COVID-19/SARS-CoV-2

Александр Герасимович

В книге приведены данные о свойствах вируса, его происхождении, патофизиология, клинические данные, осложнения, диагностика, лечение и прогноз, вакцинация против SARS-CoV-2 и многое другое. Рекомендации по лечению и диагностике основаны на документации ВОЗ, SISET, ISTH, AIFA, NIH, SIMG, RCPCH, RCOG, NICE. Книга будет полезна студентам медицинских ВУЗов, преподавателям, педиатрам, гинекологам, сотрудникам отделений COVID-19 и всем, кто хочет узнать больше о COVID-19. 2023 г.

VI. ПАТОГЕНЕЗ

Патогенез COVID-19 еще детально и до конца не изучен. Предполагается, что он может быть идентичен патогенезу SARS.

После попадания в верхние дыхательные пути коронавирусы колонизируют клетки эпителия носо — и ротоглотки, активно размножаются и разрушают клетки эпителия.

Клинические последствия инфекции SARS-CoV-2 чрезвычайно разнообразны: от доброкачественного течения до быстро прогрессирующего заболевания, приводящего к смерти в течение 2—3 недель после появления симптомов. В то время, как у многих инфицированных людей симптомы отсутствуют [851,852] или наблюдаются только симптомы со стороны верхних дыхательных путей, у других развивается интерстициальная пневмония, которая может быстро прогрессировать до дыхательной недостаточности и острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС), требующих искусственной вентиляции легких и госпитализации в отделение интенсивной терапии и, возможно, заканчивающихся полиорганной недостаточностью. [853—855] Кроме того, у бессимптомных пациентов могут быть значительно более длительные периоды выделения вируса, что имеет значение для распространения болезни. [856]

Состояние пациентов с тяжелой формой COVID-19 может быстро ухудшаться. В первой опубликованной серии случаев сообщалось о быстром прогрессировании дыхательной недостаточности [857] со средним временем до появления симптомов 1—2 недели для ОРДС, требующего искусственной вентиляции легких в отделении интенсивной терапии, 8 дней для одышки, 9 дней для ОРДС и 10,5—14,5 дней для госпитализации/интубации в ОИТ. Основной причиной смерти была дыхательная недостаточность (85%), в трети случаев связанная с шоком. [858]

Инкубационный период между воздействием SARS-CoV-2 и появлением симптомов составляет примерно пять дней. Известно, что инфекция COVID-19 является многофазной, то есть в процессе заражения есть несколько стадий. Первая стадия инфекции включает репликацию вируса. На этом этапе SARS-CoV-2 закрепляется в организме хозяина и начинает быстро размножаться. [661]

Роль структурных компонентов вируса:

— ORF1a, вирусная транскрипция/репликация;

— ORF1b, вирусная транскрипция/репликация, рибосомная транслокация;

— белок S: начальное связывание → протеолитическая активность → слияние с мембраной; [230]

— E, сборка и морфогенез вириона;

— ORF7a — активирует высвобождение провоспалительных цитокинов вирусного патогенеза;

— HE: этот покрывающий белок, меньший, чем S-гликопротеин, выполняет важную функцию во время фазы высвобождения вируса внутри клетки-хозяина; [245]

— N — сборка вирусного генома, транскрипция, сборка вириона;

— основная протеаза, Mpro или 3CLpro, играет важную роль в цикле репликации вируса, процессируя большие вирусные полипротеины и делая отдельные белки функциональными. [914]

Первый контакт, ферментативное расщепление белков, репликация и сборка

Нуклеокапсидный (N) белок SARS-CoV-2 образует спиральный капсид для упаковки генома, а спиральный капсид окружен оболочкой, состоящей из шиповидного поверхностного гликопротеина (S), небольшого белка оболочки (E) и матричного белка (М) [635]. Поверхностный гликопротеин spike (S) регулирует связывание рецептора и проникновение вируса в клетки-хозяева, в то время как белок малой оболочки (E) и белок матрикса (M) участвуют в сборке вируса [636]. Белок S играет ключевую роль в определении вирулентности вируса, определении тканей-мишеней и разнообразия хозяев [614, 619]. Spike CoV имеет три основных домена: небольшой цитоплазматический домен, эктодомен, который содержит большинство элементов, участвующих в связи с клеткой-хозяином, включая слияние, и трансмембранный домен [618, 620]. Два основных домена, S1 N-концевой (S1-NTD) и S1 C-концевой домен (S1-CTD), в основном участвуют в качестве RBD [618]. RBD spike SARS-CoV-2 является горячей точкой для адаптивных мутаций, которые повышают эффективность связывания вируса с его носителем [623], что приводит к появлению более вирулентных штаммов с более высокой инфекционностью и передачей [624]. RBD вируса SARS-CoV-2, вероятно, менее экспонирован (lying down position), в то время как RBD вируса SARS-CoV находится в standing up position. [230]

S-гликопротеин SARS-CoV-2 связывается с рецепторами клетки-хозяина через ангиотензинпревращающий фермент 2 (ACE2), который имеет решающее значение для проникновения вируса. [7] Сегмент S1 (состоящий из 200 аминокислотных остатков, который прочно связывается с host-ACE2) связывается с рецепторами клеточной мембраны. Сегмент S2 (имеет две повторяющиеся области: HR-C и HR-N, которые образуют спираль на эктодомене белка, разделенную межспиральной областью примерно из 140 аминокислот) способствует слиянию вируса с клеткой.

ACE2, TMPRSS2 и IFITM3 являются основными генами, вовлеченными в инфицирование SARS-CoV-2. (S Suh et al., 2022; C Muus, 2021). Одно исследование показало, что S-белок SARSCoV-2 в 10—20 раз более вероятно связывается с человеческим ACE2, чем S-белок SARS-CoV начала 2000-х годов [274] (более эффективное проникновение в клетку). Повышенное сродство к распространенным клеточным рецепторам может быть фактором, увеличивающим передачу [275]. Однако, аффинность всего S-белка SARS-CoV-2 к рецептору ACE2 такая же или даже ниже, чем у SARS-CoV. Было обнаружено, что несколько других белков рецепторов или вспомогательных мембран (включая CD147, NRP-1, CD26, AGTR2, Band3, KREMEN1, ASGR1, ANP, TMEM30A, CLEC4G и LDLRAD3) вместе с ACE2 облегчают проникновение и передачу вируса. Экспрессия белка Band3 на поверхности эритроцитов и признаки связывания с S-белком SARS-CoV-2 могут объяснить бессимптомную гипоксемию при инфекции COVID-19. [531] Другими рецепторами, участвующими в проникновении SARS-CoV-2, являются обонятельный рецептор OR51E2 [628] и гепарансульфат (HS) [629]. Спайковый белок также взаимодействует с ацилтрансферазным комплексом GOLGA7 и ZDHHC5, которые способствуют пальмитоилированию цитозольного хвоста. [630] Недавно сообщалось, что проникновение SARS-CoV-2 в клетки-хозяева также опосредуется трансмембранным рецептором нейропилином-1 (NRP1) [626]. Поскольку NRP1 в значительной степени экспрессируется в центральной нервной системе, он был предложен в качестве пути для SARS-CoV-2 в головном мозге хозяина, что может объяснить неврологические проявления COVID-19 [627].

Во время репликации SARS-CoV-2 использует ферменты протеазы хозяина для ковалентного связывания сахаров с боковыми цепями аспарагина вблизи поверхности белка [268]. Субъединица S1 RBD связывается с ангиотензинпревращающим ферментом 2 (ACE2), чему способствует расщепление фурином [272, 273]. Протеолитическое расщепление S-гликопротеина также определяет возможность межвидового скрещивания вируса, например, от летучих мышей к человеку [276].

Белки коронавируса могут расщепляться одной или несколькими протеазами хозяева на основе штамма вируса и типов клеток, включая трипсин, катепсин, TMPRSS-2, TMPRSS-4 или трипсиноподобную протеазу дыхательных путей человека (HAT) [267, 269]. Было обнаружено, что TMPRSS2 является кофактором для проникновения SARS-CoV-2 в здоровые клетки. Протеаза TMPRSS2 способствует «ферментативному расщеплению» S1 и S2. Протеазы фурин и катепсин B и L способствуют высвобождению капсидных вирионов, проникших в клетку (Bergmann et al, 2020, [231]). Однако, специфические протеазы, которые способствуют проникновению вируса в SARS-CoV-2, остаются неустановленными [267, 269, 270].

Слияние SARS-CoV-2 с клетками легких в решающей степени зависит от сайта расщепления S1/S2 фуриновой протеазой [270], ферментом, принадлежащим к семейству субтилизин-подобных пропротеинконвертаз, и его мотивом RXXR, который тесно связан с последовательностью консенсуса фурина RX (K/R) R [621]. Фурин расщепляет белки-предшественники и способствует их переводу в биологически активное состояние [271]. Кроме того, добавление остатка аргинина к этому мотиву сильно усиливает образование синцития в клетках-хозяевах, что указывает на то, что вставка RRAR в эту область может усиливать клеточное распространение и патогенность SARS-CoV-2 [621, 622].

Когда геном вируса проникает в клетки, рибосомы хозяина переводят вирусную РНК в белки РНК-полимеразы. Затем эта РНК-полимераза повторно считывает положительную цепь для создания одноцепочечных цепей РНК с отрицательным смыслом (ssRNA-). Цепи ssRNA — затем используются РНК-полимеразой в качестве матрицы для создания дополнительных цепей ssRNA+. Небольшие нити РНК считываются рибосомами хозяина в эндоплазматическом ретикулуме для создания структурных компонентов вируса. Эти структурные компоненты затем переносятся из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи. В аппарате Гольджи геномы ssRNA+ упаковываются в нуклеокапсиды для создания новых частиц вирионов. [266] Эти дочерние вирусы затем высвобождаются из клетки-хозяина посредством экзоцитоза через секреторные везикулы. Репликация вируса в альвеолярных клетках опосредует повреждение и вызывает воспалительную реакцию в тканях. [266]

Цикл репликации вируса в клетках респираторного тракта: прикрепление вируса к клетке-хозяину и проникновение путем слияния мембран или эндоцитоза → высвобождение вирусного генома в цитоплазму → трансляция вирусных протеин-полимераз (pp1a и pp1b) → репликация РНК → субгеномная транскрипция → трансляция структурных белков вируса → белки S, E и M связываются с нуклеокапсидом → образование зрелого вириона → экзоцитоз. [232]

Схематический патогенез COVID-19

Существование вирусного генома в иммунных клетках было обнаружено у пациентов с COVID-19, что позволяет предположить, что иммунная система является биологической мишенью вируса, проявляющего необходимую «патогенную подпись» иммунной дисрегуляции. [389]

Иммунопатогенез COVID-19 предполагает модель межмолекулярной и межклеточной «иммунной асинхронии», основанную на нарушении регуляции времени, местоположения, качества и количества иммунного ответа. [390,391]

Ряд генов, сцепленных с Х-хромосомой (таких, как IL13, IL4, IL10, XIST, TLR7, FOXP3) и генов, сцепленных с Y (SRY, SOX9), могут лежать в основе иммунных реакций с половой диморфностью [916].

Иммунное обнаружение SARS-CoV-2

Было показано, что как отсутствие, так и вмешательство в работу toll-подобного рецептора 2 (TLR2) снижают провоспалительную реакцию на SARS-CoV-2, что позволяет предположить, что TLR2 является одним из модельных распознающих рецепторов (PRR), которые распознают вирус. Также было показано, что TLR7 активируется в ответ на SARS-CoV-2, а аномалии в гене TLR7 коррелируют с тяжелым течением COVID-19. [662, 663]

SARS-CoV-2 избегает врожденного иммунитета

У SARS-CoV-2 есть стратегии, позволяющие избежать обнаружения или воздействия иммунной системы. [665—667]

Врожденный иммунный ответ играет важную роль в первичной защите и является одной из отправных точек иммунного уклонения от SARS-CoV-2. [448]

Предварительные данные свидетельствуют об очень значительном снижении инвариантных Т-клеток, ассоциированных со слизистой оболочкой (MAIT), у пациентов с COVID-19 [660]. Текущие наблюдения показывают, что SARS-CoV-2 особенно подходит для уклонения от иммунного ответа на ранней стадии инфекции. Большинство механизмов связаны с неадекватным ответом IFN 1 типа, массивной продукцией воспалительных цитокинов и, возможно, дефектом функций NK-клеток. Предварительные данные также свидетельствуют об уклонении от адаптивного иммунитета, на что указывает истощение Т-лимфоцитов [655].

Было показано, что белок Orf6 SARS-CoV нарушает транспорт кариоферина [656] и, следовательно, ингибирует импорт факторов транскрипции, таких как STAT1, в ядро, что приводит к ингибированию ответа IFN. Точно так же белок Orf3b SARS-CoV ингибирует фосфорилирование регуляторного фактора интерферона 3 (IRF3) [657], белка, участвующего в активации IFN-α/β.

Ответ CD8+, CD4+ Т-клеток и плазматических клеток. Роль IFN и интерлейкинов

CD4+ Т-клетки играли более важную роль в процессе «здоровье-болезнь», чем В-клетки и CD8+ Т-лимфоциты. Преобладающими субпопуляциями Т-хелперных (Th) лимфоцитов у пациентов в критическом состоянии являются Th1, Th2, Th17 и Т-регуляторные (Treg) клетки, тогда как в легких случаях наблюдается приток Th1, Th2, Th17 и фолликулярных Т-хелперных (Tfh) клеток. Эти клетки отвечают за секрецию цитокинов, включая интерлейкин (IL) — 6, IL-4, IL-10, IL-7, IL-22, IL-21, IL-15, IL-1α, IL-23, IL-5, IL-13, IL-2, IL-17, фактор некроза опухоли-альфа (TNF-α), CXC-мотивирующий лиганд (CXCL) 8, CXCL9 и фактор роста опухоли бета (TGF-β); первые 8 упомянутых выше медиаторов воспаления коррелировали с клиническими преимуществами, в то время как другие с плохим прогнозом. Некоторые маркеры CD8+ Т-лимфоцитов связаны с тяжестью заболевания, например, человеческий лейкоцитарный антиген (HLA-DR) и белок 1 запрограммированной гибели клеток (PD-1). Среди антител, продуцируемых SARS-CoV-2, иммуноглобулин (Ig) A выделялся своим мощным высвобождением, связанным с более тяжелой клинической формой. [546]

Ответ IFN является важной первой линией защиты от вирусов. Для многих респираторных вирусов, включая SARS-CoV-1, IFN типов I и III (так называемые «врожденные» IFN), по-видимому, играют роль в ограничении инфекции [861], устанавливая клеточное состояние вирусной резистентности и активируя адаптивный иммунный ответ. [862]

Недавние данные также указывают на возможное нарушение регуляции IFN I и III типов в ответ на SARS-CoV-2. [863,864] Blanco-Melo et al. [864], анализируя профили транскриптома различных типов клеток, показали, что инфекция SARS-CoV-2 вызывает очень низкую экспрессию IFN I и IFN III и ограниченный ответ со стороны IFN-стимулированных генов, и индуцирует нормальную экспрессию хемокинов и генов провоспалительных цитокинов. Другое исследование выявило нарушение ответа IFN I типа у пациентов с COVID-19 в тяжелом или критическом состоянии, сопровождающееся высокой вирусной нагрузкой в крови и чрезмерной воспалительной реакцией, вызванной NF-kB (ядерным фактором kB), что связано с увеличением фактора некроза опухоли TNF-α и интерлейкина (IL) — 6. [865]

IFN типа III лямбда (IFN-λ) (IL-28/IL-29), еще один член семейства IFN врожденного иммунитета, имеет сходство с IFN типа I и IL-10. Экспрессия IFN III типа более ограничена, чем экспрессия широко распространенных IFN I типа, и происходит в основном на слизистых (дыхательных и желудочно-кишечных) барьерах. Это говорит о том, что интерфероны III типа играют более специализированную роль в иммунном ответе слизистых оболочек и в регуляции адаптивного ответа. IFN типа III играют особую роль в легочных иммунных реакциях: они индуцируются раньше и при более низкой вирусной нагрузке (по сравнению с типом I), они также ограничивают начальное выделение вируса [866] и его передачу из верхних дыхательных путей в легкие. [867] Они не обладают провоспалительным потенциалом IFN I типа и могут фактически оказывать противовоспалительное и тканезащитное действие. [861, 868]

IL-1 — еще один важный цитокин, связанный с воспалением и врожденным иммунитетом. Он в основном продуцируется активированными мононуклеарными фагоцитами и может индуцировать другие провоспалительные цитокины, такие как IL-6 и TNF.

У пациентов с COVID-19 были показаны изменения в циркулирующих субпопуляциях В-клеток. Многочисленные исследования показали, что тяжелое течение COVID-19 характеризуется увеличением пролиферирующих, метаболически гиперактивных плазмобластов (PB) и относительным снижением В-клеток памяти, причем было установлено, что эти изменения совпадали с тяжестью воспаления и исчезали по мере выздоровления. [870]

Активация комплемента

Система комплемента является критическим компонентом врожденного иммунного ответа на вирусы, но она также может запускать провоспалительные реакции. [850]

MBL (маннозосвязывающий лектин), один из компонентов системы комплемента при врожденном иммунитете, распознает остатки маннозы в мембранах различных микроорганизмов и действует как растворимый паттерн-распознающий рецептор (PRR). Это распознавание активирует систему комплемента, вызывая воспаление и усиливая фагоцитоз. Известно, что MBL может связывать SARS-CoV, что приводит к отложению С4 в вирусе и, в экспериментальных моделях, к снижению его способности инфицировать. [859] Присутствие богатых маннозой гликанов в области S1 SARS-CoV-2 породило гипотезу о том, что распознавание гликанов и связывание с MBL может ингибировать взаимодействие S1-ACE. [850] Некоторые генетические полиморфизмы MBL, связанные с более низкими уровнями MBL в сыворотке крови, также были связаны с восприимчивостью к SARS-CoV. [860]

Доказательства отложения C3a в образцах биопсии легких и повышенный уровень C5a в сыворотке наблюдались у пациентов с тяжелой формой COVID-19, которые умерли. [880] Необходимо контролировать активацию комплемента, поскольку она вызывает диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови, воспаление, гибель клеток, полиорганную недостаточность и смерть. В заключение, активация системы комплемента может играть роль как на ранних, так и на поздних стадиях COVID-19. На начальной стадии она может быть вовлечена в первоначальный иммунный ответ, необходимый для элиминации возбудителя, а на второй стадии — в воспалительное повреждение. [881]

Цитокиновый шторм (синдром цитокинового шторма) или синдром активации макрофагов (MAS) [872, 873]

Иммунная дисрегуляция, вызванная COVID-19, характеризуется замедленным и нарушенным ответом на интерферон, истощением лимфоцитов и цитокиновым штормом, что в конечном итоге приводит к обширному повреждению легочной ткани и поздним тромботическим явлениям. [697]

Тяжелая форма COVID-19 характеризуется значительно повышенным уровнем провоспалительных цитокинов и сниженным уровнем Т-лимфоцитов. (R Mulchandani, 2021) Каждый второй смертельный случай COVID-19 страдает от цитокинового шторма, 82% из которых старше 60 лет [658].

Проникновение вируса в клетки вызывает воспалительную реакцию путем рекрутирования Т-хелперных клеток, которые продуцируют IFN-γ, IL-2 и IL-12 [285]. Поврежденные альвеолярные клетки также выделяют интерфероны, цитокины и другие внутриклеточные компоненты. Последующее привлечение других воспалительных клеток приводит к развитию «цитокинового шторма», который может ускорить повреждение органов и полиорганную недостаточность, наблюдаемую при тяжелом заболевании [285]. В результате у пациентов с COVID-19 наблюдалось повышение уровня системного интерлейкина IL-2, IL-6 и IL-7, гранулоцитарного колониестимулирующего фактора, ФНО-α и др. [112] Цитокиновый ответ, вызванный SARS-CoV-2, отличается от других респираторных вирусов, вызывающих синдром высвобождения цитокинов. (M Olbei, 2021 г.)

Было высказано предположение, что взаимодействие между иммуностарением и воспалением способствует цитокиновому шторму у пожилых пациентов с COVID-19. [874]

Цитокиновый шторм был связан с ОРДС, основной причиной смертности у пациентов с COVID-19, и клиническая картина, сходная с MAS, может наблюдаться у части пациентов с тяжелым заболеванием. [873] В этом контексте некоторые авторы предположили, что COVID-19 может подпадать под спектр гиперферритинемических синдромов. Однако, не все пациенты с COVID-19 соответствуют диагностическим критериям гиперферритинемического синдрома, поскольку у них умеренно повышен уровень ферритина, и именно легкие являются органом-мишенью при тяжелом заболевании. [875] Пока неясно, является ли ферритин простым белком острой фазы или активным патогенным медиатором при COVID-19. [876]

Silvin et al. [877], в свою очередь, заметили, что тяжелая форма COVID-19 была специфически связана со всплеском циркулирующего кальпротектина, который предшествует синдрому высвобождения цитокинов; низкий уровень неклассических моноцитов в периферической крови; и экстренный миелопоэз, который стимулирует высвобождение незрелых и диспластических миелоидных клеток с иммуносупрессивным фенотипом.

Синдром высвобождения цитокинов имеет как системные, так и легочные эффекты в рамках этой гипервоспалительной реакции. Повышенные уровни провоспалительных цитокинов (IL-1/TNF/IL-6) связаны с полиорганной недостаточностью, которая может привести к повреждению миокарда, гипотензии и шоку, сочетание, которое получило название «синдром вирусного сепсиса» [871] и наблюдается у пациентов с тяжелой формой COVID-19. SARS-CoV-2 может достигать других органов, кроме легких, особенно, если они коэкспрессируют ACE-2 и связанные с ним протеазы. [878,879] Однако, относительный вклад вируса и цитокинового ответа хозяина в полиорганную недостаточность, наблюдаемую у некоторых пациентов, все еще неясен. [871]

Легкие

Siddiqi et al, 2020, выделяет следующие стадии заболевания [189]:

— I — раннее заражение: легкие симптомы, лихорадка, сухой кашель. Для этой стадии характерна лимфопения.

— II — легочная фаза: одышка без (IIA) и с гипоксией (IIB) — PaO2/FiO2 <300 мм рт. ст. Эта стадия характеризуется изменениями в легких на КТ/рентгенограмме грудной клетки, нормальным или низким уровнем прокальцитонина.

— III — гипервоспалительная фаза: ОРДС, сепсис/шок, сердечная недостаточность. Эта фаза характеризуется увеличением СРБ, ЛДГ, IL-6, D-димера, NT-proBNP, ферритина и тропонина.

Патологические признаки ранней стадии включают: отек легких, экссудацию белка, застой сосудов, гиперплазию пневмоцитов, интерстициальное утолщение и воспалительную инфильтрацию фибриноидным материалом и многоядерными гигантскими клетками, сопровождающие некоторые похожие на вирус включения, незначительную нейтрофильную инфильтрацию и образование гиалиновой мембраны [637]. Патологические особенности поздней стадии включают: диффузное альвеолярное поражение с фиброзным слизеподобным экссудатом; отторжение пневмоцитов и образование гиалиновых мембран (указывает на ОРДС); отек правого легкого и образование прозрачной оболочки (признак ранней стадии ОРДС); двусторонние воспалительные интерстициальные мононуклеарные инфильтраты левого легкого без вирусных включений [638].

Альвеолярные макрофаги отвечают секрецией цитокинов и хемокинов [286]. Воспалительный процесс, возникающий в паренхиме легкого, стимулирует нервные окончания, ответственные за инициацию кашлевого рефлекса, поэтому люди часто обращаются с ранним сухим кашлем [286]. Фактор некроза опухоли (TNF) — α и IL-1β представляют собой провоспалительные цитокины, которые вызывают повышенную проницаемость сосудов, увеличивают экспрессию молекул адгезии и индуцируют рекрутирование большего количества иммунных клеток, включая нейтрофилы и моноциты. Они связываются с белками адгезии на поверхности ткани и проникают в место повреждения [287]. IL-8 рекрутирует нейтрофилы, а другие хемокины привлекают моноциты [288]. Повышенная проницаемость сосудов вызывает просачивание жидкости в интерстициальное пространство и альвеолы, что приводит к интерстициальному отеку и отеку легких. Это может привести к одышке, нарушению оксигенации или гипоксемии. [266]

Нейтрофилы поглощают вирусы и другой мусор вокруг поврежденной области, что может быть вредным, поскольку эта активность также вызывает высвобождение побочных химических продуктов, которые повреждают окружающие ткани [289]. Следовательно, при наличии поврежденных альвеолярных клеток вырабатывается меньше сурфактанта. Альвеолы могут легко спадаться, что приводит к снижению оксигенации или гипоксемии. [290] Изменения в генах, участвующих в метаболизме гиалуронана, гликозаминогликанов и мукополисахаридов, были чрезмерно представлены в инфицированных SARS-CoV-2 бронхоальвеолярных клетках. [429]

Поврежденные лейкоциты и эндотелиальные клетки высвобождают другие медиаторы воспаления, в том числе метаболиты арахидоновой кислоты, лейкотриены и простагландины. Лейкотриены вызывают бронхоконстрикцию, приводящую к нарушению вентиляции и последующей гипоксемии [291]. Простагландины, IL-1, IL-6 и TNF-α ответственны за лихорадку, основную особенность COVID-19 [292, 293]. Снижение уровня кислорода в крови стимулирует хеморецепторы в сердечно-легочном центре головного мозга, что вызывает увеличение частоты вдоха для повышения уровня кислорода в крови, а также заставляет сердце работать быстрее, чтобы доставить кислород в организм [294]. Так, у больных с гипоксемией обычно развиваются тахипноэ и тахикардия [295].

Отличительной особенностью COVID-19 является низкая частота одышки среди пациентов с рентгенологическими признаками пневмонии и гипоксии, обозначаемой как «тихая гипоксия», или «счастливая», или «недиспногенная острая гипоксическая дыхательная недостаточность». [587—589] Диссоциация между вегетативной реакцией на дыхательную недостаточность и ее осознанным восприятием привела некоторых авторов к предположению об интероцептивном расстройстве, при котором нарушается передача нервных сигналов от легких к ЦНС. [590]

Данные свидетельствуют о том, что пропорциональные изменения ЕМТ (эпителиально-мезенхимального перехода) при COVID-19 статистически значимы. Дальнейшее перечисление ранней и поздней ЕМТ предполагает корреляцию между инвазивными генами и COVID-19. Наконец, ЕМТ активируется у пациентов с COVID-19 и обогащен множеством воспалительных цитокинов. Кроме того, было обнаружено, что ранний ЕМТ положительно коррелирует с входными факторами, чего нельзя сказать о позднем ЕМТ. [511]

Сердечно-сосудистая система

Хотя это предварительно респираторный вирус, он поражает многие системы органов, включая сердечно-сосудистую систему [129]. Сердечные осложнения могут затронуть 20—30% пациентов с COVID-19 и привести к ухудшению заболеваемости и смертности [130,131]. Сердечно-сосудистые осложнения могут включать миокардит, острый инфаркт миокарда, сердечную недостаточность и аритмии [129].

Предполагается, что патофизиология миокардита, связанного с COVID-19, включает сочетание иммуноопосредованного повреждения и прямого цитотоксического действия вируса на миокард [160]. Рецептор ACE2 обнаружен во многих системах органов, включая сердечную ткань [160].

Связь миокардита с инфекцией COVID-19 хорошо установлена многочисленными исследованиями [133, 141, 154]. Миокардит относится к воспалению сердечной мышцы, вызванному инфекционной и неинфекционной этиологией [155, 156, 157], при этом вирусная этиология чаще встречается в США и других развитых странах [157]. Он может проявляться очаговым или диффузным поражением миокарда и может быть охарактеризован как острый, подострый или хронический процесс [157,158]. Его симптомы и признаки сильно варьируют и могут включать генерализованную усталость, боль в груди, синусовую тахикардию, впервые возникшую застойную сердечную недостаточность, аритмию, кардиогенный шок и смерть [157, 158, 159]. Это часто связано с повышением уровня тропонина, С-реактивного белка и скорости оседания эритроцитов (СОЭ) [158]. Эхокардиограмма является частью стандартной оценки и может показать сниженную фракцию выброса [158]. В то время, как биопсия миокарда является золотым стандартом диагностики миокардита, магнитно-резонансная томография сердца является золотым стандартом для неинвазивной оценки объемов желудочков, массы сердца и фракции выброса [158].

Госпитальная смертность была значительно выше у пациентов с COVID-19 и миокардитом, чем у пациентов с COVID-19 без миокардита. [128]

Хотя миокардит связан с худшими исходами у пациентов с COVID-19 [133], существует ограниченное количество крупномасштабных исследований, оценивающих исходы, связанные с миокардитом, связанным с COVID-19.

Нервная система

Yan-Chao Li et al. выдвинули гипотезу о тропизме нового коронавируса к нервной ткани, поскольку у некоторых пациентов отмечались такие симптомы, как головная боль, тошнота и рвота. Кроме того, ранее было обнаружено сродство SARS-CoV и MERS-CoV к нервной ткани. Интраназальное введение SARS-CoV-1 или MERS-CoV мышам приводило к быстрому проникновению вирусных частиц в мозг, возможно, через обонятельную луковицу. Ствол мозга, в котором расположен дыхательный центр, был сильно инфицирован обоими типами вирусов, что может способствовать деградации и поражению дыхательных центров. Сообщалось как минимум о двух случаях человеческого энцефалита/энцефаломиелита, вызванного NCoV-OC43. [53] Аносмия наблюдалась у многих пациентов с COVID-19 [54]. Мутация D614G является важным фактором, способствующим увеличению распространенности аносмии при COVID-19, и это усиленное влияние на обоняние представляет собой ранее неизвестный фенотип мутации D614G. [648] Также сообщалось о случаях энцефалита/аутоиммунного энцефалита, связанного с COVID-19 [55; F Nabizadeh, 2022]. Частота обнаружения РНК и белков SARS-CoV-2 в образцах головного мозга не различалась между пациентами с неврологическими симптомами и пациентами без них; отек головного мозга, гипоксически-ишемические поражения и воспалительные инфильтраты чаще встречались у лиц с неврологическими нарушениями; неврологические симптомы чаще встречались у пожилых людей. [419] Таким образом, нельзя исключать интраназальный путь проникновения SARS-CoV-2 в мозг.

Нейровоспалительная реакция, цитокиновый шторм, аутоиммунный ответ, системная гипоксия — все это части нейропатогенеза COVID-19.

Существует гипотеза, что активация иммунной системы может вызывать неврологические расстройства, вызывая окислительный стресс и нейровоспаление. [432]

F Gentile et al., 2022, описывает предполагаемую роль оси «легкие-мозг» в патогенезе COVID-19. [591]

Белок S1 SARS-CoV-2 имеет в 10—20 раз большее сродство к рецептору ACE2, чем в других коронавирусах. Эта особенность могла приводить к прикреплению вириона к стенкам мозговых капилляров после гематогенной диссеминации с последующим нарушением гематоэнцефалического барьера и проникновением вируса в ткань мозга [753, 754]. Когда вирус попадает в церебральную микроциркуляцию, он может создать состояние гиперкоагуляции, которое может замедлить поток мозгового кровообращения, обеспечивая большее взаимодействие между вирусом и рецепторами ACE2. [755]

Глиальные клетки, как и нейроны, экспрессируют рецепторы ACE2; следовательно, присоединение вируса к рецептору может способствовать его нейротропизму, что, в свою очередь, может инициировать цикл репликации с повреждением нервных клеток [753,754]. SARS-CoV-2 также может вызывать повреждение эндотелия в нервной системе из-за прямого инфицирования, активации иммунной системы и тромбовоспалительной реакции, что приводит к микроваскулярным и макроваскулярным тромботическим событиям [756, 757].

Молекулярная мимикрия рецепторов NMDA может способствовать нейропсихиатрическим симптомам в тяжелых случаях COVID-19. (V Vasilevska et al., 2021)

Микроглиоз ствола мозга представлял собой единственное невропатологическое явление у пациентов с COVID-19 легкой/средней степени тяжести и у тех, кто не имел неврологических симптомов, что подтверждает его связь с инфекцией SARS-CoV-2. Кроме того, в некоторых исследованиях сообщалось об обнаружении вируса в эндотелиальных клетках областей инфаркта. [Bulfamante, G, 2021; Kirschenbaum, D, 2021; Meinhardt, J, 2021; Poloni T.E, 2021] J Matschke et al.,2020, обнаружили, что продолжительность заболевания обратно пропорциональна вирусной нагрузке ЦНС. Вирус, по-видимому, нацелен на избирательные нейроанатомические структуры, такие как ретикулярная формация, ядра блуждающего нерва, солитарный тракт/ядро и вентральный дыхательный столб, которые необходимы для нейронного контроля дыхания и других нейровегетативных функций [Cutsforth-Gregory J.K, 2017]. Дисфункция этих цепей может нарушать бодрствование, вегетативные функции и спонтанное дыхание, о чем обычно сообщают пациенты с COVID-19. Кроме того, пространственные паттерны вирусной нейроинвазии указывают на нейрональный транспорт как на главный вход в центральную нервную систему. Обонятельный, тройничный, языкоглоточный и блуждающий нервы иннервируют все дыхательные пути, где в острую фазу заболевания отмечается высокая вирусная нагрузка. Вирус может проникать в окончания периферических нервов и, таким образом, перемещаться по аксональному пути ретроградно. [591] Кроме того, вирус также был локализован в каротидном теле [Lambermont B, 2021], что указывает на локальную дисфункцию системы восприятия кислорода и представляет собой потенциальный путь проникновения через языкоглоточный нерв.

Результаты одного обзора подтвердили отсутствие изменений структурной визуализации обонятельной системы у пациентов с COVID-19, что согласуется с результатами недавних гистопатологических оценок. [423] Нарушения обоняния, такие как аносмия и гипосмия, могут быть связаны с повреждением обонятельного эпителия с преимущественным поражением ненейрональных клеток. Однако, могут поражаться и нервные клетки, что ухудшает состояние потери обоняния. [501] Обнаружение SARS-CoV-2 в спинномозговой жидкости с помощью ПЦР или оценка интратекального синтеза антител редко встречается у пациентов с нарушением обонятельной/вкусовой функции. [426] Имеются исследования, описывающие пациентов с SARS-CoV-2 в спинномозговой жидкости. У этих пациентов наиболее частым симптомом была лихорадка (55%), за которой следовали головная боль (41%), кашель (32%) и рвота/тошнота (32%). Большинство включенных случаев имели энцефалит (57%), 8 из которых были подтверждены на МРТ. Вторым наиболее частым проявлением был менингит. Анализ спинномозговой жидкости в большинстве случаев выявил несоответствие уровня белка и нормального уровня глюкозы. [470]

SARS-CoV-2 может напрямую достигать передней поясной извилины и базальных отделов переднего мозга [749,750]. Вовлечение ствола мозга также может произойти после контакта с коронавирусами человека через носовую полость [751, 752].

Есть некоторые аргументы в пользу того, что измененные пути синтеза дофамина могут быть связаны с патофизиологией COVID-19. [87]

Желудочно-кишечный тракт

Интересно, что инфекция SARS-CoV-2 в кишечнике с опасными для жизни случаями относительно ниже, чем в легких, хотя ACE2 хозяина (hACE2) в значительной степени сверхэкспрессирован в энтероцитах тонкого кишечника по сравнению с легкими. [614] Это можно объяснить взаимодействием обильного человеческого дефенсина 5 (HD5) (амфифильный антимикробный пептид из 32 остатков, секретируемый клетками Панета) с hACE2, обладающим достаточно сильным сродством (39,3 нМ), который блокирует связывание белка S1 с hACE2 [625]. В желудочно-кишечном тракте при гистологическом окрашивании повреждений слизистого эпителия пищевода, желудка, двенадцатиперстной и прямой кишки не выявлено. Присутствует случайная инфильтрация лимфоцитов в плоский эпителий пищевода и инфильтрация плазматических клеток и лимфоцитов в собственную пластинку желудка, двенадцатиперстной кишки и прямой кишки. [639]

Что касается сродства белка S к рецепторам ангиотензинпревращающего фермента, то SARS-CoV-2 также использует рецепторы трансмембранной протеазы серина 2, которые также обнаружены в эпителиальных клетках тонкого кишечника [348]. Изменения в ACE2 могут быть вызваны новым коронавирусом, который может вызывать воспаление кишечника и диарею. Изменение микробиоты кишечника может быть вызвано микробами и цитокинами, которые могут вызывать воспаление и высвобождать кишечные цитокины. [336] Новая коронавирусная инфекция может вызывать дисбактериоз кишечника. Ангиотензин II-превращающий фермент, присутствующий в кишечнике, вызывает пищеварительные симптомы, сходные с гастроэнтероколитом у пациентов с COVID-19 [350].

У пациентов с COVID-19 дыхательная недостаточность может вызвать повреждение печени, поскольку спровоцированная аноксия может, в конечном итоге, ухудшить функцию печени, развивая гипоксический гепатит [351]. Лабораторные результаты показали, что количество повышенных цитокинов было заметно выше у лиц с печеночной недостаточностью, чем у лиц без печеночной недостаточности, что указывает на то, что сильный воспалительный ответ и цитокиновый шторм также способствуют дисфункции печени [352]. Тем не менее, следует с осторожностью рассматривать возникающие дополнительные аспекты, такие как использование гепатотоксических средств (антибиотики, противовирусные препараты, стероиды) для терапевтического лечения инфицированных пациентов, которые, исходя из своего воздействия, могут вызывать поражение печени.

Почки

Zou X et al. [99] сообщили, что сердце, подвздошная кишка, пищевод, мочевой пузырь (ACE2-положительные клетки в уротелии мочевого пузыря — 2,4%) и почки (ACE2-положительные клетки в проксимальном извитом канальце — 4%) могут подвергаться высокому риску вирусной инвазии. Это может объяснить острое повреждение почек, которое встречается у 0,1—29% пациентов с COVID-19. Кроме того, острое поражение почек у пациентов с COVID-19 может быть объяснено сепсисом или септическим шоком, ведущим к цитокиновому шторму или иммуноопосредованному повреждению почек [100, 101]. В частности, у пациентов с хронической почечной недостаточностью и COVID-19 высокая смертность (60—90%) [101].

Индуцированное COVID-19 острое повреждение почек (AKI) значительно повышает уровень смертности и заболеваемости (MS Moitinho, 2020). Обнаружение белка и/или крови в лабораторных анализах мочи является ранним признаком поражения почек у людей с подтвержденным COVID-19. Вирус имеет тот же функциональный рецептор, ACE2, обнаруженный в почках, в основном присутствующий в проксимальных канальцах, приносящих артериолах, собирательных трубочках и толстой восходящей части петли Генле. SARS-CoV-2 вызывает острый канальцевый некроз путем прямого инфицирования почечных канальцев. Вирусные частицы могут напрямую инфицировать цитоплазму эпителия проксимальных канальцев почек и подоцитов, что может вызвать AKI у пациентов с COVID-19. [296] Биомолекулярные процессы почечной недостаточности у пациентов, инфицированных новым коронавирусом, по-видимому, многофакторны и до конца не выяснены. [336]

Гиперкоагуляция и повреждение эндотелия

Пациенты с тяжелой формой COVID-19 имеют повышенный риск тромбоза и кровотечения. [306, 335] Тромбин, вырабатываемый в избытке в случаях тяжелой формы COVID-19, вызывает активацию тромбоцитов и превращение фибриногена в фибрин и, таким образом, состояние гиперкоагуляции.

Установлено, что перед смертью уровень нейтрофилов, D-димера, мочевины и креатинина в крови у пациентов с COVID-19 продолжал увеличиваться, а количество лимфоцитов продолжало снижаться. Эти изменения были связаны с цитокиновым штормом, предполагающим активацию системы свертывания крови, стойкий воспалительный ответ и возникновение острого повреждения почек, что может быть связано с патогенезом обострения COVID-19 и объяснить смерть пациентов с COVID-19. [113]

Существующая литература о роли P-селектина (sP-sel) у пациентов с COVID-19 предполагает, что он может быть ценным биомаркером для прогнозирования клинических исходов у пациентов с COVID-19. Активация Р-селектина на поврежденных эндотелиальных клетках и активированных тромбоцитах способствует протромботическому состоянию, ведущему к иммунотромбозу и тромбовоспалению. [741] Goshua et al. [742] обнаружили, что P-селектин и другие тромбоцитарные и эндотелиальные маркеры значительно повышены у пациентов в ОИТ по сравнению с контрольной группой, а также значительно выше у пациентов в ОИТ, чем у пациентов, не находящихся в ОИТ. Смертность значительно коррелировала с повышением этих маркеров. Hotz et al. [743], оценивая значения Р-селектина в течение 72 часов после поступления в ОИТ, продемонстрировали повышение уровня у этих пациентов по сравнению со здоровым контролем и у бессимптомных или легко инфицированных пациентов. Плохие исходы у пациентов, включая потребность в искусственной вентиляции легких и внутрибольничную смертность, прогнозировались по уровням Р-селектина выше медианы контрольной группы и от экспрессии TF зависимого от тромбоцитов при поступлении. У пациентов с тяжелым синдромом COVID-19 наблюдалась более высокая активация тромбоцитов и образование агрегации тромбоцитов-моноцитов, однако, у пациентов с легким самоизлечивающимся заболеванием COVID-19 этого не было. С другой стороны, на значения P-селектина и sCD40L влияла тяжесть COVID-19, при этом уровни P-селектина и sCD40L были выше у пациентов в ОИТ. По сравнению с нормальными референсными значениями и здоровыми донорами, отобранными в контексте, Agrati et al. [744] обнаружили повышенную концентрацию Р-селектина в плазме у пациентов с COVID-19, независимо от поступления в ОИТ. Паттерн гиперактивности тромбоцитов был подтвержден Comer et al. [745]. По сравнению с контрольной группой, циркулирующие уровни маркеров активации тромбоцитов PF4 и sP-sel были значительно выше у лиц, положительных на SARS-CoV-2. В то время, как уровни циркулирующего PF4 не отличались между людьми с тяжелым и нетяжелым течением COVID-19, группа с тяжелым течением COVID-19 имела более высокий уровень sP-sel. Frazer et al. [746] использовали систему машинного обучения для профилирования тромбоза (с использованием значения P-селектина) в отделении интенсивной терапии, прогнозируя тяжесть и смертность от COVID-19. В плазме пациентов SARS-CoV-2+ и SARS-CoV-2—, находящихся в реанимации, а также в контрольной группе того же возраста и пола оценивали три тромботических фактора и пять маркеров повреждения эндотелиальных клеток. У пациентов с SARS-CoV-2+ уровень vWF был выше, чем у здоровых участников контрольной группы, но важно то, что в плазме пациентов с COVID-19+ уровень sP-sel был заметно повышен с 3-го дня в ОИТ и оставался постоянно повышенным по сравнению с плазмой до 7-го дня в ОИТ. У пациентов с SARS-CoV-2+ отмечалось обострение и хроническое повреждение эндотелия, о чем свидетельствует повышение уровня sP-sel. Из-за повышенного риска осложнений заболевания у пациентов с COVID-19 срочно необходимы крупномасштабные проспективные исследования для изучения полезности Р-селектина в качестве маркера активации тромбоцитов и эндотелия, для стратификации риска и неблагоприятных прогностических исходов. [741]

Репродуктивная система

Среди различных тканей организма яичко демонстрирует почти самый высокий уровень экспрессии ACE2. На уровне клеток яичка, семенных канальцев, сперматогония, клеток Лейдига и Сертоли наблюдается повышенная экспрессия мРНК ACE2. Если вирус вызывает повреждение этих клеток, он теоретически может повлиять на процесс сперматогенеза, что может представлять риск для мужской фертильности. Существует теоретическая возможность повреждения яичек и последующего бесплодия после COVID-19. Возможность повреждения яичка может быть вызвана прямой вирусной инвазией за счет связывания вируса SARS-CoV-2 с рецепторами ACE2 или вторичной иммунной и воспалительной реакцией. [89] Однако считается, что негативное влияние на мужскую фертильность носит временный характер и исчезает после выздоровления. [459]

Иммунное истощение

Гиперцитокинемия представляет собой тяжелый врожденный иммунный ответ на инфекцию SARS-CoV-2 и способствует ослаблению иммунитета во время адаптивного иммунного ответа [672]. Механически, тяжелое заболевание возникает, когда избыточная продукция цитокинов приводит к истощению лимфоцитов, потенциально открывая дверь для оппортунистических инфекций [673]. Кроме того, было показано, что SARS-CoV-2 способен инфицировать ACE2-независимые Т-лимфоциты, что еще больше способствует лимфоцитопении и истощению Т-клеток [674].

Другие задействованные механизмы

Xu et al. описали эффективное создание вирусоподобных частиц (VLP) SARS-CoV-2 путем плазмидной трансфекции вирусных структурных белков в клетки млекопитающих. Они продемонстрировали, что M + E минимально необходимы для эффективной сборки и выработки VLP SARS-CoV-2 и что присутствие E может повысить эффективность высвобождения как M, так и S [679]. Wan Lu et., 2022, подробно описывают роль VLP для исследований. [680]

NET представляют собой внеклеточные сети ДНК, гистонов, микробицидных белков и окислительных ферментов, высвобождаемых в ответ на PPR или активацию нейтрофилов хемокинами. [869] NET играют критическую роль в патогенезе воспалительной реакции. [578; 750; Veras et al.]

Многие ученые согласны с тем, что SARS-CoV-2 может функционировать как важный стимулятор воспалительных и иммунологических состояний за счет молекулярной мимикрии, хотя точные механизмы, лежащие в основе возникновения иммунных и воспалительных заболеваний, еще не установлены [363].

Путь катаболита триптофана (TRYCAT) вовлечен в патофизиологию и прогрессирование COVID-19 и может сигнализировать об ухудшении исхода заболевания. [747]

У пациентов с COVID-19 более высокая продукция miR-155 (в частности, miR-155-3p и miR-139-5p), а у пациентов мужского пола относительно более высокая вирусная нагрузка и уровни miR-155, чем у пациентов женского пола. Исследование Keikha et al., 2021, показало, что относительная экспрессия противовоспалительных микроРНК была снижена, а относительная экспрессия их мРНК-мишеней увеличилась у бессимптомных или критически больных пациентов с COVID-19. Кроме того, это исследование продемонстрировало, что относительная экспрессия провоспалительных микроРНК увеличивается, а относительная экспрессия их мРНК-мишеней снижается у бессимптомных или критически больных пациентов с COVID-19. [190]

Интересно, что NLRP3 (NLR Family Pyrin Domain Containing 3), важный белковый компонент инфламмасомы, может играть роль в патофизиологии. [659]

Гликом IgG у пациентов с тяжелым течением COVID-19 статистически значимо изменен, что указывает на снижение иммуносупрессивного действия циркулирующих иммуноглобулинов. Величина наблюдаемых изменений связана с тяжестью заболевания, что указывает на то, что аномальный состав гликозилирования IgG или изменения в гликозилировании IgG могут быть важным молекулярным механизмом при COVID-19. [642]

Некоторые результаты могут свидетельствовать о провоспалительной роли TREM-1 при COVID-19, который может способствовать воспалительному профилю и прогрессированию заболевания. [433]

Время адаптивного иммунного ответа. Антитела к SARS-CoV-2. Иммунный клиренс SARS-CoV-2

Адаптивный иммунный ответ вступает в силу не менее чем через пять дней [664].

Tan et al. [692] обнаружили, что IgM выявлялся на 7-й день и достигал пика на 28-й день (у 28 пациентов), а IgG появлялся на 10-й день и достигал пика на 49-й день (45 пациентов), в то время как Zhao et al. [693] определили, что сероконверсия среди 173 пациентов произошла в среднем через 12 (IgM), 14 (IgG) и 11 (нейтрализующие антитела) дней.

Среднее время обнаружения среди различных антител к SARS-CoV-2 составило 11,0 дней. Тяжесть, по-видимому, связана со временем обнаружения IgG (на 2—3 дня больше в более тяжелых случаях). [686]

Иммунный ответ на SARS-CoV-2 соответствует общей схеме вирусной инфекции. Иммунитет, возникающий в результате естественной инфекции, оказывается недолговечным. (S Nair, 2022) Другое исследование предполагает, что сильный естественный иммунитет следует за первичной инфекцией и может сохраняться более года. [481, 646] Некоторые модели передачи SARS-CoV-2 предполагают, что инфекция создает иммунитет к повторному заражению на период не менее 1 года. [687—689] Некоторые авторы проводили экспериментальные исследования заражения человека (так называемые провокационные исследования человека), предполагая, что защита от коронавирусных инфекций может длиться всего 1 или 2 года [690—691].

Приобретенные естественным путем антитела против SARS-CoV-2 могут значительно снизить риск последующего заражения с защитной эффективностью 84%. (Qi Chen, 2022) До появления штаммов Delta и Omicron вновь инфицированные люди имели надежную защиту от симптоматических повторных инфекций в течение 7 месяцев по сравнению с невакцинированными и ранее неинфицированными людьми. [647]

Как только активируется адаптивный иммунный ответ, Т — и В-клетки становятся критически важными для элиминации вируса, которая развивается в течение нескольких дней или недель [671].

Реакция антител на SARS-CoV-2 необходима для элиминации вируса. Созревание антител увеличивает способность организма защищаться от инфекции SARS-CoV-2 [668—670].