新型冠狀病毒肺炎目前在全球的形勢不容樂觀，我們努力做好防控的同時(shí)也要加快對(duì)冠狀病毒及該病毒引發(fā)的新型肺炎疾病的研究。截至目前，關(guān)于流行病學(xué)和臨床特征的研究不斷累積，多數(shù)患者出現(xiàn)發(fā)熱、咳嗽、腹瀉等癥狀，但也有部分患者出現(xiàn)急性呼吸衰竭、急性呼吸窘迫、感染性休克等嚴(yán)重并發(fā)癥。國家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎診療方案（第六版）》，其中關(guān)于重癥、危重癥患者診療的臨床預(yù)警指標(biāo)中提到：”重型、危重型患者常有炎癥因子升高“。新冠病毒致死的主要原因之一，就是人體免疫系統(tǒng)過度激活導(dǎo)致的細(xì)胞因子風(fēng)暴。

 

圖1. 冠狀病毒入侵機(jī)體的免疫過程及造成的機(jī)體損傷，圖片來源丁香園修改

 

一、什么是細(xì)胞因子風(fēng)暴？

 

細(xì)胞因子風(fēng)暴（cytokine storm）是指機(jī)體感染微生物后引起體液中多種細(xì)胞因子迅速大量的產(chǎn)生，如TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、MCP-1和IL-8等，在學(xué)術(shù)上被稱作“細(xì)胞因子風(fēng)暴綜合征CSS”。CSS是一種嚴(yán)重的危及生命的綜合癥狀，標(biāo)志著一種不受控制和功能失調(diào)的免疫反應(yīng)，涉及淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的持續(xù)激活和擴(kuò)增，分泌大量的細(xì)胞因子，可能導(dǎo)致全身性炎癥反應(yīng)、多器官衰竭、高鐵血紅蛋白血癥、急性呼吸窘迫綜合征等疾病。

 

圖2. 感染病毒后細(xì)胞因子風(fēng)暴的發(fā)生過程

 

二、細(xì)胞因子風(fēng)暴是如何損傷機(jī)體的？

 

我們都知道，免疫系統(tǒng)是機(jī)體執(zhí)行免疫應(yīng)答及免疫功能的重要系統(tǒng)，具有識(shí)別和排除抗原性異物、與機(jī)體其他系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，共同維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和生理平衡的作用。正常情況下，免疫系統(tǒng)是幫助機(jī)體清除感染，但是當(dāng)免疫系統(tǒng)被激活到失去控制的時(shí)候，它就會(huì)傷害宿主，對(duì)機(jī)體進(jìn)行猛烈的攻擊。由于細(xì)胞因子是人體免疫系統(tǒng)抗擊外源性感染的重要屏障之一，當(dāng)病原侵入人體細(xì)胞后，細(xì)胞因子風(fēng)暴就是一種求助信號(hào)，目的是讓免疫系統(tǒng)全面出擊，而引發(fā)的一場自殺式的行動(dòng)，因此在消滅病原的過程中對(duì)自身也造成了非常大的傷害。首當(dāng)其沖的是血管，細(xì)胞因子風(fēng)暴使血管壁變得更容易穿透，令炎性物質(zhì)浸潤其他組織，擴(kuò)大炎癥范圍，動(dòng)靜脈及毛細(xì)血管開始滲出血漿。同時(shí)因細(xì)胞因子風(fēng)暴造成的一氧化氮大量釋放，進(jìn)一步破壞血管，同時(shí)，受損的內(nèi)皮結(jié)構(gòu)暴露，激活血液中的凝血因子，血小板異常聚集，使得正常的凝血功能遭到破壞，造成感染性休克。除此之外，過度的免疫反應(yīng)中，免疫細(xì)胞會(huì)攻擊人體自身細(xì)胞造成多器官衰竭，比如心臟，腎臟，肺臟等。

 

 

2005年Huang KJ 等人提出了SARS-CoV感染后可誘發(fā)大量IFN-γ相關(guān)的細(xì)胞因子風(fēng)暴，該細(xì)胞因子風(fēng)暴可能參與到SARS患者的免疫病理學(xué)損傷。2006年Jan-Inge Henter等人研究發(fā)現(xiàn)H5N1感染患者在臨床上也會(huì)出現(xiàn)大量血細(xì)胞增多癥、白細(xì)胞減少癥和急性腦炎。2013年有研究團(tuán)隊(duì)提到H7N9急性期感染者的血清標(biāo)本中，檢測到細(xì)胞因子IP-10、MIG、MIP-1β、MCP-1、IL-6、IL-8和IFN-α升高。這些證據(jù)都表明，CSS是導(dǎo)致病毒感染后重癥患者高死亡率的原因之一。

 

三、從細(xì)胞因子風(fēng)暴角度挖掘新冠肺炎治療新靶點(diǎn)

 

在本次疫情中，新冠病毒感染患者的肺部引發(fā)免疫反應(yīng)，過量的免疫細(xì)胞和滲出液在肺部積累，擁塞氣道加重患者缺氧，引發(fā)全身酸堿紊亂。當(dāng)炎癥失控波及全身，身體就如同浸泡在各種細(xì)胞因子，氧自由基，凝血因子，壞死組織等炎癥介質(zhì)的海洋里。

細(xì)胞因子是免疫原、絲裂原或其他刺激劑誘導(dǎo)多種細(xì)胞產(chǎn)生的低分子量可溶性蛋白質(zhì)，具有調(diào)節(jié)固有免疫和適應(yīng)性免疫、血細(xì)胞生成、細(xì)胞生長、APSC多能細(xì)胞以及損傷組織修復(fù)等多種功能。細(xì)胞因子可被分為白細(xì)胞介素、干擾素、腫瘤壞死因子超家族、集落刺激因子、趨化因子、生長因子等。這里我們以干擾素為例，淺談一下細(xì)胞因子在病毒感染的機(jī)體免疫系統(tǒng)中是怎樣發(fā)揮作用的。

 

干擾素（IFN）是抵抗病毒感染的一道防線，漿細(xì)胞樹突狀細(xì)胞衍生的I型IFN對(duì)于控制病毒引起細(xì)胞病變至關(guān)重要，干擾素刺激基因（ISG）是誘導(dǎo)宿主內(nèi)抗病毒狀態(tài)的基因，它種類的多樣性以及應(yīng)用的廣泛性，對(duì)病毒發(fā)病機(jī)理的研究提出了挑戰(zhàn)。2014年，Vineet D. Menachery等人對(duì)致病性流感和SARS冠狀病毒中ISG應(yīng)答進(jìn)行了分析，通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)模型來對(duì)高致病性H5N1禽流感（HPAI）A病毒、2009年大流行的H1N1、SARS-CoV和MERS-CoV感染響應(yīng)ISG進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)每種病毒對(duì)干擾素誘導(dǎo)的反應(yīng)是不一樣的。結(jié)合系統(tǒng)生物學(xué)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鑒定了病毒控制免疫反應(yīng)的策略，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了通過IFN-I延遲產(chǎn)生的拮抗作用，并通過組蛋白的修飾來控制免疫應(yīng)答的途徑。延遲的IFN-I信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)了致病性炎性單核巨噬細(xì)胞（IMM）的積累，導(dǎo)致肺細(xì)胞因子/趨化因子水平升高，血管滲漏和病毒特異性T細(xì)胞反應(yīng)受損。IFN-α/β受體（IFNAR）或IMM損耗保護(hù)了小鼠免受致命感染，而不會(huì)影響病毒載量。這些結(jié)果表明，在感染致病性冠狀病毒或其他呼吸道病毒的患者中，IFN-I和IMM可促進(jìn)SARS-CoV致命感染，因此可將IFN-I和IMM作為潛在的治療靶標(biāo)。2011年，Yohichi Kumaki 等人證明了IFNα基因在SARS-CoV感染的小鼠模型中的保護(hù)作用和治療用途。Lisa E. Hensley等人的研究發(fā)現(xiàn)重組人的IFN-β1α在體內(nèi)能夠有效抑制SARS冠狀病毒的復(fù)制。

 

炎癥因子是一把雙刃劍，既可以保護(hù)機(jī)體，也會(huì)損傷集體，而炎癥風(fēng)暴后期，機(jī)體也相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)免疫反應(yīng)亢進(jìn)，同時(shí)又伴隨著免疫功能低下。這是為細(xì)胞因子的抗炎和促炎作用，機(jī)體在正常情況下所引發(fā)的炎癥反應(yīng)是與感染程度相匹配的，但一旦機(jī)體循環(huán)遭到破壞變得紊亂，免疫功能就表現(xiàn)出一方面加重炎癥反應(yīng)，一方面減弱對(duì)病原的識(shí)別和吞噬功能。因此這些矛盾的存在，也為我們的治療帶來了困境。因此我們要最大限度降低藥物副作用的同時(shí)保證抑炎效果的發(fā)揮。

 

以上研究從細(xì)胞因子的角度說明了病毒對(duì)宿主展開攻擊的各種方式，我們知道肺部病變是最重要的感染特征，但機(jī)體是一個(gè)統(tǒng)一而協(xié)調(diào)的整體，保護(hù)我們的免疫系統(tǒng)也是牽一發(fā)而動(dòng)全身，我們除了知道病毒會(huì)感染肺部器官，也應(yīng)該從不同的視角去審視病毒的作戰(zhàn)策略。SARS-CoV-2的突然侵襲，讓我們猝不及防，隨著科技水平飛升和防控管理的改善，我們對(duì)病毒的了解也逐漸增多，在與病毒作戰(zhàn)的過程中，研究者們的成果是我們戰(zhàn)勝病毒的一個(gè)個(gè)有力武器，目前國內(nèi)疫情已得到有效控制，但國際特別是歐美國家疫情形勢依然愈演愈烈。

 

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參考文獻(xiàn)：

1. Martin Spiegel, Andreas PichlMair, Elke Muhlberger et al. The antiviral effect of interferon-beta against SARS-Coronavirus is not mediated by MxA protein. Journal of Clinical Virology. 2004.

2. Lisa E. Hensley, Elizabeth A. Fritz, Peter B. Jahrling et al. Interferon-β 1 a and SARS Coronavirus Replication. Emerging infectious diseases. 2004.

3. Rudragouda Channappanavar, Anthony R Fehr, Rahul Vijay et al. Dysregulated type I interferon and inflammatory mobovyte-macrophage responses cause lethal pneumonia in SARS-CoV-infected mice. Cell Host Microbe. 2016.

4. Luisa Cervantes-Barragan, Ulrich Kalinke, Roland Zust et al. Type I IFN-Mediated protection of Macrophages and Dendritic Cells Secures Control of Murine Coronavirus Infection. The journal of Immunology. 2009.

5. Luisa Cercantes-Barragan, Roland Zust, Friedemann Weber et al. Control of coronavirus infection through plasmacytoid dendritic-cell-derived type I interferon. Immunobiology. 2007.

6. Yohichi Kumaki, Jane Ennis, Ramtin Rahbar et al. Single-dose intranasal administration with mDEF201(adenovirus vectored mouse interferon-alpha) confers protectioni from mortality in a lethal SARS-CoV BAL B/c mouse model. Antiviral research, 2011.

7. Vineet D. Menachery, Amie J. Eisfeld, Alexandra Schafer et al. Pathogenic Influenza Viruses and coronaviruses utilize similar and contrasting approaches to control interferon-stimulated gene responses. mBio. 2014.

8. Kao-Jean Huang, Ih-Jen Su, Michel Theron et al. An interferon-γ-related cytokine storm in SARS patients. Journal of medical virology. 2005.

9. Weiren Luo, Hong Yu, Jizhou Gou et al. Clinical pathology of critical patient with novel coronavirus pneumonia (COVID-19). Priprints. 2020.

10. Jan Inge Henter, Chun Bong Chow, Chi Wai Leung, Yu Lung Lau. Cytotoxic therapy for severe avian influenza A (H5N1) infection. Hypothesis. 2006.

11. Jiangfang Zhou, Dayan Wang, Rongbao Gao et al. Biological features of novel avian influenza A (H7N9) virus. Nature research. 2013.