新型冠状病毒感染合并急性肾损伤的机制

新型冠状病毒感染合并急性肾损伤的机制研究进展

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）是新型冠状病毒（2019-nCoV）感染导致的疾病，自2019年底COVID-19发现以来，已经在全球200多个国家及地区流行。截至2020年11月30日，全球累计感染患者超过6 000万人，死亡人数超过140万人。COVID-19多以肺炎为主要临床表现，但部分患者出现了急性肾损伤（AKI），主要临床表现为血尿、蛋白尿、少尿、血肌酐和（或）尿素氮（BUN）升高，患者尸检或肾脏活检主要表现为急性肾小管坏死、内皮损伤等。目前报道的2019-nCoV感染患者AKI发生率为0.5%~28.0%，存在较大差异。众多研究提示AKI对患者的预后有十分重要的影响。COVID-19发生AKI的研究目前主要来自于临床观察，有关其发病机制的研究尚少，而理解该病的发生机制对于本病防治具有十分重要的临床意义。

一、病毒直接介导

目前的研究已经为病毒直接攻击肾脏提供了确凿的证据。Diao等对6例COVID-19死亡患者进行了尸检，肾组织HE染色主要表现为不同程度的急性肾小管坏死，且病毒核壳蛋白抗原在这6例患者的肾脏标本中均为阳性并局限在肾小管中；此外在2例电镜标本中还发现了病毒颗粒，进一步证实了2019-nCoV可以直接感染肾脏。还有一项研究详细地分析了26例COVID-19死亡患者的肾脏病变，光镜下主要观察到急性近端小管坏死，表现为刷状缘丢失、空泡变性、管腔扩张并伴有细胞碎片，而远端小管及集合管仅发现细胞肿胀和间质水肿扩张等；电镜下在近端小管上皮细胞及足细胞中发现了病毒颗粒，远端小管中则较少；其中3例在小管上皮细胞胞质中病毒核蛋白免疫荧光染色呈阳性。在最近报道的1例合并AKI的COVID-19患者肾脏活检中，除了急性小管坏死外，研究者还观察到严重塌陷的局灶性节段性肾小球硬化（focal segmental glomerular sclerosis，FSGS），而免疫荧光染色则未见明显的免疫沉淀物。病理表现为FSGS可以解释部分患者出现蛋白尿的原因。研究者还在患者的足细胞中发现了病毒颗粒，说明2019-nCoV可以直接攻击足细胞并导致塌陷型的FSGS。此外，Peng等还从COVID-19患者尿液中检测到2019-nCoV RNA，尽管这些患者并没有泌尿系症状，但却证实了2019-nCoV可以入侵泌尿系统，并经肾小球滤过进入尿液。总之，这些研究证实了肾脏是2019-nCoV攻击的重要肺外靶器官，尤其是肾脏的近端小管。

但是2019-nCoV具体经由何种方式入侵肾脏目前尚不十分清楚，现有的研究认为2019-nCoV的器官靶向性损伤主要由受体结合蛋白和细胞表面受体的结合能力决定。目前，已经证实的功能性受体主要包括血管紧张素转换酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）和CD147。

1．ACE2：

ACE2能有效结合重症急性呼吸综合征（SARS）病毒（SARS-CoV）S蛋白的S1结构域，是SARS-CoV的功能性受体。全基因组序列研究显示，2019-nCoV与SARS-CoV的同源性高达79.6%，并确定ACE2是两者共同的靶向受体。2019-nCoV通过刺突糖蛋白与宿主细胞结合从而实现入侵，为了进一步明确病毒的致病机制，Walls等和Wrapp等都通过冷冻电镜确定了2019-nCoV刺突糖蛋白的三维结构，发现在其"关闭"状态时，人ACE2的3个识别基序都是隐藏的，即"向下"构象，只有其关键的受体结合域（RBD）呈"向上"构象时才能够与细胞表面受体结合，与宿主细胞的ACE2相结合继而引发S’2位点断裂、膜融合、病毒构象变化等，像"钥匙"一样打开进入宿主细胞的大门进而感染宿主细胞；此外，2019-nCoV与ACE2的亲和力比SARS-CoV要高10~20倍，提示2019-nCoV具有更强的感染性。最近，西湖大学周强实验室利用冷冻电镜解析了ACE2的完整结构，分为细胞外部分（PD）和细胞内部分（CLD），之前的研究都只关注了PD部分；为进一步明确病毒入侵机制，他们通过氨基酸转运载体（B⁰AT1）的共表达获得了稳定可分析的ACE2-B⁰AT1复合体，结果发现ACE2是以二聚体形式存在的，细胞外的两个PD分别都可以与1个刺突糖蛋白的三聚体结合，这相当于直观地看到了病毒打开宿主细胞大门的瞬间，这一结合对细胞膜内陷和病毒颗粒内吞具有重要作用；另外，B⁰AT1虽然不参与ACE2二聚体的形成，但却会影响跨膜丝氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）对ACE2的切割，降低病毒进入宿主细胞的效率；有趣的是，肾脏细胞中B⁰AT1表达水平很高，而在肺部几乎不表达，这可能是AKI发生率明显低于肺炎的原因之一。此外，ACE2主要表达在肺、肾脏、心脏和回肠等组织，在肾脏近端肾小管表达较强，而肾小球表达较弱，这也部分解释了肾脏损伤主要表现为急性近端小管损伤的原因。因此，2019-nCoV可能通过ACE2进行直接攻击引起肾损伤。此外，ACE2可以水解血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）以形成血管紧张素1-7（Ang1-7），在肾脏中Ang1-7起到舒张血管、抗纤维化、抗增生和抗炎的血管保护作用，而肾脏损伤很大程度上是通过AngⅡ介导的。既往的研究证明冠状病毒感染能够下调ACE2表达水平，影响ACE2对AngⅡ的水解作用，导致AngⅡ激活介导肾损伤，并削弱Ang1-7的保护作用。

2．CD147：

CD147，也被称为细胞外基质金属蛋白酶（EMMPRIN），是一种跨膜糖蛋白，与肿瘤发生、病毒感染等密切相关。在正常肾脏中，CD147仅在肾小管上皮细胞的基底外侧高表达，参与AKI向慢性肾脏病（CKD）进展，主要是由于细胞外基质蛋白更新不平衡所致。最近有研究者认为它是2019-nCoV入侵宿主细胞的途径之一。Wang等证明了CD147与2019-nCoV刺突糖蛋白之间存在相互作用，免疫电镜也观察到了两者的共定位，并且抗CD147抗体美珀珠单抗（meplazumab）可明显抑制病毒入侵宿主细胞，因此CD147-刺突蛋白途径可能是2019-nCoV感染宿主细胞的重要方式。而干扰刺突蛋白与CD147相互作用或抑制CD147表达的药物可能会抑制病毒的侵袭和传播，但有待临床试验进一步验证。

二、异常的免疫反应

在因COVID-19死亡患者尸检中，部分患者肾脏组织被发现存在不同程度淋巴细胞浸润以及继发的内皮损伤；免疫组化进一步分析显示，小管间质中存在CD68+巨噬细胞浸润，其中2例患者还发现了CD4+ T细胞、CD8+T细胞、CD56+自然杀伤细胞浸润，说明肾小管损伤可能是由于免疫细胞的募集浸润而引起的；更值得注意的是该报道中6例患者的肾小管中都观察到明显的膜攻击复合物C5b-9沉积，进一步证实了免疫反应在诱导COVID-19合并AKI中的重要作用。同样地，临床上研究者也观察到COVID-19患者尤其是重症患者出现的免疫异常。轻症患者在症状开始第7天起，血液中就能检测到抗体分泌细胞（ASC）、辅助性T细胞（TFH）、活化的CD4+ T细胞和CD8+ T细胞以及与2019-nCoV结合的IgM和IgG抗体，说明早期良好的适应性免疫反应对患者预后至关重要^[27]。但很多重症患者会出现淋巴细胞减少，不能有效地激活适应性免疫反应，且大多数重症及危重症患者出现了血清促炎细胞因子水平的显著升高，包括白细胞介素（IL）-6、IL-1β、IL-2、IL-8、IL-17、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、趋化因子诱导蛋白（IP-10）、单核细胞趋化蛋白1（MCP-1）、巨噬细胞炎性蛋白1α（MIP1α）和肿瘤坏死因子（TNF）等，即细胞因子风暴。

细胞因子风暴中涉及的多种细胞因子都能与肾脏固有细胞相互作用，介导内皮损伤、小管功能障碍，参与介导AKI的发生。在肾毒素介导的肾损伤模型中，IL-6水平明显升高，并且促进了中性粒细胞浸润，加剧了肾损伤。IL-6还能够破坏肾血管内皮细胞正常的紧密连接结构，影响血管通透性，从而影响微循环、介导肾损伤。而TNF-α能够直接与小管细胞受体结合介导细胞凋亡。此外免疫细胞也参与介导了AKI的发生。肾脏受损后单核细胞明显增多并分化为不同亚群，其中M1巨噬细胞激活后释放促炎因子、趋化因子和诱导性一氧化氮合酶，形成细胞毒性过氧化亚硝酸盐，在AKI期间进一步加重肾脏炎性反应。研究者还在顺铂诱导的AKI小鼠模型中证明了T细胞是介导肾损伤的直接介质，T细胞缺陷则可以明显减轻肾损伤。补体系统激活过程中产生的膜攻击复合物（MAC）对肾小球内皮细胞、血管内皮细胞也能造成损伤。并且小管遭受的损伤会被小管上皮细胞上的固有免疫感应受体感知，进一步加重免疫反应，形成一个放大环路，加重肾损伤。然而免疫调节、抗炎药物例如羟氯喹可以通过抑制炎性因子减轻肾损伤。因此，免疫反应参与介导了COVID-19患者AKI的发生。

三、其他因素

1．高凝：

在COVID-19患者尸检中研究者观察到了明显的红细胞聚集阻塞毛细血管腔，肾小管上皮偶见含铁血黄素颗粒。临床上研究者也发现部分COVID-19患者出现了凝血功能异常，包括D-二聚体升高、凝血酶原时间改变等。结合部分患者存在血尿表现，这些发现提示存在肾脏梗阻。

COVID-19患者高凝状态的可能原因有多种，既往研究表明巨噬细胞激活、细胞因子风暴、补体激活等免疫反应可以导致组织因子释放和凝血因子激活而导致患者高凝。此外ACE2与2019-nCoV的结合引起的肾素-AngⅡ途径激活，都可以与促凝途径相互激活，介导微血管损伤，促进急性肾小管坏死进展、皮质坏死，甚至导致不可逆的肾衰竭。

2．脓毒症：

临床上部分重症、危重症COVID-19患者即使没有出现明显的低血压，也出现典型的休克临床表现，表现为严重的代谢性酸中毒，提示存在微循环功能障碍。最近Li等提出了病毒性脓毒症的假说，在重症或危重症患者中，上皮-内皮屏障的完整性被破坏，淋巴细胞的大量减少、功能障碍，不能有效地引发适应性免疫反应，不受控制的病毒感染对很多器官进行了直接攻击，全身性细胞因子风暴以及微循环功能障碍等共同导致病毒性脓毒症进而导致脓毒性休克，从而引发脓毒症AKI。

脓毒症导致的AKI是重症、危重症患者常见的并发症，但对其病理生理机制的了解仍然有限。早期基于内毒素的试验认为AKI是由肾血管缺血收缩引起的。而最近的研究发现，AKI是在肾血流增加的情况下发生的，这可能是肾传出小动脉比传入小动脉扩张更大导致肾小球内滤过压损失引起的，但还有待进一步研究验证。脓毒症时发生的血流再分布、局部缺血、伴髓质缺氧等都是肾损伤的原因。此外脓毒症期间血液中的炎性因子、趋化因子、补体等经过肾小管超滤时也可造成损伤，诱导小管细胞凋亡。

3．药物因素：

多种抗病毒药物、抗生素以及去甲肾上腺素等的使用都会引起AKI的发生，主要是由药物本身的毒性以及肾脏对药物的代谢运输等引起的以肾小管为主的损伤。

4．横纹肌溶解：

在COVID-19患者肾脏病理检查中研究者已经观察到了与横纹肌溶解相关的色素沉着和炎症。感染是横纹肌溶解的已知病因，细胞受损所释放的肌红蛋白可引起肾血管收缩、管型形成以及其直接的肾毒性介导肾损伤。

5．基础疾病：

有肾脏异常病史（包括基线血清肌酐升高、基线BUN升高、蛋白尿、血尿）是患者发生AKI的危险因素，基线肌酐水平升高的患者AKI发生的概率（11.9%）明显高于基线肌酐正常患者（4.0%），并且其住院病死率也明显较高（33.7%）。此外，高龄及合并糖尿病、动脉粥样硬化、高血压等的患者在感染2019-nCoV后发生AKI的概率显著增高，提示基础疾病可能会促进AKI的发生。最新1项美国的多中心队列研究进一步验证了这点，在3 099例危重症患者中，20.6%的患者在ICU入院14 d内发生需要肾脏替代治疗的AKI，其影响因素主要包括CKD、男性、非白种人、高血压、糖尿病、较高的体重指数、较高的D-二聚体和较严重的低氧血症；并且这些患者即使在出院后仍有部分需继续依赖肾脏替代治疗。这提示我们在临床管理中需格外关注存在基础疾病患者的一般情况，严密监测相关指标，对AKI实现早诊断、早治疗，改善患者预后，此外还启发我们进一步思考2019-nCoV在AKI向CKD转化的过程中又扮演着什么样的角色。

四、总结

AKI是COVID-19患者比较常见而严重的并发症，对患者预后有较大影响。2019-nCoV感染合并AKI主要是由病毒直接攻击、异常的免疫反应、AngⅡ途径激活、高凝、败血症、横纹肌溶解、基础肾脏病、老年、肾毒性药物等导致，相关机制详见图1。

图1新型冠状病毒感染合并急性肾损伤的主要机制

本文深入开展该病的机制探讨对抢救危重患者生命、改善疾病预后具有十分重要的意义。

引用: 钱静益, 李作林, 刘必成. 新型冠状病毒感染合并急性肾损伤的机制研究进展 [J] . 中华肾脏病杂志,2020,36 (12): 956-960.

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