新型冠狀病毒肺炎與細(xì)胞因子風(fēng)暴

李娜 李維 楊拴盈

西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科710004

2019年12月中旬在中國湖北省武漢市陸續(xù)出現(xiàn)了一些原因不明的肺炎患者[1]。這些患者主要表現(xiàn)為發(fā)熱、干咳及乏力等。疫情發(fā)展非常迅速,2020年2月內(nèi)已波及全國各省及全球數(shù)十個國家和地區(qū)。2020年1月上旬,我國科學(xué)工作者確定了引起此次肺炎的病原體是一種全新的冠狀病毒,即嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-Co V-2),由它引起的這種肺炎稱為新型冠狀病毒肺炎 (COVID-19)[2]。近十七年來,冠狀病毒已經(jīng)導(dǎo)致了三次重大傳染病的爆發(fā)流行,包括COVID-19、嚴(yán)重急性呼吸綜合征 (severe acute respiratory syndrome,SARS)和中東呼吸綜合征(Middle East respiratory syndrome,MERS)。

SARS-Co V-2是一種正鏈單股RNA 病毒,屬于β屬冠狀病毒,有包膜。顆粒呈圓形或橢圓形,常為多形性,直徑約60～140 nm,其基因特征與SARS-Co V 和MERSCo V 有明顯的區(qū)別。目前研究顯示其與SARS樣冠狀病毒同源性達(dá)79.6%,與蝙蝠冠狀病毒基因同源性達(dá)96%[3]。臨床實(shí)踐表明,部分COVID-19患者早期病情較輕,但在發(fā)病7～10 d左右病情突然加重,甚至死亡,死亡原因多為多器官功能衰竭。細(xì)胞因子風(fēng)暴是導(dǎo)致SARS和MERS患者病情急速惡化甚至死亡的重要原因之一。在本次COVID-19疫情中,部分重型與危重型患者加重的原因也可能與細(xì)胞因子風(fēng)暴有關(guān)。

1 細(xì)胞因子風(fēng)暴

1.1 細(xì)胞因子及細(xì)胞因子風(fēng)暴 細(xì)胞因子是由免疫細(xì)胞及組織細(xì)胞分泌的在細(xì)胞間發(fā)揮調(diào)控作用的一類小分子可溶性蛋白質(zhì),其主要包括干擾素 (interferon,IFN)、IL、趨化因子、集落刺激因子、腫瘤壞死因子 (tumor necrosis factors,TNF)等。細(xì)胞因子以自分泌、旁分泌或內(nèi)分泌形式發(fā)揮作用,可通過結(jié)合相應(yīng)受體調(diào)節(jié)細(xì)胞生長分化,調(diào)控免疫應(yīng)答,參與炎癥等多種疾病的發(fā)生、發(fā)展。

細(xì)胞因子風(fēng)暴又稱為細(xì)胞因子瀑布級聯(lián),或高細(xì)胞因子血癥。細(xì)胞因子風(fēng)暴最早由Ferrara等[4]于1993年研究移植物抗宿主病時提出的。當(dāng)機(jī)體免疫系統(tǒng)受到感染 (細(xì)菌、病毒、真菌等)或非感染 (藥物、自身免疫性疾病等)因素的影響時,機(jī)體先后啟動非特異性免疫應(yīng)答與特異性免疫應(yīng)答,體內(nèi)多種免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等可以釋放多種細(xì)胞因子,如IL-1、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、趨化因子、粒細(xì)胞集落刺激因子、粒細(xì)胞巨核細(xì)胞集落刺激因子、IFN-γ、TNF-α等。這些細(xì)胞因子與中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及多種免疫細(xì)胞之間通過特定的正反饋機(jī)制,使多種細(xì)胞因子及相關(guān)免疫細(xì)胞在組織、器官中異常增多、聚集,形成細(xì)胞因子風(fēng)暴,最終導(dǎo)致單器官或多器官損傷甚至功能衰竭。

1.2 病毒感染與細(xì)胞因子風(fēng)暴 多種病毒如SARS-Co V、甲型H1N1流感病毒、MERS-Co V 等感染人后均可導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴。然而,不同冠狀病毒感染導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴時發(fā)揮主要作用的細(xì)胞因子譜可能不同,如SARS病毒相關(guān)的細(xì)胞因子風(fēng)暴主要與IL-6、IL-8、IL-12、IFN-γ、干擾素-γ 誘導(dǎo)的蛋白10 以及單核細(xì)胞趨化蛋白1 相關(guān)。MERS-Co V 引起的細(xì)胞因子風(fēng)暴主要與IFN-γ、TNF-α、IL-15、IL-17等有關(guān)。Channappanavar等[5]指出SARS 患者有嚴(yán)重的淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)減少,并且急性期SARS患者和健康個體相比,CD4+T 和CD8+T 細(xì)胞數(shù)量明顯減低。這可能與抗原提呈細(xì)胞功能改變、樹突狀細(xì)胞遷移受損導(dǎo)致T 細(xì)胞活化障礙有關(guān)[6-8],也可能與Ⅰ型干擾素增多和應(yīng)激反應(yīng)引起糖皮質(zhì)激素水平升高誘導(dǎo)T 細(xì)胞凋亡有關(guān)[9]。在MERS患者中也觀察到了淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)減少的現(xiàn)象[10],但其原因尚不明確。

2 COVID-19與細(xì)胞因子風(fēng)暴

2.1 SARS-Co V-2 導(dǎo)致的細(xì)胞因子風(fēng)暴 目前已有COVID-19患者死亡尸體解剖表明病毒主要是在下呼吸道引起炎癥反應(yīng)并導(dǎo)致肺損傷[11]。因此,我們推測SARSCo V-2與血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2結(jié)合入侵人體后隨即啟動非特異性免疫應(yīng)答。在細(xì)胞內(nèi)一般通過3種主要類型的模式識別受體感知RNA 病毒,然后激活下游信號傳導(dǎo)效應(yīng)分子NF-κB和IRF3/7。其中,NF-κB 促進(jìn)細(xì)胞中促炎因子(如TNF-α、IL-1β和IL-6)的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)一步觸發(fā)Th1 和Th17炎癥反應(yīng),使IFN-γ和IL-17分泌。IRF3/7會促進(jìn)Ⅰ型IFN 的產(chǎn)生,進(jìn)而激活JAK1/TYK2-STAT1/2 途徑,上述兩個過程均可進(jìn)一步誘導(dǎo)其他促炎細(xì)胞因子和趨化因子 (如CCL-3、CCL-4、CXCL-8、CXCL-9)的表達(dá)[12]。

淋巴細(xì)胞減少是COVID-19患者中最突出的標(biāo)志之一,其中主要包括CD4+T 細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞[13]、自然殺傷細(xì)胞、調(diào)節(jié)T 細(xì)胞[14]與B 細(xì)胞[15]數(shù)目減少和功能的減退,已有研究觀察到T 細(xì)胞減少與血清細(xì)胞因子 (IL-6、IL-10和TNF-α)升高、免疫抑制分子 (如PD-1、Tim-3)水平升高有關(guān)[13,16]。我們推測可能是肺泡巨噬細(xì)胞或上皮細(xì)胞釋放的細(xì)胞因子導(dǎo)致了淋巴系統(tǒng)功能異常,如TNF-α可導(dǎo)致T 細(xì)胞凋亡[17]、IL-10阻止T 細(xì)胞增殖[18]、IFN-1調(diào)節(jié)T 細(xì)胞再循環(huán)[19]等。

在COVID-19后期階段 (7～10 d左右)存在患者病情突然惡化,表現(xiàn)為高熱、進(jìn)展的呼吸困難并出現(xiàn)全身多系統(tǒng)功能障礙。根據(jù)武漢大學(xué)中南醫(yī)院報(bào)道的41例COVID-19患者的回顧性研究顯示重癥COVID-19患者血漿中多種促炎因子如IL-2、IL-7、IL-10、粒細(xì)胞集落刺激因子、干擾素-γ誘導(dǎo)的蛋白10、單核細(xì)胞趨化蛋白1、MIP-1α、TNF-α等表達(dá)水平明顯升高,這提示重癥患者體內(nèi)最終發(fā)生了細(xì)胞因子風(fēng)暴[20]。

因此,SARS-Co V-2入侵人體的過程首先是因病毒感染所產(chǎn)生的細(xì)胞因子促進(jìn)炎癥反應(yīng)并將免疫細(xì)胞募集至肺部,隨后出現(xiàn)細(xì)胞因子導(dǎo)致淋巴系統(tǒng)功能障礙,使得清除能力受損、病毒復(fù)制和傳播增加,最終形成正反饋效應(yīng)(即免疫級聯(lián)放大效應(yīng)),產(chǎn)生細(xì)胞因子風(fēng)暴,使得肺泡壁及毛細(xì)血管漏出加重,壞死細(xì)胞及分泌物填充肺泡,肺泡壁毛細(xì)血管阻塞,透明膜形成,患者最終出現(xiàn)ARDS表現(xiàn)。

并且由于血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2 除了在肺部高表達(dá)外,還在血管內(nèi)皮細(xì)胞、心臟、腎臟、肝臟、消化道等部位高表達(dá)。因此COVID-19不僅有ARDS的表現(xiàn),部分重癥患者同時有休克、急性心肌損傷、心率失常、急性腎損傷等并發(fā)癥[21],臨床上表現(xiàn)為多臟器功能衰竭。上述研究表明,SARS-Co V-2可以多靶點(diǎn)攻擊人體,形成細(xì)胞因子風(fēng)暴,造成單一或多臟器功能障礙。

2.2 細(xì)胞因子風(fēng)暴的預(yù)警標(biāo)志 通過檢測血液、肺泡灌洗液中細(xì)胞因子以及細(xì)胞免疫水平的變化來預(yù)測COVID-19患者是否發(fā)生了細(xì)胞因子風(fēng)暴。

由于細(xì)胞因子風(fēng)暴多發(fā)生于重型、危重型患者中,因此檢測細(xì)胞因子及細(xì)胞免疫水平可能對預(yù)警、早期診斷、早期治療細(xì)胞因子風(fēng)暴有一定臨床意義。Wan等[22]分析了123例COVID-19患者外周血中細(xì)胞免疫水平和細(xì)胞因子含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),和輕癥患者相比,重癥COVID-19 患者CD4+和CD8+T 淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)降低更明顯。并且該研究在分析細(xì)胞因子時發(fā)現(xiàn),和輕癥患者相比,更多重癥患者IL-6水平明顯升高。該研究還提示淋巴細(xì)胞亞群與細(xì)胞因子之間無顯著線性關(guān)系。在另一研究中,北京地壇醫(yī)院應(yīng)用LASSO COX 回歸分析方法研究了61例COVID-19患者的預(yù)后因素,并探討了以其預(yù)測病情轉(zhuǎn)重的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)/淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù) (neutrophil to lymphocyte ratio,NLR)升高是導(dǎo)致輕癥患者發(fā)展為重癥的獨(dú)立危險因素,其中C指數(shù)為0.807 (95%CI：0.676～0.938),我們認(rèn)為C 指數(shù)大于0.8時即有較強(qiáng)的預(yù)測準(zhǔn)確性。因此,NLR 可能具有較好的預(yù)測價值。年齡≥50歲且NLR≥3.13的COVID-19普通型患者中,50%發(fā)展為重癥,故建議對符合上述條件的COVID-19 患者應(yīng)及時轉(zhuǎn)入ICU[23]。

基于上述研究,臨床上可根據(jù)細(xì)胞因子水平、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)、NLR 等預(yù)測COVID-19患者病情發(fā)展趨勢。國家衛(wèi)生健康委員會制定的 《新型冠狀病毒肺炎診療方案 (試行第七版)》[24]已經(jīng)推薦進(jìn)行細(xì)胞因子檢測,但CD4+T、CD8+T、IL-6的cut-off值目前仍不清楚,需進(jìn)行大樣本臨床研究。

2.3 細(xì)胞因子風(fēng)暴的處理 糖皮質(zhì)激素是目前已知有效的抗炎藥物,其可抑制感染性和非感染性炎性反應(yīng),能防止或減輕急性炎癥期的滲出、水腫及炎癥細(xì)胞浸潤。目前認(rèn)為糖皮質(zhì)激素可以通過基因組信號傳遞 (細(xì)胞核內(nèi)DNA調(diào)節(jié))、非基因組激活 (胞漿內(nèi)NO 合成酶活化)途徑誘導(dǎo)抗炎蛋白產(chǎn)生,其中主要是通過抑制NF-κB轉(zhuǎn)錄因子而起作用的,因此糖皮質(zhì)激素是治療自身免疫性炎癥所致細(xì)胞因子風(fēng)暴的基石。但糖皮質(zhì)激素可能導(dǎo)致延遲治愈、延緩病毒清除、繼發(fā)感染、骨質(zhì)疏松、股骨頭壞死、高血壓、血糖升高等不良反應(yīng)。一項(xiàng)關(guān)于流行性感冒、SARS、MERS的回顧性研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)用糖皮質(zhì)激素的不良反應(yīng)大于患者臨床獲益[25]。

目前糖皮質(zhì)激素是否可以用于治療COVID-19患者還存在爭議[25-26]。Wu等[27]分析了201例COVID-19患者后發(fā)現(xiàn),在發(fā)生ARDS的患者 (n=84,41.8%)中,使用糖皮質(zhì)激素可以降低死亡風(fēng)險 (HR=0.38,95%CI：0.20～0.72,P=0.003)。但另一個納入15項(xiàng)研究的meta分析提示,在COVID-19患者中使用糖皮質(zhì)激素會導(dǎo)致更高的病死率(RR=2.11,P=0.019)、感染時間延長(P＜0.001)、繼發(fā)細(xì)菌感染 (RR=2.08,P＜0.001)[28]。這個矛盾可能與患者個體差異以及用藥時機(jī)、劑量不同有關(guān)。因此,糖皮質(zhì)激素的使用是一把雙刃劍,應(yīng)把握好給藥時機(jī)以防止過度炎癥、細(xì)胞因子風(fēng)暴的發(fā)生,同時應(yīng)當(dāng)注意給藥劑量,遵循恰當(dāng)劑量及短療程的范圍內(nèi)個體化治療的原則,以降低長期病毒感染、繼發(fā)細(xì)菌感染的風(fēng)險。

我國目前將糖皮質(zhì)激素作為重癥COVID-19治療的方法之一,是考慮到COVID-19重癥患者體內(nèi)存在的細(xì)胞因子風(fēng)暴。武漢大學(xué)中南醫(yī)院對138例COVID-19患者治療方式的回顧性分析顯示,72.2%的重癥患者在治療過程中使用了糖皮質(zhì)激素,而僅35.3%輕癥患者使用了糖皮質(zhì)激素[20]。糖皮質(zhì)激素的劑量和療程應(yīng)根據(jù)病情的嚴(yán)重程度和對治療的反應(yīng)情況確定。

根據(jù)新發(fā)布的 《新型冠狀病毒肺炎診療方案 (試行第七版)》[24],針對重型、危重型病例治療時可根據(jù)患者呼吸困難程度、胸部影像學(xué)進(jìn)展情況,酌情短期內(nèi) (3～5 d)使用糖皮質(zhì)激素,建議劑量不超過相當(dāng)于甲潑尼龍1～2 mg/ (kg·d)。當(dāng)然,這個用量用法可能主要是基于SARS治療的臨床經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、相關(guān)的回顧性研究等結(jié)果。目前,我們還需要嚴(yán)格的隨機(jī)對照試驗(yàn)以明確糖皮質(zhì)激素的恰當(dāng)給藥時機(jī)和劑量,這是一個亟需解決的臨床問題。

除糖皮質(zhì)激素外,還可考慮使用如IFN-1、TNF-α阻斷劑、JAK 抑制劑、抗IL-17單抗、抗IL-6單抗 (托珠單抗)等。重癥COVID-19患者多有IL-6明顯升高,提示抗IL-6單抗理論上可用于SARS-Co V-2感染導(dǎo)致的細(xì)胞因子風(fēng)暴的治療。目前已有臨床試驗(yàn)評價其在COVID-19治療中的療效和安全性。

理論上,免疫學(xué)檢查結(jié)果可能有助于判斷導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴的主要原因是細(xì)胞免疫還是體液免疫異常,抑或兩者都有。這對指導(dǎo)臨床醫(yī)師采取針對性治療無疑是明智的選擇。對于以細(xì)胞免疫為主的患者,可選環(huán)孢素等;對于以體液免疫為主的患者,如何用藥尚不明確,理論上可采用相應(yīng)的免疫抑制劑、中西醫(yī)結(jié)合方法予以輔助治療;對于由于免疫功能低下的患者,可考慮應(yīng)用丙種球蛋白、胸腺肽、干擾素等藥物治療。

此外,還可采用體外血液凈化技術(shù),如大容量血液過濾、級聯(lián)血液過濾、血漿置換、血漿耦合過濾吸附等技術(shù),控制過度的炎癥反應(yīng),快速降低血清中細(xì)胞因子的水平。

3 問題與展望

細(xì)胞因子風(fēng)暴是導(dǎo)致SARS和MERS患者病情惡化甚至死亡的重要原因,其在COVID-19病情惡化中可能發(fā)揮重要作用。根據(jù)現(xiàn)有的認(rèn)識水平,細(xì)胞因子、細(xì)胞免疫水平有望作為一種預(yù)測手段,預(yù)判病情轉(zhuǎn)歸,這對于 “輕轉(zhuǎn)重”的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療有著至關(guān)重要的意義。盡管對SARS-Co V-2和細(xì)胞因子風(fēng)暴關(guān)系的研究取得了很大進(jìn)展,但仍有許多問題亟待解決：(1)由于人們對SARSCo V-2所知甚少,其與機(jī)體免疫系統(tǒng)的相互作用機(jī)制、易感基因、細(xì)胞因子風(fēng)暴產(chǎn)生機(jī)制等都需要更多的基礎(chǔ)研究去闡明; (2)目前針對細(xì)胞因子、免疫細(xì)胞與COVID-19病情的關(guān)系仍缺乏高質(zhì)量的基礎(chǔ)和臨床研究;(3)要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用細(xì)胞因子水平指導(dǎo)臨床診療,仍需大樣本研究進(jìn)一步明確細(xì)胞因子、免疫細(xì)胞水平與COVID-19患者病情、治療方式、合并癥等之間的關(guān)系;(4)在恰當(dāng)處理細(xì)胞因子風(fēng)暴以挽救重癥COVID-19患者方面,目前可用的藥物甚少,且缺乏循證醫(yī)學(xué)證據(jù)等。相信隨著相關(guān)研究的廣泛開展,細(xì)胞因子風(fēng)暴與重癥COVID-19的關(guān)系將日漸明晰。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突