冠狀病毒感染對心血管系統的損傷及可能機制

王宇成， 陳瑞珍*， 熊丁丁

1. 上海市心血管病研究所，復旦大學附屬中山醫院，上海 200032 2. Mercy Children’s Hospital, Ohio 43085, USA

冠狀病毒(coronavirus, CoVs)是一類具有包膜的RNA病毒。其中，SARS冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)和MERS冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)是人畜共患，具有高致病性的類型[1]。2019年出現的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)、2003年的SARS-CoV以及2015年的MERS-CoV的感染流行，同為21世紀以來發生的由CoVs引起的重大公共衛生事件，對全球公共衛生體系產生巨大沖擊。由于CoVs感染對人類健康危害巨大而目前仍無明確特異性治療措施，因此深入研究CoVs的致病作用和相關機制顯得尤為重要。

1 CoVs感染導致的相關心臟損傷

CoVs感染主要累及肺部，引起肺間質性改變和急性呼吸窘迫綜合征。而CoVs對心血管的損傷作用同樣不容忽視。在2020年1月2日前確診的41例COVID-19患者中，有5例(12%)患者發生了SARS-CoV-2相關的心臟損傷，這些患者表現為心肌損傷標志物升高和新發心電圖和心超檢查征象改變[2]。并且，心臟損傷與COVID-19病情的輕重也有顯著相關性。重癥患者和輕癥患者相比，心肌酶譜升高和心電圖異常表現具有顯著差異[3]。在一項包括135例SARS-CoV感染患者的研究中(包括輕癥患者59例，重癥患者76例)，輕重癥患者心電圖異常率分別為7.1%和24.3%；其中心律失常的發生率分別為12.5%和20.3%，心肌缺血發生率分別為3.6%和15.1%[4]。另外，心肌酶譜包括乳酸脫氫酶(LDH)和α-羥丁酸脫氫酶(HBDH)等在重癥患者中顯著增高(P<0.01)[4]。心律失常的產生可能與SARS-CoV侵犯心臟傳導系統有關[5]。CoVs感染后心肌組織切片還可見巨噬細胞浸潤等炎癥性改變[6]，而且CoVs引起的全身系統性毒性改變也可累及心臟[7]。故CoVs引起的心臟損傷并非罕見，其發生與病情的嚴重程度密切相關。

同時，病毒感染引起的心肌損傷常提示患者心功能異常和不良預后的發生。在一項針對321位H7N9流感病毒感染患者的研究中，和無心臟損傷患者相比，心臟損傷患者群體具有更低的PaO2/FiO2，更高的急性生理和慢性健康評估Ⅱ得分(acute physiology and chronic health evaluation Ⅱ score)，更久的ICU治療時間和更高的院內死亡率[8]。由于CoVs相關心臟損傷是CoVs感染的一個嚴重并發癥，但具體發生機制未明，故本文將對CoVs引起心臟損傷的可能機制進行探討。

2 CoVs對心臟損傷作用的可能機制

2.1 CoVs于心臟復制并直接損傷 病毒感染宿主細胞，在細胞內復制，并裂解細胞釋放更多的病毒。病毒在心肌細胞定位與繁殖，會對心臟造成損傷。柯薩奇病毒(coxsackie virus)作為一種單鏈RNA病毒，可以直接感染并損傷心肌細胞。研究表明[9]，感染高載量的柯薩奇病毒的心肌組織會在組織層面形成更嚴重的心肌病變，并向血清釋放更多的心肌損傷標志物[如心臟肌鈣蛋白(cTnI)和肌酸激酶同工酶MB型(CK-MB)]。近年已有多項研究為CoVs在心臟中的復制提供了證據。一項研究通過對SARS感染后死亡患者的多器官組織樣本分析發現，約有40%的患者心肌標本可檢出CoVs，并且估算得到每克心臟組織中，最大病毒載量為2.8×107拷貝；中位病毒載量為3.2×104拷貝[10]。另一項針對尸檢組織中SARS-CoV的時間和空間分布的研究發現，SARS-CoV RNA水平相對穩定，與死亡患者的病程長短無直接關系；且與上一研究估算得到的病毒載量結果相近[11]。CoVs還可以感染心臟內特殊細胞(如竇房結細胞)，通過對SARS-CoV核酸原位雜交染色發現，竇房結內部分特殊心肌細胞群存在病毒[5]。這也可以部分解釋重癥SARS-CoV感染患者合并心律失常者明顯增多。由于CoVs與柯薩奇病毒同屬于單鏈RNA病毒，并且CoVs可以在心肌細胞內復制，由此推測，其對心肌的損傷有可能類似柯薩奇病毒對心肌的直接損傷作用。另一方面，CoVs感染心臟的途徑雖然未明，但是血管緊張素轉化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)作為受體在心臟組織高水平表達，可能為CoVs感染提供了條件[12]。通過對CoVs感染表達或不表達ACE2的細胞熒光染色實驗顯示，ACE2同為SARS-CoV和SARS-COV-2的細胞表面受體。而其他一些CoVs受體如HCoV-229E受體氨肽酶N(aminopeptidase N，APN) 和 MERS-CoV受體二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4，DPP4)則不參與SARS-CoV-2感染細胞過程[13-14]。病毒的棘突通過受體結合結構域(receptor-binding domain，RBD)與細胞表面的ACE2分子結合，發生膜融合和胞內吞效應，使病毒進入細胞[15]。然而，也有研究則得到與之前相反的結論，即感染者心臟組織中無法檢測出CoVs[16]。

2.2 CoVs激活腎素血管緊張素(RAS)系統 在RAS系統中，ACE將血管緊張素Ⅰ(angiotensin Ⅰ，Ang Ⅰ)轉化為Ang Ⅱ。Ang Ⅱ主要通過血管緊張素Ⅱ1型受體(Angiotensin Ⅱ receptor type 1，AT1)，發揮收縮血管的作用。

RAS系統激活與心血管疾病關系密切，血管收縮升高血壓，增加心臟負荷，從而加劇心臟損傷和引起心衰[17]。而ACE2作為ACE的一種同源酶，卻可抵抗ACE的生理作用。ACE2可以將Ang Ⅰ(Ang 1-10)去除1個殘基，轉變為無活性的Ang 1-9[18]；但其主要催化效應是將Ang Ⅱ(Ang 1-8)去除1個殘基轉變為Ang 1-7，因為Ang Ⅱ作為底物的催化效能是Ang Ⅰ作為底物的催化效能的400倍[19]。之后Ang 1-7結合Mas受體，來拮抗Ang Ⅱ結合AT1的效應[20]。ACE2在機體應激時，對于維持血壓穩定，改善心肌收縮發揮重要作用。動物實驗中，Ace2敲除的小鼠灌注Ang Ⅱ，和對照組相比，血壓水平顯著升高，而在基線狀態下，血壓水平未有顯著改變[21]；但是，如果在心臟和血管中過表達ACE2，則可顯著降低血壓水平，維持心肌缺血后心功能[22-23]。

SARS-CoV感染不僅降低肺ACE2的水平，引起呼吸衰竭[24]；感染心臟時，還可引起心臟ACE2表達水平下降[6]。具體而言，在CoVs感染細胞過程中，其棘突蛋白作為表面分子與細胞表面ACE2受體結合，而CoVs棘突蛋白也直接參與ACE2表達下調。在體內和體外實驗中，敲低CoVs棘突蛋白的表達，ACE2的表達會隨之顯著下降，同時Ang Ⅱ水平則顯著上升，從而激活RAS系統[24]。

機制上，在CoVs感染細胞過程中，CoVs棘突蛋白作為表面分子與細胞表面ACE2受體結合，通過解體蛋白和金屬蛋白酶17 (A disintegrin and metalloproteinase 17，ADAM17)/腫瘤壞死因子α轉換酶(Tumor necrosis factor alpha converting enzyme，TACE)依賴途徑，ACE2受體從細胞表面脫落[25]。ACE2受體脫落，可能是ACE2在細胞表面下調的原因。然而，這一現象只是病毒感染的伴隨過程，對病毒的復制并無顯著影響[26]。但細胞外液中的ACE2可以與病毒顆粒結合，阻斷傳染性子代病毒進入細胞；故ACE2受體脫落可能減輕病毒在機體的擴散[27]。

總之，CoVs感染機體，下調ACE2，激活RAS系統，增強Ang Ⅱ收縮血管效應，減弱Ang 1-7保護心臟效應，增加CoVs對心臟損傷的作用。

2.3 CoVs感染誘發細胞因子風暴和心臟免疫炎癥反應 細胞因子風暴(cytokine storm)又名高細胞因子血癥(hypercytokinemia)，是某種刺激(如感染或過敏反應)，引起機體免疫系統過度激活，細胞因子過度釋放，產生全身炎癥反應的病理現象。細胞因子風暴一詞最早被用于描述移植物對抗宿主反應[28]。而病毒作為強致病的病原體，嚴重感染機體后可能引發細胞因子風暴，主要分為2步：(1)病毒感染局部組織器官，病毒成分作為病原相關分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)被固有免疫系統模式識別受體(Pattern recognition receptor，PRR)識別，激活下游級聯反應，局部結構細胞和固有免疫細胞分泌多種細胞因子；(2)上一過程產生的細胞因子募集效應細胞以清除病毒，此過程中，效應細胞會產生和釋放第2波細胞因子[29]。過多分泌的細胞因子還可通過循環系統，激活全身各器官免疫系統，引起全身炎癥反應[30]。

CoVs感染是否可以誘發細胞因子風暴？在一項研究中， SARS-CoV-2感染者血漿中白細胞介素1β、干擾素γ(IFN-γ)、干擾素誘導蛋白-10(IP-10)、單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)等促炎因子水平顯著升高[2]。隨后進一步更大樣本研究發現，患者血漿炎癥指標明顯升高；約86%的患者血漿C反應蛋白(C-reactive protein, CRP)水平升高，85%的患者紅細胞沉降率升高，52%的患者IL-6升高[31]。這些研究均提示，病毒感染細胞，誘發細胞因子分泌并釋放入血，引起細胞因子風暴。另一項研究通過對SARS-CoV感染患者升高的細胞因子進行相關性分析，發現細胞因子風暴產生主要和IFN-γ相關[32]。在體外實驗中，SARS-CoV感染肺泡上皮細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞(Dendritic Cell，DC)，也可促進如IFN、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、IL-6等促炎細胞因子釋放[33-35]。機制上，病毒棘突蛋白可作為一種PAMP，通過被toll-like receptor 2(TLR2)識別，激活NF-κB通路，促進固有免疫細胞產生和分泌炎癥因子[36]。同樣，SARS-CoV單鏈RNA作為另一種PAMP，通過被細胞表面TLR7或TLR8識別，促進如TNF-α、IL-6、IL-12等細胞因子分泌[37]。并且，由于病毒感染和情緒緊張，機體兒茶酚胺分泌增加，從而進一步維持細胞因子風暴[38]。

隨著大量細胞因子釋放入血隨血流到達心臟，對心血管系統造成嚴重影響。其中，TNF-α和IL-1β可以抑制心肌收縮[39]，從而造成心肌供血的減少。另一方面，細胞因子也可以直接損傷血管內皮細胞，增加血管通透性[40]。TNF-α還可以激活凝血系統，促進血栓形成[41]。這些效應可協同進一步加重心肌的缺血。心臟含有多種免疫細胞，包括組織特異性巨噬細胞、B細胞、T細胞、NK細胞和DC細胞等[42]。炎性細胞因子的刺激可激活心臟免疫系統。如IFN-γ通過激活心臟局部免疫細胞(如巨噬細胞)，產生活性氧(reactive oxygen species, ROS)等細胞有毒物質[43]，并啟動心臟炎癥反應，導致心臟損傷。

2.4 CoVs感染引起心臟損傷其他機制 (1)低氧血癥：CoVs感染肺部，引起急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)，導致全身缺氧和低氧血癥。心臟作為體內高能耗器官，缺氧可影響心肌細胞的有氧代謝過程。氧化磷酸化反應受損使細胞ATP產生減少，心肌細胞能量供應不足，導致心肌損傷。(2)兒茶酚胺心臟毒性：CoVs感染后患者的精神緊張、情緒波動，會引起交感神經系統過度興奮，兒茶酚胺分泌增多。兒茶酚胺對心臟具有毒性作用。(3)腎上腺素刺激可導致環磷酸腺苷(cAMP)介導的心肌細胞鈣超載[44]。(4)心臟交感神經活動增強也被認為是室性心律失常和心臟性猝死發生的重要因素[45]。

3 小 結

本文著重探討了CoVs感染引起心肌損傷主要的潛在機制。當然，CoVs對心臟的損傷還可能與患者自身因素(如年齡、基礎慢性疾病以及吸煙等)相關[31]。所以CoVs對心臟損傷的機制仍需要進一步深入研究來揭示。由于尚無針對CoVs的特異性治療藥物，目前針對感染合并心臟損傷的并發癥仍然以對癥支持治療為主。然而，結合本文所探討的主要機制，特異性抗CoVs活性藥物、RAS系統阻斷劑、抗炎藥物和細胞因子抑制劑或許可以對CoVs感染引起心臟并發癥發揮治療作用。