2019年12月以来,中国武汉出现了一系列不明原因的肺炎患者。下呼吸道样本测序分析提示是一种新型冠状病毒,并于2020年1月12日被世界卫生组织(World Health Organization,WHO)命名为2019新型冠状病毒(2019 novel coronavirus,2019-nCoV)[1]。2月11日WHO将2019-nCoV引发的疾病正式命名为2019冠状病毒病(corona virus disease 2019,COVID-19)[2],2月22日,国家卫健委决定将“新型冠状病毒肺炎”英文名称修订为“COVID-19”,与WHO命名保持一致。自2019年12月16日至2020年1月2日期间在武汉市入院的首批41例住院患者已被实验室确认为2019-nCoV感染,其中约32%的患者有糖尿病、高血压和心血管疾病等基础疾病。并发症包括急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)(29%)、RNA血症(15%)、急性心脏损伤(12%)、继发感染(10%)[3]。Wang等[4]对138例COVID-19确诊患者进行研究发现常见并发症包括ARDS(19.6%)、休克(8.7%)、心律不齐(16.7%)和急性心脏损伤(7.2%)。Guan等[5]纳入了1 099例COVID-19患者,其中23.7%的患者至少有一种合并症。患者最常见症状为发热(入院时43.8%的患者发热,住院期间88.7%患者出现发热)和咳嗽(67.8%)。入院时胸部CT磨玻璃影(56.4%)和双肺斑片状影(51.8%)是最常见的影像学表现。83.2%的患者入院时淋巴细胞减少。住院期间并发症包括肺炎(91.1%),其次是ARDS(3.4%)和休克(1.1%)。COVID-19确诊患者除常见并发症包括ARDS外,最新研究显示此类患者病理解剖肺部所见也符合ARDS表现。Xu等[6]完成首例对COVID-19死亡患者的病理解剖,发现患者肺部表现为弥漫性肺泡损伤和肺透明膜形成,符合ARDS表现,这次病理解剖结果对该疾病的认识和治疗意义极为重大。截至2月28日24时,31个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团累计报告确诊病例37 414例,重症7 664例,累计死亡2 835例,累计治愈出院39 002例。

当前爆发的COVID-19类似于2002年中国广东爆发的严重急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome,SARS)。这两次事件都发生在冬季,首例确诊患者均有野生动物接触史,均由先前未知冠状病毒感染所致。COVID-19已被证实由2019-nCoV感染所致[7]。SARS的病原体是SARS冠状病毒(SARS-CoV)。冠状病毒因其病毒脂质层外由棘突蛋白(spike prote in,S蛋白)构成的冠状突起而得名。冠状病毒通过S蛋白与靶细胞表面特定受体结合,然后进入细胞复制并引起宿主感染[8]。冠状病毒的S蛋白包含S1及S2两个亚单位,其中S1包含受体结合域(RBD),RBD直接与血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)结合,S2负责与宿主细胞膜融合。当S1与宿主受体ACE2结合时,S2上的裂解位点暴露并被宿主蛋白酶切断,此过程对于病毒感染十分重要[9]。ACE2是一种Ⅰ型膜蛋白,其包括一个N端肽酶结构域(peptidase domain,PD)和一个C端Collectrin样结构域(Collectrin-like domain,CLD)。ACE2的PD为冠状病毒的S蛋白提供了直接结合位点[9]。

1、ACE2与2019-nCoV

ACE2已被证实为SARS-CoV S蛋白结合的关键受体[10],在抗SARS-CoV的药物研究中,研究者设计和发现了一些小分子化合物和多肽,其能与SARS-CoV的特异受体ACE2结合,从而阻止ACE2与病毒的S蛋白结合,避免病毒与靶细胞膜融合从而避免病毒感染,提示可针对病毒作用受体设计相关药物进行治疗[11]。Xu等[7]通过研究2019-nCoV S蛋白结构模型与人类ACE2受体结合能力证实ACE2为其受体。总体来说,2019-nCoV与SARS-CoV的S蛋白同源性较低,两种病毒S蛋白的氨基酸序列相似度只有76.47%,但两种病毒S蛋白的RBD受体结合结构域有高度同源性。尽管2019-nCoV S蛋白与ACE2蛋白结合的5个关键氨基酸与SARS-CoV的S蛋白相比有4个发生了变化,但由于两种病毒S蛋白RBD结构域的三维结构几乎相同,因此在相互作用界面可保持相似的范德华力和静电性质。这说明2019-nCoV仍是通过与SARS-CoV相同受体和相似机制进行病毒感染和传播。Zhou等[12]研究表明ACE2对2019-nCoV进入HeLa细胞至关重要,2019-nCoV可感染表达ACE2的HeLa细胞,而不会感染未表达ACE2的HeLa细胞。Xu等[7]及Zhou等[12]研究表明,ACE2很可能为2019-nCoV感染细胞的介导受体。基于上述研究结果,ACE2或SARS-CoV靶向药物有望用于治疗2019-nCoV感染患者。

Wrapp等[13]研究首次公布2019-nCoV S蛋白电镜图,其阐述了2019-nCoV利用高度糖基化的同源三聚体S蛋白进入宿主细胞。S蛋白经历多种结构重新排列后与宿主细胞膜融合,包括S1亚基与宿主细胞受体结合,导致S蛋白三聚体不稳定,S1亚基脱落而S2亚基形成高度稳定融合后结构。为了接近宿主细胞受体,S1亚基的RBD会经历类似铰链的构象移动从而隐藏或暴露受体结合关键位点。此研究还发现ACE2与2019-nCoV S蛋白RBD的亲和力比SARS-CoV的S蛋白RBD高10～20倍,很可能有助于2019-nCoV产生高度传染性。另外此研究测试了三种已发现的基于SARS-CoV S蛋白RBD的单克隆抗体S230、m396及80R与2019-nCoV进行孵育,几乎没有检测到2019-nCoV与抗体结合,这说明现存的SARS-CoV抗体对2019-nCoV无作用。以上研究结果对后续治疗工作有重要意义。

Yan等[9]通过ACE2与肠道氨基酸转运蛋白B0AT1形成的稳定复合物成功获得并分析了ACE2的三维结构。此研究发现ACE2以二聚体形式存在,ACE2中PD同时具有开放和关闭两种构象变化,两种构象均含有与冠状病毒S蛋白的相互识别界面,因此二聚体ACE2可同时结合两个S蛋白三聚体,这可能对宿主细胞膜内陷和对病毒颗粒的内吞作用很重要,此过程与其他受体介导的内吞作用类似。关于病毒S蛋白与宿主细胞膜融合,ACE2的C末端片段尤其是697～716位的氨基酸残基被跨膜丝氨酸蛋白酶2(TMPRSS2)等蛋白酶裂解,这可促进病毒S蛋白进入细胞。B0AT1的存在可能会阻止TMPRSS2进入ACE2上的切割位点。ACE2的表达分布较B0AT1广泛,除了主要表达B0AT1的肾脏和肠道外,ACE2还表达于肺和心脏等。这是否能解释病毒感染症状主要发生在无B0AT1分布的肺部?另外B0AT1是否确实能通过阻断ACE2的裂解来抑制病毒感染,尚待进一步研究。

2、ACE2在生理病理途径中的作用

2.1 ACE2的发现和分布

Donoghue等[14]和Tipnis等[15]于2000年分别从心力衰竭和淋巴瘤患者cDNA文库中鉴定出ACE2,此后开启了肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system,RAS)新支路的研究。RAS是机体的一个重要体液调节系统,主要由两条轴组成,即血管紧张素转换酶(ACE)-血管紧张素Ⅱ(angiotensin,AngⅡ)-血管紧张素Ⅱ1型受体(angiotensin type 1 receptor,AT1R)轴和ACE2-Ang(1-7)-Mas轴。ACE通过结合特定受体AT1R、AT2R(AT1R起主导作用)来调节血压以及水钠平衡,此外还具有促炎症、促增殖和促进血管收缩等作用。ACE2与ACE在结构上具有同源性,但其生物学活性却有很大差异,主要降解AngⅡ生成Ang(1-7)。Ang(1-7)与受体Mas结合从而拮抗ACE-AngⅡ-AT1R轴[16]。

既往研究发现ACE2广泛分布于心脏、肾脏、脂肪组织、血管平滑肌细胞、脑组织、睾丸、胃肠道等[17]。最近Zhao等[18]利用高通量单细胞测序分析技术研究了共计43 134个肺脏细胞,发现ACE2在0.64%肺脏细胞中表达,且大多数(约83%)都集中表达于Ⅱ型肺泡细胞(typeⅡalveolar cells,AT2),表达ACE2的AT2占其总量的(1.4±0.4)%,这(1.4±0.4)%的ACE2+AT2还表达30多个与病毒组装复制相关的功能基因。因此,2019-nCoV似乎已经巧妙地进化到利用这些AT2细胞群来进行繁殖和传播。AT2中ACE2的大量表达可能解释感染后严重的肺泡损伤。提示针对COVID-19的防治可从抑制ACE2着手。此外,ACE2在其他细胞类型如Ⅰ型肺泡细胞、支气管上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和巨噬细胞中也有表达。Zou等[19]最新研究根据ACE2在各器官表达水平构建了2019-nCoV感染风险图谱,发现除肺外,呼吸道、心脏、肾脏、食道、回肠、膀胱中均有ACE2表达,以上均为被病毒感染高风险器官。

2.2 ACE2与ARDS

ARDS是一种以低氧血症和胸部影像学提示双肺渗出为临床表现而没有心衰依据的综合征。ARDS危险因素包括肺炎(细菌、病毒、真菌,或机会性感染)、胃内容物吸入及脓毒症等。治疗以保护性机械通气及避免液体负荷过重的支持性治疗为主。尽管如此,ARDS患者死亡率仍高达30%[20]。关于COVID-19所致的ARDS,Liu等[21]纳入了武汉某医院从2020年1月2日至2020年2月1日期间确诊的109例COVID-19患者,随访至2月12日发现53例(48.6%)患者进展为ARDS。与非ARDS患者相比,ARDS患者年龄更大(61岁比49岁),有合并疾病者更多(20.8%比1.8%),死亡率明显升高(49.1%比8.9%)。此外COVID-19患者的临床特征随ARDS的严重度不同而有所变化,中重度ARDS患者死亡率较轻度ARDS者为高。抗病毒、糖皮质激素或免疫球蛋白等治疗不能明显改善COVID-19所致ARDS患者的生存率。

在ARDS的发病进展中,ACE2在肺内发挥着重要作用。研究表明,在脂多糖所致ARDS的大鼠模型中,支气管肺泡灌洗液的ACE活性显著增加,相应的AngⅡ表达升高,ACE2及Ang(1-7)表达下降[22]。提示ARDS,肺组织局部表现为RAS系统失衡,体现在ACE-AngⅡ轴活性增加,而ACE2-Ang(1-7)轴活性降低。

SARS爆发后,许多患者很快出现了ARDS并因此失去生命。Kuba等[23]研究发现SARS-CoV感染小鼠ACE表达无明显改变,AngⅡ的表达显著增加,而ACE2表达下调。提示SARS-CoV可能是通过ACE2介导的肺功能损害。另一项研究表明,在博来霉素所致ARDS的小鼠模型中,ACE2基因缺失小鼠比对照组症状更加严重,而使用人重组ACE2治疗后,肺损伤症状明显改善,存活率也有明显提高。此外,与仅有ACE2基因缺陷的小鼠相比,应用血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂(angiotensinⅡreceptor antagonists,ARB)或伴随ACE基因敲除的ACE2基因缺陷小鼠的ARDS症状较轻。此外,AT1R和(或)ACE2缺失小鼠肺损伤较轻,而缺失AT2R的小鼠肺损伤则较重。因此,在ARDS发生过程中,ACE、AngⅡ和AT1R的高表达使肺损伤症状加重,而ACE2和AT2R则改善症状[24]。基于ACE2在ARDS中的作用机制及SARS的启示,可认为ACE2对于肺损伤有保护作用,而且ACE2下调与更严重的肺部病理损伤相关。

2.3 ACE抑制剂、ARB在COVID-19及其所致的ARDS中的潜在治疗价值

2019-nCoV感染患者发病后的时间线为:从症状出现开始,至住院的中位时间为7(4.0～8.0)天,至出现呼吸困难的中位时间为8(5.0～13.0)天,至出现ARDS的中位时间为9(8.0～14.0)天,至开始机械通气的中位时间为10.5(7.0～14.0)天,至入住ICU的中位时间为10.5(8.0～17.0)天。武汉市首批确诊的41例患者均有肺炎,严重者可进展至ARDS[3]。Liu等[21]研究中48.6%的COVID-19患者进展为ARDS。通过SARS-CoV感染使SARS-CoV S蛋白受体ACE2表达下调促进ACE-AngⅡ轴上调而导致ARDS的发病机制,推测COVID-19患者肺损伤与2019-nCoV S蛋白作用于受体ACE2导致其下调有关,但目前尚未有研究确切证明2019-nCoV感染宿主细胞后会导致ACE2表达下调。因此2019-nCoV-ACE2-ARDS之间的具体作用机制仍需进一步研究加以证实。

目前COVID-19的抗感染治疗可考虑从ACE2蛋白抑制剂或表达ACE2细胞消融以避免病毒感染入手,但抑制ACE2以避免病毒感染的假设同时也受到更严重肺损害的可能性挑战。此次COVID-19可考虑应用血管紧张素转换酶抑制剂(angiotensin converting enzyme inhibitor,ACEI)抑制ACE-AngⅡ轴或ARB阻断AngⅡ作用受体从而减轻重症患者的肺部症状。确有相关研究已证实ACEI或ARB对于肺损伤的保护作用。刘和亮等[25]通过在油酸诱导ARDS的大鼠模型中应用卡托普利发现其能降低肺动脉高压,延缓ARDS的病情进展并对肺血管内皮细胞具有一定保护作用。Neyrinck等[26]研究也证实ACEI对于内毒素所致大鼠肺损伤的治疗作用。Mortensen等[27]研究表明院内持续给予ACEI可降低普通病毒性肺炎患者的死亡率和插管率。Wösten等[22]研究表明应用ARB对ARDS也有治疗作用。以上研究提示在无抵抗2019-nCoV感染的特异性治疗药物的当下,可考虑应用ACEI或ARB减轻感染患者肺部病理损伤,但具体疗效等需要在今后的临床研究中进一步验证。另外目前出现了一种不同观点认为RAS抑制剂会反射性增加ACE2,理论上有加速病毒复制或进入细胞的作用,应停用ACEI/ARB类药物。但并没有研究证实ACE2的表达增高可增加病毒感染机会,故目前没有确凿证据证实合并心血管疾病的COVID-19患者停用RAS抑制剂[28]。

3、小 结

目前对COVID-19死亡患者的首例病理解剖结果为2019-nCoV感染患者存在肺损伤初步提供了证据,但具体机制仍有待进一步研究。由于2019-nCoV与SARS-Cov具有高度同源性,推测两种病毒所致肺损伤的发病机制相似。对发病机制进行更深入了解,有利于及时对疫情防控进行有效干预。SARS中ACE2不仅介导了病毒感染,而且病毒感染后引起ACE2表达下调导致严重急性肺损伤,但到目前为止,尚未有相关研究证实2019-nCoV感染宿主细胞后会导致ACE2表达下调,因此还需进行更多的基础和临床研究证实2019-nCoV-ACE2-ARDS间的确切机制从而进行更具针对性的有效治疗。

参考文献：

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[16]陈立男,杨秀红.局部肾素-血管紧张素系统稳态失衡与急性肺损伤[J].生理科学进展,2013,44(2):133-137.

[25]刘和亮,赵金垣.血管紧张素转换酶抑制剂对化学性急性呼吸窘迫综合征治疗作用的实验研究[J].中华预防医学杂志,2002,36(2):93-97.

[28]中国医师协会心脏重症专业委员会.新型冠状病毒肺炎合并心功能不全诊治专家建议[J/OL].中华医学杂志,2020.

张晓晴,李树仁,牛绍乾.ACE2与新型冠状病毒肺炎及其所致的急性呼吸窘迫综合征[J].中国动脉硬化杂志,2020,28(05):395-399.

基金:河北省卫生厅项目(20180027)