新冠肺炎发病中的免疫学机制
摘
要
新型冠状病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19）全球爆发流行致全球12万多人感染，死亡逾四千。理论上病毒对机体的损害来自于病毒和机体防御两方面，防治策略在抗病毒和支持的同时兼顾改善组织损伤和免疫平衡。机体防御首推以皮肤、纤毛、上皮和基底膜等为主的结构屏障和由固有免疫和适应性免疫组成的免疫屏障。总结前人对冠状病毒所致的严重呼吸综合征（severe acute respiratory syndrome，SARS）和中东呼吸综合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）免疫学机制的研究，有助于认识C
OVID-19的病理机制。新型冠状病毒（SARS-CoV-2）之所以来势汹汹与其膜蛋白和靶细胞受体亲和力高、毒力强造成的组织损伤及其结构和抗原表位与免疫记忆差别大、先天和后天免疫引起的超强损伤相关，其中肥大细胞的重要作用不应被忽视，肥大细胞介质抑制剂和膜稳定剂的作用也应受到重视。
病毒感染的严重程度取决于病毒的传染力、传播速度、机体免疫系统对病毒的容受性即免疫记忆性。SARS-CoV-2之所以“诡异”是其结构与之前冠状病毒的差异，导致超强的免疫防御和失控的免疫应答。病毒经呼吸道、消化道、泌尿生殖道或破损的皮肤侵入机体，利用宿主细胞的核酸、蛋白而繁殖，同时占据宿主细胞空间而致其结构破坏、死亡，功能丧失，同时也受到局部和全身迅速启动的固有免疫和后续的后天免疫应答，在杀伤、清除和阻止病毒进入的过程中造成组织结构破坏、被感染细胞死亡和功能受损，出现一系列临床表现。感染后细胞和体液的记忆功能将在再次接触同类抗原时产生免疫应答，这也是疫苗的理论基础。本文将就病毒感染后机体免疫反应机制及其结局作一回顾。
一
病毒感染中的固有免疫应答
1.固有免疫的监视作用：SARS-CoV-2通过表面刺突（spike，S）蛋白到宿主细胞受体与之结合，通过网格蛋白介导膜融合被内吞入细胞。宿主细胞与病毒表面蛋白配受体关系和亲和力决定了病毒的传染性和嗜细胞特性，而致病力与其侵入的宿主细胞类型及其功能相关。晶体结构解析证实血管紧张素转化酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）是SARS-CoV-2 S蛋白的受体，二者的亲和力是SARS-CoV与ACE2亲和力的10-20倍，是SARS-CoV-2超强感染性的原因。通常ACE2仅表达于心、肾、血管内皮细胞，而COVID-19呼吸道、消化道、肝、脾多器官受损，鼻咽拭子、唾液、尿液、粪便和血液均检出病毒核酸，这提示SARS-CoV-2在人体还有其他受体，经外泌体携带病毒颗粒也是病毒广泛播散不可忽视的途径。
病毒侵入宿主首先激活由上皮细胞、内皮细胞和表皮组成的结构性屏障再激活由肥大细胞（mast cell,MC）、单核-巨噬细胞（Macrophages，Mø）、树突细胞（DC）、B细胞、朗格汉斯细胞（Langerhans Cell,LC）等组成的先天免疫系统。在生物进化过程中这些细胞衍生出具有生物传感器功能的模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）通过
识别病原微生物种系保守序列编码蛋白病原体相关分子模式（pattern recognition receptor，PAMPs）或损伤相关分子模式（DAMPs）,监测和捕捉外来抗原，发挥吞噬和释放炎症因子攻击病毒，杀伤受病毒感染细胞阻止病毒入侵；将处理后的抗原递呈给效应细胞，激活适应性免疫，诱导杀伤、吞噬和产生抗体中和病毒；同时，细胞间通讯和调节维持免疫防御的适度。病毒相关PRR有TRLs、视黄酸诱导基因-1（RIG-1）、黑素瘤分化相关蛋白5（MDA5）和C-型凝集素（C-typelectinreceptor，CLR）等，识别不同病原体成分启动相应的信号通路，如RIG-I识别RNA聚合酶III启动的病毒dsDNA转录，TLR3、TLR4、TLR7和TLR9等与病毒分子的链接激活MyD88启动TRIF-TRAM-TBK1-IRF3 /5/7、RIG-I-MAVS-CARD9，细胞质诱导途径则启动线粒体衔接子蛋白MAVS/IPS-1/VISA/CARDIF等信号通路，最后激活炎症小体TANK结合激酶-1（TBK-1）或IKKi激酶等，经干扰素调节转录因子-3（IRF-3）、NF-κB和AP-1等途径启动干扰素和促炎细胞因子pro-IL-1b、pro-IL-18、IL-6等转录，I和III型干扰素与补体系统是最早期的抗病毒因子。产生的细胞因子反馈触发自分泌和旁分泌的早期转录并不断放大。
2.树突状细胞的应答：DC和LC是最强的专职抗原递呈细胞(Antigen presenting cells, APC)，作为固有免疫和适应性免疫的桥梁，利用多种PRR如TLR-7或TLR-9特异性识别PA
MP后迅速内化至细胞核中，启动细胞因子合成；募集固有免疫细胞到炎症部位，共同对抗病毒；同时活化和成熟，启动IRF-7转录和高表达，加速Ⅰ型干扰素合成与分泌；上调膜分子表达，增强自身抗原递呈能力。病毒核酸刺激DC伸出伪足，以吞噬或胞饮的方式捕获进入的病毒被膜、核酸和完整的病毒体，迁移到淋巴结，将加工、处理的病毒抗原肽与MHC-Ⅰ/-ⅡMHC送至表面，作为第一信使；表达共刺激分子B7-1/-2、CD40、CD80和CD86等第二信使，被CD4 TCR或CD8 TCR识别而激活原始T细胞（naive T即Th0），分化成熟为Th1产生细胞因子，分化成熟为Tc发挥细胞毒性T细胞（cytotoxic T cell， CTL）效应。
3.肥大细胞的应答：根据肥大细胞（mast cell，MC）相关研究二十多年的经验，笔者认为MC在COVID-19致病中起了重要作用。 
3.1肥大细胞的组织定位决定其应答的快速、持久。不同于其他造血起源细胞和免疫细胞MC具有独特起源，它是以前体（mast cell precursor，MCp）进入并定居于全身皮肤、粘膜和结缔组织，沿血管、淋巴管、神经元广泛分布，一旦受刺激，局部MCp立即分化、增殖，产生大量成熟MC，故被认为是组织定居的最“长寿”免疫细胞。
3.2表达最丰富的膜分子。MC非常广泛的膜分子决定了其强大的识别和结合抗原能力。利
用TLR1～9、鼻病毒受体CD54/ICAM-1和麻疹病毒受体CD46以及CLR、RIG-1和MDA5等有效识别病毒PAMPs或DAMPs、监测和及时发现外来抗原，激活核因子NF-κB、IP10和AP-1产生炎症因子。通过表达CXCR1～4、CX3CR1、CCR1～CCR5等趋化因子受体，与CXCL1/5/8、CXCL14、CCL5/11和CX3CL1结合，诱导自身迁移和活化，募集单核-巨噬细胞（Macrophages，Mø）和白细胞、淋巴细胞等至炎症部位，并协同其他细胞因子增强其活性。MC表达IgG受体FcγRI、FcγRII（A/B/C）和FcγRIII，在IFN、抗原-IgG复合物、干细胞因子（SCF）等刺激时，启动mRNA转录和蛋白合成，MC也被激活。MC表达补体受体CR1/C3b/C4bR（CD35）、CR2 /C3bR（CD21）和CR3/C5aR（CD88）、C3aR，而被补体途径激活。MC还表达大量的G蛋白偶联受体(G protein coupled receptor，GPCRs)如Mrgpr（主要是MrgprX2）与病毒代谢物MrgprB2结合，触发Ca2+内流而迅速脱颗粒。MC表达TSLP受体、CD48和CD203c、CD63、生物胺受体、蛋白激活化受体（PAR）、PGEE2受体、鞘氨醇-1-磷酸受体（S1PR）、抗菌肽受体、神经肽受体NK-1R、嘌呤能受体、促肾上腺皮质激素释放激素受体等等，响应各种刺激而活化。MC还富含以整合素为主的黏附分子，介导细胞与细胞、细胞与细胞基质相互作用，辅助免疫细胞跨越内皮向炎症部位迁移和定植，VLA-4、ICAM-1、DC-SIGN（CD209）等在辅助炎细胞募集和吸附病毒的同时也辅助病毒扩散。
3.3通过释放颗粒内介质，介导炎症反应。上述膜分子是MC作为病毒监视器与触发器的基础，一旦活化立刻脱颗粒，释放预先形成颗粒内介质的同时合成和释放新的介质。预形成颗粒包含组胺、5-羟胺、多巴胺和多胺等生物胺，丝氨蛋白聚糖、肝素、软骨蛋白聚糖和硫酸软骨素等蛋白聚糖，蛋白酶如类胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧肽酶-A3和组织蛋白酶，溶酶体酶如组织蛋白酶B、C、D、E、L，天冬氨酸蛋白酶、β-己糖苷酶、活化的caspase-3、整合素、MMP9和ADAMTS5、粒酶B以及肾素等等。新合成的介质有细胞因子、生长因子、趋化因子和花生酸类代谢产物PGD2、LTB4/C4、COX2以及PAF和大量的氧自由基。这些都是强致炎因子，增加血管通透性和血管渗漏、扩张血管、使血压下降和凝血功能紊乱，在水解病毒蛋白的同时损伤组织细胞和细胞外基质及其功能、使粘液聚集、氧合下降，收缩平滑肌、增加气道阻力、引起呼吸困难和腹痛腹泻；促进炎症细胞趋化、聚集、活化和上调黏附分子表达、释放炎症介质与氧自由基，调节其他炎症介质的产生和活性，加重损伤或缓解炎症反应。COVID-19患者肺淤血出血夹杂，气管、支气管腔和肺内大量胶冻状黏液聚集，心包和胸、腹膜等浆膜腔积液，脑水肿和心肝肾睾丸等多器官损伤、凝血紊乱均与MC激活有关。
3.4合成和分泌细胞因子、趋化因子。MC活化后合成IL-1～IL-6、IL-9～IL-13、IL-16、IL-3
3、TNFα和IFNγ等细胞因子；EGF、GM-CSF、NGF、PDGF、TGF-β、VEGF/VPF等生长因子以及CCL1～CCL5、CCL7、CCL18、CXCL1、CXCL2等趋化因子，病毒不断扩增，这些介质持续释放。IL-1β协同刺激APC和T、 B细胞增殖和活化，诱导肝脏合成急性期蛋白参与发热和恶病质；IL-3激活MC，增加组胺和LTC4释放，促进嗜酸细胞生长、黏附、跨内皮迁移、趋化与活化。IL-4启动MC产生IL-3、IL-5和IL-13等Th2型细胞因子，促进血管内皮细胞VCAM-1表达、抑制ICAM表达。IL-6增强T细胞生长、分化、激活，参与Th17免疫反应，触发气道上皮黏液分泌。IL-8 和IL-9分别使中性和嗜酸粒细胞向炎症部位趋化，并启动嗜酸细胞合成IL-3、IL-5、GM-CSF。TNF最早在MC发现，能激活内皮细胞，增加黏附分子表达，促进炎细胞向组织迁移，增强早期炎症反应，并通过Th17依赖方式募集白细胞向区域淋巴结迁移抵抗感染。