新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)腎臟損傷的機(jī)制探討

瞿轉(zhuǎn)綜述 王惠明審校

新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)是新近發(fā)現(xiàn)的乙類(lèi)并按甲類(lèi)管理的傳染病，自2019 年12月以來(lái)， COVID-19已造成全球4 870多萬(wàn)人感染，導(dǎo)致近120多萬(wàn)人死亡[1-2]，對(duì)世界公共衛(wèi)生造成了嚴(yán)重的威脅。血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin-converting enzyme，ACE2)是嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)的關(guān)鍵受體[3-4]，在靶器官損害中起關(guān)鍵作用。許多臨床報(bào)道和回顧性研究均發(fā)現(xiàn),除外以病毒性肺炎為特征的呼吸系統(tǒng)病變，腎臟作為ACE2高表達(dá)器官，也是SARS-CoV-2入侵的重要靶器官，部分新冠肺炎患者伴有急性腎損傷，并觀(guān)察到重型及危重癥型患者相關(guān)急性腎損傷(AKI)是COVID-19 患者死亡的獨(dú)立危險(xiǎn)因素之一，且AKI與SARS-CoV-2的腎臟靶向性有關(guān)[5-7]。因此探討COVID-19腎損傷機(jī)制對(duì)預(yù)防和治療腎損傷有重大意義。

1 SARS-CoV-2概述

冠狀病毒(coronavirus,CoV)屬于冠狀病毒科,形態(tài)呈圓形或橢圓形,直徑60～140 nm, 基因組為大型有包膜的正鏈RNA病毒，其5’端具有甲基化的帽子，編碼一個(gè)非結(jié)構(gòu)多聚蛋白，參與基因組的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制; 而其3’端有Poly A 尾巴，編碼包括刺突糖蛋白( spike protein,S 蛋白)、核衣殼蛋白(nucleocapsid protein,N蛋白)、小包膜糖蛋白(envelope protein,E蛋白)、膜糖蛋白(membrane protein,M蛋白)等一系列結(jié)構(gòu)蛋白[8]。冠狀病毒的S蛋白可以利用細(xì)胞表面受體ACE2的結(jié)合介導(dǎo)病毒的吸附和侵入過(guò)程。冠狀病毒可分為4個(gè)屬：α、β、δ和γ，其中α和β冠狀病毒會(huì)感染人類(lèi)[9]。已知6種冠狀病毒可引起人類(lèi)呼吸道、腸道等感染,被分為低致病性hCoVs(如HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63、HCoV-HKU)和高致病性hCoVs[如嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERSCoV)]2種[10-13]。通過(guò)Zhou等[14]對(duì)3例重癥肺炎患者樣本進(jìn)行無(wú)偏測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了未知的β冠狀病毒，全基因組與蝙蝠冠狀病毒的同源性為96%，屬于嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征相關(guān)的冠狀病毒(SARSr-CoV)物種，被歸類(lèi)為β冠狀病毒的2b譜系，世界衛(wèi)生組織將其命名為 2019-nCoV，而后國(guó)際病毒分類(lèi)委員會(huì)將其命名為嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)[15]。病毒基因組序列比對(duì)顯示，SARS-CoV-2與SARS冠狀病毒的同源性為79%左右，與MERS冠狀病毒的同源性?xún)H52%左右[16]，與SARS-CoV和MERS-CoV不同，SARS-CoV-2是本世紀(jì)感染人類(lèi)的第3種高致病性冠狀病毒。Lu等[17]對(duì)9例患者基因組進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析表明，SARS-CoV-2能夠與人類(lèi)的ACE2受體結(jié)合。與SARS-CoV和MERS-CoV相同，SARS-CoV-2也通過(guò)S 蛋白與細(xì)胞表面受體ACE2結(jié)合進(jìn)入靶細(xì)胞，引起損傷[3, 18]。新型冠狀病毒感染導(dǎo)致臨床最為常見(jiàn)的癥狀為發(fā)熱、乏力和干咳，大多數(shù)患者出現(xiàn)呼吸困難和肺部雙側(cè)磨玻璃渾濁影像表現(xiàn)，常見(jiàn)并發(fā)癥有急性呼吸窘迫綜合征 、急性心肌損傷、急性腎損傷、休克和繼發(fā)性感染[6, 19-22]。因肺是新型冠狀病毒感染后最主要的靶器官,其引起的疾病被命名為新型冠狀病毒感染肺炎(COVID-19)[23-24]。

2 SARS-CoV-2相關(guān)腎臟損害的臨床表現(xiàn)

冠狀病毒感染后引起的腎損傷并不少見(jiàn)，在以往關(guān)于SARS和MERS-CoV感染的報(bào)道中，5%～15%的病例中發(fā)生AKI，病死率很高(60%～90%),研究表明冠狀病毒引起的腎臟損害以腎小管損傷為主，尿液檢查異常較明顯，但也出現(xiàn)腎小球?yàn)V過(guò)功能受損，表現(xiàn)為血肌酐、尿素氮水平升高[25-27]。

肺是SARS-CoV-2最主要的靶器官，多項(xiàng)研究表明，COVID-19 患者急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)發(fā)生率為17%～29%[21,28]。但腎臟也是常被累及的肺外器官之一，尤其是重癥患者，更容易出現(xiàn)腎臟損傷。Chen等[20]報(bào)道的99例COVID-19患者中，6%患者血尿素氮升高，3%患者血清肌酐升高，AKI發(fā)生率3%。Guan等[21]報(bào)道了來(lái)自30個(gè)省、自治區(qū)和直轄市552家醫(yī)院的1 099例COVID-19患者數(shù)據(jù)，其中輕癥926例，重癥173例，4.3%重癥患者出現(xiàn)血肌酐>133 μmol/L，AKI發(fā)生率2.9%；輕癥患者血肌酐>133 μmol/L者僅1%，AKI發(fā)生率僅0.1%。Cheng等[19]報(bào)道的710例COVID-19患者研究中，44.0%患者有蛋白尿，26.9%患者有血尿，血肌酐、尿素氮升高分別為15.5%、14.1%，且在研究期間，有3.2%患者發(fā)生AKI。該研究認(rèn)為AKI是患者住院死亡率的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。Wang等[6]報(bào)道，來(lái)自武漢中南醫(yī)院的138例患者(其中36例收住ICU)資料顯示，收住ICU的患者AKI發(fā)生率8.3%，而非ICU患者AKI發(fā)生率為2.0%。一項(xiàng)針對(duì)59例COVID-19患者(包括重癥28例和死亡3例)的研究發(fā)現(xiàn)[29]，34%患者在入院第一天出現(xiàn)大量蛋白尿，63%患者在住院期間出現(xiàn)蛋白尿；19%(11/59)患者血漿肌酐升高， 3例死亡病例肌酐處于極高水平，27%(16/59)患者尿素氮升高。計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)顯示所有患者(n=27)腎臟放射學(xué)異常；27例患者中出現(xiàn)蛋白尿14例，肌酐升高3例，尿素氮升高4例。Diao等[30]報(bào)道的COVID-19患者85例研究中，27.06%(23/85)患者表現(xiàn)為急性腎功能衰竭(ARF)，年齡≥60歲的患者更易發(fā)生ARF (65.22% vs. 24.19%，P<0.001)。陳蕾等[31]對(duì)29例COVID-19患者的研究中，所有患者肌酐及尿素氮未見(jiàn)明顯變化，考慮可能與樣本量過(guò)少有關(guān)。綜上所述，目前的數(shù)據(jù)及共識(shí)均認(rèn)為新型冠狀病毒導(dǎo)致AKI，且AKI是住院患者死亡的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，但腎臟受累的確切機(jī)制尚不清楚。

3 SARS-CoV-2引起腎臟損害的可能機(jī)制

3.1 SARS-CoV-2損害腎臟的基礎(chǔ)研究 目前研究表明,從患者血清、痰液、支氣管肺泡灌洗液、尿液、唾液、糞便均可檢出SARS-CoV-2病毒核酸[16, 21, 32]。國(guó)家《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)》及據(jù)尸檢和穿刺組織病理結(jié)果指出,腎小球球囊腔內(nèi)見(jiàn)蛋白性滲出物，腎小管上皮變性、脫落，可見(jiàn)透明管型，間質(zhì)充血，可見(jiàn)微血栓及灶性纖維化[33]。

3.2 ACE2介導(dǎo)SARS-CoV-2腎臟損傷

3.2.1 ACE2介導(dǎo)SARS-CoV-2直接攻擊腎小管上皮細(xì)胞：ACE2已被證明是介導(dǎo)SARS-CoV-2入侵宿主細(xì)胞的特異性受體，但SARS-CoV-2不能與其他冠狀病毒受體結(jié)合，如氨肽酶N (APN)和二肽基肽酶4 (DPP4)[34]。以往研究通過(guò)單基因RNA 測(cè)序發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2的受體蛋白ACE2 在腎臟高表達(dá)，較呼吸道高出近100倍，且在近端腎小管表達(dá)增強(qiáng)，腎小球表達(dá)相對(duì)弱[23，34-35]。Wrapp等[36]解析了新型冠狀病毒的 S 蛋白結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒是利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進(jìn)入宿主細(xì)胞，且 ACE2 蛋白與新型冠狀病毒 S 蛋白的親和力是SARS冠狀病毒的 10～20 倍,提示該病毒傳染性更強(qiáng)，推測(cè)這可能是 COVID-19 較SARS更容易發(fā)生腎臟損傷的原因?？缒そz氨酸蛋白酶(transmembrane protease serines, TMPRSS)家族是冠狀病毒S蛋白啟動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵細(xì)胞蛋白酶，待病毒進(jìn)入細(xì)胞后發(fā)揮重要作用[17]。多項(xiàng)研究通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析(scRNA seq)技術(shù)在單細(xì)胞水平分析了ACE2 受體和關(guān)鍵蛋白酶TMPRSS家族在腎臟細(xì)胞中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)ACE2 和TMPRSS家族基因在足細(xì)胞和近曲小管中顯著共表達(dá)，其表達(dá)水平顯著高于肺組織和消化道。研究結(jié)果提示，腎臟可能為SARS-CoV-2的靶向宿主細(xì)胞[16，35，37]。Diao等[30]報(bào)道6例COVID-19患者尸檢結(jié)果中，腎臟病理顯示死后腎臟組織有嚴(yán)重的急性腎小管壞死和淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)。免疫組化結(jié)果顯示，SARS-CoV-2 病毒核蛋白(NP)抗原在腎小管中積累。推測(cè)SARS-CoV-2可能通過(guò)與ACE2受體結(jié)合進(jìn)入腎小管細(xì)胞，通過(guò)核內(nèi)半胱氨酸蛋白酶中組織蛋白酶B和L(CatB/L)啟動(dòng)TMPRSS2細(xì)胞系中的S蛋白開(kāi)始病毒復(fù)制,直接損傷腎小管和足細(xì)胞，導(dǎo)致患者出現(xiàn)蛋白尿[38-39]。

3.2.2 ACE2介導(dǎo)SARS-CoV-2致腎間質(zhì)損傷：Fan等[40]報(bào)道，免疫組化顯示ACE2蛋白主要分布在腎內(nèi)血管內(nèi)皮、腎小管上皮和冠狀血管內(nèi)皮細(xì)胞，而免疫細(xì)胞和腎小球壁層上皮細(xì)胞未見(jiàn)ACE2表達(dá)。在血液中可檢測(cè)到SARS-CoV-2，全身所有血液均經(jīng)過(guò)腎臟濾過(guò)，其中的代謝廢物、炎性細(xì)胞、炎性介質(zhì)、毒性物質(zhì)等，都會(huì)接觸到腎臟。因此，血液中的病毒可能通過(guò)腎內(nèi)血管內(nèi)皮細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞的 ACE2感染腎臟，除增加腎臟的病毒載量外，內(nèi)皮細(xì)胞及腎小管上皮細(xì)胞的ACE2與病毒結(jié)合，使內(nèi)皮細(xì)胞被病原體標(biāo)記，使其成為宿主免疫系統(tǒng)識(shí)別和攻擊的目標(biāo)。這或許是SARS-CoV-2引起腎間質(zhì)水腫及腎小管損傷的原因。

3.2.3 ACE2介導(dǎo)SARS-CoV-2致慢性腎臟損傷：ACE2的器官和細(xì)胞特異性表達(dá)表明，ACE2在腎臟的局部腎素—血管緊張素系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。因此，病毒可能直接與此類(lèi)ACE2陽(yáng)性細(xì)胞結(jié)合下調(diào)ACE2表達(dá)，不僅引起內(nèi)皮功能受損、血壓升高、降低腎小球?yàn)V過(guò)率,而且使AngⅡ相對(duì)增多,激活轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β和絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路,上調(diào)NADPH氧化酶,加重氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)、纖維化[41]，遠(yuǎn)期可能轉(zhuǎn)變?yōu)槁阅I臟病，目前仍缺少相關(guān)研究證實(shí)。

3.3 免疫攻擊

3.3.1 免疫失調(diào)：Guo等[42]回顧性分析COVID-19死亡組與存活組患者資料發(fā)現(xiàn)，死亡組CD3+T細(xì)胞、CD3+CD4+T細(xì)胞、CD3+CD8+T細(xì)胞絕對(duì)計(jì)數(shù)水平均明顯降低，提示細(xì)胞免疫功能低下，研究提出將淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)<0.8×109/L作為預(yù)測(cè)病毒性肺炎死亡風(fēng)險(xiǎn)模型(MuLBSTA score)的指標(biāo)之一。Wan等[43]對(duì)123例COVID-19患者(輕癥102例和重癥21例)外周血和細(xì)胞因子進(jìn)行相關(guān)分析，輕癥組CD4+T細(xì)胞降低率為52.90%，重癥組為95.24%;輕癥組CD8+T降低率為28.40%，重癥組為61.90%，說(shuō)明在機(jī)體感染SARS-CoV-2的情況下，重癥患者T淋巴細(xì)胞的抑制作用更強(qiáng)；NK細(xì)胞減少的比例分別為34.31%和47.62%,這表明SARS-CoV-2感染限制了NK細(xì)胞的活性；重癥患者促炎因子IL-6和IL-10 水平明顯升高。Huang等[28]報(bào)道COVID-19患者40例入院時(shí)白細(xì)胞減少10例(25%)，淋巴細(xì)胞減少26例(65%)。Diao等[30]報(bào)道，免疫組化顯示，6例腎小管間質(zhì)內(nèi)巨噬細(xì)胞CD68+較多，2例腎小管間質(zhì)內(nèi)CD8+T細(xì)胞數(shù)量中等，而CD4+T細(xì)胞和CD56+NK細(xì)胞在受檢組織內(nèi)少見(jiàn)。提示SARS-CoV-2可能通過(guò)招募巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)到腎小管間質(zhì)而進(jìn)一步引起腎小管損傷。6例尸檢中均觀(guān)察到C5b-9在小管上的沉積。在2個(gè)病例中，腎小球和毛細(xì)血管中也可見(jiàn)極低水平的C5b-9沉積。然而，正常腎臟組織中C5b-9表達(dá)缺失，提示SARS-CoV-2感染可能通過(guò)觸發(fā)C5b-9沉積誘導(dǎo)急性腎小管壞死和AKI。Xu等[33]發(fā)現(xiàn)COVID-19患者外周血CD4+T細(xì)胞亞群中,高促炎性的CCR6+Th17比例增加,CD8+T細(xì)胞毒性增強(qiáng)。美國(guó)報(bào)道1例合并ARDS的COVID-19患者，穿刺病理結(jié)果顯示，外周血CD4+和CD8+細(xì)胞的數(shù)量大大減少，高度促炎性的CCR4+CCR6+Th17細(xì)胞增加。以上研究表明免疫失調(diào)參與了AKI的發(fā)生、發(fā)展。

3.3.2 細(xì)胞因子風(fēng)暴： 細(xì)胞因子風(fēng)暴是指機(jī)體在感染微生物或其他劇烈刺激的情況下，免疫系統(tǒng)被過(guò)度激活，導(dǎo)致體液中多種細(xì)胞因子[IL-1、IL-6、IL-17、IL-12、TNF-α、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、G-CSF、IFN-γ誘導(dǎo)蛋白10(IP-10)、MCP-1等]迅速大量產(chǎn)生，導(dǎo)致單器官或多器官系統(tǒng)炎性反應(yīng)過(guò)度表現(xiàn)，可能導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征、急性腎損傷、心肌損害、休克、彌散性血管內(nèi)凝血、多器官功能衰竭，甚至危及生命[44]。Guo等[42]回顧性分析COVID-19死亡組與存活組患者資料發(fā)現(xiàn)，死亡組患者各項(xiàng)炎性因子水平較存活組更高，研究結(jié)果顯示，死亡組患者體內(nèi)存在過(guò)度的炎性反應(yīng)。Huang等[28]在Lancet上發(fā)表研究結(jié)果指出，COVID-19患者血漿炎性因子IL-1β、IFN-γ、IP-10和MCP-1濃度顯著升高， ICU收治患者比非ICU患者具有更高濃度的G-CSF、IP-10、MCP-1、巨噬細(xì)胞炎性蛋白1α(MIP1α)和TNF-α，相比于22 例非新冠病毒感染的肺炎患者，71 例普通型新冠肺炎患者T 細(xì)胞和B細(xì)胞下降顯著，而單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和 NK 細(xì)胞數(shù)量卻無(wú)顯著差異，而這3種細(xì)胞是細(xì)胞因子風(fēng)暴的主要參與者，該研究指出細(xì)胞因子風(fēng)暴與SARS-CoV-2感染疾病嚴(yán)重程度有關(guān)。陳蕾等[31]回顧性分析29例COVID-19 患者血清炎性因子發(fā)現(xiàn)，IL-2R、IL-6表達(dá)水平與病情嚴(yán)重程度有明顯的相關(guān)性。Ruan等[45]分析了68例SARS-CoV-2感染死亡病例(68/150,45%)和82例出院病例(82/150,55%)的病例資料，2組間血尿素氮、血肌酐、IL-6水平存在顯著性差異，提示COVID-19的死亡可能是由于病毒激活的細(xì)胞因子風(fēng)暴綜合征導(dǎo)致。以上研究表明新冠肺炎患者細(xì)胞因子風(fēng)暴可能參與病情進(jìn)展，并可能導(dǎo)致AKI及多器官功能障礙的發(fā)生及發(fā)展，最終導(dǎo)致嚴(yán)重COVID-19患者的死亡。

4 小 結(jié)

綜上所述，COVID-19相關(guān)腎臟損傷發(fā)病機(jī)制可能與SARS-CoV-2通過(guò)ACE2介導(dǎo)直接攻擊腎臟細(xì)胞、細(xì)胞因子風(fēng)暴、免疫損傷等有關(guān)，但目前國(guó)內(nèi)外少有SARS-CoV-2 致腎損傷的機(jī)制研究，且大多數(shù)臨床研究的數(shù)據(jù)受限，因此還需要通過(guò)構(gòu)建動(dòng)物模型進(jìn)一步探討分子機(jī)制。對(duì)于臨床上出現(xiàn)急性腎損傷或本身有腎臟疾病的新冠肺炎患者，后期治愈出院應(yīng)仍保持隨訪(fǎng)狀態(tài)，觀(guān)察上述患者是否會(huì)有慢性腎臟損傷。