2019年12月以来，新型冠状病毒(严重急性呼吸综合征冠状病毒2，SARS-CoV-2)感染在全世界范围内暴发，造成巨大的社会和经济负担。部分SARS-CoV-2感染者病情的突然加重可能由感染相关的细胞因子风暴所致。呼吸道病毒感染后机体的基础状态、感染后免疫反应应答的强度决定了预后，促炎因子和抗炎因子相互作用，持续过度的促炎反应导致肺组织广泛水肿、渗出，进展为急性呼吸窘迫综合征以及累及肺外组织器官，表现出多器官衰竭，甚至死亡。当病毒感染出现细胞因子风暴等免疫并发症时，单纯抗病毒治疗效果不理想，而对参与细胞因子风暴的细胞因子的靶向治疗成为潜在的热门治疗策略。早期识别和适当治疗免疫并发症将降低严重病毒感染的发病率和死亡率。
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在过去数十年里，呼吸道病毒感染对人类生命构成严重威胁。急性呼吸道病毒性疾病每年在全世界造成400多万人死亡，数百万人需住院治疗[1]。轻度病毒感染时，在宿主有限的抵抗力作用下，被破坏的内稳态很快可恢复正常。但在一些高传染性、高致病性暴发流行的严重呼吸道病毒感染，如严重急性呼吸综合征(SARS)、中东呼吸综合征(MERS)、甲型H1N1流感病毒感染以及H7N9、H5N1禽流感病毒感染中细胞因子风暴(CS)的产生，影响患者预后，是严重危害人类健康的呼吸道感染[1]。除了集中暴发和流行的呼吸道病毒之外，季节性流感每年造成291 243~645 832人死亡[2,3]。2019年12月在中国武汉首次发现的严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)疫情，因其传染性强，危重型患者病死率高，再次让急性呼吸道病毒感染受到全世界的关注[4]。
此类高致病性的呼吸道病毒存在共同的免疫病理模式，即过度的炎症反应，且与疾病的严重程度相关，这种机体过度的炎症反应和免疫稳态失衡诱发的CS[5]以及随后的先天和获得性免疫系统均参与的免疫抑制[6]是导致急性呼吸窘迫综合征(ARDS)和多器官衰竭[7]乃至死亡的关键因素[8]。本文主要综述了呼吸道病毒感染所致CS的免疫病理机制以及介绍了针对特异性细胞因子的免疫调节及免疫抑制治疗药物。以期为重症呼吸道病毒感染的诊断和治疗提供新的治疗选择。
CS是指多种组织和细胞(主要是免疫细胞)在外界刺激(如病毒、细菌)的影响下，对免疫系统失去负反馈机制而过度分泌产生具有广泛生物活性的促炎细胞因子的过程。这些细胞因子继续驱动其他免疫细胞的正反馈，并将免疫细胞招募到炎症部位，导致炎症和器官损伤程度的指数增长。它是自身免疫系统不断的极端激活和攻击的结果。主要参与的细胞因子包括白细胞介素(IL)、干扰素(IFN)、肿瘤坏死因子(TNF)、集落刺激因子(CSF)、趋化因子家族(CF)、生长因子(GF)、转化生长因子(TGF)等。基于细胞因子的功能可分为促炎因子(如IL-1β、IL-6、IL-12、TNF和IFN-γ)以及抗炎因子(如IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β) 。病毒可以侵入肺上皮细胞和肺泡巨噬细胞，复制病毒核酸，刺激感染细胞释放细胞因子和趋化因子，激活巨噬细胞、树突状细胞等。而趋化因子和细胞因子越来越多地从这些细胞中释放出来，吸引更多的炎症细胞从血管迁移到炎症部位，级联放大炎症反应。CS是导致ARDS、全身炎症反应和多器官衰竭的重要原因。
呼吸道病毒感染时宿主的先天性和适应性免疫反应、病毒的毒力及其逃避宿主免疫反应的能力之间的平衡共同决定了疾病的严重程度及预后。而机体针对呼吸道病毒感染最为重要的免疫应答主要包括3个过程，即早期Ⅰ型IFN、中和性抗体、细胞毒性T淋巴细胞(CTL)的作用。其中先天免疫细胞分泌的Ⅰ型IFN是参与抗病毒免疫的重要效应分子，是先天性抗病毒免疫的核心成员，在病毒感染早期产生，其决定了机体后续抗病毒应答的进展，以IFN-α与IFN-β为主，可诱导靶细胞产生特异性抗病毒蛋白，其相关基因的缺陷可导致机体抗病毒能力明显下降。如在重症新型冠状病毒肺炎(COVID-19)病例中发现Ⅰ型IFN免疫先天性缺乏和抗Ⅰ型IFN自身抗体存在[9,10]。呼吸道病毒感染后宿主肺泡上皮细胞或抗原递呈细胞膜表面及胞质内的模式识别受体(PRR)检测到病毒中的病原体相关分子模式(PAMPs)，触发Ⅰ型和Ⅲ型IFN和其他促炎症介质(如细胞因子、趋化因子和抗菌肽)的产生和释放，其中Ⅰ型IFN与其二聚体受体(IFNAR)的结合可激活下游的JAK-STAT信号通路，促进炎症细胞因子的转录并诱导产生多种功能蛋白因子，用于协调局部或全身炎症反应[11]。其中IL-1β、IL-6是病毒感染过程中释放的主要促炎细胞因子，IL-1β可增强肺损伤患者支气管和肺泡的炎症反应[8]。另一方面先天免疫细胞通过自分泌和旁分泌信号的传导促使免疫细胞表达大量IFN刺激基因(ISG)，从而建立机体最初的抗病毒防御状态。这种状态非常有效地抑制了感染的进一步扩散。
尽管先天免疫反应在启动抗病毒反应中起重要作用，适应性免疫反应依赖于早期先天性免疫反应，最终需要适应性免疫反应来阻止病毒复制并清除受感染的病毒。其中最重要的为体液免疫应答中B淋巴细胞的作用和CD4辅助性T淋巴细胞，B淋巴细胞主要通过产生病毒特异性抗体来清除病毒，这种抗体可以中和、调理和灭活病毒，杀死受感染的细胞。防止病毒从感染细胞传播到邻近细胞，是控制病毒传播的关键。B淋巴细胞产生的中和抗体通过阻断病毒表面结合宿主受体进入细胞的蛋白质，有效防止游离病毒侵入未感染的细胞。包被抗体的病毒被巨噬细胞和中性粒细胞等吞噬性免疫细胞清除。抗体可与感染细胞表面表达的病毒蛋白结合，触发补体级联反应、CTL介导的细胞免疫清除病毒感染的细胞。在呼吸道病毒感染期间，CD8+T淋巴细胞可与病毒感染细胞表达的细胞膜凋亡(FAS)受体结合，释放穿孔素和颗粒酶，分别在细胞膜上形成孔隙并启动凋亡。
IL-6一直是CS的重要中心因子。高水平的IL-6可以激活凝血系统，增加血管通透性，为炎症的快速扩散提供条件[12]。在病毒感染中，IL-6对IL-1、TNF-α有应答作用，同时IL-6与跨膜受体IL-6R结合产生IL-6/IL-6R复合物，复合物诱导信号转导成分gp130的二聚化，激活Janus激酶信号转导和转录激活因子[13]，导致全身性炎症，包括分泌单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)、IL-8以及血管内皮生长因子(VEGF)，内皮细胞上钙通道蛋白表达减少，从而导致血管高渗状态、低血压，肺功能不全等。有报道称，严重COVID-19患者体内存在较高水平的IL-6[14]。体外实验证实SARS-CoV-2可使小鼠巨噬细胞通过NF-κB通路诱导IL-6和TNF-α信号的上调[15]。
呼吸道病毒感染时淋巴细胞(T淋巴细胞和B淋巴细胞)通过细胞因子和趋化因子的调节，分化为特异性效应细胞，并定位于感染部位。CD4+T淋巴细胞分化成Th1细胞并产生IFN-γ，在IL-12的介导下激活巨噬细胞，触发对细胞内病毒的防御。此外，IL-6可诱导CD8+T淋巴细胞分化为CTL，通过溶解受感染的细胞来清除病毒。CTL的消耗可能是大多数COVID-19患者淋巴细胞减少的原因[14]。T淋巴细胞是许多趋化因子的重要来源，并表达多种分子受体[16]。中性粒细胞和巨噬细胞分别在IL-8和MCP-1的趋化作用下迁移到感染部位，同时分泌其他趋化因子以招募更多细胞参与清除病原体。不同趋化因子可趋化相同细胞上的受体，趋化因子与其受体之间的复杂关系使趋化因子能够在各种微环境中迅速补充，促成炎症风暴的疾联放大[8]。据报道，在SARS患者中，促炎细胞因子如TNF和IL-6以及趋化因子家族中的IL-8、CCL3(MCP-1)、CCL5、CCL2和CXCL10显著上调，而抗炎因子如IL-10缺乏[17]，表明促炎因子的上调及抗炎因子的缺乏均可以引起炎症反应的失衡，促进CS的发生。但临床上在轻症呼吸道病毒感染中很少观察到这种CS现象，这表明高细胞因子血症与疾病严重程度密切相关[18,19]。呼吸道病毒感染引起的CS中，由于病毒的大量快速复制，机体的免疫系统被过度激活，免疫平衡被打破，导致促炎细胞因子过度和失控释放，引发CS。促炎因子的异常释放导致肺上皮细胞和内皮细胞凋亡，损伤肺微血管和肺泡上皮细胞屏障，导致血管渗漏、肺泡水肿和缺氧。另一方面促炎因子的不受控制的产生[包括IL-6、IL-8、IL-1β，粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、趋化因子如CCL2、CCL5、CCL3和干扰素诱导蛋白(IP-10)]与活性氧共同导致ARDS，甚至肺纤维化和死亡[20]。
CS的发生发展和持续时间因病因和治疗方法而异。虽然最初的驱动因素可能有所不同，但CS的晚期临床表现是相同的。呼吸道病毒所致CS几乎都有呼吸道症状，包括咳嗽和呼吸急促，可发展为ARDS、低氧血症，需要机械通气。另外大多数的CS患者出现发热症状[21]，伴随疲劳、厌食、头痛、皮疹、腹泻、关节痛、肌痛和神经精神症状。这些症状可直接由细胞因子诱导的组织损伤引起，也可能由免疫细胞介导的免疫损伤引起，并可迅速发展为弥散性血管内凝血，伴有血管阻塞或严重出血、呼吸困难、低氧血症、低血压、休克，甚至死亡。凝血障碍和血小板计数降低使CS患者有自发性出血的风险。
在严重的呼吸道病毒相关CS中也可见肾衰竭，急性肝损伤或胆汁淤积症，以及应激相关心肌病。肾功能不全、内皮细胞死亡和急性期低白蛋白血症可导致毛细血管渗漏综合征[22]。
呼吸道病毒所致CS中非特异性炎症标志物，如C反应蛋白(CRP)普遍升高并与严重程度相关。许多患者有高三酰甘油血症和各种血液计数异常，如白细胞增多、白细胞减少、贫血、血小板减少、铁蛋白和D-二聚体水平升高。循环细胞计数的变化很可能是由于细胞因子诱导的骨髓细胞造血能力的改变、免疫介导的损伤和趋化因子诱导的迁移之间的复杂相互作用。血清炎性细胞因子水平显著升高，如IFN-γ (或IFN诱导的趋化因子CXCL9和CXCL10-γ)、IL-6、IL-10和可溶性IL-2受体[21,23]。
目前对于各种诱因导致CS的干预策略仍处于探索阶段，随着针对SARS-CoV-2的基础研究、药物研发和临床试验的增多，通过靶向CS过程中的某些关键细胞因子，应用其单克隆抗体、重组蛋白等进行拮抗，阻断其发挥促炎作用，是一种治疗CS的有效策略。
IL-1是一种在CS中起主导作用的促炎细胞因子。其由IL-1α和IL-1β 2种配体组成，IL-1主要由固有免疫细胞产生，如巨噬细胞和单核细胞，主要增加急性期信号传导、免疫细胞向原发感染部位的转运、上皮细胞的活化和继发性细胞因子的产生，这种对感染的急性期反应导致广泛的局部效应和全身性改变，最终导致急性免疫肺损伤。IL-1抑制剂已被有效地用于治疗自身炎症性疾病。有研究表明，IL-1抑制剂可降低CS的脓毒血症引起的CS患者的死亡率[24]。另一项针对COVID-19引起的ARDS患者的回顾性队列研究表明，大剂量IL-1抑制剂可以改善呼吸功能，并较安全[25]。另一项针对严重COVID-19肺炎患者的前瞻性队列研究表明，IL-1抑制剂可减少机械通气率，降低死亡率，且无严重不良反应[26]。
IL-6是CS中的核心促炎细胞因子，IL-6促进肝细胞中急性期蛋白的产生，并诱导免疫细胞(如B淋巴细胞和T淋巴细胞)的分化，在适应性免疫中发挥作用。此外，IL-6通过参与铁的代谢，形成一个抑制感染的微环境。大量研究表明，COVID-19患者IL-6显著升高[27]，并可以预测COVID-19的不良预后。最近的一项前瞻性队列研究表明，IL-6和D-二聚体的升高反映了全身炎症反应的产生和血栓性疾病的可能[28]。目前有2种IL-6抑制剂正在尝试治疗COVID-19，即Sarilumab和Tocilizumab。他们在降低严重COVID-19的严重程度和死亡率方面显示出有益的效果。一项对1 351例COVID-19患者的回顾性队列研究显示，Tocilizumab显著降低了机械通气风险或死亡风险[29]。一项对154例需要机械通气的患者进行的观察性研究中，Tocilizumab降低了45%的死亡风险。然而，这项研究也表明，使用托昔单抗后，再感染的风险显著增加[30]。仍有待进一步的随机对照试验来验证临床效果。
TNF-α主要由单核细胞、巨噬细胞和T淋巴细胞产生，其主要作用是促炎症反应，是急性病毒性疾病(如流感病毒、登革热病毒和埃博拉病毒)的关键细胞因子，不仅影响局部微环境的平衡，进入循环后也会产生广泛的全身效应。TNF-α抑制剂可抑制TNF-α与受体TNFR1之间的结合，破坏二者之间的信号传导，改善TNF-α过度表达所引起的疾病，其代表药物依那西普广泛应用于类风湿性关节炎中，具有良好的临床疗效。有研究报道使用TNF中和单克隆抗体或可溶性TNF受体融合蛋白治疗可以减少流感病毒感染小鼠肺部的细胞因子产生和炎性细胞浸润[31,32]。另一项研究提示TNF-α抑制剂的使用可减轻COVID-19所致急性肺损伤[33]，有望为严重COVID-19相关CS提供新的治疗方法。
IFN是一类重要的细胞因子，主要分为3类：经典病毒诱导的Ⅰ型IFN(IFN-α和IFN-β)、免疫诱导的Ⅱ型IFN(IFN-γ)和新近发现的Ⅲ型IFN(IFN-λ)。IFN是抵御病毒感染的第一道防线，在免疫监测中起重要作用[34,35]。
Ⅰ型IFN可由细菌、病毒或其他微生物等病原体的感染诱导产生。IFN-α和β是通过病原体激活的生化途径在体内合成的第一种IFN。这些IFN产生自分泌和旁分泌信号，以在细胞内组装合成其他IFN细胞因子对抗病毒，并促进相邻细胞中的IFN反应，保护自身免受病毒感染[36,37]。Ⅰ型IFN的抗病毒作用由STAT 1和STAT 2通过激活JAK-STAT途径介导。有许多细胞可以产生IFN，如巨噬细胞、成纤维细胞、白细胞等。它们被称为IFN产生细胞(IPC)。在抗病毒免疫应答时，IPC具有刺激自然杀伤(NK)细胞、T淋巴细胞和B淋巴细胞的能力。Ⅰ型IFN具有很强的抗病毒活性，并通过激活免疫细胞来抑制病毒复制，同时破坏mRNA并阻断细胞中的蛋白质翻译。它们还有助于促进感染细胞中NK细胞受体表达的更多配体，促进NK细胞消灭病毒感染的细胞[38,39]。
IFN-γ由活化的NK细胞合成，与IFNα/β结合，并作为主要组织相溶性复合物(MHC)分子在先天免疫反应中诱导杀死感染细胞。Ⅱ型IFN的主要作用是激活巨噬细胞，促进对细胞内微生物的吞噬作用。巨噬细胞产生的细胞因子反过来激活启动适应性免疫反应的T淋巴细胞。这种细胞因子具有抑制细胞生长和触发细胞凋亡的能力。IFN-γ可以长期发挥抗病毒活性，还可以调节先天性和适应性免疫反应[40]。
JAK是一种细胞内酪氨酸激酶，介导来自细胞因子、激素和GF的信号。JAK抑制剂，包括Ruxolitinib和Baricitinib，已被用于治疗多种自身免疫性疾病。JAK通路抑制剂可非择性地抑制多种细胞因子的活性，能有效地抑制CS，但这种对免疫反应的非选择性抑制增加了二次感染的风险。目前有研究显示JAK通路抑制剂在SARS-CoV-2感染的早期阻断细胞因子信号传导，减少过度炎症反应[44]。SARS-CoV-2通过肺泡2型细胞上的血管紧张素转换酶-2(ACE2)进入机体，在调节因子的作用下通过ACE2介导内吞和细胞内转运。其中重要的调节因子AP2相关蛋白激酶-1也是JAK抑制剂的靶点，可阻止SARS-CoV-2的进入和增殖[45]。多种JAK抑制剂(如Baricitinib、Ruxolitinib和Fedratinib)目前正研究用于严重COVID-19病例，其中一项关于Ruxolitinib的多中心随机对照试验表明，该药物可改善临床疗效[46]。另一项多中心回顾性研究表明，Baricitinib可降低严重COVID-19的重症监护室(ICU)入院率和病死率，提高出院率[47]。
CS是一种由炎症反应过度引起的临床综合征，在严重呼吸道病毒感染中起重要作用，可导致包括肺部在内的多个器官严重损伤，甚至死亡。本文重点探讨了呼吸道病毒感染诱发CS的机制，综述了目前靶向治疗CS的药物，期望能为呼吸道病毒感染的治疗提供一些参考。随着越来越多的靶向细胞因子药物用于治疗重症COVID-19，我们相信这些新的细胞因子抑制剂，是治疗呼吸道病毒感染的新选择。
所有作者均声明不存在利益冲突
