低氧狀態及炎癥反應是新型冠狀病毒肺炎患者發生急性心肌損傷的危險因素

楊林承，張瑞濤，郭麗君，肖 晗，祖凌云，張幼怡，程 秦，趙志伶，葛慶崗，高 煒△

(1. 北京大學第三醫院心內科，國家衛生健康委員會心血管分子生物學與調節肽重點實驗室，分子心血管學教育部重點實驗室，心血管受體研究北京市重點實驗室，北京 100191； 2. 北京大學第三醫院呼吸與危重醫學科，北京 100191；3. 北京大學第三醫院危重醫學科，北京 100191)

嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)為一種具有包膜的非節段的單股正鏈RNA病毒，直徑約50～200 nm[1]，是目前發現的冠狀病毒家族中第7種可以感染人類的成員。現有研究結果表明，SARS-CoV-2具有血管緊張素轉化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)受體結合結構域[2]，可通過ACE2進入宿主細胞。

SARS-CoV-2感染主要累及呼吸系統，典型臨床癥狀為發熱、干咳、乏力、呼吸困難，嚴重者可出現低氧血癥及急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)及多臟器功能不全。近期諸多報道表明SARS-CoV-2感染同樣可以累及心血管系統，造成急性心肌損傷，嚴重者病情快速進展，預后不佳[3-5]。SARS-CoV-2導致心肌損傷的機制尚缺乏研究，依據既往針對SARS-CoV及中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV)的相關研究，目前推測新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)患者急性心肌損傷與病毒直接侵犯心肌細胞、嚴重低氧血癥相關的心肌供氧-需氧失衡及過度炎癥反應介導的心肌損傷相關[6]，但均缺乏直接證據。本研究擬通過分析合并急性心肌損傷的COVID-19患者的臨床特征，為臨床盡早識別發生急性心肌損傷高風險的COVID-19患者提供依據，并為該部分患者的治療及后續機制研究提供思路。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選取2020年2月6日至3月18日北京大學援鄂醫療隊接管的華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院中法新城院區COVID-19病房確診患者。全部患者均通過典型的臨床表現、典型胸部影像學表現及鼻咽拭子SARS-CoV-2核酸檢測陽性確診。患者的臨床分型判定依據國家衛生健康委員會發布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第七版)》進行。具體標準為：(1)輕型：臨床癥狀輕微，影像學未見肺炎表現；(2)普通型：具有發熱、呼吸道等癥狀，影像學可見肺炎表現；(3)重型：符合以下情況之一者：①出現氣促，呼吸頻率>30次/min；②靜息狀態下指氧飽和度≤93%；③動脈血氧分壓(PaO2)/吸氧濃度(FiO2)≤300 mmHg；④肺部影像學顯示24～48 h內病灶明顯進展>50%者；(4)危重型：符合以下情況之一者：①出現呼吸衰竭，且需要機械通氣；②出現休克；③合并其他器官功能衰竭需收入重癥監護病房監護治療。

本研究的患者納入標準為：(1)年齡≥18歲；(2)病歷資料完整；(3)在院期間進行了心肌肌鈣蛋白I(cardiac troponin I，cTnI)等心肌損傷標志物、高敏C反應蛋白(high-sensitivity C-reactive protein，hs-CRP)等炎癥因子及鐵蛋白檢測。排除標準包括：(1)合并以下疾病者：慢性心力衰竭、冠狀動脈性心臟病、肺栓塞、慢性肝臟疾病、需要血液透析的慢性腎臟病、自身免疫性疾病、血液系統疾病、器官移植術后服用抗排異藥物治療；(2)曾因COVID-19于外院接受治療。

心肌損傷診斷依據2018年歐洲心臟病學會(European Society of Cardiology， ESC)年會發布的第四版心肌梗死全球統一定義中關于心肌損傷的診斷標準[7]，即cTn高于正常參考值上限第99百分位。本研究中對全部出現胸痛、心悸及呼吸困難的患者進行了cTnI的檢測。華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院中法新城院區cTnI正常參考值上限為34.2 ng/L，據住院期間cTnI是否出現高于此值的情況，將入組患者分為心肌損傷組及非心肌損傷組。

1.2 資料收集

1.2.1病歷資料 通過華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院電子病歷系統，采集入組患者與研究相關的信息，主要包括：一般信息、既往史、入院情況及藥物治療方案等。

1.2.2檢驗結果資料 收集入組患者住院期間的實驗室檢驗結果，包括血常規、血肌酐、凝血結果。非心肌損傷組患者收集其首次同時完善MB型肌酸激酶(muscle brain isoenzyme of creatine kinase，CK-MB)、cTnI、hs-CRP、鐵蛋白及細胞因子組合[包括白細胞介素2受體(interleukin 2 receptor，IL-2R)、白細胞介素(interleukin，IL)-6、IL-8及腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)]的結果；心肌損傷組患者收集其首次發現心肌損傷時的CK-MB、cTnI結果，及距離該時間點最近一次的hs-CRP、鐵蛋白及細胞因子組合結果。

1.3 統計分析

應用SPSS 20.0軟件進行統計分析。計數資料用率(%)或構成比表示，組間比較采用Pearson卡方檢驗或Fisher精確檢驗；計量資料符合正態分布的數據采用均數±標準差表示，非正態分布數據用中位數(四分位數間距)表示，兩組間比較應用獨立樣本t檢驗或Mann-WhitneyU檢驗，相關性檢驗采用Spearman相關性分析。采用單因素及多因素Logistic回歸模型分析與COVID-19患者發生急性心肌損傷相關的因素，將組間比較差異存在統計學意義的因素納入單因素Logistic回歸模型分析；將單因素分析中P<0.05的因素納入多因素Logistic回歸模型，并分別應用進入法及后退LR法進行分析。比值比(odds ratio，OR)的分析及計算采用Logistic回歸進行，并計算95%置信區間(confidence interval，CI)。通過繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線分析部分因素對COVID-19患者發生急性心肌損傷的預測價值。P<0.05為差異存在統計學意義。

2 結果

2.1 患者的臨床特征

根據納入及排除標準篩選，本研究最終入選149例COVID-19確診患者，中位年齡為 63.0(50.5，69.5)歲，其中男性73例(49.0%)，合并高血壓57例(38.3%)、糖尿病25例(16.8%)、高脂血癥17例(11.4%)、腦血管病7例(4.7%)，吸煙史陽性者6例(4.0%)。研究流程圖見圖1。

圖1 研究流程圖

根據患者在院期間是否發生急性心肌損傷將其分為心肌損傷組19例(12.8%)和非心肌損傷組130例。心肌損傷組患者從首個COVID-19癥狀出現至發生心肌損傷的中位時間為16(4～30) d；非心肌損傷組患者，從首個COVID-19癥狀出現至首次cTnI檢測的中位時間為18(6～24) d。全部心肌損傷組患者均存在心悸或呼吸困難癥狀，全部接受了心電圖檢測；但在非心肌損傷組患者中，僅對36例(27.7%)存在胸痛或心悸癥狀的患者進行了心電圖檢查。受病房條件所限，僅有36例患者接受了超聲心動圖檢查(心肌損傷組19例，非心肌損傷組17例)。心肌損傷組患者心電圖并無特異性改變，1例患者新發非特異性室內傳導阻滯，4例患者存在竇性心動過速；其超聲心動圖改變同樣缺乏特異性，僅在1例患者中觀察到了心肌水腫征象及左室射血分數的下降。

與非心肌損傷組相比，心肌損傷組患者年齡更大(P=0.017)， 重癥/危重癥患者比例更高(P=0.001)， 合并高血壓者更多(P=0.005)；入院時呼吸頻率更快(P<0.001)， 未吸氧狀態下經皮血氧飽和度(percutaneous oxygen saturation，SpO2)更低(P=0.003)；其他多項指標，包括白細胞計數、血肌酐水平、D-二聚體水平及N末端腦鈉肽前體水平在心肌損傷組也顯著高于非心肌損傷組，差異均有統計學意義(P<0.05)。獲取血液樣本時，心肌損傷組患者接受糖皮質激素治療的比例顯著高于非心肌損傷組，且住院期間接受機械通氣治療的比例同樣高于非心肌損傷組患者(P<0.05)。心肌損傷組患者在院死亡風險為非心肌損傷組患者的12.799倍(95%CI：3.899～41.888，P<0.001，表1)。

表1 COVID-19確診患者基礎資料及組間比較

2.2 心肌損傷組與非心肌損傷組炎癥標志物水平比較

心肌損傷組患者與非心肌損傷組患者的炎癥標志物水平存在差異。與非心肌損傷組相比，除TNF-α外，心肌損傷組患者其余各項炎癥標志物水平均顯著升高(P<0.01，表2)。值得注意的是，有128例(85.9%)患者IL-1水平低于檢測下限(<5 ng/L)， 故本研究中未再對該指標進行比較與分析。

表2 組間hs-CRP、鐵蛋白及細胞因子濃度比較

2.3 血cTnI水平與炎癥標志物水平間的相關性分析

COVID-19患者血cTnI水平與炎癥標志物水平間存在一定相關性。Spearman相關性分析表明，在全部入組患者中，血cTnI水平與hs-CRP水平(n=114，ρ=0.364，P<0.001)、鐵蛋白水平(n=113，ρ=0.246，P=0.009)、IL-2R水平(n=114，ρ=0.323，P<0.001)、IL-6水平(n=110，ρ=0.282，P=0.003)及 IL-8水平(n=107，ρ=0.217，P=0.025)間均存在一定的正相關關系(圖2)。

2.4 COVID-19患者心肌損傷相關因素的Logistic回歸分析

單因素Logistic回歸分析表明，年齡、入院時呼吸頻率、入院未吸氧狀態SpO2、是否合并高血壓、血肌酐水平及部分炎癥因子水平均為COVID-19患者發生急性心肌損傷的相關因素(P<0.05)。將這些因素帶入多因素Logistic回歸模型，應用進入法分析后發現，入院未吸氧狀態SpO2偏低(OR=0.874，95%CI：0.780～0.979，P=0.020)及血IL-6水平增高(OR=1.056，95%CI：1.005～1.111，P=0.031)為COVID-19患者發生急性心肌損傷的獨立危險因素。進一步通過后退LR法分析后發現，入院未吸氧狀態SpO2偏低(OR=0.860，95%CI：0.779～0.949，P=0.003)及血IL-6水平增高(OR=1.068，95%CI：1.019～1.120，P=0.006)仍為COVID-19患者發生急性心肌損傷的獨立危險因素(表3)。

本研究中白細胞計數結果受是否應用激素治療及是否合并細菌感染影響，N末端腦鈉肽前體水平與cTnI水平存在共線性，非心肌損傷組僅部分患者完善了D-二聚體檢測，故未將上述三個因素納入Logistic回歸分析。

表3 與COVID-19患者發生急性心肌損傷相關因素的Logistic回歸分析

2.5 SpO2及血IL-6水平對COVID-19患者發生急性心肌損傷的預測作用

繪制ROC曲線，分析SpO2及血IL-6水平預測COVID-19患者發生心肌損傷的能力，SpO2的ROC曲線下面積為0.721(95%CI：0.561～0.882，P=0.003)，血IL-6水平的ROC曲線下面積為0.746(95%CI：0.636～0.855，P=0.001)。通過約登指數法計算上述兩指標預測心肌損傷的截斷值，SpO2的截斷值為 92.5%(敏感度 82.8%，特異度58.8%)，血IL-6的截斷值為42.5 ng/L(敏感度68.4%，特異度74.4%)。若同時考慮上述兩個指標，其ROC曲線下面積為0.825(95%CI：0.704～0.945，P<0.001)，可能提高對COVID-19患者心肌損傷發生的預測能力(圖3)。

Analyzed by Spearman correlation test, we show that levels of circulatory cardiac troponin I (cTnI) are in positive correlation (ρ>0, P<0.01) with levels of high-sensitivity C-reactive protein (hs-CRP, n=114), ferritin (n=113), receptor of interleukin-2 (IL-2R, n=114), interleukin-6 (IL-6, n=110) and interleukin-8 (IL-8, n=107). The values under level of detection were removed from the correlation test. Abbreviations as in Table 1 and 2.

Area under ROC of SpO2 is 0.721 (95%CI: 0.561-0.882, P =0.003), and area under ROC of IL-6 is 0.746 (95%CI: 0.636-0.855, P=0.001). Taking both of the two factors into consideration promotes predictive value for myocardial injury of COVID-19 patients. Abbreviations as in Table 1 and 2.

3 討論

近期研究表明，COVID-19患者中發生急性心肌損傷者并不少見，且常提示預后不良。本研究中12.8%的COVID-19患者發生了急性心肌損傷，且其在院死亡風險較未發生急性心肌損傷者顯著增高(OR=12.79，95%CI：3.899～41.888，P<0.001)，與已發表的多項研究結論一致[3-5, 8]。在已公布的一項COVID-19多中心回顧性研究中[9]，共納入了1 099例COVID-19確診患者，以需住ICU治療、機械通氣及死亡為復合終點，分析后同樣發現發生終點事件的患者中存在心肌損傷標志物異常升高者比例顯著高于未發生終點事件者(P=0.021)。目前，COVID-19患者發生心肌損傷的確切機制尚不明確，推測與病毒直接侵犯心肌細胞、嚴重低氧血癥及過度的炎癥反應相關。本研究結果表明，入院未吸氧狀態SpO2偏低及血IL-6水平升高為COVID-19患者發生急性心肌損傷的獨立危險因素，從臨床角度佐證了前述關于COVID-19患者發生急性心肌損傷機制的推測假說。

心肌供氧-需氧失衡可能參與了COVID-19患者急性心肌損傷的發生過程。SARS-CoV-2感染主要累及呼吸系統，患者多具有發熱、干咳、乏力等臨床癥狀，嚴重者可快速進展為重癥肺炎，甚至發生ARDS[4]。心肌是高度氧依賴的組織，除冠狀動脈血流量外，血氧含量在維持心肌正常代謝中同樣發揮了重要作用。既往研究表明，嚴重而持續的低氧血癥可通過引發血管內皮細胞功能障礙及凋亡[10-14]、線粒體功能損傷[15-17]和血管痙攣[18]等多種機制導致急性心肌損傷的發生。已有回顧性分析表明，與存活患者相比，COVID-19死亡患者氧合指數更低[19]。疾病相關的機體供氧障礙與感染狀態下機體代謝旺盛、心肌細胞耗氧量增加可引發心肌細胞供氧-需氧失衡。本研究發現，入院未吸氧狀態SpO2偏低為COVID-19患者發生急性心肌損傷的獨立危險因素，提示心肌供氧-需氧失衡機制可能參與了COVID-19患者急性心肌損傷發生的病理生理過程。國家衛生健康委員會發布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第七版)》中將入院未吸氧狀態SpO2≤93%作為重癥患者的診斷標準之一，本研究所得SpO2截斷值與其接近。與動脈血氣分析相比，SpO2測定具有快速、無創、不需血氣分析儀等優勢，結合本研究結果，在COVID-19患者中該指標應獲得更多關注。

IL-6在COVID-19患者過度炎癥反應介導的急性心肌損傷中發揮了重要作用。目前的研究表明，COVID-19患者體內存在炎癥因子風暴，血液樣本中IL-4、IL-6及IL-10水平顯著升高[3-4]。本研究同樣發現心肌損傷組患者血漿多個細胞因子水平均顯著高于非心肌損傷組，且與cTnI間存在一定的相關性。而多因素Logistic回歸分析證實，血IL-6升高為COVID-19患者發生急性心肌損傷的獨立危險因素，支持發生了心肌損傷的COVID-19患者體內存在過度的炎癥反應，提示炎癥反應參與了心肌損傷的病理生理過程。一項單中心研究回顧了41例COVID-19患者的心臟CT掃描結果，研究發現危重癥組和重癥組的平均心外膜脂肪組織平均密度低于輕癥組，同樣表明COVID-19患者可能存在心臟炎癥反應[20]。SARS-COV、MERS-COV感染也可導致過度炎癥反應，病毒感染后可活化樹突細胞、單核巨噬細胞和其他外周血單個核細胞，上調促炎細胞因子TNF和IL-6表達水平[21]。

IL-6異常激活凝血系統并導致血管內皮細胞損傷[22-23]，可能與COVID-19患者急性心肌損傷的發生相關。文獻報道約20%的COVID-19患者可出現D-二聚體異常升高[3-4]，本研究同樣發現心肌損傷組患者D-二聚體水平顯著升高，提示該部分患者體內血栓負荷可能較高。而針對COVID-19和SARS死亡患者的尸體解剖則發現了心臟內皮細胞損傷及冠狀動脈微血栓形成的證據[24-25]。依據以上現象推測，IL-6可能通過異常激活凝血系統及損傷血管內皮細胞導致心臟微循環血栓形成，進而導致心肌損傷。基于本研究結果，對于IL-6水平顯著升高的COVID-19患者，早期應用IL-6受體拮抗劑可能會降低其急性心肌損傷發生風險，甚至改善預后。目前已有研究者開始評價IL-6受體拮抗劑在COVID-19患者治療中的價值(ClinicalTrials.gov編號：NCT04315480，NCT04317092)，其研究結果值得期待。

低氧狀態與炎癥間的惡性循環可能加劇了COVID-19患者急性心肌損傷的嚴重程度。炎癥可因局部或系統性供氧-需氧失衡而導致低氧狀態[26]；同時低氧狀態也可通過缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor，HIF)/羥化酶結構域酶通路(HIF / prolyl hydroxylase domain enzymes pathways)加重炎癥反應[26-27]。

本研究存在以下不足之處：首先，為單中心回顧性研究，分析所獲得的兩個指標未在其他隊列中進行驗證，其對COVID-19患者急性心肌損傷發生情況的預測價值尚需評估；其次，排除了合并慢性心力衰竭、冠狀動脈性心臟病等疾病患者，而此群體為心肌損傷好發人群，故本研究可能低估了COVID-19患者急性心肌損傷的發生風險；最后，本研究僅入選了19例發生了急性心肌損傷的COVID-19患者，研究所得結論受樣本量限制。

綜上，本研究發現入院未吸氧狀態SpO2偏低及血IL-6水平偏高為COVID-19患者發生急性心肌損傷的獨立危險因素，提示低氧狀態及炎癥在COVID-19患者發生急性心肌損傷的病理生理過程中起到了重要作用。

(志謝：感謝北京大學第三醫院臨床流行病學研究中心曾琳助理研究員在統計分析思路方面提供的幫助。感謝北京大學第一醫院、北京大學人民醫院、華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院對本研究的支持及幫助。)