基于新冠肺炎中ACE2的作用及其在肾脏疾病发病机制中的新认识

于 澈，赵 雪，王 荣

(山东第一医科大学附属省立医院 肾内科，山东 济南 250021)

当前，新型冠状病毒(SARS-CoV-2)仍在全球范围内肆虐，截至作者发稿时，根据Worldometer(世界实时统计数据)显示，全球新冠肺炎累计确诊病例超1 300万例，死亡近30万例，早已超过了两种以前出现的非典型性肺炎(2003年SARS-CoV病毒)和MERS-CoV(2012年中东呼吸道病毒)病例总数和死亡总数[1-2]。目前已知新冠肺炎(COVID-19)会导致人体多器官受损，包括肺、心血管、肾、胃肠道等。肾脏，作为人体重要的免疫器官，在本次疫情中表现如何？

研究发现一半以上COVID-19患者出现蛋白尿，20%以上患者表现出血肌酐和尿素氮升高，并存在不同程度的肾脏影像学异常。在一份研究报告显示，中国湖北和四川两省近200例住院COVID-19患者中，59%的患者尿蛋白阳性，44%患者存在血尿，均为肾脏受损的表现[3-4]。伴有急性肾损伤(AKI)的患者，其病死率是没有急性肾损伤的COVID-19患者的5倍多[5]。虽然以上研究为单中心统计数据，仍然说明COVID-19患者中，肾功能损害是较为普遍的现象。

血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme, ACE2)，常作为肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system, RAS)系统的一种酶类出现在各类研究中。最新研究发现其作为受体，能够帮助SARS-CoV-2病毒进入宿主细胞, 引发感染等一系列病理变化，引起学术界广泛关注。事实上，2003年就发现ACE2是SARS病毒的受体，而对其研究并未十分深入。现代科技的发展让我们有机会深入了解ACE2的功能特点，笔者将以SARS-CoV-2感染为引导，探讨ACE2在人体疾病中的作用及机制，尤其在肾脏疾病方面的最新进展。

1 COVID-19下ACE2的作用及结构

ACE是一种编码805个氨基酸的金属蛋白酶，位于X染色体(Xp22.2)中，是具有单一胞外催化结构域的Ⅰ型跨膜糖蛋白。在RAS中发挥着重要的调节功能，可将无活性的血管紧张素I(AngI)转化为调控血管收缩的Ang Ⅱ，后者通过血管紧张素受体(AT1和AT2)介导多种生物学反应。2000年，研究人员将ACE2从心力衰竭患者和人淋巴癌cDNA库中克隆出来，发现其作为ACE的同源物，将Ang Ⅱ裂解成Ang1-7多肽，具有保护心脏、舒张血管、抗生长及增殖的作用，与ACE互相制衡。

2003年，Penninger课题组首先鉴定出ACE2是冠状病毒SARS-CoV的关键受体[6]。SARS-CoV主要通过包膜上的S蛋白与ACE2受体结合，结合后ACE2下调，失去肺保护作用，患者出现急性肺损伤和肺水肿以及大量炎症因子进而产生呼吸衰竭等临床表征。与SARS-CoV异曲同工之处在于，2019年底爆发的COVID-19，同样通过S蛋白与ACE2结合，其亲和力为SARS病毒的10～20倍。根据明尼苏达大学的研究发现，基因突变导致SARS-CoV-2的刺突蛋白形成了比SARS-CoV更紧密的分子“脊”。这种更紧凑的结构，使得SARS-CoV-2能够更强地附着在人类ACE2受体上，能够更好地感染细胞，从而比SARS病毒传播更快，这为SARS-CoV-2的高传染性提供了分子基础[7-8]。2020年，西湖大学周强课题组利用冷冻电镜技术成功解析SARS-CoV-2受体ACE2全长[9]。作为膜蛋白的ACE2本身很难在体外稳定获得，而ACE2与肠道内的一个氨基酸转运蛋白B0AT1能够形成复合物，因此他们通过共表达的方法获得了ACE2与B0AT1优质稳定的复合物。ACE2三维结构的成功解析，开启了ACE2的研究之路。

2 SARS-CoV-2肾脏损伤可能机制

尽管所有研究指向肺部是主战场，但是钟南山、李兰娟院士团队已经分别从COVID-19患者的粪便及尿液样本中分离出SARS-CoV-2，证实的确存在活病毒[10]。事实上早在2004年，已有课题组发现SARS-CoV病毒可通过尿液、汗液传播[11]，文中对4例SARS-CoV患者进行了尸检标本检测，除肺部存在SARS-CoV外，其他包括气管、甲状旁腺、肾上腺、肾远曲小管、肝脏、胃、小肠、垂体、胰腺、脑、皮肤汗腺有12个组织中发现有SARS-CoV，但在其他器官如淋巴结中并未发现。因此，与其高度同源的SARS-CoV-2在尿液中存在也不足为奇了。已知的研究发现尿液中可检测到如乙型肝炎病毒、寨卡病毒、SARS-CoV，以及近日发现的新冠状病毒，推测病毒释放到尿液中可能是其生物学过程的普遍现象。通常作为大分子抗体并不能从肾小球过滤到原尿。对于病毒来说，肾小管中缺乏抗体可能使它们逃避体液免疫[12]。科学家们在一项其他病毒的研究中发现，病毒分散于各个部位肾小管中，并没有CD4+或CD8+T细胞被募集到肾脏，只是因为一过性的细胞因子风暴的存在(引起急性呼吸窘迫综合征和多器官衰竭的重要原因)，可能造成肾脏损伤。而这种分散感染形式，可能是病毒逃避宿主免疫反应的策略，并持续将病毒排入尿液。肾脏局部T细胞反应的弱化或短暂的细胞因子风暴为病毒存活提供了有利的场所。但SARS-CoV-2如何进入尿液，所到之处是否直接损伤肾脏，每种病毒是否机制相同，还有待进一步验证。

SARS-CoV-2感染导致肾脏损伤的机制仍不清楚。关于其肾脏病理报道十分少，中部战区医院课题组[13]回顾性分析SARS-CoV-2患者肾功能临床数据，并对肾脏组织进行了苏木精伊红(H&E)染色、免疫组织化学检查及病毒核蛋白(NP)抗原检测。在肾脏组织标本检测到了SARS-CoV-2，并提出其可直接感染人体肾小管，引起急性肾小管损伤。观察到的病毒核蛋白表达受限于肾小管细胞，且仅存在于小管细胞质中，细胞核中未发现，与SARS-CoV-2的感染特性相一致，这为SARS-CoV-2直接感染肾小管细胞提供了有力证据。在之前针对SARS、MERS的肾脏样本尸检结果同样显示肾小管损伤，包括扩张性改变和坏死、近端肾小管上皮细胞刷状缘脱落等。由于和SARS-CoV-2具有相似的病理学特点，这些分析结果对SARS-CoV-2具有一定参考价值。在国外一项对SARS-CoV-2感染肾穿刺患者的研究中发现[14]，在足细胞胞质中含有大量球形颗粒的液泡，这些球形颗粒具有SARS-CoV-2典型病毒包涵体外观，这表明肾脏在感染过程中受到了直接攻击[5]。患者光镜下肾小球呈现塌陷性局灶节段样纤维化(FSGS)改变，但是因为患者为非洲裔，具有可能的apoL1基因变异，但也不能排除病毒感染后肾脏表现，如既往较为熟知的HIV病毒感染后肾脏表现大部分为塌陷样FSGS。

研究表明，SARS-CoV-2与Ⅱ型肺泡表面的ACE2受体结合，介导肺部损伤，但目前并未有直接证据在肾脏是否为此机制。仅检测到ACE-2大量存在于肾小管细胞表面，作为受体结合病毒感染可能使局部炎症反应恶化，从而加剧AKI发作的发生率和持续时间[15]。而感染所致的免疫激活释放大量炎症因子，可能是肾脏损伤的重要原因之一。Wilson等[16]在报道中指出，中重度AKI属于ARDS患者的高风险亚组，具有很高的死亡风险。考虑到与AKI相关的ARDS可能的致病机制，AKI同样也归因于多种原因，如血液动力学改变(包括右心衰竭)，机械通气，抗生素的使用，抗病毒药物如试验于COVID-19患者的瑞德西韦同样可能增加肾脏受损风险，以及感染/败血症后的继发性肾损伤。这些研究均强调了免疫反应与细胞因子风暴的重要作用，这些炎症介质能够与肾脏固有细胞相互作用，导致细胞功能障碍，微循环紊乱及肾小管损伤[17-18]。

3 ACE2与肾脏的渊源

组织中表达ACE2是否就一定会造成感染或损伤有待商榷，就像对于肾穿刺活检中，乙型肝炎病毒存在于肾脏组织中可以诊断为乙型肝炎相关性肾炎，但是病毒如何侵犯肾脏机制并不明确。ACE2的表达分布水平与病毒攻击并不一致，中国学者发表在JAMA Cardiology上的一篇论文记录了武汉416例住院的COVID-19患者中近20%的患者出现了心脏损伤[19]。而心脏高表达ACE2却没有分离到SARS-CoV。睾丸中高表达ACE2，但是精液中无病毒表达[20]。另外，有研究显示从中华菊头蝠中分离出的SARS-like冠状病毒，用来侵袭其他物种蝙蝠时，即使大量表达ACE2也不能在该蝙蝠中增殖感染，说明不仅是ACE2有无和亲和力那样简单。

ACE2在肾脏中高表达，主要在肾小管刷状近缘，肾血管的内皮和平滑肌细胞以及足细胞。在受损的肾小管中，Ang Ⅱ升高可能是在人类肾脏疾病中进一步肾脏损害的可能介质。因此，肾内ACE和ACE2之间的平衡破坏以及随之而来的Ang Ⅱ高水平可能导致肾损害。如有研究显示，给予鼠重组ACE2可以减轻Alport综合征小鼠的Ang Ⅱ介导的肾损伤，包括可以通过包括抗炎、抗氧化应激和抗纤维化等多种机制来保护肾脏纤维化等机制[21]。目前尚无病毒通过肾脏固有细胞ACE2受体直接侵袭肾脏的研究。但是慢性肾病(CKD)可能增加SARS-CoV-2患者预后不良的临床风险，像糖尿病、高血压本身已存在的疾病也会增加肾脏受伤的概率。因此，应加强保护患有CKD的群体，防止感染SARS-CoV-2仍然十分重要。

最新研究还显示，ACE2属于干扰素诱导基因，可能是加重SARS-CoV-2期感染的重要原因，SARS-CoV-2可以利用物种特异性干扰素驱动的ACE2上调来增强感染[2]。细胞检测到病毒进入宿主细胞后，干扰素(IFN)诱导干扰素刺激基因(ISG)对于小鼠，非人类灵长类动物(NHPs)对于人类宿主抗病毒防御至关重，尤其是在上皮屏障上。干扰素有3种不同类型：分为Ⅰ型，Ⅱ型和Ⅲ型。非典SARS-CoV的一项研究表明，I型IFN反应的时机是体内反应的关键组成部分，此前学者们曾大量使用干扰素治疗非典型肺炎，结果发现患者症状迅速恶化。此次NIH 指南基于此前多篇学术论文的结论[22]，建议在对COVID-19患者的治疗中不使用干扰素，也佐证了在临床研究中已经观察到的有患者在使用了干扰素后病情恶化的现象。无论是人肾小管上皮细胞，还是实验用的非洲绿猴Vero-6肾细胞均不产生干扰素。但是肾脏局部吸引的免疫细胞如NK细胞可产生大量干扰素。已知的干扰素除了具有抗病毒的作用外，还具有抗炎和促炎双重作用，容易引起急性肾衰竭、肾病综合征等。IFN-γ能增加肾小球系膜细胞、上皮细胞的MHCII类抗原的表达，使之成为效应细胞的靶细胞而受损，变异的MHCⅡ类抗原可以诱导产生自身抗体，形成不同部位的原位复合物而诱发不同类型的肾小球肾炎[23]。特定类型的IFN与ACE2在肾脏中会发挥何种作用，目前仍然未知。

4 结语

虽然ACE2不是SARS-CoV-2的唯一受体，却是十分重要的环节。目前关于ACE2功能作用的争议较多，比如说在COVID-19后局部ACE2或是血清中ACE2到底是上升或下降，各家报道不一。又如，合并高血压患者是否考虑停用血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)、血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂(ARB)，而改用钙拮抗剂(CCB)类。这些药物在COVID-19自然史中到底时有益还是有害。目前部分专家建议在重症患者中目前并无证据表明其有害，而在普通轻症患者中AEC2或ARB可能有助于ACE2上调从而发挥其保护作用，不建议停用[24-25]。鉴于人体差异性以及涉及器官广泛，目前针对ACE2的药物仅仅在类器官中有一定研究。

Slutsky课题组研制出APN01(human recombinant soluble angiotensin-converting enzyme 2，人重组可溶性血管紧张素转化酶2，简称hrsACE2)的药物可作为抗病毒药物治疗COVID-19。在这项研究分析的细胞培养物(人类血管和肾脏类器官)中，hrsACE2将SARS-CoV-2病毒载量抑制了1 000～5 000倍。可溶形式的ACE2可以捕捉这种病毒，确实可能是一种非常合理的靶向受体的疗法。虽然类器官可以以非常敏捷的方式来测试已经用于治疗其他疾病或即将被验证的药物，并节省测试新药物所花费的时间，但是离投入临床使用十分遥远[26]。而针对于肾脏损伤，目前并无特异性药物。由于SARS-CoV-2的行为方式与人类所见过的任何病原体都不一样，所以很难对它有一个清晰的认识。无论怎样，开发出有效疫苗都是最好的防控措施，了解机体本身固有的病理生理机制，对于未来药物的研发同样重要，也是当前迫切需要解决的问题。