冠状病毒感染对心血管系统的损伤及可能机制

王宇成， 陈瑞珍*， 熊丁丁

1. 上海市心血管病研究所，复旦大学附属中山医院，上海 200032 2. Mercy Children’s Hospital, Ohio 43085, USA

冠状病毒(coronavirus, CoVs)是一类具有包膜的RNA病毒。其中，SARS冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)和MERS冠状病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)是人畜共患，具有高致病性的类型[1]。2019年出现的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)、2003年的SARS-CoV以及2015年的MERS-CoV的感染流行，同为21世纪以来发生的由CoVs引起的重大公共卫生事件，对全球公共卫生体系产生巨大冲击。由于CoVs感染对人类健康危害巨大而目前仍无明确特异性治疗措施，因此深入研究CoVs的致病作用和相关机制显得尤为重要。

1 CoVs感染导致的相关心脏损伤

CoVs感染主要累及肺部，引起肺间质性改变和急性呼吸窘迫综合征。而CoVs对心血管的损伤作用同样不容忽视。在2020年1月2日前确诊的41例COVID-19患者中，有5例(12%)患者发生了SARS-CoV-2相关的心脏损伤，这些患者表现为心肌损伤标志物升高和新发心电图和心超检查征象改变[2]。并且，心脏损伤与COVID-19病情的轻重也有显著相关性。重症患者和轻症患者相比，心肌酶谱升高和心电图异常表现具有显著差异[3]。在一项包括135例SARS-CoV感染患者的研究中(包括轻症患者59例，重症患者76例)，轻重症患者心电图异常率分别为7.1%和24.3%；其中心律失常的发生率分别为12.5%和20.3%，心肌缺血发生率分别为3.6%和15.1%[4]。另外，心肌酶谱包括乳酸脱氢酶(LDH)和α-羟丁酸脱氢酶(HBDH)等在重症患者中显著增高(P<0.01)[4]。心律失常的产生可能与SARS-CoV侵犯心脏传导系统有关[5]。CoVs感染后心肌组织切片还可见巨噬细胞浸润等炎症性改变[6]，而且CoVs引起的全身系统性毒性改变也可累及心脏[7]。故CoVs引起的心脏损伤并非罕见，其发生与病情的严重程度密切相关。

同时，病毒感染引起的心肌损伤常提示患者心功能异常和不良预后的发生。在一项针对321位H7N9流感病毒感染患者的研究中，和无心脏损伤患者相比，心脏损伤患者群体具有更低的PaO2/FiO2，更高的急性生理和慢性健康评估Ⅱ得分(acute physiology and chronic health evaluation Ⅱ score)，更久的ICU治疗时间和更高的院内死亡率[8]。由于CoVs相关心脏损伤是CoVs感染的一个严重并发症，但具体发生机制未明，故本文将对CoVs引起心脏损伤的可能机制进行探讨。

2 CoVs对心脏损伤作用的可能机制

2.1 CoVs于心脏复制并直接损伤 病毒感染宿主细胞，在细胞内复制，并裂解细胞释放更多的病毒。病毒在心肌细胞定位与繁殖，会对心脏造成损伤。柯萨奇病毒(coxsackie virus)作为一种单链RNA病毒，可以直接感染并损伤心肌细胞。研究表明[9]，感染高载量的柯萨奇病毒的心肌组织会在组织层面形成更严重的心肌病变，并向血清释放更多的心肌损伤标志物[如心脏肌钙蛋白(cTnI)和肌酸激酶同工酶MB型(CK-MB)]。近年已有多项研究为CoVs在心脏中的复制提供了证据。一项研究通过对SARS感染后死亡患者的多器官组织样本分析发现，约有40%的患者心肌标本可检出CoVs，并且估算得到每克心脏组织中，最大病毒载量为2.8×107拷贝；中位病毒载量为3.2×104拷贝[10]。另一项针对尸检组织中SARS-CoV的时间和空间分布的研究发现，SARS-CoV RNA水平相对稳定，与死亡患者的病程长短无直接关系；且与上一研究估算得到的病毒载量结果相近[11]。CoVs还可以感染心脏内特殊细胞(如窦房结细胞)，通过对SARS-CoV核酸原位杂交染色发现，窦房结内部分特殊心肌细胞群存在病毒[5]。这也可以部分解释重症SARS-CoV感染患者合并心律失常者明显增多。由于CoVs与柯萨奇病毒同属于单链RNA病毒，并且CoVs可以在心肌细胞内复制，由此推测，其对心肌的损伤有可能类似柯萨奇病毒对心肌的直接损伤作用。另一方面，CoVs感染心脏的途径虽然未明，但是血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)作为受体在心脏组织高水平表达，可能为CoVs感染提供了条件[12]。通过对CoVs感染表达或不表达ACE2的细胞荧光染色实验显示，ACE2同为SARS-CoV和SARS-COV-2的细胞表面受体。而其他一些CoVs受体如HCoV-229E受体氨肽酶N(aminopeptidase N，APN) 和 MERS-CoV受体二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4，DPP4)则不参与SARS-CoV-2感染细胞过程[13-14]。病毒的棘突通过受体结合结构域(receptor-binding domain，RBD)与细胞表面的ACE2分子结合，发生膜融合和胞内吞效应，使病毒进入细胞[15]。然而，也有研究则得到与之前相反的结论，即感染者心脏组织中无法检测出CoVs[16]。

2.2 CoVs激活肾素血管紧张素(RAS)系统 在RAS系统中，ACE将血管紧张素Ⅰ(angiotensin Ⅰ，Ang Ⅰ)转化为Ang Ⅱ。Ang Ⅱ主要通过血管紧张素Ⅱ1型受体(Angiotensin Ⅱ receptor type 1，AT1)，发挥收缩血管的作用。

RAS系统激活与心血管疾病关系密切，血管收缩升高血压，增加心脏负荷，从而加剧心脏损伤和引起心衰[17]。而ACE2作为ACE的一种同源酶，却可抵抗ACE的生理作用。ACE2可以将Ang Ⅰ(Ang 1-10)去除1个残基，转变为无活性的Ang 1-9[18]；但其主要催化效应是将Ang Ⅱ(Ang 1-8)去除1个残基转变为Ang 1-7，因为Ang Ⅱ作为底物的催化效能是Ang Ⅰ作为底物的催化效能的400倍[19]。之后Ang 1-7结合Mas受体，来拮抗Ang Ⅱ结合AT1的效应[20]。ACE2在机体应激时，对于维持血压稳定，改善心肌收缩发挥重要作用。动物实验中，Ace2敲除的小鼠灌注Ang Ⅱ，和对照组相比，血压水平显著升高，而在基线状态下，血压水平未有显著改变[21]；但是，如果在心脏和血管中过表达ACE2，则可显著降低血压水平，维持心肌缺血后心功能[22-23]。

SARS-CoV感染不仅降低肺ACE2的水平，引起呼吸衰竭[24]；感染心脏时，还可引起心脏ACE2表达水平下降[6]。具体而言，在CoVs感染细胞过程中，其棘突蛋白作为表面分子与细胞表面ACE2受体结合，而CoVs棘突蛋白也直接参与ACE2表达下调。在体内和体外实验中，敲低CoVs棘突蛋白的表达，ACE2的表达会随之显著下降，同时Ang Ⅱ水平则显著上升，从而激活RAS系统[24]。

机制上，在CoVs感染细胞过程中，CoVs棘突蛋白作为表面分子与细胞表面ACE2受体结合，通过解体蛋白和金属蛋白酶17 (A disintegrin and metalloproteinase 17，ADAM17)/肿瘤坏死因子α转换酶(Tumor necrosis factor alpha converting enzyme，TACE)依赖途径，ACE2受体从细胞表面脱落[25]。ACE2受体脱落，可能是ACE2在细胞表面下调的原因。然而，这一现象只是病毒感染的伴随过程，对病毒的复制并无显著影响[26]。但细胞外液中的ACE2可以与病毒颗粒结合，阻断传染性子代病毒进入细胞；故ACE2受体脱落可能减轻病毒在机体的扩散[27]。

总之，CoVs感染机体，下调ACE2，激活RAS系统，增强Ang Ⅱ收缩血管效应，减弱Ang 1-7保护心脏效应，增加CoVs对心脏损伤的作用。

2.3 CoVs感染诱发细胞因子风暴和心脏免疫炎症反应 细胞因子风暴(cytokine storm)又名高细胞因子血症(hypercytokinemia)，是某种刺激(如感染或过敏反应)，引起机体免疫系统过度激活，细胞因子过度释放，产生全身炎症反应的病理现象。细胞因子风暴一词最早被用于描述移植物对抗宿主反应[28]。而病毒作为强致病的病原体，严重感染机体后可能引发细胞因子风暴，主要分为2步：(1)病毒感染局部组织器官，病毒成分作为病原相关分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)被固有免疫系统模式识别受体(Pattern recognition receptor，PRR)识别，激活下游级联反应，局部结构细胞和固有免疫细胞分泌多种细胞因子；(2)上一过程产生的细胞因子募集效应细胞以清除病毒，此过程中，效应细胞会产生和释放第2波细胞因子[29]。过多分泌的细胞因子还可通过循环系统，激活全身各器官免疫系统，引起全身炎症反应[30]。

CoVs感染是否可以诱发细胞因子风暴？在一项研究中， SARS-CoV-2感染者血浆中白细胞介素1β、干扰素γ(IFN-γ)、干扰素诱导蛋白-10(IP-10)、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)等促炎因子水平显著升高[2]。随后进一步更大样本研究发现，患者血浆炎症指标明显升高；约86%的患者血浆C反应蛋白(C-reactive protein, CRP)水平升高，85%的患者红细胞沉降率升高，52%的患者IL-6升高[31]。这些研究均提示，病毒感染细胞，诱发细胞因子分泌并释放入血，引起细胞因子风暴。另一项研究通过对SARS-CoV感染患者升高的细胞因子进行相关性分析，发现细胞因子风暴产生主要和IFN-γ相关[32]。在体外实验中，SARS-CoV感染肺泡上皮细胞、巨噬细胞和树突状细胞(Dendritic Cell，DC)，也可促进如IFN、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、IL-6等促炎细胞因子释放[33-35]。机制上，病毒棘突蛋白可作为一种PAMP，通过被toll-like receptor 2(TLR2)识别，激活NF-κB通路，促进固有免疫细胞产生和分泌炎症因子[36]。同样，SARS-CoV单链RNA作为另一种PAMP，通过被细胞表面TLR7或TLR8识别，促进如TNF-α、IL-6、IL-12等细胞因子分泌[37]。并且，由于病毒感染和情绪紧张，机体儿茶酚胺分泌增加，从而进一步维持细胞因子风暴[38]。

随着大量细胞因子释放入血随血流到达心脏，对心血管系统造成严重影响。其中，TNF-α和IL-1β可以抑制心肌收缩[39]，从而造成心肌供血的减少。另一方面，细胞因子也可以直接损伤血管内皮细胞，增加血管通透性[40]。TNF-α还可以激活凝血系统，促进血栓形成[41]。这些效应可协同进一步加重心肌的缺血。心脏含有多种免疫细胞，包括组织特异性巨噬细胞、B细胞、T细胞、NK细胞和DC细胞等[42]。炎性细胞因子的刺激可激活心脏免疫系统。如IFN-γ通过激活心脏局部免疫细胞(如巨噬细胞)，产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)等细胞有毒物质[43]，并启动心脏炎症反应，导致心脏损伤。

2.4 CoVs感染引起心脏损伤其他机制 (1)低氧血症：CoVs感染肺部，引起急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)，导致全身缺氧和低氧血症。心脏作为体内高能耗器官，缺氧可影响心肌细胞的有氧代谢过程。氧化磷酸化反应受损使细胞ATP产生减少，心肌细胞能量供应不足，导致心肌损伤。(2)儿茶酚胺心脏毒性：CoVs感染后患者的精神紧张、情绪波动，会引起交感神经系统过度兴奋，儿茶酚胺分泌增多。儿茶酚胺对心脏具有毒性作用。(3)肾上腺素刺激可导致环磷酸腺苷(cAMP)介导的心肌细胞钙超载[44]。(4)心脏交感神经活动增强也被认为是室性心律失常和心脏性猝死发生的重要因素[45]。

3 小 结

本文着重探讨了CoVs感染引起心肌损伤主要的潜在机制。当然，CoVs对心脏的损伤还可能与患者自身因素(如年龄、基础慢性疾病以及吸烟等)相关[31]。所以CoVs对心脏损伤的机制仍需要进一步深入研究来揭示。由于尚无针对CoVs的特异性治疗药物，目前针对感染合并心脏损伤的并发症仍然以对症支持治疗为主。然而，结合本文所探讨的主要机制，特异性抗CoVs活性药物、RAS系统阻断剂、抗炎药物和细胞因子抑制剂或许可以对CoVs感染引起心脏并发症发挥治疗作用。