新冠病毒是单股负链RNA病毒，约3万个碱基组成，基因组包括结构基因和非结构基因两个部分，每个结构或辅助基因的起始端是转录调控序列（transcriptional regulatory sequences，TRS），促进基因的表达。非结构基因含有开放阅读框（open reading frame，ORF）1a/b基因，大小约20kd，占总基因组的三分之二，负责编码多聚蛋白，形成病毒复制转录复合物。紧随其后的三分之一结构基因编码4种主要结构蛋白：受体结合位点的刺突蛋白（spike protein，S蛋白），小包膜蛋白（envelope protein，E蛋白），核衣壳（nucleocapsid，N）和膜蛋白（membrane protein，M蛋白），以及几种辅助蛋白^[3]。

新冠病毒侵入机体的机制是病毒表面S蛋白的受体结合域（receptor-binding domain，RBD）识别并结合人呼吸道上皮细胞血管紧张素转换酶II （angiotensin converting enzyme II，ACE2）受体，在CatB/L、TMPRSS2蛋白酶和白转化酶的辅助下进入宿主细胞^[4,5,6]。有研究发现新冠病毒表面S蛋白与SARS-CoV相比，呈躺下模式，即容易被隐藏。一方面RBD与ACE2的高亲和力，以及Furin蛋白酶的预激活，促进了病毒对细胞的侵入，另一方面病毒表面S蛋白的躺下模式，使新冠病毒很难被先前产生的抗体中和，出现免疫逃逸现象^[7]。病毒进入细胞后，病毒RNA基因组被释放到细胞质中并被翻译成蛋白，进行复制，新形成的包膜蛋白被转移到内质网或高尔基体膜，形成核衣壳，进入内质网-高尔基体中间区室后，病毒颗粒的囊泡与质膜融合，释放出病毒，这一过程可直接导致宿主细胞的坏死或溶解^[3]。释放的新冠病毒会再感染宿主细胞，进行下一轮的复制。

新冠病毒感染机体后在细胞内复制时，宿主细胞通过模式识别受体识别病毒特异性RNA结构进而激活干扰素调节因子（interferon regulator factor，IRF）和核因子κB（nuclear factor κB, NF-κB）。诱导I型干扰素（type I interferon，IFN-I即IFN-α/β）和趋化因子的产生，IFN-I不仅具有抗病毒作用，还可以诱导免疫细胞的活化，有可能增强组织的病理状态。相比之下，III型干扰素（IFN-III即IFN-λ）主要靶向上皮细胞以及部分的免疫细胞，因此可以在不增强组织炎症反应的情况下增强抗病毒作用。然而，有研究发现，新冠病毒感染初期，病毒浓度较低，不会诱导较强的IFN-I/-III反应，这可能与病毒产生IFN抑制蛋白有关，IFN抑制蛋白抑制抗病毒的IFN应答，导致肺组织中单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的过度累积。

淋巴结相关的CD68+巨噬细胞和组织驻留的CD169+巨噬细胞上均可检测到ACE2，并且在巨噬细胞中发现了新冠病毒颗粒，但这些发现是巨噬细胞受到病毒感染还是其生理吞噬作用的结果尚不清楚^[8]。嗜酸性中性粒细胞是严重SARS-CoV-2感染时主要的肺部浸润性白细胞之一，中性粒细胞预示着不良的临床结局。新冠病毒在感染急性期迅速损害树突状细胞（ dendritic cells, DC），可能导致了DC功能障碍^[9]。有研究表明COVID-19患者的NK细胞有的上升有的降低。功能衰竭的NK细胞与重症COVID-19有关，功能衰竭的NK细胞表达的NKG2A是一种抑制性受体，抑制CD107a、IFN-γ、TNF-α、IL-2的产生^[10]。

细胞因子风暴是重症COVID-19患者病理损伤的主要原因。新冠病毒侵入肺组织上皮细胞后，受感染细胞会促进大量趋化因子和细胞因子的释放进而形成细胞因子正反馈放大效应。感染部位细胞释放白介素-1（interleukin 1，IL-1）、IL-6、IL-8、IL-21、肿瘤坏死因子β（tumor necrosis factor-beta，TNF-β）、IFN、单核细胞趋化因子1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1），同时MCP-1还可促进血管紧张素II（angiotensin ii, Ang II）的合成，IFN促进细胞ACE2基因的表达，促进病毒感染细胞，进一步加重炎症反应，这些趋化因子和细胞因子又将淋巴细胞和单核/巨噬细胞募集到感染部位，进一步释放炎性因子^[11]。

重症COVID-19患者的支气管肺泡液中单核/巨噬细胞含量明显高于轻症COVID-19患者，部分单核/巨噬细胞的活化失调，通过JAK/STAT信号通路的激活进而分化为促炎性巨噬细胞，表现为IL-1、IL-7、IL-8、IL-9、IL-10、粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，GCSF）、GM-CSF、IFN-γ、干扰素诱导蛋白10（interferon-inducible protein-10，IP10）、MCP1、巨噬细胞炎症蛋白1-α（macrophage inflammatory proteins 1alpha，MIP1A）、巨噬细胞炎性蛋白1β（macrophage inflammatory protein 1 beta，MIP1B）、血小板衍生因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、TNFα和VEGF炎症因子风暴。细胞因子风暴而释放出大量的一氧化氮，进一步损伤血管并引起败血性休克^[12]。有研究发现，浸润性巨噬细胞可能不仅促进急性炎症，也促进机械通气患者的组织纤维化，病理表现为心脏、肝脏、肾脏、肺损伤或多器官衰竭，嗜中性粒细胞和巨噬细胞大量浸润，弥漫性肺泡损伤，透明膜的形成，以及肺泡壁的弥漫性增厚^[13,14]。

巨噬细胞将新冠病毒抗原呈递给T细胞，诱导T细胞过度活化并分化成不同的T细胞亚群，释放大量细胞因子，导致严重的免疫失调、促炎作用的CCR4⁺ CCR6⁺ Th17增多、辅助性T细胞反应增强、B细胞的激活、相应抗体的产生^[13]。许多COVID-19患者的共同特征是整体T细胞减少，细胞毒T细胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）细胞更为明显，可能机制为：CTL迁移到感染组织部位活化并表达CD38和HLA-DR，识别表面抗原-HLA-DR复合体，通过穿孔素/颗粒酶途径和FasL/Fas和TNF/TNFRI途径杀伤感染病毒的细胞^[15,16]。同时血清TNF、IL-6和IL-10水平与T细胞数量呈负相关，死于COVID-19的患者的脾脏和淋巴结中有高水平的淋巴细胞凋亡，这说明死亡受体FAS的表达增加，活化诱导的细胞死亡（activation-induced cell death, AICD）可能导致T细胞减少，而AICD是否由巨噬细胞衍生的细胞因子（如IL-6）诱导和/或增强尚需研究验证。免疫细胞通过产生代谢转换调控细胞因子和活性氧，促进免疫细胞过度活化和炎症的持续存在^[17]。研究发现中性粒细胞与淋巴细胞比值是COVID-19的独立危险因素，是早期危险因素识别信号，对判定疾病进程具有参考价值^[18]。

最初，B细胞似乎通过新冠病毒核衣壳蛋白抗原信号以及T细胞的共刺激信号，并在细胞因子IL-1、IL-4的刺激后，活化为效应B细胞，抗体反应在COVID-19症状出现4~8天后开始，以IgM为主，10~18天以IgA和IgG为主，发挥调理作用，抗体依赖细胞介导的细胞毒性作用，激活补体，从而溶解病毒感染的细胞。中和性抗体水平与N蛋白特异性T细胞数量呈显著正相关，表明在对抗病毒方面特异性体液免疫和细胞免疫也许存在协同作用^[11]。患者感染初期的IgM抗体水平高、IgG抗体水平低，重症患者具有高水平的IgG反应和总抗体滴度^[19]，说明抗体水平与COVID-19进展相关。粘膜IgA可能防止新冠病毒再感染，而循环IgA可能有助于中和SARS-CoV-2，并在活动性感染期间抑制炎症^[20]。

在新冠病毒感染宿主细胞的过程中，S蛋白和TMPRSS2具有非常重要的作用，可以作为抗新冠病毒药物的理想靶点，例如针对S蛋白的新型抗体药物，与宿主细胞ACE2受体相比，其与新冠病毒S蛋白快速结合，阻止病毒进入细胞。同时，S蛋白也成为很多疫苗的研发的靶点，如腺病毒表达载体疫苗，能够诱导人体快速产生免疫应答，并且具有较好的安全性^[21]。ACE2促进病毒与宿主细胞的结合，给病毒感染提供了门通道作用，Furin蛋白酶在病毒蛋白的加工和多聚蛋白的合成方面具有重要作用，均可作为抗病毒药物的潜在靶点。

新冠病毒感染激起机体的免疫应答，诱导的IP-10、MCP-3和IL-1RA与PaO2/FaO2和Murray评分高度相关。病毒载量与IP-10相关，而与MCP-3和IL-1RA无关，提示IP-10和MCP-3可作为COVID-19进展的预测指标，也可以作为COVID-19治疗的潜在靶点^[22]。IL1RA释放增加，提示了通过基因重组技术所产生的人IL-1抑制剂阿那白滞素可能存在潜在治疗作用。IFN-γ与IL-6/sIL-6R信号传导之间的相互作用有助于快速募集和及时清除中性粒细胞，从而控制急性炎症的发生和消退以及先天性免疫和适应性免疫之间的转换。一些研究表明重症患者和死亡患者的IL-6水平较高，而IFN-γ表达往往比中度患者略低，较高的IL-6/IFN-γ比值可评估COVID-19患者的疾病严重程度^[23,24]。阻断IL-6信号传导的策略已在全球开展，使用靶向IL-6受体的人源化单克隆抗体tolicizumab（托珠单抗，雅美罗^®）治疗重度COVID-19患者，发现患者的氧需求量降低，CRP下降，影像学显示肺组织症状改善^[25]。因此进行IFN治疗时间非常重要，与中重症患者相比，在病毒感染初期，给予IFN治疗，可能具有较好的效果，这一现象在IFN治疗MERS的动物模型上得到展现^[26]。而在重症COVID-19患者的肺部，炎性巨噬细胞表现出强大的IFN特征，尽管IFN在疾病早期可能具有保护作用，但IFN-γ持续产生最终可能导致巨噬细胞过度活化产生巨噬细胞活化综合征。呼吸窘迫和过度炎症的COVID-19患者进行IFN-γ阻断治疗，可能是必要的^[27]。其他髓样来源的炎性细胞因子如GM-CSF也可以作为治疗新冠的潜在靶点，循环中的CD14+单核细胞需要趋化因子受体CCR2的作用在炎症组织聚集，阻断CCR2可能有助于减少炎性组织中病理性单核细胞的积累^[28]。CCR5也是调节单核细胞和T细胞迁移的趋化因子受体，这些靶点的选择旨在干扰细胞因子信号传导从而减少重症COVID-19患者的过度炎症反应。

新冠病毒感染机体后，诱导机体产生中和抗体，有研究已经从康复者病人体内筛选出几千种病毒结合抗体序列，并成功找出14株高活性的中和抗体。COVID-19康复者血浆在COVID-19治疗方面具有较好的前景，主要与康复者血浆的高滴度的中和抗体相关^[29]。很多研究者通过生物信息学工具以及新冠病毒基因组预测人类B和T细胞可识别的抗原表位，并评估其保守性，为疫苗和抗体的研发提供思路。