新型冠状病毒肺炎:重症肺炎与免疫紊乱

2022
05/10

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癌图腾
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免疫状态紊乱是重症COVID-19进展及预后不良的主要原因之一,有效的免疫调理是影响重症COVID-19患者转归的重要策略。

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是由新型冠状病毒(SARS-CoV-2)感染所引起的急性呼吸道传染性疾病,已成为现阶段严重威胁人类生命健康的突出难题。目前全球共有超过2.76亿患者被确诊感染OVID-19,因重症肺炎死亡人数高达530万,我国累计报告确诊COVID-19病例数约10万,其中死亡病例4636例[1-2]。肺炎是SARS-CoV-2感染的主要表现,临床患者出现发热、咳嗽及呼吸困难,可伴有多个器官功能损伤,如心、肝、肾等,逐步进展成为重症肺炎,最终导致患者死亡。目前对于SARSCoV-2感染所致重症肺炎的确切机制尚不明确,临床缺乏特异性治疗手段。

现阶段观点认为,病毒直接介导的细胞损伤、肾素-血管紧张素-醛固酮系统功能紊乱所致血管紧张素转换酶2(ACE2)表达下调、内皮细胞损伤、肺血管微血栓形成以及免疫应答异常与高炎症反应状态是COVID-19的主要病理生理学特点[3]。免疫应答障碍在COVID-19发生及进展中具有重要意义,被认为是多器官功能损伤及死亡的主要原因之一。

研究发现,SARS-CoV-2可侵袭机体几乎所有种类的免疫细胞,并通过诱导细胞应答紊乱及死亡的方式介导机体免疫反应异常,如诱导单核细胞或巨噬细胞过度活化以及T淋巴细胞大量凋亡,引起固有免疫与适应性免疫应答失调,出现炎症因子的过度释放及低淋巴细胞血症[4]。大量临床数据显示免疫紊乱相关指标,如中性粒细胞与淋巴细胞比率(NLR)及淋巴细胞计数减少,与COVID-19患者严重程度及死亡密切相关[5-6]。因此,充分了解SARSCoV-2感染时免疫细胞功能变化及调节机制对深入认识COVID-19病理生理过程及探寻有效治疗手段具有重要理论意义与临床应用价值。

1 固有免疫应答紊乱

1.1 单核/巨噬细胞 单核/巨噬细胞是机体免疫应答的第一道防线,是细胞因子产生的主要场所。业已明确,SARS-CoV-2能通过ACE2依赖和非依赖途径感染外周CD14+单核细胞及肺泡巨噬细胞,后者迅速活化并释放大量趋化因子和炎性介质,如CX-C趋化因子配体(CXCL)10、CXCL11、C-C趋化因子配体(CCL)15、CCL16、CCL19、粒细胞-巨噬细胞刺激因子(GM-CSF)、干扰素(IFN)-α、白细胞介素(IL)-6、肿瘤坏死因子(TNF)-α,进一步招募免疫细胞及有效清除病原微生物[7]。2例重症COVID-19死亡患者尸检结果显示,患者存在严重的肺组织损伤及急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的病理学表现,肺组织内炎症因子水平显著升高,肺泡内大量巨噬细胞浸润[8]。

细胞学分析发现,外周血及肺组织中单核细胞和巨噬细胞均存在明显SARS-CoV-2感染,且与细胞高表达ACE2及S蛋白结合增加相关[8]。SARS-CoV-2阳性单核细胞呈现明显组织浸润并分化为炎症性巨噬细胞,后者表现为过度活化状态,释放大量炎性介质,是COVID-19患者细胞因子风暴的主要原因之一[7]。组织局部高炎症因子水平是肺泡上皮细胞损伤的直接原因,进一步通过促进内皮组织因子释放及凝血因子的异常激活等方式介导大量微血栓形成,加重组织损伤[9]。多种机制参与了SARS-CoV-2感染所致单核细胞组织浸润及巨噬细胞过度活化过程,包括Toll样受体(TLR)依赖的核因子κB(NF-κB)及Janus激酶(JAK)-信号转导子和转录激活子(STAT)信号通路激活、受体依赖和非依赖途径核苷酸寡聚化结构域(NOD)样受体热蛋白结构域相关蛋白(NLRP)3炎性小体的活化等[7]。

目前已开展多项旨在下调COVID-19患者机体炎症因子水平的临床研究,包括拮抗IL-6及IL-1β的单克隆抗体、炎性小体活性抑制剂以及TLR4-TIR结构域衔接蛋白(TRIF)、JAK-STAT信号通路抑制剂等,然而并无明确减缓重症COVID-19进展及改善预后的证据[7]。采用单细胞测序技术对COVID-19患者肺泡灌洗液(BALF)中免疫细胞进行分析发现,BALF中巨噬细胞可以细分为4个大亚群,包括FCNhi亚群、FCNlowSPP1+亚群、FCN-SPP1+亚群及FABP4+亚群。与轻症及正常人比较,重症COVID-19患者巨噬细胞亚群出现明显失调,表现出FCNhi亚群、FCNlowSPP1+亚群及FCN-SPP1+亚群的比例显著增加,而FABP4+亚群的比例明显减低,甚至缺失[10]。

深入分析发现,FCNhi亚群、FCNlowSPP1+亚群及FCN-SPP1+亚群中STAT1、STAT2及多种IFN调节因子(IRF)活性增强,表现为炎性活性相关,而FABP4+亚群因高表达过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARG)和基本螺旋-环-螺旋家族成员e41(BHLHE41)而参与脂质代谢过程[10]。充分理解SARS-CoV-2感染过程中单核细胞浸润及巨噬细胞过度活化的关键环节及具体分子机制,采用多层面、多靶点联合调控的方式可能是未来治疗SARSCoV-2所致重症肺炎的潜在措施。

1.2 中性粒细胞 中性粒细胞数目增加及淋巴细胞比例升高是SARS-CoV-2感染的重要免疫学特征之一,与疾病严重程度及患者预后密切相关[6]。循环及肺组织中性粒细胞增多是COVID-19固有免疫应答的主要特点,能通过直接吞噬病原微生物及形成胞外捕获网(NETs)方式参与SARS-CoV-2感染的固有免疫应答过程[11]。适度的中性粒细胞浸润是有效清除病原菌感染及组织修复的重要手段,而中性粒细胞过度浸润及消退延迟是造成组织损伤的主要因素。

据报道,与轻中度COVID-19患者比较,重症COVID-19患者外周血中性粒细胞数量呈现持续升高趋势,与肺部影像学改变恶化和不良预后明显相关[12]。同时,中性粒细胞活性明显增强,NETs的形成及释放增多,后者在支气管肺泡、肺间质及肺血管中广泛存在,可促进炎症因子释放、内皮损伤及血栓形成等,从而加剧重症肺炎的恶化[11]。因此,靶向调节NETs形成及释放可能是改善重症COVID-19患者肺组织损伤的有效靶点。

有研究证实,吸入或全身性应用脱氧核糖核酸酶(DNase)能通过溶解NETs,减低肺组织NETs水平,提高肺囊性纤维化患者的肺功能,减少二次感染的发生率[13]。与健康对照者和轻症患者相比,重症COVID-19患者外周血中性粒细胞亚群相对丰度亦发生显著改变,CD10的表达明显减低,导致CD10LowCD101-CXCR4+/-未成熟中性粒细胞的比例明显增加,可能是组织损伤的主要原因之一[14]。

1.3 树突状细胞 树突状细胞是机体功能最强的专职抗原提呈细胞,在抗病毒免疫应答、适应性免疫启动及免疫平衡维持中居重要地位。树突状细胞包括经典树突状细胞(cDC)、浆细胞样树突状细胞(pDC)以及滤泡样树突状细胞(FDC),其中pDC通过特征性表达TLR7和TLR9有效识别病毒并分泌大量I型IFN,在抗病毒免疫中发挥重要作用。研究发现,急性SARS-CoV-2感染导致循环中树突状细胞数目锐减,cDC与pDC的比例失衡,且cDC/pDC比值升高与不良预后密切相关[15]。SARS-CoV-2感染后树突状细胞焦亡增加被认为是细胞数目减少及炎性介质失控性释放的重要机制[16]。

此外,重症COVID-19患者树突状细胞出现明显的成熟及活化障碍,其表面共刺激分子CD86及CD80表达较健康人显著抑制,进而引起T淋巴细胞免疫应答下调[15]。SARS-CoV-2感染体外培养单核细胞来源树突状细胞后,其干扰素的产生及释放明显抑制,与SARS-CoV-2干扰细胞内STAT1磷酸化有关[17]。目前关于重症COVID-19患者树突状细胞数量及功能评估的报道较少,分子机制尚不明确。树突状细胞作为桥接固有免疫与适应性免疫的关键纽带,其数量减少及功能异常势必引起机体免疫活性障碍。

2 适应性免疫应答紊乱

2.1 T淋巴细胞 T淋巴细胞系介导机体适应性免疫的核心,能有效识别经抗原提呈细胞处理的抗原信号,迅速增殖、分化成不同的效应T细胞亚群,发挥免疫学效应。业已明确,CD4+T及CD8+T淋巴细胞均参与COVID-19的发生及发展[18]。有资料显示,正常情况下SARS-CoV-2反应性T细胞主要为Th1型淋巴细胞,后者通过分泌IFN-γ、TNF-α及IL-2发挥抗病毒免疫[19]。然而,重症COVID-19患者中CD4+T淋巴细胞出现向Th17表型极化而Th1型细胞活化抑制现象[20]。同时,免疫抑制性表型分子,如程序性细胞死亡蛋白(PD)1及细胞毒性T淋巴细胞抗原(CTLA)4,阳性表达T淋巴细胞比例显著增加,与预后不良呈明显正相关[21]。CD4+T及CD8+T淋巴细胞活化障碍是重症COVID-19患者适应性免疫应答紊乱的主要特征性表现。

大量临床观察证实,外周血淋巴细胞数目下降是重症COVID-19病情进展的重要特点,表现为效应性、幼稚及记忆的CD4+T及CD8+T淋巴细胞数量均明显减少[22]。此外,采用单细胞测序技术根据T细胞表型基因的表达与分布,能将T细胞细分为12个亚群,包括CD4+T细胞(CD3e+CD4+)的6种亚型、CD8+T细胞的3种亚型(CD3e+CD8a+)和3种NKT细胞亚型(CD3e+CD4﹣CD8a﹣TYROBP+)[23]。

研究发现,与健康对照者相比,COVID-19患者中的NK和T细胞比例明显增高,而相较于轻症患者,重症患者中CD8+T细胞比例较低,可能是SARS-CoV-2病毒清除能力下降的原因之一[10]。然而,目前对于T淋巴细胞活化障碍、数目减少及分化异常的确切机制并无定论,充分阐明SARS-CoV-2感染时T淋巴细胞增殖、活化及分化的关键环节及调控机制,将有助于研发改善重症COVID-19患者免疫抑制的措施。

2.2 B淋巴细胞 B细胞是机体体液免疫的主要执行者,能通过特征性表面标志物B细胞受体(BCR)有效识别和结合抗原,在共刺激分子协同作用下激活并产生抗体发挥免疫调理效应。研究发现,新发SARS-CoV-2患者外周血IgM水平明显升高,而IgG浓度增加往往提示患者处于SARS-CoV-2感染的恢复期,提示B细胞功能状态与分化方向与SARSCoV-2感染患者预后密切相关[24]。重症COVID-19患者外周血B细胞比例明显低于健康者及轻中度患者,然而浆细胞的比例却呈现上升趋势,提示SARS-CoV-2感染致B细胞数量减少及分化异常,且与COVID-19的严重程度有关[25]。

此外,重症COVID-19患者外周血IgM及IgG水平呈时间依赖性升高,但与浆细胞的扩增并无明显相关性[25]。对于B淋巴细胞介导体液免疫在拮抗SARS-CoV-2感染中的意义及机制尚不明确,浆细胞扩增及抗体产生增加一方面是机体应对感染的方式,另一方面持续性B细胞异常分化及抗体产生是引发免疫应答紊乱及组织损伤的潜在诱因。因此,动态监测重症COVID-19患者外周血B细胞数量及亚型变化、IgM与IgG水平可能是有效了解疾病进展及评估预后的重要手段。此外,研究发现B细胞中新的粒细胞表型是重症COVID-19患者的重要免疫学特征[26]。

3 免疫紊乱与COVID-19患者多器官功能障碍关系

多器官功能障碍是重症COVID-19患者预后不佳的主要原因,特别是目前缺乏特异性治疗措施前提下,器官功能支持是救治COVID-19患者的主要手段。业已明确,免疫平衡失调及过度炎性因子释放所导致的局部炎症微环境恶化是引起SARSCoV-2感染所致器官功能损伤的重要因素,后者能进一步损伤血管内皮,诱导微血栓形成,导致组织局部缺血,加重器官损伤[27]。SARS-CoV-2在COVID-19患者的多个器官细胞中被发现,能通过直接诱导组织细胞损伤及局部免疫微环境失衡,介导组织损伤[27]。

研究发现,SARS-CoV-2感染的单核细胞能经血流浸润至各组织器官,分化为炎性巨噬细胞,成为诱导局部炎症因子大量释放的主要始动因素[7]。此外,中性粒细胞撤退延迟亦被证明是COVID-19患者器官功能损伤的重要原因之一。SARS-CoV-2感染所致淋巴细胞减少,导致组织局部固有免疫与适应性免疫应答失衡,是局部免疫微环境紊乱及组织损伤的直接因素。

4 免疫调理及临床应用前景

迄今国际上暂无特异性治疗COVID-19的药物,临床实践中仍以支持治疗为主,包括抗病毒、激素及器官支持治疗。研究发现,多种免疫调理措施在减缓重症COVID-19进展及改善预后等方面具有一定效果[28]。例如激素、炎症应答信号通路抑制剂及靶向细胞因子等抗炎治疗可能是减轻重症COVID-19患者肺损伤及提高生存率的潜在手段[29]。此外,α胸腺肽和间充质干细胞,以及恢复期患者血浆等对重症COVID-19患者发挥潜在保护效应[28]。

4.1 糖皮质激素 糖皮质激素在临床COVID-19治疗中一直存在争议。2020年世界卫生组织(WHO)关于COVID-19诊治指南中并不推荐将糖皮质激素作为常规治疗COVID-19的药物[30]。而国内“新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案”中建议慎用糖皮质激素,但对于SARS-CoV-2感染前因自身免疫病、肾病综合征、支气管哮喘等基础病已经规律使用糖皮质激素的患者,酌情使用[31]。Majmundar等[32]对205例COVID-19患者进行分析发现,给予糖皮质激素能减少重症COVID-19患者有创机械通气、入重症监护病房(ICU)及病死概率。因此,糖皮质激素在重症COVID-19患者中的应用需要仔细评估患者感染情况及免疫状态,明确适应症的前提下予以糖皮质激素治疗。

4.2 炎症因子抗体 细胞因子风暴被认为是重症COVID-19患者多器官功能损伤及高病死率的主要原因。减轻机体炎症反应及拮抗炎症因子活性对改善重症COVID-19进展及预后具有重要意义。目前,多种靶向炎症因子的抗体,如拮抗IL-6的托珠单抗及拮抗IL-1的阿那白滞素,可减少重症COVID-19患者机械通气使用及降低ICU死亡风险[33]。然而,目前临床试验的样本量有限,且单纯拮抗炎症因子产生并不能完全阻断重症COVID-19患者失控炎症反应过程,拮抗时机及程度亦是影响炎症因子抗体治疗效果的重要因素。

4.3 胸腺肽α1 胸腺肽α1能诱导T淋巴细胞分化成熟、增强细胞因子生成和增强B淋巴细胞的抗体应答,是COVID-19患者免疫调理的重要措施之一。在一项纳入76例重症COVID-19患者的回顾性研究中,应用胸腺肽α1有助于恢复淋巴细胞减少和逆转衰竭T淋巴细胞,进而降低病死率[34]。进一步观察证实,胸腺肽α1能显著减轻重症COVID-19患者肺组织损伤,降低患者28 d病死率[35]。目前,胸腺肽α1在COVID-19的防治中得到了广泛应用,但其可能获益人群、应用时机、最佳剂量和持续时间等尚不明确,有待深入探讨。

4.4 恢复期血浆 恢复期血浆治疗是基于恢复期COVID-19患者外周血中存在大量对抗SARS-CoV-2感染的抗体,而让患者获得被动免疫的过程。Libster等[36]发现将早期恢复期血浆用于老年有症状SARS-CoV-2感染,能明显减缓COVID-19疾病进展。但另有研究提示,恢复期血浆治疗虽然可有效减少患者病毒载量,并不能提高重症COVID-19患者28d生存率[37]。此外,COVID-19大流行期间恢复期血浆来源困难且制作技术要求高,恢复期血浆治疗重症COVID-19患者的应用范围十分有限。

5 结语

免疫状态紊乱是重症COVID-19进展及预后不良的主要原因之一,有效的免疫调理是影响重症COVID-19患者转归的重要策略。现阶段对于重症COVID-19患者的免疫调理方案制定及措施选择需要考虑以下几个问题:(1)目标人群的免疫状态评估是是否需要免疫调理的先决条件,有必要动态监测患者循环免疫细胞数量及功能变化,精准评估患者免疫功能状态;(2)制定个体化免疫调理方案是有效阻断重症COVID-19进展及改善患者预后的重要发展方向;(3)目前对于重症COVID-19患者临床免疫调理的具体药物、时机及剂量均无统一标准,亟待高质量临床试验提供有力证据,进而提出临床应用规范。

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关键词:
免疫,新冠病毒,重症肺炎

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