2019新型冠狀病毒導致的致命肺滲漏的病理生理學機制和防治策略：兼論血透的應用與依據

陳思鋒

(復旦大學基礎醫學院生理與病理生理學系， 上海 200032)

自2019年12月爆發以來，2019新型冠狀病毒已在全球造成2 872人死亡(截至2020年2月28日)，并且有超過8 000名患者仍處于嚴重狀況。該病毒和由該病毒引起的醫療狀況被分別命名為SARS-CoV-2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2)和COVID-19(coronavirus disease 2019)。雖然已經廣泛應用了抗病毒、對癥和功能支持性療法，每天仍有大量患者死于該病毒感染。SARS-CoV-2主要通過2型肺泡上皮細胞上的血管緊張素轉化酶2(angiotensin-converting enzyme 2, ACE2)首先感染肺，其最常見的致命并發癥是急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)[1]。SARS-CoV-2在世界范圍內大流行的可能性仍然存在。其它病毒感染引起的肺炎亦可導致ARDS，出現類似的危重情形，這些病毒包括如非典型的嚴重急性呼吸綜合征(severe acute respiratory syndrome, SARS)、中東呼吸窘迫綜合征(Middle East respiratory syndrome, MERS)和流感病毒引起的肺炎[2-4]。因此，制定更有效的降低病毒所致的ARDS死亡率的策略，不但是當前抗新冠疫情的迫切需要，也是全球范圍內降低病毒性肺炎死亡率的長期需要。ARDS曾被稱為濕肺，血管泄漏導致的肺水腫是其最重要的病理特征之一[5]，重型COVID-19的臨床表現和胸部計算機斷層掃描圖像特征(白肺)符合ARDS[6-8]。確定水腫液從何處及如何滲漏到肺部，是制定基于機制的預防和阻止水從肺毛細管向肺間質滲漏的策略，降低濕肺死亡率的關鍵。對于輕度和中度病例，非甾體抗炎藥(如用于類風濕關節炎的藥物)可能有助于防止和減少這種漏水。免疫抑制劑(如西羅莫司和他克莫司)可能使病毒感染、免疫反應和非免疫炎癥造成的損傷高峰時間錯開，從而降低肺漏水程度，防止危及生命情況出現。使用清火中草藥可能也有抗炎作用。對于嚴重病例，血液透析可能是消除大多數炎癥介質和細胞毒性物質的有效策略，應該能用即用，預計在患者從重癥轉為危重癥前使用效果好。

1 水從哪里漏到肺：肺毛細血管通透性升高是否是濕肺的主要機制

1.1肺泡上皮屏障和肺毛細血管內皮屏障通透性增高引起肺水腫 ARDS最初被稱為休克肺、濕肺、肺透明膜病和蜆港肺等。無論何種起因，臨床過程都是持續惡化的肺水腫，直至呼吸衰竭和死亡。損傷因素可以經由呼吸道、肺血液循環或兩個途徑同時引起肺損傷。肺和空氣之間的機械屏障是由肺泡1型和2型肺泡上皮細胞組成的細胞單層。肺毛細血管的內皮細胞單層是肺和血液循環之間的機械屏障。氧氣從肺泡彌散到肺毛細管內，然后通過血液特別是血液中的紅細胞運輸到全身組織。如果肺泡充滿水腫液或肺泡崩塌(肺不張)，則可供肺攝取的氧氣減少。如果肺間質水腫，即肺泡與肺毛細管之間充滿水腫液，則氧氣從肺泡到達血液所需彌散的距離增加，影響血液從肺泡攝取氧氣。對肺泡上皮細胞屏障的損傷導致水和蛋白質從肺組織間隙滲漏到肺泡，如果滲透到肺泡的水分較少，水分可通過呼吸蒸發掉，留下膠凍狀的蛋白質，在病理上表現為透明膜形成。肺毛細血管內皮細胞破壞或者收縮導致毛細血管通透性增高，血液中的水和蛋白質滲漏到肺間質，引起間質水腫。觸發ARDS的因素可能存在于呼吸道、肺間質和血液循環中，所有三條途徑均可能存在于COVID-19。明確哪些因素最重要、哪些可預防和哪些可治療，是當前臨床決策的迫切需要。

1.2SARS-CoV-2引起的致命肺水腫的特征 SARS-CoV-2被認為是通過ACE2感染細胞的[9-10]。ACE2在2型肺泡上皮細胞[9]、血管內皮細胞[11-12]和小腸上皮細胞[13]的腔面表達。SARS-CoV-2可通過飛沫、氣溶膠和直接接觸傳播。由于大多數氣溶膠顆粒的直徑小于5 μm，氣溶膠中的病毒很容易到達肺泡，并利用ACE2作為通道感染肺部。雖然通過腸細胞感染的可能性不能完全排除，但病毒在一些病人的糞便中被發現，說明病毒是進入腸道，而不是從腸道進入體內的。因此，2型肺泡上皮細胞是SARS-CoV-2所傷害的第一批細胞。由于感染初期，病毒載量低，而且病毒可能只是穿越細胞而不殺死細胞，因此2型肺泡上皮細胞受損對肺水腫(濕肺)的貢獻不應被夸大。COVID-19早期表現為干咳、無泡沫痰、肺泡內膠凍狀物質等癥狀和體征表明，肺泡上皮屏障通透性增加不是SARS-CoV-2引起的致命濕肺的主要機制，最少不是唯一的主要機制，肺毛細血管內皮屏障的破壞應受到足夠重視。

2 致命性COVID-19肺滲漏的機制

2.1血管內皮細胞上ACE2可能介導了組織器官的二次感染病和血管內皮細胞損傷 血管內皮細胞上ACE2的功能是將血管緊張素II分解為血管緊張素1-7，以調節血壓[11-12]。SARS-CoV-2在血液中可以被檢測到。因此，血液中的病毒可以通過肺毛細血管內皮細胞上的ACE2二次感染肺部，除了增加肺部的病毒載量外，內皮細胞上的ACE2與病毒結合，使內皮細胞被病原體標記，使內皮細胞成為宿主免疫系統識別和攻擊的目標。這或許可以解釋為什么SARS-CoV-2引起的器官水腫比其他病毒引起的器官水腫嚴重。

2.2病毒載量和機體免疫的相互作用 雖然SARS-CoV-2感染的細節仍不清楚。一般來說，大多數受感染的細胞不會直接被病毒殺死。免疫反應和炎癥是殺傷病毒的主要力量，但它們也可能傷害被感染的細胞和周邊的旁觀者細胞。免疫反應和炎癥的程度取決于病毒載量。在大多數情況下，呼吸道中的病毒被非特異的固有免疫力殺死，從而使機體避免被感染。如果被感染，在潛伏期，病毒在體內復制，如果宿主免疫反應迅速而強烈，患者清除病毒前可能不出現癥狀或只有輕微的疾病。如果免疫反應延遲和弱，患者可能長期成為病毒載體但沒有癥狀。最壞的情況可能是患者對病毒有延遲但強烈的免疫反應，此時強烈的免疫反應與高病毒載量同時出現，可能誘發炎癥風暴。

2.3炎癥風暴引起毛細血管通透性升高 炎癥風暴是一個災難性的事件，炎癥反應惡性循環，不斷級聯放大，最終使機體無法承受。為了應對一種新病毒，最少需要幾天時間獲得免疫反應才能發揮作用，所以COVID-19往往早期并不重，炎癥爆發時突然出現SARS-CoV-2-ARDS。抗病毒后天免疫反應由專為病原體/外來抗原設計的淋巴細胞介導，攻擊病原體和攜帶病原體的細胞，直到病毒被免疫/炎癥級聯反應清除。

典型的免疫/炎癥級聯反應從釋放細胞因子[14-15]開始，細胞因子是免疫細胞釋放的小蛋白質，細胞因子風暴是炎癥風暴[16-17]的一部分。典型的免疫/炎癥級聯反應釋放的第一波炎癥因子由細胞因子組成，包括白細胞介素、腫瘤壞死因子和干擾素等。白細胞介素和腫瘤壞死因子調節淋巴細胞增殖和凋亡、炎癥、發熱、趨化性細胞因子釋放等許多功能。干擾素干擾病毒復制。第二批釋放的炎癥因子是在第一批炎癥因子刺激下，由免疫/炎癥細胞釋放的趨化性細胞因子，它們介導白細胞定向遷移到受感染或受損的組織，這個過程稱為浸潤。浸潤由內皮細胞和白細胞上的各種細胞粘附分子精確調控。被激活的內皮細胞表達細胞粘附分子，趨化性細胞因子促進白細胞通過其上的黏附蛋白配體結合到內皮細胞上對應的黏附蛋白，然后定向遷移到發炎/受傷的組織，所以被激活的內皮細胞上的粘附分子決定了白細胞浸潤的部位和數量。白細胞浸潤在炎癥中起著核心作用。在組織內，白細胞進一步被激活并炎癥介質和自由基等非特異性消毒劑樣物質。在許多情況下，炎癥引起的傷害比致病因素本身造成的傷害嚴重得多。活化的白細胞，包括淋巴細胞、巨噬細胞和粒細胞等，在病灶中和仍在血液循環中的激活白細胞釋放第三波炎癥介質和消毒劑樣物質[18]，這些炎癥和消毒劑樣物質可被吸收入血，進一步激活更多的炎細胞，形成不斷升級放大的炎癥風暴，直到病原體被消滅或者患者死亡。消毒劑樣物質的作用是非特性的，即可殺滅病原體，又可殺傷患者體內正常細胞，包括血管內皮細胞，引起血管壁通透性升高。

2.4炎癥風暴產生的升高血管壁通透性物質種類 消毒劑樣物質和部分炎癥介質損害血管內皮細胞，血管內皮細胞受損和被炎癥介質激活后收縮均增加毛細血管壁通透性，導致血液中的水和蛋白質從毛細血管滲漏到組織間隙[19]。主要的促進血管通透性升高的炎癥相關物質包括：促炎性細胞因子、趨化性細胞因子、白三烯、前列腺素、血小板激活因子、補體、組胺、緩激肽、活性氧和一氧化氮等[14, 17-20]。

2.5COVID-19時肺水腫時比其它器官水腫更嚴重 雖然全身炎癥影響體內所有毛細血管，但COVID-19時肺水腫時比其它器官水腫更嚴重，可能原因有四個。首先，肺是第一個感染SARS-CoV-2的器官，病毒載量高；第二，肺毛細管床的總面積比任何其它器官大；第三，全身所有血液均經過肺進行氣體交換。第四，肺是絕大多數靜脈回流的血液，包括其中的代謝廢物、炎癥細胞、炎癥介質、毒性物質等，首先接觸的器官。

3 如何防止和阻止器官滲漏？

嚴重的水腫導致器官功能障礙，患者器官功能障礙是否導致患者死亡，取決于水腫的強度和器官原有的代償能力兩個因素。器官原有的基礎性疾病降低器官的功能儲備，使患者更難存活。

3.1抗病毒藥物 目前，沒有一種藥物足以治療肺部滲漏。現有臨床和在研的抗病毒藥物[21-23]作用機理都是抑制病毒生長，但不殺死病毒，需要免疫和炎癥反應來殺死體內已有的病毒。所以應盡早使用抗病毒藥物，以減少患者的病毒載量。操控免疫和炎癥反應對病毒殺滅作用和對組織損傷之間的平衡，是一個極具挑戰性的難題。

3.2免疫抑制劑 因為糖皮質激素抑制身體幾乎所有的功能，所以除非患者處于危及生命的狀況，否則不應持續和高劑量使用糖皮質激素。為了對過強的免疫性炎癥反應進行削峰填谷，使病人度過難關，可以擇時選用副作用較小的免疫抑制劑藥物，如西羅莫司[23]和他克莫司。

3.3SARS-CoV-2感染痊愈患者的血漿 SARS-CoV-2感染痊愈患者的血漿[22]可識別病毒抗原，觸發殺滅病毒的免疫反應。但抗血清也可能針對攜帶病毒的細胞，因此，如果使用時機不對，也可能加重細胞損傷。

3.4非甾體抗炎藥 用于治療風濕性關節炎的非甾體激素類藥物，可減少白三烯、前列腺素和血小板激活因子等脂質介質合成。如氯喹，通過抑制磷脂酶A2起作用[24]。磷脂酶A2水解磷脂酰膽堿的sn-2酯，產生脂肪酸(通常是花生四烯酸)和溶血磷脂。花生四烯酸是白三烯和前列腺素生物合成的底物，而溶血磷脂是合成血小板激活因子的底物，血小板激活因子、白三烯和許多前列腺素都是強促炎因子，可提高血管壁通透性。磷脂酰膽堿是細胞膜的主要成分，磷脂酰膽堿被水解和溶血磷脂的產生對細胞膜造成損害。前列腺素是環氧合酶(cyclooxygenase, COX)-1和COX-2的產物，可被阿司匹林和布洛芬抑制。因為大多數促炎類前列腺素是COX-2的產物，所以COX-2抑制劑塞來昔布(celecoxib)是一種更具選擇性的抗水腫藥物。因磷脂酶A2的各種產物都具有相應的生物學功能，所以非甾體抗炎藥具有不同程度的副作用，但在治療致命性肺滲漏時仍不失為可選藥物。

3.5中藥 來自多家醫院的信息表明，抗炎(清火)中草藥對COVID-19有效，盡管這些結果未經過嚴格的雙盲性臨床實驗驗證，但從許多清火的中草藥具有顯著抑制炎癥的事實判斷[25]，它們對COVID-19具有潛在治療作用。

3.6抗氧化劑 氧化還原反應是機體能量和激素合成等不可缺少的代謝過程，抗氧化劑很難達到治療劑量而不對機體造成無法承受的副作用。抗氧化劑的非抗氧化作用也有副作用，如維生素C，作為酸性物質，可加重酸中毒。

3.7調節細胞ACE2水平的藥物 針對ACE2的藥物的效果很難預測，因為ACE2的表達水平和位置決定了感染的難易程度、病毒的細胞分布以及被病毒標記的細胞數量。此外，ACE2是重要的血壓調節酶，高血壓患者可能需要因此調整用藥方案。

3.8干細胞 干細胞通過分化為臟器特定的功能細胞、血管內皮細胞、旁分泌發揮治療作用，因此可能對COVID-19有治療效果。但干細胞治療具有多個固有的副作用，就COVID-19而言，特別需要指出的是異體干細胞引起的免疫排異反應，有可能加重免疫反應，使炎癥風暴加重。

3.9抗體治療 針對促炎細胞因子[26-27]抗體，如白細胞介素1β、腫瘤壞死因子α和白細胞介素6的抗體，可有效抑制特定的細胞因子[16,26]，但鑒于炎癥風暴涉及大量不同的細胞因子，單用一種或數種細胞因子抗體，可能不足以治療由炎癥風暴引起的濕肺。抗原抗體結合所誘發的炎癥免疫反應，可能成為炎癥風暴新的促發因素，對機體有害無益。

3.10血液透析 血液透析可以消除分子量小于15 kD 的不需要的物質，以及一些分子量為15～35 kD的中型分子；臨床常以分子量26 kD的α1-微球蛋白的清除率作為評估中分子物質透析效果的指標[28-29]。趨化性細胞因子、白三烯、前列腺素、血小板激活因子、補體、組胺、緩激肽、活性氧簇和一氧化氮等的分子量均小于10 kD；大多數促炎細胞因子(如腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β和白細胞介素6等)的分子量均小于20 kD。因此，血液透析可消除引起血管壁通透性升高的大多數炎癥介質和細胞毒性物質，可作為COVID-19炎癥暴發所致的致命性肺滲漏的救命手段。

鑒于炎癥風暴時毛細血管損害和通透性升高涉及眾多類別的炎癥介質和非特異細胞毒性物質，當病毒感染、免疫反應和非免疫炎癥引起的損傷高峰同時出現時[30]，針對其中一類或幾種類別的治療措施可能不足以挽救患者的生命。唯一能夠清除所有類別的毒性物質的治療措施是血液透析。所以對于重癥COVID-19，血透應做到能用即用。

4 總結

◆ SARS-CoV-2感染導致的肺毛細血管通透性升高需要得到特別重視。

◆ 炎癥風暴導致危及生命的肺水腫。

◆ 血中的SARS-CoV-2通過肺毛細血管上的ACE2二次感染肺，加重肺感染。

◆ 血中的SARS-CoV-2通過與全身毛細血管上的ACE2結合，進入組織器官，并標記血管內皮細胞，進而使血管內皮細胞受到免疫攻擊。

◆ 病毒載量、免疫反應和炎癥高峰相遇時，易發生炎癥風暴。

◆ 血液透析可以消除血液中的大多數炎癥介質和細胞毒性物質，對于重癥COVID-19，血透應做到能用即用。

◆ 血液透析只能預防和阻止肺滲漏，不能治療已經發生的肺實變，在重癥轉為危重癥之前使用才能取得理想效果。

◆ 抗病毒藥物、糖皮質激素、免疫抑制劑、非甾體抗炎藥、清火中草藥、抗氧化劑、ACE2調節劑、干細胞、抗血清、促炎性細胞因子抗體的療效和副作用之間必須仔細權衡。

◆ 基礎疾病減少器官的功能儲備，使患者難以承受因SARS-CoV-2感染引起的器官水腫和功能障礙。