新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)腎臟損傷的機制探討

瞿轉綜述 王惠明審校

新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)是新近發現的乙類并按甲類管理的傳染病，自2019 年12月以來， COVID-19已造成全球4 870多萬人感染，導致近120多萬人死亡[1-2]，對世界公共衛生造成了嚴重的威脅。血管緊張素轉化酶2(angiotensin-converting enzyme，ACE2)是嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)的關鍵受體[3-4]，在靶器官損害中起關鍵作用。許多臨床報道和回顧性研究均發現,除外以病毒性肺炎為特征的呼吸系統病變，腎臟作為ACE2高表達器官，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，并觀察到重型及危重癥型患者相關急性腎損傷(AKI)是COVID-19 患者死亡的獨立危險因素之一，且AKI與SARS-CoV-2的腎臟靶向性有關[5-7]。因此探討COVID-19腎損傷機制對預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，編碼一個非結構多聚蛋白，參與基因組的轉錄和復制; 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)等一系列結構蛋白[8]。冠狀病毒的S蛋白可以利用細胞表面受體ACE2的結合介導病毒的吸附和侵入過程。冠狀病毒可分為4個屬：α、β、δ和γ，其中α和β冠狀病毒會感染人類[9]。已知6種冠狀病毒可引起人類呼吸道、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Zhou等[14]對3例重癥肺炎患者樣本進行無偏測序，發現了未知的β冠狀病毒，全基因組與蝙蝠冠狀病毒的同源性為96%，屬于嚴重急性呼吸系統綜合征相關的冠狀病毒(SARSr-CoV)物種，被歸類為β冠狀病毒的2b譜系，世界衛生組織將其命名為 2019-nCoV，而后國際病毒分類委員會將其命名為嚴重急性呼吸系統綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)[15]。病毒基因組序列比對顯示，SARS-CoV-2與SARS冠狀病毒的同源性為79%左右，與MERS冠狀病毒的同源性僅52%左右[16]，與SARS-CoV和MERS-CoV不同，SARS-CoV-2是本世紀感染人類的第3種高致病性冠狀病毒。Lu等[17]對9例患者基因組進行結構分析表明，SARS-CoV-2能夠與人類的ACE2受體結合。與SARS-CoV和MERS-CoV相同，SARS-CoV-2也通過S 蛋白與細胞表面受體ACE2結合進入靶細胞，引起損傷[3, 18]。新型冠狀病毒感染導致臨床最為常見的癥狀為發熱、乏力和干咳，大多數患者出現呼吸困難和肺部雙側磨玻璃渾濁影像表現，常見并發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相關腎臟損害的臨床表現

冠狀病毒感染后引起的腎損傷并不少見，在以往關于SARS和MERS-CoV感染的報道中，5%～15%的病例中發生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，但也出現腎小球濾過功能受損，表現為血肌酐、尿素氮水平升高[25-27]。

肺是SARS-CoV-2最主要的靶器官，多項研究表明，COVID-19 患者急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)發生率為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，更容易出現腎臟損傷。Chen等[20]報道的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發生率3%。Guan等[21]報道了來自30個省、自治區和直轄市552家醫院的1 099例COVID-19患者數據，其中輕癥926例，重癥173例，4.3%重癥患者出現血肌酐>133 μmol/L，AKI發生率2.9%；輕癥患者血肌酐>133 μmol/L者僅1%，AKI發生率僅0.1%。Cheng等[19]報道的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%患者發生AKI。該研究認為AKI是患者住院死亡率的獨立危險因素。Wang等[6]報道，來自武漢中南醫院的138例患者(其中36例收住ICU)資料顯示，收住ICU的患者AKI發生率8.3%，而非ICU患者AKI發生率為2.0%。一項針對59例COVID-19患者(包括重癥28例和死亡3例)的研究發現[29]，34%患者在入院第一天出現大量蛋白尿，63%患者在住院期間出現蛋白尿；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。計算機斷層掃描(CT)顯示所有患者(n=27)腎臟放射學異常；27例患者中出現蛋白尿14例，肌酐升高3例，尿素氮升高4例。Diao等[30]報道的COVID-19患者85例研究中，27.06%(23/85)患者表現為急性腎功能衰竭(ARF)，年齡≥60歲的患者更易發生ARF (65.22% vs. 24.19%，P<0.001)。陳蕾等[31]對29例COVID-19患者的研究中，所有患者肌酐及尿素氮未見明顯變化，考慮可能與樣本量過少有關。綜上所述，目前的數據及共識均認為新型冠狀病毒導致AKI，且AKI是住院患者死亡的獨立危險因素，但腎臟受累的確切機制尚不清楚。

3 SARS-CoV-2引起腎臟損害的可能機制

3.1 SARS-CoV-2損害腎臟的基礎研究 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]。國家《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)》及據尸檢和穿刺組織病理結果指出,腎小球球囊腔內見蛋白性滲出物，腎小管上皮變性、脫落，可見透明管型，間質充血，可見微血栓及灶性纖維化[33]。

3.2 ACE2介導SARS-CoV-2腎臟損傷

3.2.1 ACE2介導SARS-CoV-2直接攻擊腎小管上皮細胞：ACE2已被證明是介導SARS-CoV-2入侵宿主細胞的特異性受體，但SARS-CoV-2不能與其他冠狀病毒受體結合，如氨肽酶N (APN)和二肽基肽酶4 (DPP4)[34]。以往研究通過單基因RNA 測序發現，SARS-CoV-2的受體蛋白ACE2 在腎臟高表達，較呼吸道高出近100倍，且在近端腎小管表達增強，腎小球表達相對弱[23，34-35]。Wrapp等[36]解析了新型冠狀病毒的 S 蛋白結構，該研究發現新型冠狀病毒是利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進入宿主細胞，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，推測這可能是 COVID-19 較SARS更容易發生腎臟損傷的原因。跨膜絲氨酸蛋白酶(transmembrane protease serines, TMPRSS)家族是冠狀病毒S蛋白啟動過程中的關鍵細胞蛋白酶，待病毒進入細胞后發揮重要作用[17]。多項研究通過單細胞轉錄組分析(scRNA seq)技術在單細胞水平分析了ACE2 受體和關鍵蛋白酶TMPRSS家族在腎臟細胞中的表達情況，發現ACE2 和TMPRSS家族基因在足細胞和近曲小管中顯著共表達，其表達水平顯著高于肺組織和消化道。研究結果提示，腎臟可能為SARS-CoV-2的靶向宿主細胞[16，35，37]。Diao等[30]報道6例COVID-19患者尸檢結果中，腎臟病理顯示死后腎臟組織有嚴重的急性腎小管壞死和淋巴細胞浸潤。免疫組化結果顯示，SARS-CoV-2 病毒核蛋白(NP)抗原在腎小管中積累。推測SARS-CoV-2可能通過與ACE2受體結合進入腎小管細胞，通過核內半胱氨酸蛋白酶中組織蛋白酶B和L(CatB/L)啟動TMPRSS2細胞系中的S蛋白開始病毒復制,直接損傷腎小管和足細胞，導致患者出現蛋白尿[38-39]。

3.2.2 ACE2介導SARS-CoV-2致腎間質損傷：Fan等[40]報道，免疫組化顯示ACE2蛋白主要分布在腎內血管內皮、腎小管上皮和冠狀血管內皮細胞，而免疫細胞和腎小球壁層上皮細胞未見ACE2表達。在血液中可檢測到SARS-CoV-2，全身所有血液均經過腎臟濾過，其中的代謝廢物、炎性細胞、炎性介質、毒性物質等，都會接觸到腎臟。因此，血液中的病毒可能通過腎內血管內皮細胞、腎小管上皮細胞的 ACE2感染腎臟，除增加腎臟的病毒載量外，內皮細胞及腎小管上皮細胞的ACE2與病毒結合，使內皮細胞被病原體標記，使其成為宿主免疫系統識別和攻擊的目標。這或許是SARS-CoV-2引起腎間質水腫及腎小管損傷的原因。

3.2.3 ACE2介導SARS-CoV-2致慢性腎臟損傷：ACE2的器官和細胞特異性表達表明，ACE2在腎臟的局部腎素—血管緊張素系統中發揮著重要作用。因此，病毒可能直接與此類ACE2陽性細胞結合下調ACE2表達，不僅引起內皮功能受損、血壓升高、降低腎小球濾過率,而且使AngⅡ相對增多,激活轉化生長因子(TGF)-β和絲裂原活化蛋白激酶信號通路,上調NADPH氧化酶,加重氧化應激和炎性反應、纖維化[41]，遠期可能轉變為慢性腎臟病，目前仍缺少相關研究證實。

3.3 免疫攻擊

3.3.1 免疫失調：Guo等[42]回顧性分析COVID-19死亡組與存活組患者資料發現，死亡組CD3+T細胞、CD3+CD4+T細胞、CD3+CD8+T細胞絕對計數水平均明顯降低，提示細胞免疫功能低下，研究提出將淋巴細胞計數<0.8×109/L作為預測病毒性肺炎死亡風險模型(MuLBSTA score)的指標之一。Wan等[43]對123例COVID-19患者(輕癥102例和重癥21例)外周血和細胞因子進行相關分析，輕癥組CD4+T細胞降低率為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%，說明在機體感染SARS-CoV-2的情況下，重癥患者T淋巴細胞的抑制作用更強；NK細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]報道COVID-19患者40例入院時白細胞減少10例(25%)，淋巴細胞減少26例(65%)。Diao等[30]報道，免疫組化顯示，6例腎小管間質內巨噬細胞CD68+較多，2例腎小管間質內CD8+T細胞數量中等，而CD4+T細胞和CD56+NK細胞在受檢組織內少見。提示SARS-CoV-2可能通過招募巨噬細胞浸潤到腎小管間質而進一步引起腎小管損傷。6例尸檢中均觀察到C5b-9在小管上的沉積。在2個病例中，腎小球和毛細血管中也可見極低水平的C5b-9沉積。然而，正常腎臟組織中C5b-9表達缺失，提示SARS-CoV-2感染可能通過觸發C5b-9沉積誘導急性腎小管壞死和AKI。Xu等[33]發現COVID-19患者外周血CD4+T細胞亞群中,高促炎性的CCR6+Th17比例增加,CD8+T細胞毒性增強。美國報道1例合并ARDS的COVID-19患者，穿刺病理結果顯示，外周血CD4+和CD8+細胞的數量大大減少，高度促炎性的CCR4+CCR6+Th17細胞增加。以上研究表明免疫失調參與了AKI的發生、發展。

3.3.2 細胞因子風暴： 細胞因子風暴是指機體在感染微生物或其他劇烈刺激的情況下，免疫系統被過度激活，導致體液中多種細胞因子[IL-1、IL-6、IL-17、IL-12、TNF-α、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、G-CSF、IFN-γ誘導蛋白10(IP-10)、MCP-1等]迅速大量產生，導致單器官或多器官系統炎性反應過度表現，可能導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現，死亡組患者各項炎性因子水平較存活組更高，研究結果顯示，死亡組患者體內存在過度的炎性反應。Huang等[28]在Lancet上發表研究結果指出，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 細胞和B細胞下降顯著，而單核細胞、中性粒細胞和 NK 細胞數量卻無顯著差異，而這3種細胞是細胞因子風暴的主要參與者，該研究指出細胞因子風暴與SARS-CoV-2感染疾病嚴重程度有關。陳蕾等[31]回顧性分析29例COVID-19 患者血清炎性因子發現，IL-2R、IL-6表達水平與病情嚴重程度有明顯的相關性。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胞因子風暴綜合征導致。以上研究表明新冠肺炎患者細胞因子風暴可能參與病情進展，并可能導致AKI及多器官功能障礙的發生及發展，最終導致嚴重COVID-19患者的死亡。

4 小 結

綜上所述，COVID-19相關腎臟損傷發病機制可能與SARS-CoV-2通過ACE2介導直接攻擊腎臟細胞、細胞因子風暴、免疫損傷等有關，但目前國內外少有SARS-CoV-2 致腎損傷的機制研究，且大多數臨床研究的數據受限，因此還需要通過構建動物模型進一步探討分子機制。對于臨床上出現急性腎損傷或本身有腎臟疾病的新冠肺炎患者，后期治愈出院應仍保持隨訪狀態，觀察上述患者是否會有慢性腎臟損傷。