新型冠状病毒肺炎(COVID-19)病原体为新型冠状病毒(2019-nCoV)，该病毒属于β冠状病毒。与严重急性呼吸综合征冠状病毒一样，2019-nCoV的受体为血管紧张素转化酶2(ACE2)，重症患者多为有基础疾病老年人的机制可能与人体内幼稚T细胞数量的减少有关。除肺部症状外，COVID-19还可引发多器官(肝脏、神经系统、心脏和肾脏等)功能损伤甚至衰竭。病毒的直接入侵、"细胞因子风暴"、内皮细胞受损以及ACE2的下调等机制在其重症化中发挥重要作用。
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2020年3月11日，新型冠状病毒肺炎(COVID-19)被列为全球性大流行病，尽管多数患者症状较轻，仍有部分发展为重症，发生多器官功能损伤、衰竭甚至死亡。本文对COVID-19患者多器官功能损伤机制的研究进展进行阐述。
对大多数COVID-19患者而言，肺是病变最严重的组织脏器。早期的报道显示所有患者(41例)胸部CT均表现异常，31例出现咳嗽症状，22例出现呼吸困难，12例出现急性呼吸窘迫综合征(Acute respiratory distress syndrome，ARDS)，2例出现咯血[1]。COVID-19死亡病例尸检提示，肺组织炎性病变明显，肉眼观呈现斑片状炎性灶及出血，切面有大量黏稠分泌物溢出，并可见纤维条索；组织学检查提示双肺弥漫性肺泡损伤伴纤维黏液样渗出物，可见透明膜形成，表现为ARDS[2]。渗出细胞主要为单核巨噬细胞，还可见多核巨细胞，表现为病毒样细胞病变，但未发现明显的病毒包涵体[3]。电镜下观察，小支气管以下气道黏膜上皮和Ⅱ型肺泡上皮细胞胞质内可见新型冠状病毒(2019-nCoV)颗粒[4]。
与轻症COVID-19患者相比，重症患者的白细胞介素(Interleukin，IL)-2、IL-6、IL-10、粒细胞集落刺激因子(GCSF)、单核细胞趋化蛋白1(MCP1)、巨噬细胞炎性蛋白1α(MIP1A)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)等细胞因子水平更高[5]。而人工肝等血液净化治疗可以有效清除人体内过量的细胞因子，在重症患者治疗中显示出良好的疗效[6]。上述研究结果可以说明"细胞因子风暴"是ARDS和多器官损伤的主要原因之一。2019-nCoV通过与人血管紧张素转化酶2(Angiotensin converting enzyme 2, ACE2)受体结合入侵细胞，病毒在肺泡上皮细胞中繁殖，引起上皮细胞变性、坏死和脱落，造成弥漫性肺泡损伤；同时，肺泡巨噬细胞或上皮细胞释放出大量病毒和促炎性细胞因子，进一步活化免疫细胞(包括单核巨噬细胞、淋巴细胞和中性粒细胞等)，促使这些细胞向病毒感染部位聚集并引起局部炎性反应，同时释放细胞因子，刺激免疫细胞形成正向反馈，从而引起"细胞因子风暴"[7,8]。由于这些细胞因子的作用，血管通透性增加，大量液体和血细胞进入肺泡，增加疾病的严重性。
干扰素的产生是针对病毒感染的关键天然免疫反应。研究表明，与严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)相比，2019-nCoV感染肺部组织的48 h内会产生更多的病毒颗粒，并且不能引发干扰素大量表达[9]。
病毒快速复制和强烈"细胞因子风暴"的另一个后果是诱导肺泡上皮细胞、内皮细胞以及大量T细胞凋亡[7]。T细胞凋亡以及感染早期干扰素低表达造成免疫缺陷，病毒不能及时清除；而"细胞因子风暴"、炎性细胞浸润、内皮细胞和上皮细胞凋亡破坏了肺微血管和肺泡上皮细胞屏障，血管通透性增加，引起血管渗漏、肺泡水肿以及透明膜形成，导致ARDS。
COVID-19患者血浆血管紧张素Ⅱ(Angiotensin 2，AngⅡ)水平显著升高，并且其水平与病毒载量和肺损伤密切相关，提示肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)失调是由2019-nCoV引起的[10]。AngⅡ在RAAS中起关键作用，通过血管紧张素Ⅱ 1型受体(Angiotensin Ⅱ type 1 receptor，AT1R)发挥收缩血管、升高血压及诱导炎症等作用；而ACE2可将AngⅡ水解成Ang1-7，通过与Mas受体结合而发挥舒张血管和抗炎等作用，是肾素-血管紧张素系统的负调节因子[11]。人体内高水平的AngⅡ会加重肺损伤，而ACE2可在急性肺损伤中提供保护。ADAM-17是一种Ⅰ型跨膜蛋白，可介导ACE2的蛋白水解和胞外域脱落。2019-nCoV与细胞表面ACE2结合后，由于内吞作用和蛋白水解切割，ACE2水平下降，对AngⅡ的降解减少，增多的AngⅡ与AT1R结合，触发信号级联反应，最终使ADAM-17磷酸化，增强其催化活性，使ACE2水平进一步下降；如此循环，最终导致高水平的AngⅡ和低水平的ACE2，进一步加重肺损伤[11]。
重症COVID-19患者血浆D-二聚体相比轻症患者更高[1]。约有27%的危重患者发生静脉血栓，约4%的患者发生动脉血栓，并且约80%的静脉血栓患者出现肺栓塞[12]。病理观察可见肺组织微血管透明血栓[4]。此外，血管内皮组织广泛表达ACE2，2019-nCoV可能直接侵犯内皮细胞[13]。"细胞因子风暴"也会使内皮细胞凋亡、功能受损[7]。部分患者抗心磷脂抗体检测阳性，该抗体会增加血栓形成风险[14]。重症患者由于病情严重，需要长期卧床，血液流动缓慢。以上种种因素使COVID-19患者血液呈高凝状态，除肺栓塞外，脑梗塞和心肌梗塞的发生风险也相应增加。肺栓塞是晚期COVID-19患者呼吸功能突然恶化的重要因素。
一项临床研究发现，99例COVID-19患者中有43例出现不同程度的肝功能异常[15]。与入院时肝功能正常的患者相比，肝功能异常者患严重肺炎的风险明显更高[16]。
肝功能异常亦可能与"细胞因子风暴"相关。病毒入侵可直接导致Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)等炎症信号与杀伤性T细胞活化，尤其是T细胞作用于受感染的机体细胞，导致细胞凋亡及T细胞耗竭，凋亡的受感染细胞释放损伤相关模式分子，如细胞DNA片段、活性氧和脂质代谢产物等，进一步活化TLR等炎症信号，募集大量巨噬细胞、中性粒细胞释放细胞因子，形成"细胞因子风暴"，导致更多细胞损伤、坏死[17]。
有研究使用单细胞RNA-seq数据对COVID-19患者肝组织中表达ACE2的细胞类型进行评估，结果表明，ACE2在大部分胆管细胞中(约59.7%)表达丰富，其水平与肺泡Ⅱ型细胞相当，而在肝细胞中(约2.6%)表达程度很低，提示病毒可能直接与ACE2阳性的胆管细胞结合，但不一定与肝细胞结合，而胆管细胞在肝脏再生和免疫反应中起关键作用，因此，2019-nCoV对胆管细胞的潜在损伤亦可能造成肝脏损伤[18]。COVID-19死亡患者肝脏病理解剖提示肝细胞变性和局灶性坏死，小胆管内可见胆栓，表明胆管细胞功能障碍是导致肝功能异常的重要原因[3]。
此外，住院期间抗病毒药物的使用也会导致COVID-19患者肝功能异常。研究表明，住院期间使用抗病毒药洛匹那韦/利托那韦治疗的COVID-19患者，其血液中总胆红素和γ-谷氨酰转肽酶水平高于未使用者，该药物的使用使肝损伤风险增加了4倍[16]。
神经系统损伤在COVID-19患者中也较为常见。有报道显示，214例COVID-19患者中，有36.4%的患者出现神经系统症状(包括急性脑血管事件、意识障碍和肌肉损伤)，在重症患者中更为常见；中枢神经系统症状以头晕和头痛为主，周围神经系统症状以味觉障碍和嗅觉障碍为主[19]。
前期研究已经充分证实冠状病毒的嗜神经性：死于SARS-CoV的患者大脑中可检测出SARS-CoV的N蛋白以及RNA成分[20]。1例因晕厥而就诊的COVID-19患者，尽管其鼻咽拭子中未检测出特定的2019-nCoV核酸，但其脑脊液中2019-nCoV RNA呈阳性反应，磁共振成像(MRI)检查也显示出病毒性脑炎的改变[21]。目前认为冠状病毒可以通过感染外周神经进入中枢神经系统。冠状病毒感染小鼠鼻细胞后，可在7 d内通过嗅神经和嗅球到达大脑，并引起炎症和脱髓鞘反应；而去除小鼠嗅球后，病毒侵入中枢神经系统即被受限，提示嗅觉神经元是冠状病毒侵入中枢神经系统的途径之一[22]。
ACE2在神经系统内皮细胞中也有表达[13]。有研究在COVID-19死亡患者额叶组织的神经细胞和毛细血管内皮细胞的小囊泡中发现了2019-nCoV颗粒，表明病毒正在进入或者流出内皮细胞，病毒一旦入血，即可通过感染血脑屏障内皮细胞进入中枢神经系统；此外，2019-nCoV可能会利用血液中的炎症细胞作为"特洛伊木马"进入中枢神经系统[23]。
2019-nCoV感染可导致脑炎，尽管COVID-19患者脑脊液2019-nCoV检测结果可能为阴性，但2019-nCoV诱导的免疫反应亦可能引起脑组织炎性损伤和水肿，从而导致意识改变[24]。即使没有病毒侵入中枢神经系统，COVID-19患者体内高水平的细胞因子也可以通过破坏血脑屏障完整性而引起神经精神症状，并导致外周免疫细胞向中枢神经系统迁移，继续释放细胞因子，加重神经系统的损伤[25]。
同时，脑是一个高耗氧器官。肺部损伤会导致机体缺氧，增加脑细胞线粒体的无氧代谢。酸性物质的积累可引起脑血管扩张、脑细胞肿胀、脑间质水肿和脑血流受阻。如果持续缺氧，脑水肿和脑循环障碍可能会急剧恶化。随着颅内压增高，脑功能逐渐恶化，可观察到嗜睡、球结膜水肿和昏迷等症状，甚至发生脑卒中[26]。
部分COVID-19患者还有心脏损伤的表现，相关生化指标如肌酸激酶、肌钙蛋白、脑钠肽和肌酸激酶同工酶等在部分患者中明显升高，超声心动图显示左心室射血分数下降[10]。COVID-19患者的心脏病理改变为心肌细胞肥大、部分心肌细胞变性和坏死，电镜下见部分心肌纤维肿胀、溶解[3]。
"细胞因子风暴"在心肌损伤中亦可能发挥了重要作用。此外，机体缺血、缺氧亦会导致心肌细胞损伤：一方面，由于肺部病理损伤形成ARDS导致机体整体缺氧；另一方面，由于ACE2在内皮细胞以及心肌细胞中也有表达[13,27]，2019-nCoV入侵可能导致内皮脱落和功能障碍，从而导致血管损伤、局部炎症和促凝血因子的产生，增加血栓形成和缺血事件的发生风险，从而损伤心肌细胞[28]。
尽管肾脏损伤在COVID-19患者中没有肺组织损伤那么明显，但仍有部分患者出现急性肾功能衰竭，甚至少数需要肾透析治疗[15]。肾近端小管上皮细胞高表达ACE2，表明肾脏也是2019-nCoV的靶器官之一[27]。电镜下在肾组织中直接观察到病毒颗粒也证实了这一结论[29]。对6例新冠肺炎死亡患者的病理解剖结果显示：肾脏标本出现不同程度的急性肾小管坏死，而无严重的肾小球损伤；免疫组织化学染色可观察到2019-nCoV N蛋白抗原仅局限于肾小管，而肾小球中无N蛋白抗原[29]。上述研究表明2019-nCoV可能直接感染肾小管，而不直接损伤肾小球。此外，还观察到以巨噬细胞为主的肾小管间质炎性细胞浸润，表明来自巨噬细胞的促炎细胞因子会导致肾小管损伤，且肾小管中出现免疫复合物(C5b-9)的沉积[29]。该复合物亦可以通过激活多种下游途径(包括蛋白激酶、活性氧、内质网应激和泛素-蛋白酶系统)影响细胞骨架的完整性，导致肾脏细胞损伤[30]。
重症COVID-19患者多为有基础疾病的老年男性[31]。儿童所占比例不高，且症状较轻[32]。免疫衰老可能在其中起到了重要的作用。随着年龄的增长，人体内幼稚T细胞数量减少，而接触过抗原的记忆T细胞逐渐成为T细胞的主要组成部分。老年人免疫系统对先前接触过的病原体的反应能力得以保留，而对新接触的病原体却没有足够的免疫反应能力；相反，儿童体内有大量幼稚T细胞，可随时应对入侵的新病原体[33]。
抗体依赖性增强效应(Antibody-dependent enhancement，ADE)亦可能使病情加重[34]。抗体与病毒表面刺突蛋白结合，使其构象变化，变得易于被蛋白水解激活；同时，抗体与细胞表面IgG-Fc受体结合，抗体/Fc受体复合物在功能上能够模仿病毒受体介导病毒进入[35]。重症COVID-19患者常具有更高的抗体水平，提示2019-nCoV感染也可能发生ADE[36,37]。
除了肺部损伤，重症COVID-19患者往往伴有多个组织脏器受累，相关生化指标如血氧饱和度下降，ALT、AST、肌钙蛋白、肌酸激酶和肌酐升高；影像学也发生相应改变，如心脏超声提示左室射血分数下降，肺部CT提示炎性改变等[1,10,38]。肺外器官(肝脏、神经系统、心脏和肾脏等)的受累可能与ACE2在人体内的广泛分布以及"细胞因子风暴"等有关。病毒直接入侵、"细胞因子风暴"、内皮细胞受损以及ACE2的下调等机制在COVID-19重症化中发挥了重要作用，COVID-19患者最终死于呼吸衰竭、全身缺氧、代谢紊乱、多器官衰竭或侵袭性继发感染。
所有作者均声明不存在利益冲突
