新型冠狀病毒與神經退行性疾病的研究進展

龔茜 王澤穎 李冉 魏洪玉

(1濰坊醫學院,山東 濰坊 261042;2濰坊市中醫院)

自從2019新型冠狀病毒(COVID-19)成為全球大流行以來,威脅著全世界人民的生命和健康。在嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)-2感染的急性期,已報道了一系列神經癥狀,從頭痛〔1〕、譫妄〔2〕、認知障礙〔3〕到癲癇〔4〕、腦膜炎〔5〕和腦卒中〔6〕等,并且已有成像技術證明,COVID-19會對腦組織結構產生不可逆的影響〔7〕。除病毒感染急性期的神經系統癥狀外,SARS-CoV-2也對神經退行性疾病(NDs)產生了重要影響。NDs致殘率與死亡率較高,患者多為老年人為主,這種雙重效應使他們更容易感染COVID-19。

1 COVID-19與NDs之間可能存在的機制

1.1線粒體功能障礙 盡管NDs的致病機制目前并不是很清楚,但仍有一些分子機制被認為與其有關,線粒體通常被認為是參與退化過程的潛在候選細胞。作為動力工廠,線粒體是主要的能量來源,通過氧化磷酸化提供三磷酸腺苷(ATP),以維持正常的神經元穩態和功能。除了ATP的產生外,線粒體還在幾個細胞途徑中發揮關鍵作用,包括脂質生物合成、鈣信號和細胞凋亡,這些都是NDs發展的核心過程〔8〕。研究表明,核DNA損傷可導致線粒體功能障礙,DNA損傷反應中存在細胞核-線粒體“串擾”信號,而線粒體未折疊蛋白反應(UPR)是其信號轉導途徑,因此線粒體應激引發UPR失調,可能會導致NDs〔9〕。另外,SARS-CoV-2的基因組和亞基因組的RNA可以通過線粒體基質和核仁來接管宿主細胞,使病毒基因組整合到宿主細胞線粒體基質中,導致病毒線粒體共存〔10〕,破壞內質網和線粒體功能、誘導UPR,從而增強蛋白質錯誤折疊,觸發線粒體氧化應激促進神經元凋亡和變性〔11〕。

1.2神經免疫機制 免疫反應失調被認為是參與NDs病理生理學的主要機制。研究表明,在這些患者中可以觀察到促炎細胞子因水平的增加〔12〕。促炎細胞因子水平的上調,增加了血腦屏障對受病毒感染的細胞因子和外周白細胞的通透性。這些細胞激活了駐留在腦內的小膠質細胞,并促進其成熟為M1神經毒性表型〔13〕。持續的小膠質細胞激活可以進一步激活其他小膠質細胞,促進氧化應激、tau過度磷酸化和蛋白質聚集、線粒體功能障礙和凋亡,以及損害突觸可塑性和神經傳遞〔14〕。此外,感染產生的細胞因子通過到達大腦,改變多巴胺的合成,并可能增加對帕金森病(PD)的易感性〔15〕。

1.3腸道微生物群 根據對COVID-19的研究報道,大約7.8%和5.5%的患者有胃腸道癥狀,如腹瀉和惡心嘔吐及其他癥狀如腹痛和胃腸道出血,推測病毒可能通過血管緊張素轉換酶(ACE)-2受體滲入胃腸道上皮〔16〕。但在感染后5 w或更長時間里,觀察到患者糞便中的病毒脫落〔17〕。根據在動物模型和人類臨床試驗中的發現,以往的研究認為早在NDs特異性癥狀表現出來前,胃腸道的某些改變就已經發生了〔18〕。從機制上講,腸道微生物群失調可能導致病毒直接侵入中樞神經系統,通過增加胃腸道通透性、分子模擬和氧化應激等機制,激活免疫系統,打破神經傳遞平衡,加速NDs變進程〔19〕。

1.4代謝機制 SARS-CoV-2與SARS-CoV相似度極高。在SARS冠狀病毒感染期間,50%的無2型糖尿病(T2DM)病史的感染者會急性出現T2DM癥狀,雖然其中只有5%的患者在感染解除后仍處于糖尿病(DM)狀態〔20〕,但在近期研究中發現,與非DM患者相比,DM患者SARS-CoV-2的死亡率和嚴重程度會增加兩倍〔21〕,并且在感染SARS-CoV-2的患者1年后患DM的可能高出40%,即使是輕癥患者也不列外〔22〕。DM患者大腦中的胰島素功能障礙會改變糖原合成酶激酶-3β的活性,從而增強tau磷酸化〔23〕,其中T2DM患者的血糖水平升高可能會通過上調干擾素調節因子5的活性,增加SARS-CoV-2感染的易感性〔24〕。急性呼吸窘迫綜合征和缺氧后的長期認知功能障礙、抑郁和創傷后應激障礙、不良的情景記憶和工作記憶及不受控制的飲食,最終都會導致體質量增加〔25〕。雖然DM、肥胖、代謝綜合征和脂質代謝改變會增加患NDs的概率〔26〕,但尚未明確患有NDs的SARS-CoV-2感染者出現代謝變化的原因。鐵代謝異常在COVID-19疾病發展過程中逐漸被關注。雖然鐵對所有活細胞是必不可少的,但鐵代謝異常而產生的“游離鐵”(Fe3+)具有較強的還原性,可以形成活性氧誘導氧化應激和損傷,從而激活與各種退行性臨床狀況相關的急、慢性炎癥〔27〕。Liu等〔28〕認為,COVID-19的關鍵致病分子步驟是攻擊血紅蛋白(Hb),使卟啉與鐵分離并釋放鐵進入循環,Hb失去了與氧氣結合的能力,阻礙氧氣運輸,導致多器官迅速衰竭,同時釋放到循環中的游離鐵可能導致鐵超載,對肺和其他器官造成氧化損傷。另一項研究發現,鐵蛋白水平與COVID-19疾病嚴重程度顯著相關〔29〕,許多血清鐵蛋白水平升高至>300 μg/L的COVID-19患者出院前死亡的概率增加了9倍〔30〕。SARS-CoV-2可以通過衰老細胞和鐵代謝相關的細胞膜進入宿主細胞〔31〕,破壞自然殺傷細胞的功能,導致宿主抗病毒能力降低〔32〕,促使COVID-19危重癥和神經退行性變的發展。鐵同時也是一種主要的衰老誘導因子,腦內過高的鐵濃度被認為是各種神經退行性疾病的潛在原因,不僅可以通過降低Furin蛋白來增強β-分泌酶的活性,加重Aβ寡聚物(AβOs)毒性〔33〕、誘導過度磷酸化tau蛋白聚集,導致神經元氧化損傷〔34〕,鐵的過量沉積還被視為肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS)的重要病理標志,與TDP-43的病理有關〔35〕。

2 COVID-19與NDs之間的關系

2.1COVID-19與阿爾茨海默病(AD) AD是導致癡呆的首要原因,負責記憶和學習的大腦區域由于受到AβOs或神經纖維纏結(NFT)的沉積而受損,影響患者的記憶、學習、行為和認知表現。在老齡化較為嚴重的現代社會中,衰老是AD的頭號危險因素,其患病率每5年翻一番,同時老齡化也是COVID-19導致嚴重疾病和死亡的重要危險因素〔36〕。研究表明在COVID-19疫情隔離期間AD患者的認知和神經功能明顯下降,SARS-CoV-2可能會導致AD患者認知功能障礙〔37〕。一方面,COVID-19患者更容易發展為AD。另一方面,AD患者可能更容易感染嚴重的COVID-19,AD和COVID-19之間存在相互影響的關系。

載脂蛋白(Apo)E4作為AD的一種很強的遺傳風險因素,一項基于網絡多模式組學研究表明,ApoE4基因型AD患者抗病毒防御基因表達活性較低,可增加其感染病毒的風險〔38〕,并且SARS-CoV-2感染可導致ApoE4神經元的神經突變性,增加神經元和星形膠質細胞對SARS-CoV-2的敏感性,加大患病風險〔39〕。

鈣離子(Ca2+)失調也有可能上調AD感染SARS-CoV-2的風險,Aβ寡聚物融入質膜并形成孔,允許Ca2+通過,并通過L型鈣通道增加鈣內流〔40〕。胞質內鈣的增加增強了磷酸化tau蛋白的激酶的活性,導致tau蛋白磷酸化的增加,最終形成NFT〔41〕。除此之外,細胞內鈣的增加還會引起神經元功能障礙,導致神經元細胞死亡。以往的研究表明,冠狀病毒如SARS-CoV和中東呼吸綜合征冠狀病毒,可利用Ca2+通過病毒刺突(S)蛋白保守融合肽(FP)內的氨基酸殘基協調離子進入病毒〔42,43〕,近期一項生物學實驗發現SARS-COV2 FP誘導的膜序比SARS-COV1 FP更強,且對Ca2+的響應更大〔44〕。目前Ca2+失調對AD與SARS-COV-2感染之間的關系還不明確,但仍值得繼續關注。

AD與COVID-19之間存在共同的危險因素,如年齡、性別、高血壓、DM等,SARS-CoV-2感染后的嚴重程度通常與“細胞因子風暴”有關,而在AD患者中,可能與淀粉樣蛋白刺激的Ⅰ型干擾素反應有關〔45〕。雖然不清楚SARS-CoV-2是否存在長期對神經系統的影響可能,但其在NDs中的潛在作用可能對AD未來研究領域具有重要意義。

2.2COVID-19與PD PD主要影響黑質中的多巴胺能神經元。SARS-CoV-2感染是通過與宿主細胞上的ACE2相結合,利用跨膜絲氨酸蛋白酶(TMPRSS)2啟動刺突,組織中ACE2受體的存在決定了病毒細胞取向。最近的一個研究發現ACE2除了在神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞中表達外還高度集中于黑質、顳中回、后扣帶回皮質和嗅球等地方〔46〕。此外,Li等〔47〕發現,利用6-羥多巴胺制備的PD大鼠會引起TMPRSS2上調,SARS-COV-2可能與PD存在交集。

Braak假說認為PD起源于腸道和鼻腔,病原體沿著迷走神經和嗅覺傳導通路傳播到大腦〔18,48〕。Poewe等〔49〕的研究也驗證了這一點,α-突觸核蛋白(Syn)聚集的第一個位點可能在嗅球或是腸道中,形成PD前驅癥狀,然后沿著神經通路傳播。嗅覺障礙和腸道癥狀在COVID-19中是早期較為常見的癥狀,已有研究證實腸上皮細胞和嗅球均有較豐富的ACE2分布〔50,51〕,SARS-COV-2是可能直接通過嗅神經或是胃腸-中樞系統入侵神經系統的。COVID-19的許多神經癥狀也在PD患者中普遍存在,并且兩者的傳播途徑具有相似之處,這可能不僅僅是一個巧合。

早在100年前與PD發病機制相關的病毒觸發假說就已出現,近期的一項分析表明,病毒和細菌感染可能會增加患PD的風險〔52〕。Wu等〔53〕發現SARS-CoV-2的S蛋白可以與許多易于聚集的肝素結合蛋白結合,其中α-Syn和SARS-CoV-2 S蛋白和N蛋白具有更強的親和力,可能會誘導內源性α-Syn形成病理聚集物。與其他的病毒感染相似,COVID-19可能會造成大腦中的蛋白聚集加速腦組織老化而影響PD病情進展。

PD的病因復雜多樣,中樞神經系統和周圍神經系統都受到影響。單一病原體不太可能對PD的整個發病機制負責,但是越來越多的證據支持SARS-CoV-2感染引起的炎癥、線粒體功能障礙、自噬缺陷、內質網應激和蛋白質失穩與晚年PD風險升高的相關性〔54〕,如果這種惡性循環繼續存在,加上COVID-19導致的長期全身和神經炎癥,雖然不用幾十年,但是十幾年后,COVID-19患者的生命最后可能更容易發展為PD。

2.3COVID-19與ALS ALS是一種以運動神經元變性為特征的NDs。目前ALS其病因尚不清楚,被認為是由遺傳因素、環境因素和衰老相關功能障礙共同引起的一種多因素疾病〔55〕。尸檢分析在ALS患者的器官和腦脊液中都發現了病毒顆粒,病毒感染可能與ALS病理有關〔56〕。當然,炎癥和氧化應激在其發展過程中起著決定性作用。Geng等〔57〕研究發現,SARS-CoV-2感染可導致煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)2的激活,并釋放活性氧和炎癥分子,而NOX2激活生成的氧離子主要負責細胞衰老,并且有助于促進氧化應激反應〔58〕,與ALS發展可能存在潛在相關性〔59〕。

一項互聯網的問卷調查,主要包括自我感知的焦慮、抑郁、運動惡化和臨床護理的變化等內容,表明COVID-19的緊急情況及其封閉式管理對ALS患者的健康狀況產生了重大影響,特別是那些處于疾病早期和病程更嚴重的患者〔60〕。另有研究顯示,還有3例既往無神經系統或自身免疫性疾病的患者,在感染COVID-19后診斷為重癥肌無力,提示COVID-19感染可能破壞自我免疫耐受性〔61〕,增加發病概率。但是到目前為止,還沒有ALS患者感染SARS-CoV-2的準確數據。因此,從COVID-19對ALS臨床研究來看,COVID-19對ALS患者的間接影響似乎要更大一些。

3 COVID-19對NDs患者間接影響

SARS-COV-2病毒對NDs患者的影響遠不止于此,還包括間接影響,如壓力、自我隔離及情緒等影響。

COVID-19期間實行的隔離政策,長時間的自我隔離和日?；顒訙p少,可能導致癡呆癥患者認知能力下降。已有研究表明,體育鍛煉可以減緩PD患者臨床癥狀的進展〔62〕,與社會的接觸和身體活動減少固然會引起NDs患者認知功能和神經精神癥狀的惡化。在意大利的多中心全國性調查中也發現相似的現象,在隔離1個月后發現AD、路易體癡呆(DLB)、額顳葉癡呆(FTD)和血管性癡呆患者出現認知功能和運動癥狀方面的變化,其中出現認知功能惡化的主要患者是AD和DLB〔63〕。COVID-19的大流行帶來的恐懼感不僅影響患者的認知功能,還與局部大腦萎縮存在相關性〔64〕。

一項橫斷面病例對照調查評估了PD患者與照顧者和普通人群之間相比焦慮的嚴重程度。在PD亞組中,焦慮的頻率最高,其次是他們的照顧者。PD患者焦慮的嚴重程度與對感染COVID-19的恐懼之間具有較高相關性〔65〕。FTD患者與照顧者中也出現類似情況,不僅FTD患者在行為和社會認知方面出現明顯的惡化,而且難以適應突然變化的新環境,給FTD患者的照顧者帶來沉重的負擔〔66〕。NDs患者難以記住疫情防護的措施,如戴口罩、與他人保持距離,甚至不能理解發布的公共衛生信息,也會使他們有更高的感染機會。因此在COVID-19期間,需要對NDs患者及其照顧者提供一系列的心理疏導,重視心理健康,保證NDs患者日?；顒恿?提高患者的自我防護意識尤為重要。

綜上,一方面,COVID-19患者具有未來加重NDs發展的可能,尤其是AD和PD;另一方面,NDs患者存在多種提高感染SARS-COV-2風險的因素。但對患有NDs的SARS-CoV-2感染者的直接研究仍較為少見,如Fe3+的增多、Ca2+的失調或是腸道微生物群的異常等,是否與感染SARS-CoV-2后影響NDs的進展有關,尚需更進一步的研究。目前,針對SARS-COV-2的傳播機制仍然缺乏較為全面的解釋,未來可進行前瞻性研究,結合生物標志物、基因研究和多模式神經成像等多種標準化方法評估SARS-COV-2感染后神經功能的改變,以探索其與NDs之間的相關性。另外在COVID-19防控期間,應提高對NDs患者心理與身體健康的關注,保證日?；顒恿?疫情期間還可以利用遠程醫療為患者提供醫療幫助。