陆丹, 魏望, 沈艳丽, 吴东栋, 姬新颖
(1. 徐州医科大学 附属邳州市人民医院 检验科, 江苏 邳州 221300;2. 河南省核蛋白基因调控国际联合实验室∥河南大学 基础医学院, 河南 开封 475004;3. 河南大学 口腔医学院, 河南 开封 475004; 4. 开封市感染病与生物安全重点实验室, 河南 开封 475004)
2019年12月,发现了多例不明原因肺炎,其高传染性使之立刻成为人们关注的焦点.科学家们通过基因测序和病毒分离等技术最终确定引起此次不明原因传染性肺炎的为一种新型冠状病毒[1].2020年2月11日,世卫组织将该疾病命名为2019冠状病毒病(Corona virus disease 2019, COVID-19),国际委员会冠状病毒研究小组将其病原体命名为严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)[2].
大多数COVID-19患者的临床症状包括发烧、咳嗽、乏力等呼吸系统表现,也有患者表现为腹泻、心悸等其他系统表现.老年人和有基础疾病的人易感并容易出现严重后果,最终发展为急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)、败血性休克和/或多器官功能衰竭(multiple organ failure,MOF)[3].
通过釆取一系列措施,我国疫情已基本得到控制,但近期北京、新疆地区等多地出现反弹现象,且国外疫情仍不断发酵,因此防疫工作依旧严峻.专家们预测,此次疫情结束的时间尚无定论,今年可能将绵延不断,且有可能发生秋冬的第二波疫情.因此密切监测并实时调整干预措施,以确保第二波浪潮的可控是公共卫生的重中之重[4].
本文在国内外研究的基础上,总结SARS-CoV-2对人体各生理系统造成的损害及影响,以期为临床工作者深入了解SARS-CoV-2提供帮助.
SARS-CoV-2属于有包膜的单股正链RNA病毒,为正冠状病毒亚科、β冠状病毒属,是目前发现的第7种可感染人类的冠状病毒.人群普遍易感,传染源主要为COVID-19患者及无症状感染者[5].人际传播、飞沫和密切接触为主要传播途径,密闭环境中暴露于高浓度气溶胶亦存在感染的可能,且患者的粪便、尿液、精液等也相应分离到SARS-CoV-2[6-8].目前尚无充分证据表明妊娠晚期患有COVID-19的妇女由垂直传播引起宫内感染[9].
根据基因测序结果和进化分析,SARS-CoV-2的基因组序列与SARS-CoV具有79.5%的同源性,与云南中华菊头蝠中的蝙蝠冠状病毒RaTG13具有96.2%的同源性.因此,蝙蝠可能是SARS-CoV-2的潜在宿主.但是疫情发生开始,大多数蝙蝠正在冬眠,且在华南海鲜市场上可以见到其他非水生动物(包括哺乳动物)的售卖,却未曾发现或售有蝙蝠;此外,之前的研究表明,SARS-CoV和MERS-CoV很可能是从蝙蝠分别传播给果子狸或单峰骆驼,最后传播给人类.为此,推测SARS-CoV-2的传播可能也通过某个中间宿主复制形成感染源继而传播给人类[10].
广州华南农业大学的研究团队推测穿山甲可能为中间宿主,他们通过对1000多份宏基因组样品分析检测,从穿山甲中分离出的一种冠状病毒亚型在E,M,N和S基因中分别与SARS-CoV-2表现出100%、98.2%、96.7%、90.4%的氨基酸同一性[11].但也有研究发现,穿山甲病毒样品中并没有SARS-CoV-2独有的PRRAR序列[12].因此,SARS-CoV-2的直接中间动物宿主仍需进一步研究.
冠状病毒利用其包膜上的表面刺突糖蛋白(S)附着宿主细胞,并在感染过程中介导宿主细胞膜和病毒膜融合.S蛋白包括S1和S2两个区域,其中S1用于宿主细胞受体结合,S2用于膜融合[13].同SARS-CoV一样,SARS-CoV-2通过作用于血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)进入宿主细胞,且SARS-CoV-2与人ACE2的结合亲和力及稳定性显著高于SARS-CoV,这可能与SARS-CoV-2的高传染性有关[14].S蛋白与组织细胞受体的相互作用是病毒入侵的关键,因此,明确ACE2 的组织定位对了解COVID-19具有指导作用.
多项研究发现[15-17],ACE2的表达并不局限于肺部,心脏、胃肠道、神经、食管、肾脏、膀胱、睾丸、肾上腺、脂肪、甲状腺等组织器官中均有ACE2的表达,这可能与临床上多器官损伤有密切联系.另有研究发现[18],丝氨酸蛋白酶TMPRSS2可以激活S蛋白,在协助病毒的入侵过程中起重要作用,故该位点也可能是COVID-19的潜在治疗靶点.
临床上,有些患者初期仅表现为轻微的发烧、咳嗽或肌肉酸痛,但在疾病后期或康复过程中突然恶化,发生ARDS和/或MOF,并在短时间内死亡.患者血清中白细胞介素-2、白细胞介素-6、白细胞介素-7、白细胞介素-10、巨噬细胞集落刺激因子、单核细胞趋化蛋白-1、巨噬细胞炎性蛋白1A和肿瘤坏死因子-α等显著升高,且重症患者相较于非重症患者的浓度更高,这表明机体免疫系统在对抗SARS-CoV-2感染过程中引发了细胞因子风暴,并进一步导致ARDS或肺外多器官衰竭,使病情恶化甚至死亡[19].因此,通过免疫调节剂和细胞因子拮抗剂等手段及时控制早期的细胞因子风暴,减少炎性细胞浸润,是提高治疗成功率和降低COVID-19患者死亡率的关键.
除此之外,还有研究表明SARS-CoV-2也可通过CD147侵袭靶细胞.CD147是一种广泛表达的跨膜糖蛋白,可与亲环素、小窝蛋白-1和整合素等多种蛋白相互作用,CD147的伴侣亲环素在冠状病毒的复制过程中起着重要作用,因此可以猜测,阻断CD147-亲环素轴可能是治疗COVID-19的另一有效手段[20].
现有证据表明,SARS-CoV-2参与了多个生理系统的病理进程,感染SARS-CoV-2的患者除具有典型的呼吸道症状外,不少患者也表现为肺外脏器损伤,包括心血管系统、神经系统、消化系统、泌尿系统、生殖系统等.
COVID-19患者最初多以发热、干咳和乏力等为主要表现,后期重症患者可出现呼吸困难,更严重者可进展为ARDS、MOF等.
Kuba等[21]发现,SARS-CoV感染和SARS刺突蛋白单独注射能降低小鼠体内ACE2的表达,此下调与肺损伤和肺衰竭有关.另有实验发现重组人 ACE2蛋白对SARS病毒、败血症等引起的急性肺损伤有保护作用[22].这说明ACE2 是防止急性肺损伤的关键蛋白,在作为新冠病毒入侵的靶点导致肺损伤的同时,ACE2的降低也可能是机体为减少病毒入侵的自保措施.
ACE2在 II 型肺泡上皮细胞(type Ⅱ alveolar cell, AT2)中高表达,提示SARS-CoV-2可能通过损害AT2细胞从而导致肺炎.此外,ACE2还可表达于 Ⅰ 型肺泡上皮细胞、气管上皮细胞、支气管上皮细胞和巨噬细胞等[23-24].
大多数COVID-19患者肺部CT异常,主要表现为双肺多发磨玻璃影,可见空气支气管征和双下肺纤维条索影.尸检报告表明患者出现弥漫性肺泡损伤,从中溢出大量黏稠分泌物,并可见纤维条索.由此分析COVID-19 患者的CT表现形成可能与深部气道和肺泡损伤的炎性反应有关[25].SARS-CoV-2除直接损伤肺组织外,其引发的细胞因子风暴也会损伤肺毛细血管内皮细胞及肺泡上皮细胞,导致弥漫性肺泡损伤和肺透明膜形成,从而严重影响通气功能,加速肺功能恶化进程,最终发展成ARDS[26].
肺纤维化是公认的ARDS后遗症[27].先前在对71名SARS康复患者和36名MERS康复患者的随访研究中,均有不少患者在出院数月至数年后有肺间质纤维化的表现[28-29].考虑到COVID-19患者的年龄较SARS及MERS患者的年龄偏大,因此早期抗炎治疗、保护肺功能对减轻肺纤维化至关重要.
ACE2在血管内皮细胞、动脉平滑肌细胞、心肌细胞等均有表达,这为SARS-CoV-2的感染提供了条件[16].一些患者在就诊时并无发烧、干咳和乏力等典型呼吸系统症状,而以胸闷、胸痛、心悸等心血管系统症状为初始表现[30].
钟南山研究团队纳入1 590名患者,其中患有高血压、心血管疾病的患者分别占16.9%和3.7%,且重症患者合并高血压、心血管疾病的风险较非重症患者更高[31].针对6项研究的1 527名COVID-19患者的荟萃分析发现,至少有8%的患者患有急性心肌损伤,重症患者心肌损伤的风险是非重症患者的13倍[32].
心肌损伤可由非缺血性心肌过程或心肌缺血引起.心肌炎和应激性心肌病作为一种非缺血性心肌因素,可能在COVID-19患者急性心肌损伤过程中起重要作用.研究表明,临床严重或危重COVID-19患者的cTnI水平增高,CT检测到心外膜脂肪组织密度降低,提示有心脏炎症[33].另一研究报告显示,COVID-19死亡患者hs-cTnI的晚期升高趋势与炎症标志物(包括D-二聚体、铁蛋白、IL-6和乳酸脱氢酶)的变化趋势相似,其尸体解剖也发现心脏有巨噬细胞的浸润.以上提示可能发生了细胞因子风暴和全身炎症反应综合征,推测是心肌炎或应激性心肌病导致了急性心肌损伤[34-35].
心血管疾病是COVID-19患者的常见合并疾病,既往存在冠心病或潜在心力衰竭的患者发生心肌损伤的风险更高.因此,积极评估心脏功能,警惕心肌损伤的发生,及时有效的干预和长期随访是降低该合并症的重要手段.但值得注意的是,心肌损伤标志物的升高易受多种因素的影响,临床上应结合心电图、超声心动图等手段予以综合判断评估.
糖尿病是以高血糖为特征的慢性、代谢性疾病,长期高血糖使机体免疫力下降,因而更容易发生病毒感染,且其相关并发症如酮症酸中毒、高渗性昏迷等会增加急性感染期间的发病和死亡风险[36].
越来越多的数据表明COVID-19合并糖尿病的患者与严重或危重病例有关,从14%到32%不等[36].Wang等[37]在一项对138名患者的研究中发现,72%的COVID-19合并糖尿病患者需转入ICU治疗,而在无合并糖尿病患者中,这一比例为37%.在一份44 672名确诊COVID-19患者的总结报告中,中国疾病预防控制中心报告的总病死率为2.3%,而糖尿病患者病死率高达7.3%[37].
在糖尿病患者中,糖尿病酮症酸中毒(diabetic ketoacidosis,DKA)可能是严重COVID-19患者的常见并发症和预后不良的迹象.关于SARS-CoV-2诱导DKA的机制尚未揭晓,推测SARS-CoV-2可能通过加速脂肪分解诱发酮症,并进一步发展为酮症酸中毒[38].
肥胖是一种由多种因素引起的慢性代谢疾病,也是重症COVID-19患者的主要合并症之一.研究表明,肥胖患者感染SARS-CoV-2的风险增加,预后更差.在该项研究中,死亡患者的体质量指数(body mass index,BMI)更高,88.24%的患者BMI>25 kg/m2[39].体质量超标是多种疾病的危险因素.另一项研究显示,与BMI<30的人相比,BMI在30~35之间和>35的COVID-19患者转入ICU治疗的可能性分别高出1.8倍和3.6倍[40].其具体病理生理机制涉及多方面,其一,肥胖患者血液中CD147的表达较正常人偏高,且与BMI呈正相关[41];其二,过多的脂肪也可能导致肺泡间质内异位脂肪细胞的存在,从而导致病毒的直接感染,进而加剧炎症浸润,造成肺间质水肿[39].因此,进一步了解肥胖和SARS-CoV-2之间的联系可以帮助适当调整免疫治疗.
神经侵袭和嗜神经性是人类冠状病毒的共同特征.鼻部感染后,冠状病毒能通过嗅球进入中枢神经系统,引起神经炎症和脱髓鞘[42],从而引起一些神经系统表现,如高热惊厥、抽搐、精神状态改变和脑炎等[43].大脑胶质细胞和神经元上有少量ACE2的表达[15],COVID-19患者的尸检结果也发现有脑组织充血、水肿,部分神经元的变性[5],SARS-CoV-2可能与神经系统疾病的发展有关.
Mao等[44]通过分析214名COVID-19住院患者,发现78名患者有各种神经系统表现,包括头晕、头痛、意识障碍、急性脑血管疾病、癫痫发作、味觉障碍、嗅觉障碍、神经痛等,此外还有神经肌肉损伤的表现,如乏力、肌肉酸痛和肌酶水平升高等.在表现为中枢神经系统症状的患者中,头晕和头痛最为常见;在表现为周围神经系统症状的患者中,味觉障碍和嗅觉障碍最为常见.与非重症COVID-19患者相比,重症COVID-19患者更容易出现神经症状,尤其是急性脑血管病、意识障碍和骨骼肌损伤[44].此外,Huang等[45]在一例有神经系统表现的COVID-19患者的脑脊液中检测到SARS-CoV-2,这进一步提示SARS-CoV-2有可能攻击神经系统.但也有研究者表示,即使在有神经症状患者的鼻拭子中检测到SARS-CoV-2,其脑脊液中也可能没有发现病毒颗粒[46].脑脊液中是否存在SARS-CoV-2可能取决于全身性疾病的严重程度及病毒的神经组织嗜性程度,这将在以后的研究中得出结论.
大多数神经系统症状发生在疾病早期,一些没有典型呼吸道症状的COVID-19患者仅以神经系统症状为首发表现[44].因此,临床上主诉精神健康状况改变或味觉、嗅觉障碍、肌肉酸痛的患者应格外引起注意.了解SARS-CoV-2的嗜神经性,有助于迅速判断病情,确定优先和个体化治疗方案.
COVID-19患者合并有消化系统症状已被多项研究证实,且不少患者就诊时仅以消化道表现为首发症状.ACE2在食管、胃、小肠、结肠、直肠、肝脏及胰腺中均有表达,理论上提示消化系统可能易受SARS-CoV-2感染[47-49].
综合临床案例报告和回顾性临床研究分析表明,胃肠道症状的发生率为3%~79%不等,包括食欲减退、腹泻、呕吐、恶心、腹痛、消化道出血等表现.排除食欲不振这一非特异症状,腹泻是儿童和成人最常见的特异性胃肠道表现,且多为自限性;呕吐在儿童中更为突出.重症患者出现胃肠道症状的比例高于非重症患者,并与病情严重程度有关[37, 50-51].
尸检报告显示,COVID-19患者的胃肠黏膜有不同程度的变性、坏死和脱落[50],且胃、十二指肠和直肠固有层有大量浆细胞和淋巴细胞浸润,相应组织中也检测到病毒核衣壳蛋白,提示SARS-CoV-2感染的胃肠道症状可能是由病毒的直接攻击和免疫反应介导的组织器官损伤所致[49].
粪便中SARS-CoV-2核酸阳性表明该病毒可以在消化道内复制和存在.Guan等[6]在62份粪便标本中检测到有4份(6.5%) 核酸呈阳性.另一项临床标本的核酸检测中,153份粪便样本中有44份(29%)呈阳性[52].现有研究也证明了不同组织样本的阳性检测有一个时间窗,粪便核酸常在呼吸道标本呈阳性后2~5 d呈阳性.23%(17/73)~82%(54/66)的患者在呼吸道标本核酸转为阴性的1~11 d后,粪便核酸仍呈阳性[7, 49].粪便和呼吸道标本核酸检测的时间窗表明,病毒颗粒在胃肠道的存活时间比在呼吸道的存活时间长.当粪便中的病毒载量较高或处于病毒的有利环境中时,SARS-CoV-2可能通过粪便传播.
另据报道,SARS-CoV-2感染可致肝损伤,肝功能和肝酶异常与COVID-19的严重程度呈正相关[6].有患者在出现呼吸系统症状之前表现为急性非黄疸型肝炎[53],这对临床医生的早期判断提出了更高要求.单细胞测序数据显示,ACE2肝细胞中呈中度表达,但在胆管细胞中呈高表达,表明SARS-CoV-2可能导致肝内胆管的直接损伤[54].然而,一例死亡患者的病理检查发现,肝脏中存在中度微血管脂肪变性和轻度肝小叶门区活动性炎症,提示COVID-19的肝损伤也可能是由于缺氧、炎症等引起的继发性损伤[26].
肾脏疾病是COVID-19患者的主要并发症之一,也是重要的死亡危险因素.在一项武汉大型前瞻性队列研究中,COVID-19住院患者的肾脏疾病患病率较高.入院时,43.9%的患者有蛋白尿,26.7%的患者有血尿,血清肌酐、尿素氮升高的比例分别为14.4%和13.1%.住院期间急性肾损伤的发病率为5.1%,死亡率为16.1%.该项研究表明,COVID-19可能与肾脏疾病的高患病率、急性肾损伤的高发病率及住院死亡率有关[55].此外,另一项案例报告中,在排除急性肾损伤、尿路感染及前列腺炎后,尿频可能是COVID-19患者的又一新发症状[56].
Ling等[7]发现,在58名COVID-19患者中有4名患者(6.9%)的尿样病毒核酸呈阳性,且在患者咽拭子核酸检测转阴后,3名患者的尿样仍呈阳性.当然也有尿样中病毒核酸始终阴性的研究报告[57].因此,关于尿液是否具有实际传染性仍有待进一步研究.
SARS-CoV-2感染患者肾脏病理分析发现,光镜下可见弥漫性近端小管损伤,刷状缘消失,不等长空泡变性,甚至明显坏死.电镜检查显示肾小管上皮细胞和足细胞内有明显的冠状病毒颗粒簇.此外,COVID-19患者肾小管中SARS-CoV-2受体ACE2表达上调,肾小管核蛋白抗体免疫染色阳性,但尚未发现肾小球损伤[58].
ACE2在肾脏中的表达比在肺中高近100倍[59].因此,推测肾脏疾病可能是由SARS-CoV-2通过ACE2依赖途径进入肾脏引起的直接细胞病变;又或者 SARS-CoV-2诱导的细胞因子释放可能对肾组织产生间接影响,如缺氧、休克和横纹肌溶解[60].再者,SARS-CoV-2也可能通过CD147侵袭靶细胞.在肾脏中,CD147高表达于近端肾小管上皮细胞表面和浸润的炎性细胞,被认为通过免疫炎症反应和细胞周期紊乱在多种肾脏疾病中发挥作用[20].且CD147的伴侣亲环素在冠状病毒的复制过程中起着重要作用,而亲环素的抑制剂-环孢素可以有效抑制病毒的细胞内传播.因此可以推测,阻断CD147-亲环素轴可能是治疗COVID-19的一种有前景的治疗手段[61].
因此,在以后的临床治疗中,应密切监测肾功能及尿量变化.为更好的判断肾脏的远期功能,建议康复患者定期复查肾功能,以防造成不可逆损伤.
Wang等[62]发现ACE2在人类睾丸的精原细胞、间质细胞和支持细胞中表达,TMPRSS2在精原细胞和精细胞中表达,表明睾丸是易受SARS-CoV-2感染的高危器官,可能导致男性生精功能障碍.有研究报道在精液样本中检测到SARS-CoV-2,表明SARS-CoV-2可能通过精液传播[8].ACE2也在前列腺中表达,由此推测,SARS-CoV-2与这些ACE2阳性的细胞结合不仅可能导致组织改变,还可能成为病毒分泌和主动传播到射精液的来源[63].
迄今为止,尚未有COVID-19患者女性生殖系统受损的报道.ACE2在子宫内膜中也有表达,在上皮细胞中的表达程度高于间质细胞,且随月经周期而变化,在分泌期比增殖期更为丰富,这可能会干扰局部血管紧张素II的动态平衡,并调节子宫内膜的再生[64].以往的研究表明,孕期SARS可能与母婴并发症的高发有关,如自然流产、早产、宫内生长受限.Wong等[65]研究发现,在怀孕前3个月感染SARS-CoV-2的7名妇女中,有4人自然流产.为此有专家推测,SARS-CoV-2可能通过破坏子宫内膜上皮细胞,影响早期胚胎植入;也可能通过攻击卵巢组织和颗粒细胞,降低卵巢功能和卵子质量,从而导致女性不孕或流产[66].
根据目前现有的证据,推测SARS-CoV-2对睾丸组织、卵巢组织和颗粒细胞的潜在致病性和攻击性可能影响睾丸和卵巢功能、精子、卵母细胞质量和妊娠结局.因此,应重视对感染SARS-CoV-2的年轻夫妇生育能力的评估,合理指导和建议生育.
骨折患者易受肺部感染,尤其是下肢骨折和活动能力受限的患者.严重骨折的患者通常需要住院和外科治疗,其感染SARS-CoV-2的机会大大增加[67].
Mi等[68]回顾性分析10例意外骨折合并COVID-19住院患者的临床资料,发现骨折患者合并COVID-19的临床特点和早期预后较未骨折的COVID-19患者更为严重.骨折患者更易出现淋巴细胞减少症,中性粒细胞计数和D-二聚体的中位数均高于相应指标的正常上限,且与骨折及手术相关的治疗会引发一系列氧化应激和过度炎症反应,上调炎症因子的表达,降低患者的免疫力,从而增加肺炎的患病率.
先前的研究表明[69],部分SARS患者痊愈后相继出现如骨质疏松、股骨头坏死等骨质损伤,但是因为激素治疗的影响还是病毒本身引起的病变仍尚未明确,也有部分数据显示骨质损伤的发生率与激素剂量和作用时间密切相关.现如今,仍无证据表明患有骨骼疾病的患者感染SARS-CoV-2的风险增加[70],但为防止继发骨损伤的发生,应限制激素的使用剂量,定期进行骨密度监测及相关骨科检查,以减少不良反应的发生.
尽管对COVID-19的病理生理机制仍未完全清楚,但越来越多的证据表明,高炎症综合征会导致暴发性和致命性的细胞因子释放,与疾病的严重程度和不良预后相关.各种自身免疫性疾病如自身免疫性血小板减少症、格林-巴利综合征、抗磷脂综合征和川崎病(kawasaki disease,KD)等在COVID-19患者中均有报告.Gregory等[71]报告的7名患者均在SARS-CoV-2感染之后首次发生自身免疫性溶血性贫血,且与细胞因子风暴发生的时间段相适应.《新英格兰医学杂志》上也报道了一例COVID-19合并免疫性血小板减少性紫癜的患者,虽不能证明COVID-19是该患者免疫性血小板减少的致病因素,但该病例提示要警惕与COVID-19有关的并发症[72].
川崎病是一种急性自限性血管炎,主要影响5岁以下的男孩,主要症状包括发热、结膜炎、口腔黏膜红斑、颈部淋巴结病变和多形性皮疹,还可能涉及心血管、胃肠、肺、神经、泌尿生殖和肌肉骨骼系统等[73].意大利的一项研究发现,疫情期间KD病例的数量显著增加,其发病率较疫情开始前增加了30倍,且表现出更高的心脏受累率及巨噬细胞活化综合征的特征.虽然其病因尚未完全清楚,但可以确定均与SARS-CoV-2感染有关[74].
新冠疫情无疑是人类历史上的又一灾难性事件,各系统的并发症大大降低了患者的治愈率和生存率,严重威胁着人类健康.目前针对COVID-19的治疗主要以支持和对症治疗为主,包括抗病毒治疗、糖皮质激素治疗、免疫治疗、中药治疗及合理使用抗菌药物等[5].然而,冠状病毒药物的开发尚存在诸多困难,制约了其开发和应用.在新冠病毒药物研制的等待期内,使用多种药物联合治疗,应是目前最有效的方法;且不少患者存在一种或多种基础疾病,多学科治疗也尤为重要.
然而疫情的终结仍依赖于疫苗的开发与应用.当前全球有100多种候选新冠病毒疫苗正在研究中,军科院陈薇院士团队和康希诺公司联合研发的腺病毒载体重组新冠病毒疫苗获得Ⅱ期临床试验的安全性和有效性数据[75],且Ⅲ期临床试验的顺利开展为人类早日战胜疫情带来了希望.