辛小軍 魏晗 肖平喜

作者單位:211100 江蘇南京,南京醫(yī)科大學(xué)附屬逸夫醫(yī)院心血管內(nèi)科

新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)[1]由新型冠狀病毒(2019-novel coronavirus,2019-nCoV)所引起。2019-nCoV與曾在人群中引起大范圍傳播流行的嚴(yán)重急性呼吸綜合征相關(guān)的冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus,SARS-CoV)同屬于β冠狀病毒屬[1]。有研究顯示[2],2019-nCoV與2018年在中國(guó)舟山收集到的兩種SARS樣冠狀病毒具有88%的同源性,且2019-nCoV和SARS-CoV具有相同的功能宿主細(xì)胞受體——血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2)[3]。

多項(xiàng)回顧性研究結(jié)果顯示[1, 4-8],COVID-19患者大多以發(fā)熱、干咳、乏力等為首發(fā)癥狀;外周血檢查有白細(xì)胞總數(shù)正?；驕p少、C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein,CRP)及血沉增加、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)水平升高等生化指標(biāo)的改變。嚴(yán)重者可見血氧飽和度下降,D-二聚體以及淋巴細(xì)胞進(jìn)行性減少。同時(shí)肺部CT提示病毒感染后有肺間質(zhì)的改變以及雙肺多發(fā)的磨玻璃狀影。

中國(guó)疾病預(yù)防控制中心公布了一份截至2020年2月11日共包含72 314例患者的報(bào)告[9]。該報(bào)告顯示,合并有基礎(chǔ)疾病的COVID-19患者總體病死率會(huì)升高,其中合并心血管疾病患者的病死率為10.5%,合并糖尿病為7.3%,合并高血壓為6.0%。值得注意的是,在Huang等[4]、Zaki等[5]、Chan等[6]、Chen等[7]發(fā)布的研究結(jié)果中,多數(shù)患者出現(xiàn)了血清肌鈣蛋白(cardiac troponin I,cTnI)、肌紅蛋白(myoglobin,MYO)和肌酸激酶(creatine kinase,CK)等與心肌損傷相關(guān)的標(biāo)志物水平的升高,且多數(shù)為重癥患者。

心血管系統(tǒng)疾病已成為COVID-19患者診療過程中一個(gè)不容忽視的危險(xiǎn)因素。而本文主要就2019-nCoV對(duì)患者造成的心肌損傷及其可能的機(jī)制進(jìn)行探討。

一、2019-nCoV與ACE2

冠狀病毒具有26～32 kbp正股單鏈的核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)基因組,廣泛分布于禽類和各種哺乳動(dòng)物中[10]。根據(jù)其遺傳學(xué)差異和不同的抗原交叉反應(yīng),可以分為α、β、γ和δ四群,但只有α和β兩群中的7種冠狀病毒會(huì)使人致病[11]。冠狀病毒主要包含兩種胞膜蛋白:受體結(jié)合位點(diǎn)的刺突蛋白(spike glycoprotein,S)和負(fù)責(zé)運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的膜糖蛋白(membrane glycoprotein,M)。S蛋白是一種三聚體Ⅰ類融合糖蛋白,廣泛分布于冠狀病毒包膜表面,其由受體結(jié)合亞基S1和膜融合亞基S2構(gòu)成,主要介導(dǎo)了與宿主細(xì)胞受體之間的相互作用[12]。S蛋白以亞穩(wěn)態(tài)的預(yù)融合構(gòu)象存在,該構(gòu)象通過結(jié)構(gòu)重排完成病毒膜和宿主細(xì)胞膜的融合[12]。冠狀病毒為了與宿主細(xì)胞受體結(jié)合,S1亞基的受體結(jié)合域(receptor-binding domain,RBD)通過構(gòu)象運(yùn)動(dòng)暫時(shí)隱藏或暴露與受體結(jié)合的關(guān)鍵因素。這兩種瞬時(shí)狀態(tài)被稱為“向下”構(gòu)象和“向上”構(gòu)象,分別對(duì)應(yīng)于受體不可及狀態(tài)和不太穩(wěn)定的受體可及狀態(tài)[13-15]。

最近有研究報(bào)道顯示,2019-nCoV與SARS-CoV的感染機(jī)制相似,都是通過其包膜表面的S蛋白介導(dǎo)了與宿主細(xì)胞的ACE2之間的相互作用[3]。ACE2是由X染色體上ACE2基因編碼的含有805個(gè)氨基酸的一種Ⅰ型跨膜糖蛋白[16]。作為一種嵌合體蛋白,ACE2于2000年被發(fā)現(xiàn),其是ACE的同源類似物[17]。ACE2和ACE相似,同樣具有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域:氨基末端的催化結(jié)構(gòu)域和羧基末端結(jié)構(gòu)域。氨基末端的催化結(jié)構(gòu)域位于胞外,有1個(gè)鋅金屬肽酶結(jié)構(gòu)域的活性位點(diǎn),其與ACE的氨基端序列同源性為41.8%[17-18]。同時(shí),ACE2和ACE為Ⅰ型整合蛋白都有一個(gè)氨基端的信號(hào)肽和一個(gè)羧基端的跨膜域。

值得注意的是,ACE2氨基末端胞外結(jié)構(gòu)域具有3個(gè)主要生理功能:(1)羧肽酶活性:將血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)轉(zhuǎn)化為血管緊張素1-7(angiotensin 1-7,Ang1-7);參與了Apelin等多種肽類的代謝,Apelin可以合成為含77個(gè)氨基酸的前激素原,其可被加工成36個(gè)氨基酸的肽Apelin-36,進(jìn)一步的蛋白水解產(chǎn)生Apelin-13。且有研究顯示,全身應(yīng)用Apelin-13可致使大鼠和小鼠低血壓的產(chǎn)生[19-20]。(2)可以作為SARS-CoV的受體。(3)可以作為整合素β1和整合素α5的底物[21],提示ACE2在與整合素信號(hào)通路相關(guān)的心血管疾病中可能發(fā)揮一定的作用。

ACE2主要在心臟、腎臟和睪丸中表達(dá),但在其他組織如結(jié)腸和肺中表達(dá)水平較低[18]。Crackower等[22]的研究結(jié)果顯示,大鼠ACE2基因譜中已經(jīng)有確定數(shù)量的位點(diǎn)和高血壓相關(guān),并且ACE2基因位點(diǎn)的2個(gè)單核苷酸的多態(tài)性與人類心血管疾病有關(guān)[23]。同時(shí)多項(xiàng)基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn),在ACE2基因敲除的幾種不同近交系小鼠中,均表現(xiàn)出了與衰老和壓力負(fù)荷過高相關(guān)的心肌損傷,提示ACE2可能作為心肌損傷以及心力衰竭的調(diào)節(jié)因子[22,24-25]。Kassiri等[26]的研究中同樣提到,在小鼠的心肌梗死模型中,ACE2的缺失加速了左心室的適應(yīng)性重塑。

綜上所述,2019-nCoV通過其S蛋白以ACE2為受體介導(dǎo)了對(duì)組織的損傷,并且ACE2也在心血管系統(tǒng)中扮演了重要的角色,所以2019-nCoV感染的患者可能會(huì)伴隨不同程度的心血管系統(tǒng)的損傷。同時(shí)ACE2也成為COVID-19相關(guān)心肌損傷機(jī)制的一個(gè)重要因素。

二、2019-nCoV對(duì)心肌的影響

(一)對(duì)心肌的直接影響

冠狀病毒對(duì)宿主細(xì)胞的感染主要通過其S蛋白的S1亞單位與宿主細(xì)胞ACE2受體結(jié)合。Li等[27]研究顯示,SARS-CoV與ACE2的相互作用是通過S蛋白的三聚體啟動(dòng)的。該三聚體延伸到ACE2催化域的疏水口袋中,S1亞基的受體結(jié)合域顯露出與ACE2受體結(jié)合的關(guān)鍵因素,從而表現(xiàn)出“向上”構(gòu)象,與ACE2受體結(jié)合。然后在病毒與細(xì)胞融合前,S蛋白三聚體的穩(wěn)定性遭到破壞,導(dǎo)致其S1亞基脫落和S2亞基轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤虾蟮姆€(wěn)定構(gòu)象。有研究顯示,ACE2在被SARS-CoV感染時(shí)會(huì)與病毒一起內(nèi)化,且內(nèi)吞作用是病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞所必需的[27-28]。

2019-nCoV正是利用這種高度糖基化的S蛋白進(jìn)入宿主細(xì)胞的[29]。同時(shí),通過對(duì)2019-nCoV生物物理學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),其S蛋白與ACE2結(jié)合的能力較SARS-CoV強(qiáng)[29]。2019-nCoV可能和SARS-CoV感染途徑相似,通過其S蛋白的S1亞基和心肌細(xì)胞的ACE2的胞外催化域相互作用,然后病毒通過胞吞和膜融合的方式吸附入侵進(jìn)入心肌細(xì)胞,進(jìn)行基因合成、成熟病毒的包裝和釋放,從而直接對(duì)心肌細(xì)胞造成了損傷。但是還需要更多的研究來支持這種猜測(cè)。

(二)通過腎素-血管緊張素系統(tǒng)對(duì)心肌造成損傷

腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system,RAS)中ACE的主要生理作用是將血管緊張素I(angiotensin Ⅰ,Ang Ⅰ)轉(zhuǎn)化為有效的血管收縮劑——Ang Ⅱ,但ACE2的生理作用與ACE相反,是將Ang Ⅱ轉(zhuǎn)化為Ang1-7。同時(shí)ACE2也能將Ang Ⅰ轉(zhuǎn)化為無活性的血管緊張素1-9(angiotensin 1-9,Ang1-9),然后在ACE或其他酶的作用下轉(zhuǎn)化為Ang1-7。重要的是,ACE2直接代謝Ang Ⅱ生成Ang1-7,比將Ang Ⅰ轉(zhuǎn)換成Ang1-9的效率高得多。

2020年2月,Liu等[30]發(fā)布的深圳市12例COVID-19患者分析中,血漿樣本中Ang Ⅱ水平顯著升高,并與病毒載量和肺損傷呈線性相關(guān)。既往已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明[31],SARS-CoV可以與其受體ACE2結(jié)合,下調(diào)其表達(dá),導(dǎo)致小鼠血液中Ang Ⅱ水平升高,并通過Ang Ⅱ受體1a(angiotensin Ⅱ type 1a receptor,AT1aR)來介導(dǎo)對(duì)組織的損傷。也有研究提到,心肌收縮功能的受損情況與心臟和血漿Ang Ⅱ升高的水平呈正相關(guān),并且使用Ang Ⅱ受體阻滯劑也逆轉(zhuǎn)了ACE2基因敲除小鼠的心肌受損情況[24-25]。

同時(shí),既往也有一定關(guān)于Ang1-7的研究。Zisman等[32]在心力衰竭患者的心室中檢測(cè)到Ang1-7水平的代償性增加與ACE2的上調(diào)有關(guān),同時(shí)也有研究顯示[33],在缺血性心肌病患者的心肌細(xì)胞中也檢測(cè)到Ang1-7水平的上升。在包括缺血-再灌注損傷、心肌梗死和高血壓心肌病在內(nèi)的嚙齒動(dòng)物心力衰竭模型中,Ang1-7治療均可以改善心肌功能和心臟重塑,甚至可以提高存活率[34-35]。Ang1-7的生理作用一直存在爭(zhēng)議,但其通常起著拮抗Ang Ⅱ的升壓、增殖和促纖維化作用,并通過與G蛋白偶聯(lián)受體Mas相互作用介導(dǎo)其血管保護(hù)作用[36-37]。

在人群中進(jìn)行的幾項(xiàng)研究表明[38],ACE2基因的多態(tài)性與中國(guó)女性代謝綜合征患者的高血壓有很強(qiáng)的相關(guān)性。Rentzsch等[39]在易自發(fā)高血壓的大鼠模型血管中過表達(dá)ACE2,發(fā)現(xiàn)其具有明顯的降低血壓作用。同時(shí)Gurley等[40]向ACE2基因敲除小鼠中輸入Ang Ⅱ后,發(fā)現(xiàn)其血壓顯著升高,且使用重組ACE2也能特異性地降低Ang Ⅱ所誘導(dǎo)的高血壓[41]。因此,結(jié)合ACE2降解Ang Ⅱ生成的Ang1-7所具有的舒張血管的生理作用,提示ACE2在控制血壓方面發(fā)揮著重要作用。

上述研究表明,ACE和ACE2及其作用產(chǎn)生的血管緊張素等產(chǎn)物可能在腎素-血管緊張素系統(tǒng)中起著平衡作用。2019-nCoV可能和SARS-CoV感染途徑相似,在病毒包膜和宿主細(xì)胞膜融合的過程中,通過ACE2的跨膜結(jié)構(gòu)域與病毒顆粒內(nèi)化進(jìn)入心肌細(xì)胞,同時(shí)伴隨著ACE2胞外催化結(jié)構(gòu)域的脫落,從而可能使細(xì)胞ACE2的羧肽酶活性等生理功能喪失。同時(shí)病毒侵入細(xì)胞,導(dǎo)致細(xì)胞的損傷和死亡也可能在一定程度上造成ACE2數(shù)量上的減少。這些原因都可能致使COVID-19患者的腎素-血管緊張素系統(tǒng)失衡,從而使Ang Ⅱ在體內(nèi)積聚,通過細(xì)胞膜表面的AT1aR對(duì)心肌造成損傷,而同時(shí)Ang1-7的生成也會(huì)減少,對(duì)心肌的保護(hù)作用可能也會(huì)降低。

Ang Ⅱ和Ang1-7分別作為血管的收縮劑和舒張劑,Ang Ⅱ的增加和Ang1-7的減少也可能會(huì)使血壓升高,從而導(dǎo)致心臟的后負(fù)荷增大。并且ACE2的下調(diào)使得具有降壓作用的Apelin-13生成減少[19-20],也可能會(huì)在一定程度上造成COVID-19患者血壓升高。因此,2019-nCoV感染患者可能由于Ang Ⅱ、Ang1-7及Apelin-13的失衡使得心臟后負(fù)荷增大,導(dǎo)致心肌耗氧量增大,加劇了由于肺炎肺損傷引起的心肌缺氧情況,從而可能會(huì)對(duì)心肌細(xì)胞的造成一定的損害。但同樣的,這種可能的心肌損傷機(jī)制也需要更多的后續(xù)研究來支持和完善。

(三)病毒感染后造成的細(xì)胞因子風(fēng)暴對(duì)心肌的損傷

2020年1月14日,Huang等[4]對(duì)41例COVID-19患者的研究中指出,病毒的感染還與細(xì)胞因子風(fēng)暴有關(guān),其特征是患者血漿中白介素(interleukin,IL)-1β、IL-2、IL-7和IL-10、粒細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor,G-CSF)、干擾素-γ誘導(dǎo)蛋白-10(interferon γ inducible protein-10,IP-10)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1α(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)等濃度升高,并且炎癥因子的水平和疾病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。但該研究中也提到,抑制炎癥的輔助型T細(xì)胞2(T helper 2 cell,Th2)的反應(yīng)也增強(qiáng)了,這與SARS-CoV引發(fā)的免疫反應(yīng)有所不同。在這41名患者中有5名重癥患者檢測(cè)到其超敏肌鈣蛋白I(high-sensitivity cardiac Troponin I,hs-cTnI)水平顯著升高,隨后被診斷為病毒相關(guān)的急性心肌損傷。這些由病毒感染所引發(fā)的免疫反應(yīng)失衡造成了細(xì)胞因子風(fēng)暴,從而導(dǎo)致心肌損傷是患者預(yù)后不良的一個(gè)重要因素。

2020年2月18日Liu等[30]發(fā)布的深圳12例患者研究中有1例被確診為爆發(fā)性心肌炎,其與心臟功能有關(guān)的生化指標(biāo),如CK、MYO、cTnI、腦鈉肽(brain natriuretic peptide,BNP)、肌酸激酶同工酶MB(creatine kinase-MB,CK-MB)顯著升高,發(fā)病5 d后超聲心動(dòng)圖結(jié)果顯示左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction,LVEF)為32%,左心室內(nèi)徑(left ventricular internal diameter,LVID)為61 mm。爆發(fā)性心肌炎并非病毒直接侵犯心肌,而是由于細(xì)胞因子風(fēng)暴導(dǎo)致了嚴(yán)重的心肌細(xì)胞頓抑,心肌功能突然暫停,全身多器官功能衰竭而致患者死亡。此前,阜外醫(yī)院趙妍等[42]通過對(duì)前期收治入院的169例急性病毒性心肌炎綜合分析得出,在成人的急性病毒性心肌炎中,如果出現(xiàn)心電圖QRS間期延長(zhǎng)、心肌壞死標(biāo)記物升高、LVEF降低,就極有可能發(fā)展為重癥爆發(fā)性心肌炎。

(四)病毒感染造成的血液高凝狀態(tài)對(duì)心肌的影響

Huang等[4]發(fā)布的41例患者分析結(jié)果顯示,重癥監(jiān)護(hù)病房(intensive care unit,ICU)患者的D-二聚體水平和凝血酶原時(shí)間普遍要比入院時(shí)高,同時(shí)ICU患者D-二聚體的平均水平也要比非ICU患者高;一項(xiàng)家族聚集性病例研究顯示[6],有3例患者的部分凝血酶原時(shí)間、D-二聚體水平或纖維蛋白原含量有不同程度的上升。這些生化指標(biāo)都提示COVID-19患者在感染期間會(huì)出現(xiàn)不同程度血液高凝狀態(tài)。

引起機(jī)體血液高凝狀態(tài)產(chǎn)生的機(jī)制可能有以下3個(gè)方面:(1)在急性肺損傷中,ACE、Ang Ⅱ和AT1aR作為肺損傷促進(jìn)因子發(fā)揮作用,而ACE2對(duì)Ang Ⅱ水平的負(fù)性調(diào)節(jié)則對(duì)肺損傷具有保護(hù)作用[31]。結(jié)合上述,2019-nCoV感染造成的肺組織損傷,可能導(dǎo)致肺部通氣血流比例失調(diào)和氣體交換障礙等一系列病理生理改變,從而形成頑固性低氧血癥,引起血液中繼發(fā)性紅細(xì)胞增多、血液粘滯度增加。(2)血漿中炎癥因子IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α水平升高也會(huì)通過多種途徑來促進(jìn)機(jī)體的凝血過程[43-44]。因此,COVID-19患者可能由于其炎癥因子水平上升導(dǎo)致全身血液呈高凝狀態(tài)。(3)有研究顯示[39],在大鼠血管中過表達(dá)ACE2基因可改善其血管內(nèi)皮功能。提示2019-nCoV感染可能會(huì)通過ACE2導(dǎo)致血管內(nèi)皮受損從而激活凝血途徑,造成血液高凝狀態(tài)產(chǎn)生。

綜上所述,由于全身血液高凝狀態(tài)的產(chǎn)生,以及冠狀動(dòng)脈血管內(nèi)皮受損可能誘發(fā)冠狀動(dòng)脈內(nèi)血栓形成。同時(shí),高凝狀態(tài)可能致使全身微循環(huán)瘀滯,造成微血栓形成,脫落的微血栓可隨血液循環(huán)進(jìn)入冠狀動(dòng)脈內(nèi),形成外源性的冠狀動(dòng)脈血栓栓塞,從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞受損。同時(shí),重癥COVID-19患者由于低血壓、低灌注引起冠狀動(dòng)脈內(nèi)供血供氧不足,也可能在一定程度上造成心肌損傷。

(五)病毒感染對(duì)心肌造成的其他影響

(1)病毒感染對(duì)心肌細(xì)胞的直接損害以及造成的心肌細(xì)胞代謝微環(huán)境的紊亂,也可能在一定程度上影響到心肌的電活動(dòng),造成嚴(yán)重的心律失常而致命。(2)在疫情期間,2019-nCoV感染患者在各種負(fù)面情緒如親人離世等影響下,可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激性心肌病,又稱心碎綜合征。(3)在重癥患者中,基礎(chǔ)疾病伴隨病毒感染后全身性炎癥反應(yīng)的發(fā)生,可能會(huì)造成各種臨床并發(fā)癥如心腎綜合征、膽心綜合征和胰心綜合征等發(fā)生。提示我們?cè)趯?duì)重癥患者的處理過程需注意多學(xué)科綜合診療。

三、小結(jié)

綜上所述,筆者主要從4個(gè)方面論述了與COVID-19可能相關(guān)的心肌損傷機(jī)制,但其確切的發(fā)病機(jī)制還尚不明了,需要更多的后續(xù)研究來進(jìn)行深入探討。但在2019-nCoV所致的心肌損傷研究中,ACE2可能會(huì)成為一個(gè)重要的研究靶點(diǎn)。同時(shí),以上也提示在對(duì)COVID-19患者進(jìn)行診療時(shí),需格外重視關(guān)于心肌損傷的治療。