病(graft-versus-host disease, GVHD) 中提出，是機體對于病毒、細菌、納米材料等外界刺激所產(chǎn)生的一種過(guò)度免疫。細胞因子風(fēng)暴中，細胞因子與中性粒細胞、巨噬細胞之間通過(guò)特定的正反饋機制，使多種細胞因子在組織、器官中異常升高，最終導致單器官或多器官損傷、功能衰竭而死亡。
急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）是臨床常見(jiàn)危重癥，其發(fā)病急、病情重、治療手段有限，病死率高達40%~70%。ARDS 的根本發(fā)病原因即CRS：肺組織中炎癥反應失控，過(guò)度免疫反應使大量的免疫細胞在肺中激活、募集。異常升高的細胞因子與過(guò)度激活的免疫細胞，造成肺毛細血管內皮細胞以及肺泡上皮細胞彌漫性損傷，大量滲出液聚集使氣道阻塞，臨床表現為急性非心源性肺水腫和頑固性低氧血癥（如圖3）。細胞因子在病毒感染中具有重要作用。[4]
圖3. 急性呼吸窘迫產(chǎn)生原理簡(jiǎn)圖。
（圖片來(lái)自http://blog.sina.com.cn/s/blog_af270f560102yyhw.html）
多數病毒感染所誘導的促炎細胞因子升高，可促進(jìn)機體細胞對這些入侵病毒的清除。病毒成功清除后，促炎細胞因子在負向免疫調控網(wǎng)絡(luò )，如Th2、Treg 等細胞及抗炎細胞因子的作用下，回歸正常，疾病消退。然而，在某些情況下，病毒感染卻導致機體免疫調控網(wǎng)絡(luò )失衡，引起的細胞因子風(fēng)暴導致疾病惡化。如在感染巨細胞病毒的IL10 基因敲除小鼠中，IL-6等促炎細胞因子的顯著(zhù)升高，雖然可以降低病毒載量，細胞因子風(fēng)暴卻導致疾病更加嚴重。在COVID-19的重癥病人體內，發(fā)現了高水平的促炎因子，包括IL-2、IL-7、IL-10、G-CFS、IP-10、MCP-1、MIP-1A和TNFα，即細胞因子風(fēng)暴[2]。很多病毒，如SARS 冠狀病毒、2009 甲型H1N1 流感病毒、禽流感病毒，均可導致細胞因子風(fēng)暴，其重癥感染患者的血清中IL-17、IP-10、IL-6、KC、G-CSF、GM-CSF、MCP-1、MIG 等細胞因子的水平顯著(zhù)增高。細胞因子風(fēng)暴在上述病毒導致的ARDS 中具有重要作用[4]。這些病毒感染后，機體產(chǎn)生免疫系統的應答，本意是要將病毒清除，結果卻被病毒誘發(fā)產(chǎn)生了失控的過(guò)激反應，免疫調控網(wǎng)絡(luò )失衡、負反饋的缺失和正反饋的不斷自我放大，使得多種細胞因子異常升高，最終導致單或多器官損傷、功能衰竭而致死。非病毒本身，而是病毒劫持的機體自身免疫系統，其過(guò)度應答醞釀成細胞因子風(fēng)暴，從而造成器官損傷，扼住了生命的咽喉。
應對細胞因子風(fēng)暴的策略
靶向治療細胞因子風(fēng)暴中的特異細胞因子，應用其單克隆抗體以拮抗病理情況下的體液促炎因子來(lái)減輕細胞因子風(fēng)暴，或應用特異重組蛋白調節細胞因子風(fēng)暴，有希望減輕ARDS。例如，用托珠單抗（Tocilizuman）來(lái)封閉IL-6受體，以緩解COVID-19肺炎病人的細胞因子釋放綜合癥，該臨床試驗已在中國批準開(kāi)始[8]。
總結，SARS-CoV-2引發(fā)COVID-19，傳染性比SARS和MERS強，通過(guò)ACE-2（或其它可能的融合受體）進(jìn)入肺泡細胞（或其它細胞），快速失控復制并引起宿主免疫過(guò)度反應，產(chǎn)生細胞因子釋放綜合癥（CRS），進(jìn)一步導致嚴重肺炎、急性呼吸窘迫綜合癥（ARDS）、器官衰竭和嚴重者死亡。為應對細胞因子風(fēng)暴可采用相應單抗重組蛋白進(jìn)行靶向治療，調節免疫系統平衡，減輕免疫系統過(guò)度激活對器官所帶來(lái)的破壞，進(jìn)而達到有效治療的目的。
參考文獻：
1. Prompetchara, E., C. Ketloy, and T. Palaga, Immune responses in COVID-19 and potential vaccines: Lessons learned from SARS and MERS epidemic. Asian Pac J Allergy Immunol, 2020. 38(1): p. 1-9.
2. Huang, C., et al., Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet, 2020. 395(10223): p. 497-506.
3. Xu, Z., et al., Pathological findings of COVID-19 associated with acute respiratory distress syndrome. Lancet Respir Med, 2020.
4. 張艷麗 and 蔣澄宇., 細胞因子風(fēng)暴：急性呼吸窘迫綜合征中的主宰生命之手. 生命科學(xué), 2015. 27(5): p. 554-557.
5. Lu, R., et al., Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. Lancet, 2020. 395(10224): p. 565-574.
6. Hoffmann, M., et al., SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell, 2020.
7. Zhou, P., et al., A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature, 2020. 579(7798): p. 270-273.
8. Mehta, P., et al., COVID-19: consider cytokine storm syndromes and immunosuppression. Lancet, 2020.
