ACE2與新型冠狀病毒肺炎的心腎損傷

張晨陽，邵冬雪，鄭 曦，焦光宇，郝麗英*

0 引言

新型冠狀病毒肺炎(Coronavirus disease 2019，COVID-19)是新型冠狀病毒(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)[2019新型冠狀病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)]感染導致的，是一種具有傳染性質的急性呼吸道疾病。

COVID-19患者除表現為典型肺炎癥狀之外，也可出現心腎損傷，若合并心腎系統基礎疾病，則有較高的風險發展為重癥甚至死亡[1-5]。Huang等[1]對41例感染SARS-CoV-2患者進行統計，其中13例(32%)患有基礎疾病，包括糖尿病8例(20%)、高血壓和心血管疾病6例(15%)，出現心臟損傷并發癥5例(12%)。與非ICU患者比較，ICU患者血漿細胞因子異常升高，可能誘發全身炎癥反應。侯濤[2]研究顯示，有高血壓、冠心病、糖尿病等基礎疾病者，感染SARS-CoV-2后易轉變為重癥；另外，心肌酶升高提示SARS-CoV-2可能會引起心臟損傷。Li等[3]研究了59例COVID-19患者的腎功能，63%(32/51)的患者呈現蛋白尿，19%(11/59)和27%(16/59)的患者血漿肌酐和尿素氮水平升高，CT顯示，100%(27/27)的患者有腎臟的影像學異常。《新型冠狀病毒診療方案》(試行第7版)中也記錄了心臟、腎臟的病理學轉變，包括心肌細胞、腎小球、腎小管以及心腎間質方面的病變[6]。上述結果提示，SARS-CoV-2感染引起的心腎損傷值得關注和探討。

關于COVID-19患者的心腎損傷，目前國內外研究大多集中于臨床表現及治療方面[1-7]，其機制研究較為概括或側重于心血管系統的分析，對于腎臟方面的研究較少，仍然需要進一步挖掘。本文將就SARS-CoV-2的細胞受體展開，介紹其在心臟以及腎臟中的分布及作用，分析SARS-CoV-2引起心腎損傷的可能機制，并根據其機制總結臨床上對于心腎損傷或合并心腎系統疾病肺炎患者的治療方法和策略。

1 SARS-CoV及SARS-CoV-2的細胞受體研究

冠狀病毒(Coronavirus，CoV)屬于正鏈包膜RNA病毒，分為α、β、δ和γ 4屬，可感染野生動物、畜群和人類，有時會暴發疫情，但更多時候感染后無明顯癥狀，其中嚴重急性呼吸綜合征病毒(Severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)和中東呼吸綜合征病毒(Middle East respiratory syndrome CoV，MERS-CoV)都屬于β-CoV，已引起過嚴重的流行性疾病暴發[8-9]。冠狀病毒的突刺糖蛋白(S)能夠識別宿主細胞受體并誘導病毒和細胞膜融合[10]。S蛋白包括S1和S2兩個功能單元，S1專門識別宿主細胞受體，在大多數CoV中，受體結合域(Receptor-binding domain，RBD)位于S1的C末端；在S1與受體結合后，S2起到介導病毒和細胞膜之間融合的作用[11]。目前研究已知 SARS-CoV的宿主受體為血管緊張素轉換酶2(Angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)[10-11]，是血管緊張素轉換酶(Angiotensin-converting enzyme，ACE)的同源物。

SARS-CoV的RBD殘基424-494因與受體完全結合，也被稱為受體結合基序(Receptor-binding motif，RBM)[11]。

Zhou等[12]在疫情早期研究發現，SARS-CoV-2全長基因組序列和SARS-CoV序列相比有79.5%的一致性。同時，在用于CoV物種分類的開放閱讀框ORF1ab中的7個保守的復制酶區域，SARS-CoV-2的氨基酸序列和SARS-CoV之間有94.6%的相同，表明這兩種病毒屬于同一物種。另外，其確定了SARS-CoV-2的受體同樣是ACE2。Xu等[8]進一步研究發現，與SARS-CoV相比，SARS-CoV-2 RBM的5個關鍵殘基(442、472、479、487、491)中，除了Tyr491外，其余4個均發生了變化，但該變化對其三維結構影響較小，其結構與SARS-CoV 的RBD結構幾乎保持相同，依然具備與ACE2顯著結合的活性。更為重要的是，Wan等[13]基于既往對SARS-CoV的研究，提出SARS-CoV-2除了在遠離于ACE2受體結合域的loop結構中插入了一個殘基外，其RBM序列相較于SARS-CoV的RBM而言無任何刪除或插入，為SARS-CoV-2以ACE2作為受體提供了有力證據。Wrapp等[14]研究發現，SARS-CoV-2與ACE2 結合的親和力遠高于SARS-CoV與ACE2的親和力(約10～20倍)。

2 RAS系統和ACE2

腎素-血管緊張素系統(RAS)是心血管生理和穩態的重要組成部分，該系統的放松調節對心血管和腎臟疾病的病理生理學有重要貢獻[15-16]。除了經典的內分泌RAS系統外，局部RAS還存在于心血管、腎臟、腦等全身各組織中，與經典RAS系統相互作用(圖1)，和ACE/AngⅡ/AT1R軸產生拮抗，該途徑的關鍵成分是ACE2及其產物Ang-(1-7)和Ang-(1-9)[17]。

圖1 ACE/ACE2與RAS系統注：Ang：血管緊張素原(Angiotensinogen)；Renin：腎素；AngⅠ：血管緊張素I(Angiotensin I)；AngⅡ：血管緊張素Ⅱ(AngiotensinⅡ)；ACE：血管緊張素轉換酶；ACE2：血管緊張素轉換酶2；AT1R：血管緊張素1型受體(AngⅡ type 1 receptor)；AT2R：血管緊張素2型受體(AngⅡ type 2 receptor)；MasR：Mas相關 G 蛋白偶聯受體(Mas-related G-protein coupled receptor)

ACE是RAS系統中的一個關鍵酶[18]，其包含2個活性結構域，從肽底物的C末端去除二肽，主要將由腎素轉化Ang而來的十肽AngⅠ降解為八肽AngⅡ，還可以降解緩激肽[19]。ACE2是2000年發現的RAS的一個新的組成部分，和ACE相比，其金屬蛋白酶催化域存在42%的相同部分，和ACE的不同之處在于只有1個酶位點[20]。ACE2只能去除底物羧基末端的1個氨基酸，被證明能將AngⅠ裂解為Ang-(1-9)，ACE可將Ang-(1-9)轉化成Ang-(1-7)；同時，ACE2也可以使AngⅡ降解為Ang-(1-7)，且主要通過該途徑發揮其調節作用[21-23]。ACE2在小腸、十二指腸、膽囊、腎、睪丸、心臟及直腸等組織高度分布[3]，提示其在心腎功能中的重要作用，可能與新冠肺炎容易累及心腎有關[4,24]。

AngⅡ作為RAS的重要成員之一，受體為AT1R和AT2R。AngⅡ與AT1R結合時，在血管收縮、細胞增殖、炎癥反應以及纖維化方面起到促進效應；當作用于AT2R時，則起到了相反的作用[25]，AngⅡ的大部分作用已被證實是由AT1R介導的[26]。Ang-(1-7)和Ang-(1-9)分別作用于MasR和AT2R。研究表明，ACE2/Ang-(1-7)/MasR軸和ACE2/Ang-(1-9)/AT2R軸與經典的ACE/AngⅡ/AT1R軸產生對抗[27-29]，對于心血管和腎臟體系的調節有重要作用。

3 ACE2在心臟的分布情況及作用

Northern雜交分析顯示，ACE2 mRNA在心臟中以3.4-kb的轉錄表達，心室心肌的免疫組化分析顯示，ACE2定位于大多數心內膜血管，包括毛細血管、小靜脈、中型冠狀動脈和小動脈[20]。ACE2參與心臟重構和功能的調節[30-31]。

Dang等[32]研究顯示，右心室肥大和纖維化與ACE、AngⅡ、AT1R表達升高以及ACE2、Ang-(1-7)、MasR表達降低有關，通過丹參湯上調右心室組織中ACE2和MasR水平，下調ACE、AngⅡ和AT1R水平，可減輕其重構和纖維化。

RAS的過度活躍和心肌AngⅡ的產生是引起心力衰竭發生發展的重要因素[33]，可能是通過TGF-β1/Smad/AP-1信號通路的過度激活而導致[34]。Wang等[35]研究顯示，AngⅡ受體拮抗劑(如奧美沙坦)能夠上調ACE2/Ang-(1-7)/MasR軸，從而減輕心肌梗死后的心肌重構和纖維化。

對于Ang-(1-7)減輕間質纖維化和血管周圍纖維化，減少病理性心臟重塑的保護作用，目前至少有3種機制：①Ang-(1-7)抑制心肌成纖維細胞DNA、蛋白質和膠原合成；②Ang-(1-7)增加心肌成纖維細胞中的雙特異性磷酸酶DUSP1，與磷酸化ERK1/2的減少相關；③Ang-(1-7)抑制心肌成纖維細胞中有絲分裂原刺激的環氧合酶2和前列腺素E合成酶的增加，減少增殖性前列腺素的產生[36]。

Ma等[37]發現，ACE2過表達可改善阿霉素誘發的心肌病，包括降低細胞凋亡、炎癥反應、氧化應激、左室容積、心肌纖維化程度和死亡率，增加左室射血分數，其機制可能涉及激活AMPK和PI3K-AKT通路，抑制ERK通路，減少TGF-β1表達，以及調節RAS系統成分，如減少心肌AngⅡ水平，增加心肌Ang-(1-7)的水平，同時降低ACE表達等。

在心血管疾病中，Ang(1-7)可以減少巨噬細胞浸潤，使MCP-1、IL-6、TNF-α、NF-κB、ROS以及血管細胞黏附蛋白1水平下降，減少炎癥反應，也能抑制細胞凋亡，增加一氧化氮的釋放，從而保護心肌細胞，減少動脈粥樣硬化的風險[38]。另外，在心臟組織中，Ang-(1-7)可以轉化為一種新的RAS介質，即Alamandine，具有通過激活NOS酶誘導血管舒張、逆轉內皮功能障礙、調節血壓下降等心血管保護功能[39]。

4 ACE2在腎臟的分布情況及作用

在腎臟中，ACE2在腎小管和腎小球上皮細胞、血管平滑肌細胞、小葉間動脈內皮細胞和腎小球系膜細胞中高度表達[28]。ACE2介入腎臟的生理及病理進展調節。

RAS的過度活躍可導致腎臟損傷[40]，如糖尿病腎病、高血壓腎病和急性腎損傷等。RAS驅動MAPK介導的細胞凋亡，NF-κB介導的炎癥以及氧化還原失衡促進氧化應激可能是其引起腎臟損傷的潛在機制[41]。

實驗模型研究已經探討了ACE2在改善腎功能、炎癥和纖維化方面的藥理誘導的可行性[42]。ACE2/Ang-(1-7)/MasR軸通過拮抗激活的ACE/AngⅡ/AT1R軸的作用，發揮腎臟保護功能。

ACE2對糖尿病腎病的病理發生有顯著影響，可減輕AngⅡ引起的血管收縮、纖維化、氧化應激、水和鹽潴留[43]。研究表明，糖尿病腎病患者尿中ACE2表達上調[44]，可能與腎近端小管上皮被大量擠壓使ACE2病理性脫落有關[43]。Liu等[45]發現，缺乏ACE2的小鼠在慢性AngⅡ輸注后出現更嚴重的高血壓腎病，包括血壓升高、尿蛋白排泄、血清肌酐升高以及進行性腎纖維化和炎癥，其機制可能是ACE2丟失靶向Smad7泛素降解，促進AngⅡ誘導TGF-β/Smad3介導的腎纖維化及NF-κB介導的高血壓腎病。Sharma等[41]研究表明，AT2R和ACE2參與了缺血性急性腎損傷的發病機制，炎癥、凋亡和其他致病信號的升高可能與RAS降壓臂功能失調[即Ang-(1-7)和ACE2水平降低]，以及急性腎缺血損傷的嚴重程度有關。

5 ACE2與新型冠狀病毒肺炎心腎損傷的機制

最近，越來越多的研究表明，ACE2在SARS-CoV-2感染過程中發揮重要作用[46-49]。一方面，ACE2作為SASR-CoV-2作用的受體，是病毒進入細胞內的“門戶”，為SARS-CoV-2感染引起心腎損傷提供了機會，這是其消極的作用；另一方面，ACE2/Ang-(1-7)/MasR軸能夠在心臟及腎臟中拮抗ACE/AngⅡ/AT1R軸帶來的心腎損傷，即ACE2對于心腎功能也具有一定的保護作用，這是其積極的作用。病毒進入宿主細胞后，將會導致ACE2的表達水平下調[50]，ACE2缺乏雖然降低了臟器對于病毒的易感性，但同時也會導致RAS系統兩臂失衡，進而引起心腎等多臟器損傷。臨床報告顯示，由SARS-CoV-2入侵引起的ACE2下調可能對ACE2缺乏癥(如高血壓及心血管疾病)患者尤其有害[51]，進一步表明了ACE2對心腎系統的重要保護作用。

關于SARS-CoV-2造成心腎損傷的機制目前尚不明確，通過分析SARS-CoV-2受體ACE2在心臟和腎臟中的分布和作用，推測SARS-CoV-2感染造成心腎損傷可能存在的機制為：①ACE2在心臟和腎臟中高度分布，提示心腎系統易受SARS-CoV-2的感染；②Liu等[52]發現，和健康人群相比，COVID-19患者血漿中AngⅡ水平較高，因此，SARS-CoV-2與ACE2受體結合使ACE2水平下調，導致ACE/AngⅡ/AT1R軸和 ACE2/Ang-(1-7)/MasR軸在患者的心腎調控中失衡，Ang-(1-7)生成減少，AngⅡ水平則絕對或者相對升高，從而收縮血管，升高血壓，誘發心臟或腎臟的細胞凋亡，纖維化程度加重，引起氧化應激和炎癥反應等一系列病理變化，導致COVID-19患者出現心腎損傷；③有研究表示，肺炎及其相關疾病引起心肌缺血后，心肌細胞損傷和死亡能夠誘導多種促炎癥機制，可能從而加重心臟發生更多損傷[50]；腎臟缺血性/再灌注損傷也可以引起急性炎癥反應的激活，包括黏附分子增強、巨噬細胞和中性粒細胞活化和浸潤，這與TGF-β形成、NF-κB激活以及促炎細胞因子(如IL-18)釋放有關[53]。上述研究提示，心腎損傷可能會進一步誘導炎癥因子風暴發生，從而使心臟和腎臟出現繼發性的病變，甚至導致多臟器損傷。通過前文對ACE2在心腎中的功能分析可知，ACE2在心肌缺血及缺血性急性腎損傷的發病過程中均發揮一定作用，ACE2的缺乏加速了細胞凋亡，促進炎癥反應的發生，心腎保護功能被削弱，也是導致心腎出現繼發性損傷的重要原因之一。

另外，也有其他研究證明，包括SARS-CoV和MERS-CoV在內的病毒感染可明顯上調ACE2的表達，表明SARS-CoV-2感染可能上調其細胞受體ACE2，從而加速進入細胞復制和擴散[54]，同時ACE2的上調也會介導細胞因子誘導炎癥反應，引起免疫應答[55]。總之，作為SARS-CoV-2受體的ACE2在病毒感染時臟器損傷中的作用值得關注和深入研究。

6 新型冠狀病毒肺炎心腎損傷的治療方法與策略

基于上述對SARS-CoV-2感染導致心腎損傷的機制分析可見，調節RAS系統藥物以及靶向作用于ACE2的藥物等可能有助于減緩COVID-19患者的心腎損傷。

6.1 調節RAS系統的藥物 RAS抑制劑，如ACE抑制劑(ACEI)和AngⅡ受體拮抗劑(ARB)在心血管疾病和腎臟疾病的治療中發揮著重要的作用。臨床研究顯示，在接受ACE抑制劑的慢性心力衰竭患者中，血漿AngⅡ被抑制，Ang-(1-7)升高；反之，在急性心力衰竭和給予AngⅡ受體拮抗劑的患者中，AngⅡ升高，而Ang-(1-7)水平降低，Ang-(1-7)/AngⅡ比值降低與心力衰竭癥狀惡化和住院時間延長有關[56]。采用血管緊張素轉換酶抑制劑治療腎內科疾病能夠改善患者的腎功能指標，可獲得理想效果[57]，提示使用RAS抑制劑可能有助于緩解COVID-19患者的心腎損傷。然而，也有學者表示，使用ACEI和ARB治療心腎疾病的同時，也能上調心肺循環中ACE2數量，可能增加了病毒感染風險，從而使病情加重[58]。因此，早在2月時即有報道，應根據合并高血壓COVID-19患者的疾病嚴重程度停用ACEI和ARB等藥物，并建議輕、重患者分別改用鈣拮抗劑、腎素抑制劑和/或鈣拮抗劑[59]。Huang等[60]將50例實驗室確診的住院高血壓COVID-19患者，按基礎降壓藥物分為RAS抑制劑組(20例)和非RAS抑制劑組(30例)，所有患者繼續使用入院前抗高血壓藥物，結果顯示，兩組患者入院后臨床指標變化無明顯差異，說明RAS抑制劑對于加重COVID-19患者病情影響不大。但是鑒于該項研究樣本數目有限，現階段仍然缺乏大量的科學證據和臨床數據來證明COVID-19和合并心臟基礎疾病患者是否需要停止使用ACEI/ARB[61]，且沒有足夠的證據支持ACEI/ARB通過上調ACE2蛋白水平增加SARS-CoV-2感染的風險[62]，因此，關于RAS抑制劑在COVID-19尤其合并高血壓患者在治療方面的應用還存在爭議。國內相關領域專家如張宇清[63]、孫寧玲[64]、李華俊和潘小宏[65]、李勇和李玉明[66]等以及國外心血管學會，例如歐洲心臟病學會[67]、美國心臟學會和心力衰竭協會[68]、加拿大心血管協會和心臟衰竭協會[69]、國際高血壓學會[70]等，均建議合并高血壓的COVID-19患者應繼續保持使用ACEI和ARB藥物對高血壓等疾病的常規治療。另外，張中等[71]提出，ARB類藥物反饋調節肺部ACE2水平上升，發揮的保護作用可能多于其受體作用，提示RAS抑制劑對于心腎而言也可能是利大于弊；Kow等[72]也表示，使用ACEI/ARB類藥物對心血管疾病的既定益處可能大于其目前的不確定風險。綜上所述，目前的主流意見認為，RAS抑制劑對于治療COVID-19患者沒有明顯負面影響，建議臨床上可以繼續使用此類藥物治療COVID-19患者的心腎損傷。

β受體阻滯劑可以通過抑制腎素釋放，進而抑制RAS系統的活性，可能在下調ACE2，減少病毒的靶點和減輕COVID-19感染的疾病嚴重性方面有潛在應用價值[73-74]。然而該類藥物的不良反應包括支氣管痙攣。因此對于有心血管疾病的COVID-19患者使用β受體阻滯劑時，要注意監測肺部指標以及血氧濃度，若出現了缺氧或者支氣管痙攣等不良反應以及重癥COVID-19患者，建議停止β受體阻滯劑的服用[75]。

6.2 靶向作用于ACE2的藥物 重組ACE2屬于非膜結合受體，通過截獲SARS-CoV-2病毒顆粒，防止病毒與ACE2的細胞表面結合進而避免隨后的感染[50]，是治療心力衰竭及腎臟損傷的潛在途徑[76-77]。Lei等[78]通過將人類ACE2的胞外結構域與人免疫球蛋白IgG1的Fc區連接形成重組蛋白，與SARS-CoV和SARS-CoV-2的受體結合域具有高親和力結合，在體外可有效中和SARS-CoV和SARS-CoV-2。Monteil等[79]研究發現，人重組可溶性ACE2(hrsACE2)能顯著阻斷SARS-CoV-2感染人血管器官和腎臟，表明hrsACE2可以作用于SARS-CoV-2感染的初期階段。然而，此類藥物是否只在感染早期有效尚不明確[50]。Kruse[80]認為，ACE2-Fc重組蛋白不僅可以作為抗體阻止病毒逃逸，產生長期免疫力，也能補充感染期間肺部ACE2水平的降低，從而直接改善急性呼吸窘迫的病理狀態，提示其也可能彌補心腎系統ACE2水平的下降，對SARS-CoV-2引起的心腎損傷具有良好的治療效果。總之，重組ACE2蛋白對于SARS-CoV-2的預防、診斷及治療等方面仍待進一步研究。

6.3 其他治療方法及策略 對于腎功能衰竭患者，治療時應注重體液、酸堿和電解質平衡，并注意氮平衡、熱量和微量元素等營養補充；若危重癥患者的腎功能損傷則可以使用腎替代療法[6]。維生素D能有效阻礙NF-κB激活[81]，逆轉腎臟疾病中的炎癥反應，與吡格列酮聯用后，可以減輕腎缺血/再灌注誘導的損傷[53]，提示使用抗炎藥物對抗炎癥反應，同時合理聯合使用其他藥物，可能有效治療心腎損傷。血漿凈化治療能減輕炎癥對機體的損傷，可以用于重型或危重患者細胞因子風暴的早中期治療[6]。也有研究顯示，急性社會心理應激可以短暫激活人類RAAS，進而增加高血壓及心血管疾病風險[82]，因此，關注患者的心理健康，及時做好心理疏導對于心腎損傷的治療也具有積極作用。

7 小結及展望

SARS-CoV-2的受體為ACE2，因此，本文通過分析ACE2在心臟和腎臟中的作用，研究了COVID-19患者出現心臟腎臟的病理變化，包括血壓升高、細胞凋亡、纖維化、氧化應激、炎癥反應等的可能機制，同時，炎癥反應的發生有可能引發細胞因子風暴，進而致使多臟器損傷，甚至危及生命。提示臨床對COVID-19患者的治療過程中，除了進行積極的肺炎病情控制，也要關注患者的心血管和腎臟系統的指標變化[83-84]，做到合理安排調整用藥，對于合并有高血壓、冠心病、糖尿病等疾病患者，尤其需要及時注意心腎功能的保護治療。另外，由于ACE2主要通過ACE2/Ang-(1-7)/MasR軸發揮心臟和腎臟的保護作用，且Ang-(1-7)與 MasR結合是其發揮保護作用的關鍵部分，提出作用于Ang-(1-7)或MasR的藥物使Ang-(1-7)上調或使用其類似物或許能夠有效治療SARS-CoV-2感染導致的心腎損傷，對于臨床治療及藥物研發具有潛在應用價值。ACE2是一把雙刃劍，其水平過高易加重病毒感染，過低也會致使ACE/AngⅡ/AT1R軸和 ACE2/ Ang-(1-7)/MasR軸調節失衡，最終都會導致心腎等多臟器損傷，因此，如何調節病理狀態下ACE2水平使其處于平衡狀態需要進一步研究探討。