新型冠状病毒对肺气血屏障结构和功能的影响及机制研究进展

邢越 王健 陈豫钦

广州医科大学附属第一医院呼吸内科 广州呼吸健康研究院 呼吸疾病国家重点实验室 国家呼吸系统疾病临床医学研究中心 广东省血管疾病重点实验室510120

新型冠状病毒肺炎 (COVID-19)是由严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (severe acute respiratory syndr o me coronavirus 2,SARS-Co V-2)感染引起的急性呼吸道传染性疾病,能够通过飞沫、气溶胶、接触及粪口途径发生人与人之间的传播,其全球大流行对世界公共卫生安全造成了巨大威胁[1]。病毒的高复制及其对气血屏障的破坏是低氧血症进展至呼吸衰竭的重要原因[2-3]。有研究发现COVID-19康复患者出院1 个月后仍有不同程度的肺功能下降,尤其重症患者康复后肺总量和肺弥散功能下降更显著,提示SARS-Co V-2感染后可能长期存在某些病理改变,持续破坏肺泡结构和气血屏障功能,导致病毒感染后遗症的发生。因此阐明SARS-Co V-2对肺气血屏障结构与功能的影响及机制对于COVID-19的临床救治及康复管理具有重要意义。

1 COVID-19的病理改变及新型冠状病毒的入侵机制

肺气血屏障是气体交换的必要生理结构,是肺换气的执行场所和结构基础,气血屏障将空气腔 (肺泡腔)与血液腔 (毛细血管腔)分开,以保障氧气和二氧化碳在空气和血液之间有效扩散,同时帮助维持肺泡的稳定性,防止肺泡过度膨胀或塌陷[4-5]。我国开展的病理研究结果提示,在大体组织上可观察到COVID-19患者肺组织变硬,表面有片状出血灶、出血区及瘀斑,支气管内充满胶冻状血性渗出物[6-7]。镜下均以弥漫性肺泡损伤为主要表现[8],肺泡结构出现不同程度的破坏而失去完整性,同时伴有Ⅱ型肺泡上皮细胞增生,透明膜形成,部分肺泡腔内纤维蛋白沉积伴不同程度的机化,严重者甚至有弥漫性肺泡出血,肺间质明显水肿,伴毛细血管微血栓形成[9]。同时空间转录组学结果发现肺泡周围巨噬细胞浸润、间充质细胞和成纤维细胞增殖[10],提示在感染急性期时,SARS-Co V-2可直接或间接损伤肺泡和肺微循环,诱导高度炎症反应,严重破坏肺气血屏障,直接导致患者病情迅速进展甚至死亡。

目前研究发现,SARS-Co V-2 属于β冠状病毒属,是有包膜的单股正链RNA 病毒,基因全长约29.9 kb,和严重急性呼吸综合征病毒 (severe acute respiratory syndrome cor onavir us,SARS-Co V)、中东呼吸系统综合征病毒(Middle East respiratory syndro me coronavir us,MERSCo V)的基因组序列有高度一致性[11-12]。其表面由4种结构蛋白组成,包括刺突蛋白 (S)、病毒包膜 (E)、基质蛋白 (M)和核蛋白 (N),以及16种非结构蛋白和一些辅助蛋白。与SARS-Co V 一样,SARS-Co V-2侵入细胞取决于S蛋白,其S1 亚基可通过受体结合结构域 (receptor binding do main,RBD) 与 血 管 紧 张 素 转 换 酶 2(angiotensin converting enzy me 2,ACE2)的肽酶结构域结合,并利用宿主细胞表面的丝氨酸蛋白酶 (T MPRSS2)激活S2亚基[13],介导病毒-细胞膜融合[14-16]。SARS-Co V-2 S蛋白的RBD 和SARS-Co V 的序列相似度达到82%,与SARS-Co V 相比较,SARS-Co V-2 S 蛋白有一部分氨基酸残基不同,可能是导致SARS-Co V-2和ACE2的结合力更高的原因,从而具有更强的传染性。与膜融合后,病毒基因组RNA 被释放到细胞质中,而未包被的RNA 则翻译2种多蛋白 (polyproteins,pp),即pp1a和pp1ab[17],它们编码非结构蛋白,并在双膜囊泡中形成复制-转录复合体。连续复制的复制-转录复合体合成并嵌套成亚基因组RNA,继续编码辅助蛋白和结构蛋白。新形成的全基因组RNA、N 蛋白和E蛋白组装形成病毒颗粒芽[18]。最后,含病毒体的囊泡与质膜融合以释放病毒,以此往复循环,在各器官组织细胞中复制。另外,Wang等[19]研究者发现S蛋白亦可结合宿主细胞CD147 受体,从而介导病毒进入胞体。Chu等[20]在体外人肺细胞中鉴定了SARS-Co V-2可以利用硫酸乙酰肝素吸附和入侵宿主细胞,同时S蛋白上的f urinlike酶切位点是SARS-Co V-2 感染人肺细胞的关键位点。这些研究对SARS-Co V-2高效感染人肺的现象提供了新的机制理论。

2 SARS-Co V-2破坏气血屏障的机制研究进展

2.1 肺上皮细胞的形态与功能破坏是SARS-Co V-2攻击人体的第一环节 气道上皮细胞是病毒感染机体的第一道屏障。如前所述,SARS-Co V-2通过ACE2受体和T MPRSS2酶入侵宿主细胞。有研究者试图通过检测细胞ACE2 和T MPRSS2表达量的差异来寻找病毒感染的细胞类型,结果显示鼻腔杯状分泌细胞、肺纤毛细胞、Ⅱ型肺上皮细胞和肠上皮细胞可检测到ACE2 和T MPRSS 的RNA 高表达[21-22]。在肺组织的气道上皮细胞、肺泡上皮细胞、肺血管内皮细胞和成纤维细胞中均能检测到ACE2的表达[23-24]。Zhao等[25]研究分析了43 000多名健康人肺单细胞RNA 测序数据,发现肺83%的ACE2分布在Ⅱ型肺泡上皮细胞表面。以上研究结果提示,SARS-Co V-2 主要靶细胞可能为气道上皮细胞。在体外模型实验中,Zhu等[26]发现SARSCo V-2比普通冠状病毒具有更广泛的气道上皮细胞噬性,并利用超微显微镜观察到其感染诱导人气道上皮细胞发生一系列形态学改变和细胞病理效应,包括巨大合体细胞的形成,细胞紧密连接的破坏,细胞纤毛排列紊乱和细胞器异常聚集,并可见细胞融合呈串珠样,伴大量上皮细胞凋亡及上皮基底完整性被破坏等。提示SARS-Co V-2可直接造成气道上皮损伤,从而破坏呼吸道上皮的抵御功能。临床观察和病理解剖结果表明,重症COVID-19患者呼吸道会产生大量黏液,堵塞支气管和小气道,使正常呼吸气体交换受阻[27],加重肺部感染。He等[28]利用COVID-19患者的肺泡灌洗液经行单细胞RNA 测序,发现黏蛋白相关基因MUC5 AC、MUC5B 等及促黏蛋白形成相关基因TFF3、TGM2在气道上皮细胞中显著高表达,这与Lu等[29]研究结果一致。除黏蛋白外,研究者们同时发现调控纤毛生成及结构相关基因如FOXJ1、RFX3、IFT27、DNAI2等表达显著下降,提示SARS-Co V-2感染后通过多种途径增加气道上皮细胞的分泌,同时纤毛活性降低,导致气道黏液异常堆积,影响肺通气功能,诱发ARDS和呼吸衰竭的发生。上述因素在COVID-19疾病进展中对气道上皮结构的破坏和功能的调节起着重要的作用,对肺通气、换气功能有重要的影响,这些因素对肺泡上皮的作用及其具体机制尚缺乏研究。

2.2 SARS-Co V-2对肺血管的破坏是疾病加重的重要病理生理环节 临床实践中发现SARS-Co V-2感染还伴随着肺血管的并发症如肺动脉栓塞。血管损伤和血栓形成是COVID-19导致气血屏障损伤的重要机制之一。多国临床研究发现,在COVID-19重症患者中肺动脉栓塞的发生率为8.3%～31%[30-31],显著高于其他类型冠状病毒感染的重症患者[32]。部分住院COVID-19患者表现为D-二聚体和纤维蛋白原升高,且这部分患者有更高的死亡风险[33-34]。这可能与SARS-Co V-2导致肺血管炎症、肺血管内皮功能障碍和弥散性血管内凝血有关。病理研究提示患者肺表面布满出血点和瘀斑,肺组织变硬,支气管内、肺泡内充满大量胶冻状血性渗出物,镜下有肺小动脉微血栓形成、毛细血管充血、出血和渗出等改变,肺间质水肿,炎症细胞浸

润[8-9],直接证实了COVID-19 患者肺血管内微血栓的形成。Varga等[35]通过电子显微镜观察到COVID-19患者的肺小血管内皮细胞中含有病毒包涵体和凋亡小体,炎症细胞浸润导致的内皮炎,提示病毒可通过直接感染内皮细胞或介导血管炎症反应,募集炎症细胞,从而导致广泛的、与细胞凋亡相关的内皮损伤,引起系统性微循环功能障碍。Acker mann等[36]比较了COVID-19和H1 N1的肺部病理表现,结果表明COVID-19患者具有独特的血管特征,表现为严重的内皮损伤、肺泡-血管屏障破坏和微血栓形成,且这些血栓的数量是死于流感人群的9倍。许多危重患者同时表现出细胞因子风暴的征兆。肺组织中IL-6、肿瘤坏死因子α(tu mor necrosis factor alpha,TNF-α)、ICA M-1和Caspase-1等炎症因子的表达明显高于H1 N1[37]。高水平的细胞因子会导致进一步的内皮细胞功能障碍,进而引发肺毛细血管床血管扩张,从而导致弥散性血管内凝血,加剧破坏性过程[38]。通过破坏血管内皮细胞,冠状病毒感染有可能导致肺循环血液高凝,进一步加速微循环血栓的形成,使肺部获得氧气能力降低,提示肺泡膜的损伤特别是肺血管的损伤很可能是COVID-19患者肺弥散功能下降的重要原因。

2.3 SARS-Co V-2致肺纤维化是造成肺血气屏障结构与功能长期破坏的重要原因 肺纤维化是呼吸道病毒感染后常见的预后结果,但在SARS-Co V-2 感染后似乎更为常见。COVID-19肺部早期病理变化表现为病毒性间质性肺炎[8]。目前针对COVID-19 患者较长时间的临床随访研究发现,部分患者胸部CT 出现肺间质纤维化[39],肺小叶间隔增厚与病情进展相关[40],可能与SARS-Co V-2广泛破坏肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞有关。病毒对气血屏障的破坏可能还会引发慢性肺血管和气道的重塑,从而导致肺纤维化,最终导致不可逆的限制性肺功能恶化和死亡,但其机制尚不明确。此外,大量并发ARDS的重症COVID-19患者在治疗过程中使用有创机械通气以维持呼吸功能,但有学者提出呼吸机相关的应力性肺损伤可能在原发病基础上对肺造成二次打击,加重ARDS,促进肺纤维化的发生[41-42]。SARS-Co V-2进入呼吸道后,激活的巨噬细胞介导的非特异免疫反应是人体防御系统的第一道防线。Huang等[43]研究者通过与轻症患者相比较,观察到在重症患者血浆中IL-2、IL-7、IL-10、TNF-α、粒细胞集落刺激因子、干扰素诱导蛋白10、单核细胞趋化蛋白1、巨噬细胞炎症蛋白1a表达显著增加,提示存在高度激活的非特异性免疫应答反应。肺部巨噬细胞在γ-干扰素、TNF-α诱导下分泌的IL-12、i NOS、TNF-α、IL-1β、IL-23、IL-6 等 炎 症 因子[44],具有强大的介导炎症和组织损伤的作用,可能是导致细胞因子风暴的驱动因素[45-46]。Li等[47]对COVID-19患者外周血单核细胞进行了蛋白质组分析,发现病毒的非结构蛋白10通过激活NF-κB通路,诱导巨噬细胞分泌IL-6、IL-8,介导中性粒细胞趋化,导致患者免疫应答过激。对COVID-19患者不同器官的蛋白组学分析发现肺部组织蛋白酶L1比ACE2上调更显著,同时发现了高表达的系统性免疫炎症因子[48]。长期处于这种高水平细胞因子平衡状态下,会出现以正常组织持续损伤和反复修复为特征的病理性修复,从而形成 “瘢痕”,最终导致组织纤维化,气血屏障增厚,阻滞肺泡和微循环的气体交换[49]。SARS-Co V-2导致肺纤维化的机制未明,这是关乎COVID-19患者长期预后和康复的重要研究方向,亟待进行研究攻关阐明机制。

3 总结与展望

综上所述,SARS-Co V-2 对肺气血屏障的直接及间接的功能及结构性破坏,是导致COVID-19疾病进展及患者死亡的重要原因。经过全球的科研攻关,目前已陆续揭示了SARS-Co V-2的分子结构及侵入机制,研发出了抗击COVID-19的疫苗。但SARS-Co V-2仍在全球范围内传播,有些国家已出现 “第二次疫情”,且其对人体的长期危害未知,因此加强国际合作,进一步深入研究COVID-19的肺泡上皮细胞损伤与肺间质微血管内皮细胞损伤的机制,明确哪些因素在COVID-19中起着主要作用对于我们制定更合理的疾病防治策略,寻找更有效的患者救治方案,研究更科学的患者康复管理模式都具有十分重要的意义。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突