SARS-CoV-2 病毒性脓毒症：临床发现和科学假说

《柳叶刀》（The Lancet）4月17日发表来自中日友好医院曹彬教授团队的论文。作者结合COVID-19的尸检病理研究以及先前对SARS-CoV-2和SARS-CoV进行的基础科学研究证据，提出了关于SARS-CoV-2发病机理的若干假设，认为病毒性脓毒症对COVID-19的发病机制至关重要。虽然未来可能会证实假设是不完美的，但作者认为这些观点可为基础研究提供思路和指导方向。

摘要

自2019冠状病毒病（COVID-19）暴发以来，临床医生已尽一切努力来了解这种疾病，现在我们已经对它的临床特征有了大致的了解。在临床实践中我们发现，即使没有明显的低血压，许多重症或危重症COVID-19患者也出现了肢冷和脉搏细弱等典型的休克临床表现。理解COVID-19中的病毒性脓毒症的机制有助于探索如何为这些患者提供更好的临床救治。在与从事COVID-19研究的基础科学家、病理学家和临床医生进行多轮讨论后，我们结合最近对COVID-19的尸检病理研究以及先前对严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）和严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）进行的基础科学研究证据，提出了关于SARS-CoV-2发病机理的若干假设。我们认为病毒性脓毒症对COVID-19的发病机制至关重要。虽然这些想法可能会在将来被证明是不完美的，甚至是错误的，但我们相信，这些观点此刻可以为基础研究提供思路和指导方向。

背景

SARS-CoV-2疫情最早于2019年12月在武汉市首次报道，对中国乃至整个世界都产生了巨大影响。由SARS-CoV-2引起的疾病被称为2019冠状病毒病（简称COVID-19）。截止到2020年3月19日，确诊病例数已经增加到20万以上。尽管大多数感染SARS-CoV-2的患者仅有轻微症状，但约有5%的患者恶化为严重的肺损伤甚至多器官功能障碍，病死率约为1.4%[1]。

在临床实践中我们发现，即使没有明显的低血压，许多重症或危重症COVID-19患者也出现了肢冷和脉搏细弱等典型的休克临床表现。这些患者中许多都表现出严重的代谢性酸中毒，表明可能存在微循环功能障碍。此外，除严重的肺损伤外，一些患者也有肝脏[2]和肾脏功能受损。这些患者符合Sepsis-3共识[3]中关于脓毒症和脓毒症休克的诊断标准，但SARS-CoV-2感染似乎是大多数患者的唯一病因[1]。在最近报道的一项COVID-19研究中，76%脓毒症患者的血液和下呼吸道标本细菌和真菌培养结果呈阴性[4]。因此，用“病毒性脓毒症”来描述重症或危重症COVID-19患者的临床表现更加准确[5]。理解COVID-19中病毒性脓毒症的机制有助于探索为这些患者提供更好的临床救治。

病毒感染和COVID-19全身多脏器受累

在活检或尸检病理研究中，早期[6]和晚期[7]COVID-19患者的肺部病理表现均出现弥漫性肺泡损害伴有透明膜形成，肺泡腔内单核细胞和巨噬细胞浸润，肺泡壁弥漫性增厚。通过电子显微镜，在支气管上皮和2型肺泡上皮细胞中可以观察到病毒颗粒[8,9]。此外，一些患者还存在脾萎缩、肺门淋巴结坏死、肾脏局灶性出血、肝脏肿大并伴有炎性细胞浸润、脑神经元水肿和分散的神经元变性。从COVID-19患者的呼吸道样本，以及粪便[10]和尿液[11]样本中均分离出了SARS-CoV-2感染性病毒颗粒，这表明重症COVID-19患者的多器官功能障碍至少部分是由感染直接攻击引起的。但是，目前在尸检中尚未发现病毒在多器官广泛播散。SARS-CoV-2是否可以直接靶向除肺以外的其它器官，特别是那些高表达ACE2[12,13]和L-SIGN[14]（均为SARS-CoV-2可能的细胞受体）的器官，还不得而知。此外，SARS-CoV-2如何传播到肺外器官仍然是一个谜。目前，已经观察到流行的SARS-CoV-2病毒株出现了基因组变异，但是这些变异是否造成病毒毒力的改变还需要进一步研究[15]。

以细胞因子风暴和淋巴细胞减低为特征的宿主免疫反应失调是SARS-CoV-2感染的突出表现

研究发现，COVID-19患者促炎细胞因子和趋化因子TNF-α、IL-1β、IL-6、G-SCF、IP-10、MCP1和MIP1α水平显著升高[16,17]。和重症流感相似，细胞因子风暴可能在COVID-19的免疫致病机理中起重要作用。此前研究表明，在流感病毒感染中，肺上皮细胞、巨噬细胞和树突状细胞（DC）都通过模式识别受体（PRR）的激活在一定程度上释放细胞因子；被激活的PRR包括Toll样受体TLR3、TLR7和TLR8、视黄酸诱导型基因I（RIG-1）和NOD样受体家族[18]。但是，目前对COVID-19细胞因子如何释放仍然知之甚少。识别SARS-CoV-2感染后细胞因子的主要来源，以及细胞因子风暴背后的病毒学机制，对理解COVID-19 的致病机理至关重要。此外，将来的研究也需要阐明细胞因子激活的动态变化：感染后多长时间机体释放出第一批细胞因子？细胞因子有哪些？另外，重症COVID-19患者的多器官功能衰竭是由什么机制造成的？病毒感染造成的直接组织损伤，还是全身性细胞因子风暴？或是两者的协同作用导致？这些问题同样值得研究。另外，阻断这些促炎介质是否会影响患者的临床结局，这个问题也值得关注。有人提出可以利用抗IL-6R单克隆抗体或糖皮质激素来对抗病毒感染后的炎症反应。但是，IL-6可能通过促进嗜中性粒细胞介导的病毒清除，在病毒感染后的初步免疫反应中发挥重要作用；一项研究表明，IL-6/IL-6R缺乏会导致流感病毒感染状态持续存在，并最终导致小鼠死亡[19]。糖皮质激素的使用目前仍存在争议[20,21]。

另一方面，免疫反应失调还包括炎症期后的免疫抑制阶段。其特征是在COVID-19患者中出现外周淋巴细胞计数（主要是CD4 T和CD8 T细胞）持续且显著减低；并且淋巴细胞减低与继发性细菌感染相关[4]。淋巴细胞减低在重症流感和其他呼吸道病毒感染中同样存在。在COVID-19中，已经有研究显示淋巴细胞减少的程度与疾病的严重程度相关。淋巴细胞减少的机制仍然未知。此前研究发现，从各个器官（外周血、脾脏、淋巴结、多种器官的淋巴组织）分离的T淋巴细胞中可以检测到SARS样病毒颗粒和SARS-CoV病毒RNA[22,23]，这表明SARS-CoV可能直接感染T淋巴细胞。SARS-CoV-2和SARS-CoV的刺突蛋白受体结合域（RBD）显示出高度的一致性[24,25]，并且在SARS-CoV-2感染患者的血液样本中也能检测到病毒RNA[16]。因此，一个合理的假设是，除了由Fas/Fas-L和IFN/TRAIL介导的细胞活化和细胞死亡外，SARS-CoV-2还可直接感染淋巴细胞，特别是T淋巴细胞，并启动或促进细胞淋巴细胞死亡，最终导致淋巴细胞减少和抗病毒反应减弱。但是，这种假设需要进一步研究。并且我们还需要确定SARS-CoV-2感染后淋巴细胞中发生了哪些类型的细胞死亡。此外，值得注意的是淋巴细胞缺乏ACE2表达，这表明SARS-CoV-2感染T淋巴细胞存在另一种机制[13]。肺泡巨噬细胞是否可以吞噬病毒颗粒然后转移到淋巴细胞，是该领域一个令人兴奋的悬而未决的问题。

重症COVID-19患者存在凝血功能异常

有研究发现，在COVID-19病程晚期，71.4%的死亡患者符合DIC诊断标准（≥5分）[27]，并出现凝血功能异常，尤其是D-二聚体和FDP显著增高与预后不良有关[4]。但是，凝血功能异常的具体机制仍待明确。SARS-CoV-2病毒是否可以直接攻击ACE2高表达的血管内皮细胞[13]，并进而导致凝血功能异常和脓毒症仍待研究。同时，ACE2也是一个重要血压调节分子。感染SARS-CoV-2病毒后，ACE2在循环系统红的高表达可能是脓毒症性低血压的潜在原因[28]。对于合并高血压的COVID-19患者，ARB/ACE抑制剂降压治疗仍有争议。一些研究者认为ACE抑制剂可以通过减轻肺部炎性反应的方式使患者获益[29]，但也有学者认为ACE抑制剂可能改变ACE2的表达水平并加速病毒进入细胞[30]。但是，目前尚无明确临床证据评估ARB/ACE抑制剂治疗对COVID-19患者的风险。这些药物是抑制还是促进病毒侵入细胞尚需进一步研究探索。

总结

基于对患者的临床观察，我们假设，在轻症SARS-CoV-2感染者中，肺部的巨噬细胞能够激活炎症反应并吞噬病毒，固有免疫和适应性免疫应答可有效抑制病毒的复制，患者可以很快康复。但是，在重症或危重症COVID-19患者中，肺泡上皮-内皮屏障（气-血屏障）的完整性会被严重破坏。SARS-CoV-2病毒不仅会攻击肺泡上皮细胞，也会攻击肺毛细血管内皮细胞，导致大量浆液性成分漏出进入肺泡腔。SARS-CoV-2病毒感染后，肺泡巨噬细胞和上皮细胞会释放大量促炎细胞因子和趋化因子；单核细胞和中性粒细胞会被募集到感染部位并清除含有病毒颗粒和感染细胞的渗出液，导致炎症反应失控。在这个过程中，由于显著的淋巴细胞数量减少和功能失调，适应性免疫难以有效启动。失控的病毒感染会导致严重的巨噬细胞浸润，进一步加重肺损伤。同时，播散的SARS-CoV-2病毒也可直接攻击其它器官，免疫反应可导致系统性的炎症风暴，同时还有微循环障碍，这些因素一起作用最终引发病毒性脓毒症（如下图）。因此，有效的抗病毒治疗、调节固有免疫应答和重建适应性免疫应答的措施是打破恶性循环、改善患者预后的关键。

Figure. Occurrence and outcome of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 viral sepsis

自COVID-19暴发以来，临床医生竭尽全力来了解这种疾病，现在我们已经对它的临床特征有了初步的认识。但是临床现象背后的机制仍有很多未知。基于近期COVID-19尸检研究和前期针对SARS-CoV-2病毒和SARS-CoV病毒的基础研究结果，我们和研究COVID-19的基础科学家、病理学家、临床医师经过多轮讨论后提出了关于SARS-CoV-2病理机制的一系列假设。我们认为病毒性脓毒症是COVID-19的一个关键致病机制。尽管这些假设可能并不完善、甚至之后可能被证明是错误的，但是我们相信这些临床观察可以为未来的实验室研究提供思路。

未来主要有以下几个研究重点：1. 探讨SARS-CoV-2病毒是否可以直接攻击血管内皮细胞及其对凝血功能和病毒播散的影响；2. 在临床试验或动物模型中，评估ARB/ACE抑制剂对SARS-CoV-2病毒感染结局的影响；3. 确认SARS-CoV-2病毒是否可以直接感染淋巴细胞以及如何影响适应性免疫应答；4. 细胞因子反应在SARS-CoV-2病毒感染过程中的动态变化；5. 通过随机对照临床试验评估免疫调节药物的治疗效果。END

作者介绍

李辉1，刘良2，张定宇3，徐九洋4，代华平1，汤楠5，苏枭6，曹彬*1 

1 中日友好医院呼吸中心，中国医学科学呼吸病学研究院，呼吸疾病国家临床研究中心

2 华中科技大学同济医学院

3 武汉金银潭医院

4 清华大学医学院

5 北京生命科学研究所

6 上海巴斯德研究所

* [e-mail]

声明

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢南开大学曹雪涛教授的指导和对本文的修改。

感谢商潋瀚、徐九洋对本文的翻译。

参考文献（上下滑动查看）

[1]. Guan WJ, Ni ZY, Hu Y, et al. Clinical characteristics of coronavirus disease 2019 in China. N Engl J Med 2020; published online Feb 28. DOI:10.1056/NEJMoa2002032.

[2]. Zhang C, Shi L, Wang FS. Liver injury in COVID-19: management and challenges. Lancet Gastroenterol Hepatol 2020; published online March 4. https://doi.org/0.1016/S2468-1253(20)30057-1.

[3]. Singer M, Deutschman CS, Seymour CW, et al. The third international consensus definitions for sepsis and septic shock (Sepsis-3). JAMA 2016; 315: 801–10.

[4]. Zhou F, Yu T, Du R, et al. Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan, China:a retrospective cohort study. Lancet 2020; 395: 1054–62.

[5]. Lin GL, McGinley JP, Drysdale SB, Pollard AJ. Epidemiology and immune pathogenesis of viral sepsis. Front Immunol 2018; 9: 2147.

[6]. Tian S, Hu W, Niu L, Liu H, Xu H, Xiao S-Y. Pulmonary pathology of early phase 2019 novel coronavirus (COVID-19) pneumonia in two patients with lung cancer. J Thorac Oncol 2020; published online Feb 28. DOI: 10.1016/j.jtho.2020.02.010.

[7]. Xu Z, Shi L, Wang Y, et al. Pathological findings of COVID-19 associated with acute respiratory distress syndrome. Lancet Respir Med 2020; 8: 420–22.

[8]. China National Health Commision. Diagnosis and treatment of novel coronavirus pneumonia in China (trial version 7). https://www.who.int/docs/default-source/wpro---documents/countries/china/covid-19-briefing-nhc/1-clinical-protocols-for-thediagnosis-and-treatment-of-covid-19-v7.pdf?sfvrsn=c6cbfba4_2 (accessed April 14, 2020).

[9]. Yao XH, Li TY, He ZC, et al. A pathological report of three COVID-19 cases by minimally invasive autopsies. Zhonghua Bing Li Xue Za Zhi 2020; 49: E009 (in Chinese).

[10]. Zhu N, Zhang D, Wang W, Li X, et al. A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. N Engl J Med 2020; 382:727–33.

[11]. Wang W, Xu Y, Gao R, et al. Detection of SARS-CoV-2 in different types of clinical specimens. JAMA 2020; published online March 11. DOI:10.1001/jama.2020.3786.

[12]. Zhou P, Yang X-L, Wang X-G, et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 2020; 579: 270–73.

[13]. Hamming I, Timens W, Bulthuis MLC, Lely AT, Navis G, van Goor H. Tissue distribution of ACE2 protein, the functional receptor for SARS coronavirus. A first step in understanding SARS pathogenesis. J Pathol 2004; 203: 631–37.

[14]. Jeffers SA, Tusell SM, Gillim-Ross L, et al. CD209L (L-SIGN) is a receptor for severe acute respiratory syndrome coronavirus.Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 15748–53.

[15]. Yu WB, Tang GD, Zhang L, Corlett RT. Decoding evolution and transmissions of novel pneumonia coronavirus using the whole genomic data. http://www.chinaxiv.org/abs/202002.00033 (accessed March 10, 2020).

[16]. Huang C, Wang Y, Li X, et al. Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet 2020; 395: 497–506.

[17]. Liu J, Li S, Liu J, et al. Longitudinal characteristics of lymphocyte responses and cytokine profiles in the peripheral blood of SARS-CoV-2 infected patients. medRxiv 2020; published online Feb 22. DOI:10.1101/2020.02.16.20023671 (preprint).

[18]. Iwasaki A, Pillai PS. Innate immunity to influenza virus infection. Nat Rev Immunol 2014; 14: 315–28.

[19]. Dienz O, Rud JG, Eaton SM, et al. Essential role of IL-6 in protection against H1N1 influenza virus by promoting neutrophil survival in the lung. Mucosal Immunol 2012; 5: 258–66.

[20]. Russell CD, Millar JE, Baillie JK. Clinical evidence does not support corticosteroid treatment for 2019-nCoV lung injury. Lancet 2020; 395: 473–75.

[21]. Shang L, Zhao J, Hu Y, Du R, Cao B. On the use of corticosteroids for 2019-nCoV pneumonia. Lancet 2020; 395: 683–84.

[22]. Taubenberger JK, Morens DM. The pathology of influenza virus infections. Annu Rev Pathol 2008; 3: 499–522.

[23]. Gu J, Gong E, Zhang B, et al. Multiple organ infection and the pathogenesis of SARS. J Exp Med 2005; 202: 415–24.

[24]. Xu X, Chen P, Wang J, et al. Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission. Sci China Life Sci 2020; 63: 457–60.

[25]. Lu R, Zhao X, Li J, et al. Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. Lancet 2020; 395: 565–74.

[26]. Peteranderl C, Herold S. the impact of the interferon/tnf-related apoptosis-inducing ligand signaling axis on disease progression in respiratory viral infection and beyond. Front Immunol 2017; 8: 313.

[27]. Tang N, Li D, Wang X, Sun Z. Abnormal coagulation parameters are associated with poor prognosis in patients with novel coronavirus pneumonia. J Thromb Haemost 2020; published online Feb 19. DOI:10.1111/jth.14768.

[28]. Wang PH, Cheng Y. Increasing host cellular receptor—angiotensinconverting enzyme 2 (ace2) expression by coronavirus may facilitate 2019-nCoV infection. bioRxiv 2020; published online Feb 27. DOI:10.1101/2020.02.24.963348 (preprint).

[29]. Sun ML, Yang JM, Sun YP, Su GH. Inhibitors of RAS might be a good choice for the therapy of COVID-19 pneumonia. Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi 2020; 43: 219–22.

[30]. Ferrario CM, Jessup J, Chappell MC, et al. Effect of angiotensin-converting enzyme inhibition and angiotensin II receptor blockers on cardiac angiotensin-converting enzyme 2. Circulation 2005; 111: 2605–10.

*中文翻译仅供参考，所有内容以英文原文为准。

更多论文

点击如下图片，获取中文解读

相关阅读

识别如下二维码，获取论文原文及柳叶刀公众号COVID-19论文精选

推荐阅读

点击阅读原文，查看柳叶刀 COVID-19 资源中心更多论文