引用本文： 傅小云, 周厚榮, 葉賢偉, 張湘燕. 淺析新型冠狀病毒肺炎并發急性呼吸窘迫綜合征的病理及病理生理. 中國呼吸與危重監護雜志, 2022, 21(10): 756-760. doi: 10.7507/1671-6205.202206042 復制
急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是非心源性肺水腫的一種，是炎性反應過程繼發的肺泡損傷[1]。新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19，簡稱新冠肺炎）患者，如符合呼吸頻率≥30次/min，脈搏血氧飽和度（pulse oxygen saturation，SpO2）≤92%，PaO2/FiO2≤300 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa），在排除其他因素導致的SpO2下降，可診斷新冠肺炎ARDS[2]。自2019年年底開始，新冠肺炎已經在全球肆虐且進入了第3個年頭。隨著全世界科學家的努力，我們對嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）的認識越來越深入，對其在感染肺部以后所致的肺損傷及隨后出現的ARDS的病理學及病理生理學有了較為深刻的理解，現將近2年來的相關研究進展做一綜述。
1 新冠肺炎ARDS患者肺組織水平病理改變
ARDS通常的肺病理改變是累及肺泡上皮細胞、肺間質以及肺毛細血管組成的屏障復合體的損傷。不同病因所致的ARDS，肺泡上皮細胞、肺間質以及肺泡毛細血管損傷的先后及損傷的程度及機制不一樣。新冠肺炎是人類從未遇到的新型冠狀病毒感染所致，在流行初期我們對其病理改變基本上毫無所知，過去的2年多來大量肺組織學及尸檢的研究使得我們對新冠肺炎ARDS的肺組織病理學特點改變有了更為清晰的認識，從而為臨床治療和決策提供了線索，為進一步深入探討其ARDS的病理生理機制提供了證據基礎。
與其他因素所導致的ARDS病理改變一致，彌漫性肺泡損傷是新冠肺炎ARDS的典型組織病理模式，可分為兩個階段。（1）滲出期：通常發生在感染初期的前10天。主要特征是血漿中纖維蛋白聚合形成透明膜，并滲漏到間隙/肺泡間隙；肺泡–毛細血管屏障損傷伴紅細胞外滲；肺泡腔存在強烈的炎癥細胞浸潤；（2）增殖期：成纖維細胞和肌成纖維細胞增生加劇，可形成急性機化性肺炎，隨后出現細胞外基質沉積，導致肺實質重構和肺纖維化；以及肺細胞鱗狀化生和多核巨細胞增生[3]。與此同時，肺小動脈血栓事件發生率也非常高。Wichmann等[4]指出58%的病例肺小動脈內有血栓形成；同樣，Ackermann等[5]的研究表明57%的新冠肺炎患者存在直徑為1～2 mm的肺動脈內血栓，并認為血栓形成和肺小血管和毛細血管微血管病變，并伴有出血，這是導致死亡的重要原因。
新冠肺炎ARDS鏡下主要特點可總結為：（1）肺泡腔透明膜形成；（2）肺泡上皮細胞脫屑；（3）肺泡水腫；（4）肺泡腔和間質炎癥細胞浸潤，如巨噬細胞、中性粒細胞單核細胞和淋巴細胞；（5）急性肺泡出血呈局灶性；（6）肺泡纖維蛋白，但無病毒包涵體、特異性細胞病變、肉芽腫或成纖維細胞增生[6-9]。其他病理研究也證實，隨著肺損傷的加重，肺泡腔內大量纖維蛋白滲出，肺泡隔血管充血水腫，并出現微血管栓塞，肺間質纖維化加重，最后導致嚴重的換氣功能障礙和低氧血癥[10]。
研究表明，滲出期和增殖期并不是隨著時間推移有序發生的，而是存在著異質性，在同一患者的肺損傷組織的不同區域可往往同時存在著滲出期和增殖期的病理表現[3]。Schwensen等[11]研究表明，即使是新冠肺炎臨床治愈后，進行的尸檢報告證實肺實質仍然存在破壞伴機化，未成熟成纖維細胞開始增殖，表明間質纖維化是這種新疾病的重要組織形態學結局。
2 新冠肺炎ARDS病理生理機制
2.1 感染過程
導致新冠肺炎的SARS-CoV-2是一種帶包膜的單鏈RNA病毒，直徑為60～140 nm，具有9～12 nm的明顯的突起，使病毒粒子具有日冕的外觀。冠狀病毒由棘突蛋白（spike protein，S蛋白）、膜蛋白、包膜蛋白和核衣殼蛋白4種結構蛋白組成。S蛋白從病毒表面突出，是宿主附著和穿透的最重要的蛋白。該蛋白由兩個功能亞基（S1和S2）組成，其中S1負責與宿主細胞受體結合，S2亞基參與病毒與宿主細胞膜的融合[12]。
病毒通過呼吸道飛沫和氣溶膠在人與人之間傳播。在感染早期，SARS-CoV-2通過其自身的S蛋白與血管緊張素轉換酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）受體結合作用于細胞，如鼻、支氣管上皮細胞和肺泡上皮細胞。宿主細胞的2型跨膜絲氨酸蛋白酶（transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）通過裂解ACE2受體蛋白，并激活可介導病毒進入宿主細胞的S蛋白，促進病毒攝取。ACE2和TMPRSS2在Ⅱ型肺泡上皮細胞上高表達。SARS-CoV-2與ACE2結合后，S蛋白通過蛋白酶兩步裂解被激活：第一步在S1/S2裂解位點啟動，第二步激活位于S2亞基內臨近融合肽的位置。S蛋白的初始裂解使S2亞基穩定在附著位點，隨后的裂解激活S蛋白，引起構象變化，在融合肽的作用下病毒和宿主細胞膜融合。與胞膜融合后，病毒進入肺泡上皮細胞，病毒內容物被釋放入細胞空間。在宿主細胞內，病毒通過RNA聚合酶復制并形成負鏈RNA，循環復制產生新的正鏈RNA，在細胞質中合成新的蛋白質。病毒核衣殼蛋白與新的基因組RNA和包膜蛋白在內質網進行整合，并通過高爾基小囊泡運輸到細胞膜，胞吐作用將病毒排到細胞外空間，從而開始新的一輪的入侵[13]。
2.2 肺泡上皮細胞免疫損害
SARS-CoV-2與ACE2結合，隨之便與肺細胞Toll樣受體結合，此后一系列病理生理機制接踵發生[14]。隨著病毒基因組的劇烈復制，宿主的免疫系統被激活，誘導炎癥細胞的招募，同時分泌大量促炎細胞因子和趨化因子，樹突狀細胞成熟。這種過度的免疫細胞的激活，以及大量炎癥因子的釋放，最終導致失控的免疫反應對肺泡上皮細胞造成不可逆損傷。單核細胞被招募到肺泡間隙，分泌促炎細胞因子，并通過釋放依賴腫瘤壞死因子α的干擾素，激活細胞死亡受體，誘導肺上皮細胞凋亡。此外，招募的巨噬細胞釋放趨化因子和其他細胞因子，增加了毛細血管通透性和隨后的中性粒細胞招募。過度的中性粒細胞脫粒導致肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞（endothelial cells，ECs）永久性損傷，并破壞肺泡–毛細血管屏障。除了這種自然機制外，一些學者認為中性粒細胞胞外陷阱（neutrophil extracellular traps，NETs）機制在肺泡上細胞損傷中也發揮了重要作用[15]。Zuo等[16]研究表明新冠肺炎血清樣本顯示了NET標志物（髓過氧化物酶DNA復合物和瓜氨酸組蛋白H3）水平明顯升高。SARS-CoV-2感染肺泡上皮細胞后存在著復雜的免疫損傷機制，最終導致肺泡上皮細胞損傷及肺間質損害。
2.3 肺血管ECs損傷
ECs的損傷并非同時進行，研究表明早期表現為肺泡損傷，通常在3天后，血管內皮損傷的標志物開始上升，新冠肺炎ARDS發生呈時間依賴性變化，肺泡損傷發生在疾病過程的早期，隨后內皮損傷和活化[17]。
SARS-CoV-2通過細胞表面的ACE2受體進入細胞。ECs富含ACE2受體，透射電鏡觀察到這些細胞中存在SARS-CoV-2，感染后可繼發嚴重的肺血管內皮炎。ACE2系統在心臟和肺部疾病中發揮著重要的保護作用，SARS-CoV-2與受體結合后可導致ACE2功能喪失和下調。ACE2是腎素–血管緊張素系統的負調控因子，通過將血管緊張素Ⅱ轉化為血管緊張素1～7，并結合Mas受體產生抗炎、抗水腫和抗纖維化作用；ACE2還可刺激一氧化氮（nitric oxide，NO）的釋放，引起血管舒張。肺是血管緊張素Ⅱ合成的主要部位，血管緊張素Ⅱ是一種有效的肺血管收縮劑，可引起肺水腫，損害肺功能，并調節低氧肺血管收縮（hypoxic pulmonary vasoconstriction，HPV）[18]。此外，研究表明，抑制ACE2可降低HPV[19]。因此，新冠肺炎患者的腎素–血管緊張素系統失調導致的損害之一就是肺通氣/灌流失衡，最終導致換氣功能損害。
正如尸檢病理結果所示，嚴重新冠肺炎另一個顯著的特征就是凝血通路的激活，凝血的主要誘因是SARS-CoV-2感染所致的內皮炎，ECs受損和死亡，導致屏障完整性的喪失，血管完整性的破壞和ECs死亡會導致基底膜暴露，血栓形成，并導致凝血級聯反應的激活。此外，白細胞介素-1β和腫瘤壞死因子可激活ECs，ECs可表達P-選擇素、血管性血友病因子（von Willebrand factor，vWF）、纖維蛋白原，這些凝血相關因子大量生成可與血小板結合從而啟動凝血。ECs還可釋放營養細胞因子，進一步增加血小板的生成。同時，血小板可通過釋放血管內皮生長因子觸發ECs上調組織因子的表達，組織因子是凝血級聯的主要激活因子，也可被活化的周細胞表達。血栓形成后機體存在著繼發的反饋調節機制，纖溶系統隨之可出現過度激活，以溶解富含纖維蛋白的血凝塊，這就解釋了為什么高水平的纖維蛋白分解產物（D-二聚體）預示著患者預后不良。小毛細血管被炎癥細胞阻塞充血，大血管可能血栓形成，導致肺組織缺血，引發血管生成，ECs增生。然而，新形成的血管也可以作為一個通道，炎癥細胞更加方便的募集并促進炎癥的發生。
在危重新冠肺炎患者中，SARS-CoV-2可沿血流向遠端器官傳播，在1例腎移植新冠肺炎死亡患者尸檢發現，腎臟ECs中存在病毒包涵體結構。在另一死亡病例中發現心肌梗死，肺、心臟、腎臟和肝臟有淋巴細胞性內皮炎以及肝細胞壞死[20]。全身血管ECs的損傷可帶來器官栓塞和出血，新冠肺炎患者和膿毒癥患者有相似的細胞因子和內皮功能障礙標志物[21]。所以，甚至可以把新冠肺炎看成一個ECs疾病，疾病發展演化過程中很多的并發癥（血栓與出血）均與血管ECs損傷有關。
2.4 HPV
HPV由肺動脈內皮細胞（pulmonary artery endothelial cells，PAECs）和肺動脈平滑肌細胞共同調控。SARS-CoV-2感染ECs，引起血管內皮炎，可抑制肺平滑肌收縮能力，從而導致肺通氣/灌流穩態喪失[20]。PAECs是NO的主要來源，內皮炎可通過降低NO濃度進一步改變肺灌注。由于PAECs在缺氧環境下非常脆弱，因此可能會發生額外的損傷。目前，還不確定肺血管ECs的缺失是否可以減輕HPV，抑或是其導致的肺通氣/灌流失衡，使得ARDS進一步加重。但這種HPV調控的復雜組合機制確實可以顯著影響通氣和灌注的穩態。
2.5 肺通氣/灌流異常
新冠肺炎ARDS存在著獨特的肺灌注調控機制異常，Mangalmurti等[22]發現SARS-CoV-2誘導的ARDS有其獨特的內表型，可直接改變微循環血流。Damiani等[23]使用手持式微循環顯微鏡實時測量了29例SARS-CoV-2感染患者的舌下微循環，發現血漿D-二聚體濃度與灌注微血管密度成負相關，并認為灌注減少的機制是微血栓形成，通氣區域明顯的灌注減少伴肺萎陷區高灌注。尤其是在肺萎陷區生理性HPV機制已經喪失，分流并沒有得到限制，CT灌注成像表明肺萎陷區血流灌注增加，這就帶來了通氣/灌流的嚴重失衡[24]。一項對48例新冠肺炎患者的研究表明，有近15%的患者存在肺栓塞，而85%的患者在肺不透亮區外緣肺血管是擴張的，灌注增加，雙源CT顯示96%的患者呈馬賽克灌注模式，提示肺通氣和灌注均存在嚴重異常[25]。
肺塌陷區的血流增加表明生理性HPV機制消失，SARS-CoV-2可通過多種機制導致HPV機制失效，包括內皮損傷、細胞因子風暴引起的血管舒張、肺血栓形成、腎素–血管緊張素系統失調，HPV失效機制可能是由于一種異常炎癥過程引起的血管舒張。由此可知，在新冠肺炎ARDS患者肺組織有些區域存在著通氣/灌流的顯著增加，而有些區域存在著顯著的異常降低，這都可帶來嚴重的肺換氣功能異常，導致低氧血癥，見圖1。
圖1
新冠肺炎患者肺通氣/灌注失衡的可能機制
細胞因子風暴、內皮功能失調、HPV機制喪失、血栓形成以及腎素–血管緊張素系統失調形成的組合可導致肺塌陷區高灌注。
2.6 免疫血栓
肺組織微血栓是新冠肺炎常見的病理表現，SARS-CoV-2感染患者肺毛細血管血栓患病率是流感患者的9倍，凝血的激活是新冠肺炎的早期事件，并對通氣血流和ARDS的發生有著重要影響。早期血栓的形成其實是機體對抗病毒沿循環血流侵犯遠端器官的一種保護反應，故稱之為免疫血栓[26]。免疫血栓是機體的免疫反應，初衷是宿主的一種保護性機制。免疫血栓形成主要由中性粒細胞和單核細胞觸發，并以小血管內微血栓形成為支撐，其中ECs與微生物接觸并承擔促黏附效應。
免疫血栓形成過程包括：中性粒細胞和單核細胞釋放組織因子和細胞外核小體，降解內源性抗凝劑，從而促進炎癥引起的凝血激活；組織因子修飾NETs也參與免疫血栓的形成；中性粒細胞的NETosis（炎性細胞死亡）也可增加纖維蛋白沉積，從而增強凝血系統的活性；NETs中存在的組蛋白，尤其是組蛋白H3和H4，不僅可以通過減少血栓調節蛋白介導的蛋白C的激活，而且可以直接激活血小板，從而劑量依賴性地增強凝血酶的生成；最后，NETs可以結合血小板黏附和血栓形成所需的血漿蛋白，如纖維連接蛋白和血管性血友病因子；血小板通過增加表達組織因子的免疫細胞的積累，直接與中性粒細胞和NETs結合，釋放損傷相關的分子模式以促進血栓中的組織因子表達，直接與微生物結合并呈遞給先天免疫細胞[26]。
3 新冠肺炎ARDS表型
目前認為，即使新冠肺炎符合ARDS的柏林定義，但新冠肺炎ARDS還有其獨特之處，它是個特殊的疾病，有著獨特的表型。其主要特點是低氧血癥的嚴重程度與相對良好的呼吸力學之間存在背離。正常的肺順應性的中位值通常在50 mL/cm H2O左右。然而，新冠肺炎患者無論肺順應性低于或高于中位數都會出現相同嚴重程度的低氧血癥。因此，有學者提出新冠肺炎相關ARDS可能存在兩種不同病理生理表型：“非ARDS”1型和ARDS 2型[27]。1型ARDS的新冠肺炎患者，即使出現嚴重低氧血癥，肺順應性也在正常范圍（通常>50 mL/cm H2O）。肺含氣量高，肺復張需求低，嚴重低氧血癥主要是由于肺通氣/灌流不匹配所致。高PEEP和俯臥位并不能通過改善肺塌陷區通氣來改善氧合，但可以重新分配肺通氣灌注，改善通氣/灌流比值。這些患者的肺部CT掃描證實沒有明顯區域可復張，但右至左靜脈血摻雜卻通常達到了50%左右。Gattinoni等[28]將發生1型ARDS的新冠肺炎表型定義為L型，即低彈性阻力型（type low elastance），表現為肺順應性基本正常，但存在著較低的肺通氣/灌流比值，CT影像學表現為磨玻璃樣改變主要存在于胸膜下和沿肺裂分布，肺重量輕度增加。鑒于L型ARDS的病理生理主要是因為HPV功能喪失和肺通氣/灌流不匹配，這類患者通過俯臥位通氣，改善肺換氣。
2型ARDS的新冠肺炎患者主要表現為肺順應性下降，重癥監護室中，有近20%～30%的新冠肺炎患者發生重度ARDS時肺順應性<40 mL/cm H2O。隨著疾病的加重，1型ARDS可演化為2型ARDS，新冠肺炎的表型也轉化為H型，即高彈性阻力型（type high elastance），表現為肺水腫，含氣量下降，肺彈性阻力增加；同時，因肺水和肺內壓的增加導致肺組織無通氣區域增多，導致肺內右向左分流增多[28]。H型ARDS肺組織已經出現彌漫性肺泡、肺間質損傷以及嚴重的肺毛細血管內皮損傷，微血栓和出血同時在廣泛的區域發生，呈嚴重的機化性肺炎表現，此時行俯臥位通氣基本就無效了。最近研究表明，H型ARDS在新冠肺炎ARDS機械通氣患者中高達87%[29]，這表明H型ARDS是新冠肺炎ARDS的最終演化模式。
4 結語
目前，新冠肺炎大流行已逾2年余，撰寫此文當下，新的一輪奧密克戎病毒又再次在國內多省傳播，這表明SARS-CoV-2有超強的生存和演化能力。新冠肺炎ARDS的發生涉及復雜的免疫損傷機制，肺泡上皮細胞的免疫損害、ECs損傷、通氣/灌注失衡、免疫血栓等多處因素均參與其中，且互為因果，相互影響。機體面對SARS-CoV-2感染，立即啟動先天和適應性免疫來抵抗微生物的入侵，這本是一種保護機制，但又導致了復雜的免疫損傷，給治療帶來了困難和挑戰。但是，人類的免疫系統經歷了數百萬年的進化，之前已遭遇無窮磨練，在歷史長河中人類與病毒的交鋒從未停止過，面對不計其數其瞬時萬變的病毒世界，生命科學和現代醫學的探索如漫漫長路，未有窮盡。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是非心源性肺水腫的一種，是炎性反應過程繼發的肺泡損傷[1]。新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19，簡稱新冠肺炎）患者，如符合呼吸頻率≥30次/min，脈搏血氧飽和度（pulse oxygen saturation，SpO2）≤92%，PaO2/FiO2≤300 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa），在排除其他因素導致的SpO2下降，可診斷新冠肺炎ARDS[2]。自2019年年底開始，新冠肺炎已經在全球肆虐且進入了第3個年頭。隨著全世界科學家的努力，我們對嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）的認識越來越深入，對其在感染肺部以后所致的肺損傷及隨后出現的ARDS的病理學及病理生理學有了較為深刻的理解，現將近2年來的相關研究進展做一綜述。
1 新冠肺炎ARDS患者肺組織水平病理改變
ARDS通常的肺病理改變是累及肺泡上皮細胞、肺間質以及肺毛細血管組成的屏障復合體的損傷。不同病因所致的ARDS，肺泡上皮細胞、肺間質以及肺泡毛細血管損傷的先后及損傷的程度及機制不一樣。新冠肺炎是人類從未遇到的新型冠狀病毒感染所致，在流行初期我們對其病理改變基本上毫無所知，過去的2年多來大量肺組織學及尸檢的研究使得我們對新冠肺炎ARDS的肺組織病理學特點改變有了更為清晰的認識，從而為臨床治療和決策提供了線索，為進一步深入探討其ARDS的病理生理機制提供了證據基礎。
與其他因素所導致的ARDS病理改變一致，彌漫性肺泡損傷是新冠肺炎ARDS的典型組織病理模式，可分為兩個階段。（1）滲出期：通常發生在感染初期的前10天。主要特征是血漿中纖維蛋白聚合形成透明膜，并滲漏到間隙/肺泡間隙；肺泡–毛細血管屏障損傷伴紅細胞外滲；肺泡腔存在強烈的炎癥細胞浸潤；（2）增殖期：成纖維細胞和肌成纖維細胞增生加劇，可形成急性機化性肺炎，隨后出現細胞外基質沉積，導致肺實質重構和肺纖維化；以及肺細胞鱗狀化生和多核巨細胞增生[3]。與此同時，肺小動脈血栓事件發生率也非常高。Wichmann等[4]指出58%的病例肺小動脈內有血栓形成；同樣，Ackermann等[5]的研究表明57%的新冠肺炎患者存在直徑為1～2 mm的肺動脈內血栓，并認為血栓形成和肺小血管和毛細血管微血管病變，并伴有出血，這是導致死亡的重要原因。
新冠肺炎ARDS鏡下主要特點可總結為：（1）肺泡腔透明膜形成；（2）肺泡上皮細胞脫屑；（3）肺泡水腫；（4）肺泡腔和間質炎癥細胞浸潤，如巨噬細胞、中性粒細胞單核細胞和淋巴細胞；（5）急性肺泡出血呈局灶性；（6）肺泡纖維蛋白，但無病毒包涵體、特異性細胞病變、肉芽腫或成纖維細胞增生[6-9]。其他病理研究也證實，隨著肺損傷的加重，肺泡腔內大量纖維蛋白滲出，肺泡隔血管充血水腫，并出現微血管栓塞，肺間質纖維化加重，最后導致嚴重的換氣功能障礙和低氧血癥[10]。
研究表明，滲出期和增殖期并不是隨著時間推移有序發生的，而是存在著異質性，在同一患者的肺損傷組織的不同區域可往往同時存在著滲出期和增殖期的病理表現[3]。Schwensen等[11]研究表明，即使是新冠肺炎臨床治愈后，進行的尸檢報告證實肺實質仍然存在破壞伴機化，未成熟成纖維細胞開始增殖，表明間質纖維化是這種新疾病的重要組織形態學結局。
2 新冠肺炎ARDS病理生理機制
2.1 感染過程
導致新冠肺炎的SARS-CoV-2是一種帶包膜的單鏈RNA病毒，直徑為60～140 nm，具有9～12 nm的明顯的突起，使病毒粒子具有日冕的外觀。冠狀病毒由棘突蛋白（spike protein，S蛋白）、膜蛋白、包膜蛋白和核衣殼蛋白4種結構蛋白組成。S蛋白從病毒表面突出，是宿主附著和穿透的最重要的蛋白。該蛋白由兩個功能亞基（S1和S2）組成，其中S1負責與宿主細胞受體結合，S2亞基參與病毒與宿主細胞膜的融合[12]。
病毒通過呼吸道飛沫和氣溶膠在人與人之間傳播。在感染早期，SARS-CoV-2通過其自身的S蛋白與血管緊張素轉換酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）受體結合作用于細胞，如鼻、支氣管上皮細胞和肺泡上皮細胞。宿主細胞的2型跨膜絲氨酸蛋白酶（transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）通過裂解ACE2受體蛋白，并激活可介導病毒進入宿主細胞的S蛋白，促進病毒攝取。ACE2和TMPRSS2在Ⅱ型肺泡上皮細胞上高表達。SARS-CoV-2與ACE2結合后，S蛋白通過蛋白酶兩步裂解被激活：第一步在S1/S2裂解位點啟動，第二步激活位于S2亞基內臨近融合肽的位置。S蛋白的初始裂解使S2亞基穩定在附著位點，隨后的裂解激活S蛋白，引起構象變化，在融合肽的作用下病毒和宿主細胞膜融合。與胞膜融合后，病毒進入肺泡上皮細胞，病毒內容物被釋放入細胞空間。在宿主細胞內，病毒通過RNA聚合酶復制并形成負鏈RNA，循環復制產生新的正鏈RNA，在細胞質中合成新的蛋白質。病毒核衣殼蛋白與新的基因組RNA和包膜蛋白在內質網進行整合，并通過高爾基小囊泡運輸到細胞膜，胞吐作用將病毒排到細胞外空間，從而開始新的一輪的入侵[13]。
2.2 肺泡上皮細胞免疫損害
SARS-CoV-2與ACE2結合，隨之便與肺細胞Toll樣受體結合，此后一系列病理生理機制接踵發生[14]。隨著病毒基因組的劇烈復制，宿主的免疫系統被激活，誘導炎癥細胞的招募，同時分泌大量促炎細胞因子和趨化因子，樹突狀細胞成熟。這種過度的免疫細胞的激活，以及大量炎癥因子的釋放，最終導致失控的免疫反應對肺泡上皮細胞造成不可逆損傷。單核細胞被招募到肺泡間隙，分泌促炎細胞因子，并通過釋放依賴腫瘤壞死因子α的干擾素，激活細胞死亡受體，誘導肺上皮細胞凋亡。此外，招募的巨噬細胞釋放趨化因子和其他細胞因子，增加了毛細血管通透性和隨后的中性粒細胞招募。過度的中性粒細胞脫粒導致肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞（endothelial cells，ECs）永久性損傷，并破壞肺泡–毛細血管屏障。除了這種自然機制外，一些學者認為中性粒細胞胞外陷阱（neutrophil extracellular traps，NETs）機制在肺泡上細胞損傷中也發揮了重要作用[15]。Zuo等[16]研究表明新冠肺炎血清樣本顯示了NET標志物（髓過氧化物酶DNA復合物和瓜氨酸組蛋白H3）水平明顯升高。SARS-CoV-2感染肺泡上皮細胞后存在著復雜的免疫損傷機制，最終導致肺泡上皮細胞損傷及肺間質損害。
2.3 肺血管ECs損傷
ECs的損傷并非同時進行，研究表明早期表現為肺泡損傷，通常在3天后，血管內皮損傷的標志物開始上升，新冠肺炎ARDS發生呈時間依賴性變化，肺泡損傷發生在疾病過程的早期，隨后內皮損傷和活化[17]。
SARS-CoV-2通過細胞表面的ACE2受體進入細胞。ECs富含ACE2受體，透射電鏡觀察到這些細胞中存在SARS-CoV-2，感染后可繼發嚴重的肺血管內皮炎。ACE2系統在心臟和肺部疾病中發揮著重要的保護作用，SARS-CoV-2與受體結合后可導致ACE2功能喪失和下調。ACE2是腎素–血管緊張素系統的負調控因子，通過將血管緊張素Ⅱ轉化為血管緊張素1～7，并結合Mas受體產生抗炎、抗水腫和抗纖維化作用；ACE2還可刺激一氧化氮（nitric oxide，NO）的釋放，引起血管舒張。肺是血管緊張素Ⅱ合成的主要部位，血管緊張素Ⅱ是一種有效的肺血管收縮劑，可引起肺水腫，損害肺功能，并調節低氧肺血管收縮（hypoxic pulmonary vasoconstriction，HPV）[18]。此外，研究表明，抑制ACE2可降低HPV[19]。因此，新冠肺炎患者的腎素–血管緊張素系統失調導致的損害之一就是肺通氣/灌流失衡，最終導致換氣功能損害。
正如尸檢病理結果所示，嚴重新冠肺炎另一個顯著的特征就是凝血通路的激活，凝血的主要誘因是SARS-CoV-2感染所致的內皮炎，ECs受損和死亡，導致屏障完整性的喪失，血管完整性的破壞和ECs死亡會導致基底膜暴露，血栓形成，并導致凝血級聯反應的激活。此外，白細胞介素-1β和腫瘤壞死因子可激活ECs，ECs可表達P-選擇素、血管性血友病因子（von Willebrand factor，vWF）、纖維蛋白原，這些凝血相關因子大量生成可與血小板結合從而啟動凝血。ECs還可釋放營養細胞因子，進一步增加血小板的生成。同時，血小板可通過釋放血管內皮生長因子觸發ECs上調組織因子的表達，組織因子是凝血級聯的主要激活因子，也可被活化的周細胞表達。血栓形成后機體存在著繼發的反饋調節機制，纖溶系統隨之可出現過度激活，以溶解富含纖維蛋白的血凝塊，這就解釋了為什么高水平的纖維蛋白分解產物（D-二聚體）預示著患者預后不良。小毛細血管被炎癥細胞阻塞充血，大血管可能血栓形成，導致肺組織缺血，引發血管生成，ECs增生。然而，新形成的血管也可以作為一個通道，炎癥細胞更加方便的募集并促進炎癥的發生。
在危重新冠肺炎患者中，SARS-CoV-2可沿血流向遠端器官傳播，在1例腎移植新冠肺炎死亡患者尸檢發現，腎臟ECs中存在病毒包涵體結構。在另一死亡病例中發現心肌梗死，肺、心臟、腎臟和肝臟有淋巴細胞性內皮炎以及肝細胞壞死[20]。全身血管ECs的損傷可帶來器官栓塞和出血，新冠肺炎患者和膿毒癥患者有相似的細胞因子和內皮功能障礙標志物[21]。所以，甚至可以把新冠肺炎看成一個ECs疾病，疾病發展演化過程中很多的并發癥（血栓與出血）均與血管ECs損傷有關。
2.4 HPV
HPV由肺動脈內皮細胞（pulmonary artery endothelial cells，PAECs）和肺動脈平滑肌細胞共同調控。SARS-CoV-2感染ECs，引起血管內皮炎，可抑制肺平滑肌收縮能力，從而導致肺通氣/灌流穩態喪失[20]。PAECs是NO的主要來源，內皮炎可通過降低NO濃度進一步改變肺灌注。由于PAECs在缺氧環境下非常脆弱，因此可能會發生額外的損傷。目前，還不確定肺血管ECs的缺失是否可以減輕HPV，抑或是其導致的肺通氣/灌流失衡，使得ARDS進一步加重。但這種HPV調控的復雜組合機制確實可以顯著影響通氣和灌注的穩態。
2.5 肺通氣/灌流異常
新冠肺炎ARDS存在著獨特的肺灌注調控機制異常，Mangalmurti等[22]發現SARS-CoV-2誘導的ARDS有其獨特的內表型，可直接改變微循環血流。Damiani等[23]使用手持式微循環顯微鏡實時測量了29例SARS-CoV-2感染患者的舌下微循環，發現血漿D-二聚體濃度與灌注微血管密度成負相關，并認為灌注減少的機制是微血栓形成，通氣區域明顯的灌注減少伴肺萎陷區高灌注。尤其是在肺萎陷區生理性HPV機制已經喪失，分流并沒有得到限制，CT灌注成像表明肺萎陷區血流灌注增加，這就帶來了通氣/灌流的嚴重失衡[24]。一項對48例新冠肺炎患者的研究表明，有近15%的患者存在肺栓塞，而85%的患者在肺不透亮區外緣肺血管是擴張的，灌注增加，雙源CT顯示96%的患者呈馬賽克灌注模式，提示肺通氣和灌注均存在嚴重異常[25]。
肺塌陷區的血流增加表明生理性HPV機制消失，SARS-CoV-2可通過多種機制導致HPV機制失效，包括內皮損傷、細胞因子風暴引起的血管舒張、肺血栓形成、腎素–血管緊張素系統失調，HPV失效機制可能是由于一種異常炎癥過程引起的血管舒張。由此可知，在新冠肺炎ARDS患者肺組織有些區域存在著通氣/灌流的顯著增加，而有些區域存在著顯著的異常降低，這都可帶來嚴重的肺換氣功能異常，導致低氧血癥，見圖1。
圖1
新冠肺炎患者肺通氣/灌注失衡的可能機制
細胞因子風暴、內皮功能失調、HPV機制喪失、血栓形成以及腎素–血管緊張素系統失調形成的組合可導致肺塌陷區高灌注。
2.6 免疫血栓
肺組織微血栓是新冠肺炎常見的病理表現，SARS-CoV-2感染患者肺毛細血管血栓患病率是流感患者的9倍，凝血的激活是新冠肺炎的早期事件，并對通氣血流和ARDS的發生有著重要影響。早期血栓的形成其實是機體對抗病毒沿循環血流侵犯遠端器官的一種保護反應，故稱之為免疫血栓[26]。免疫血栓是機體的免疫反應，初衷是宿主的一種保護性機制。免疫血栓形成主要由中性粒細胞和單核細胞觸發，并以小血管內微血栓形成為支撐，其中ECs與微生物接觸并承擔促黏附效應。
免疫血栓形成過程包括：中性粒細胞和單核細胞釋放組織因子和細胞外核小體，降解內源性抗凝劑，從而促進炎癥引起的凝血激活；組織因子修飾NETs也參與免疫血栓的形成；中性粒細胞的NETosis（炎性細胞死亡）也可增加纖維蛋白沉積，從而增強凝血系統的活性；NETs中存在的組蛋白，尤其是組蛋白H3和H4，不僅可以通過減少血栓調節蛋白介導的蛋白C的激活，而且可以直接激活血小板，從而劑量依賴性地增強凝血酶的生成；最后，NETs可以結合血小板黏附和血栓形成所需的血漿蛋白，如纖維連接蛋白和血管性血友病因子；血小板通過增加表達組織因子的免疫細胞的積累，直接與中性粒細胞和NETs結合，釋放損傷相關的分子模式以促進血栓中的組織因子表達，直接與微生物結合并呈遞給先天免疫細胞[26]。
3 新冠肺炎ARDS表型
目前認為，即使新冠肺炎符合ARDS的柏林定義，但新冠肺炎ARDS還有其獨特之處，它是個特殊的疾病，有著獨特的表型。其主要特點是低氧血癥的嚴重程度與相對良好的呼吸力學之間存在背離。正常的肺順應性的中位值通常在50 mL/cm H2O左右。然而，新冠肺炎患者無論肺順應性低于或高于中位數都會出現相同嚴重程度的低氧血癥。因此，有學者提出新冠肺炎相關ARDS可能存在兩種不同病理生理表型：“非ARDS”1型和ARDS 2型[27]。1型ARDS的新冠肺炎患者，即使出現嚴重低氧血癥，肺順應性也在正常范圍（通常>50 mL/cm H2O）。肺含氣量高，肺復張需求低，嚴重低氧血癥主要是由于肺通氣/灌流不匹配所致。高PEEP和俯臥位并不能通過改善肺塌陷區通氣來改善氧合，但可以重新分配肺通氣灌注，改善通氣/灌流比值。這些患者的肺部CT掃描證實沒有明顯區域可復張，但右至左靜脈血摻雜卻通常達到了50%左右。Gattinoni等[28]將發生1型ARDS的新冠肺炎表型定義為L型，即低彈性阻力型（type low elastance），表現為肺順應性基本正常，但存在著較低的肺通氣/灌流比值，CT影像學表現為磨玻璃樣改變主要存在于胸膜下和沿肺裂分布，肺重量輕度增加。鑒于L型ARDS的病理生理主要是因為HPV功能喪失和肺通氣/灌流不匹配，這類患者通過俯臥位通氣，改善肺換氣。
2型ARDS的新冠肺炎患者主要表現為肺順應性下降，重癥監護室中，有近20%～30%的新冠肺炎患者發生重度ARDS時肺順應性<40 mL/cm H2O。隨著疾病的加重，1型ARDS可演化為2型ARDS，新冠肺炎的表型也轉化為H型，即高彈性阻力型（type high elastance），表現為肺水腫，含氣量下降，肺彈性阻力增加；同時，因肺水和肺內壓的增加導致肺組織無通氣區域增多，導致肺內右向左分流增多[28]。H型ARDS肺組織已經出現彌漫性肺泡、肺間質損傷以及嚴重的肺毛細血管內皮損傷，微血栓和出血同時在廣泛的區域發生，呈嚴重的機化性肺炎表現，此時行俯臥位通氣基本就無效了。最近研究表明，H型ARDS在新冠肺炎ARDS機械通氣患者中高達87%[29]，這表明H型ARDS是新冠肺炎ARDS的最終演化模式。
4 結語
目前，新冠肺炎大流行已逾2年余，撰寫此文當下，新的一輪奧密克戎病毒又再次在國內多省傳播，這表明SARS-CoV-2有超強的生存和演化能力。新冠肺炎ARDS的發生涉及復雜的免疫損傷機制，肺泡上皮細胞的免疫損害、ECs損傷、通氣/灌注失衡、免疫血栓等多處因素均參與其中，且互為因果，相互影響。機體面對SARS-CoV-2感染，立即啟動先天和適應性免疫來抵抗微生物的入侵，這本是一種保護機制，但又導致了復雜的免疫損傷，給治療帶來了困難和挑戰。但是，人類的免疫系統經歷了數百萬年的進化，之前已遭遇無窮磨練，在歷史長河中人類與病毒的交鋒從未停止過，面對不計其數其瞬時萬變的病毒世界，生命科學和現代醫學的探索如漫漫長路，未有窮盡。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
