COVID-19 - инфекционное заболевание, которое вызывается новым коронавирусом SARS-CoV-2, впервые выявленное в г. Ухань провинции Хубэй в Китайской Народной Республике в ноябре 2019 г. За короткий промежуток времени COVID-19 стремительно распространился по всему миру, и 11 марта 2020 г. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) официально объявила о пандемии этого заболевания [1].
COVID-19 имеет схожие клинические проявления и эпидемиологические характеристики с атипичной пневмонией (SARS), эпидемия которой началась в Китае в провинции Гуандун в ноябре 2002 г., захватила 32 региона, страны Восточной Азии и Канаду, а также с ближневосточным респираторным синдромом (MERS), который появился в Саудовской Аравии в сентябре 2012 г. [2-4]. COVID-19, по-видимому, имеет общий зоонозный резервуар сохранения вируса, принадлежащего к β-коронавирусу (CoV). В тяжелых случаях все 3 заболевания характеризуются чрезмерным воспалением, а также имеют схожие проявления респираторных нарушений, таких как острый респираторный дистресс-синдром (acute respiratory distress syndrome, ARDS) и различные симптомы нарушений в центральной нервной системе [5, 6].
При патологоанатомическом исследовании пораженных легких пациентов с COVID-19 обнаружены фиброзно-муцинозный выпот, который вызывал диффузное альвеолярное поражение обоих легких; инфильтрация воспалительных мононуклеарных клеток; отслоение альвеолярного эпителия II типа и гиалиновых мембран. Эти изменения очень похожи на проявление ARDS, а также на патологию легких при SARS и MERS [7].
Поскольку в плазме крови, полученной от пациентов с COVID-19 в отделениях реанимации и интенсивной терапии (ОРИТ), были обнаружены повышенные уровни провоспалительных цитокинов IL-6, IL-1β, IL-8 и TNF-α, а также хемокинов G-CSF, IP10 и MCP1, было сделано предположение, что поражения легких у пациентов с COVID-19 вызваны "цитокиновым штормом" (cytokine storm, CS) [4, 8, 9].
"Цитокиновый шторм", сопровождающий синдром высвобождения цитокинов (cytokine release syndrome, CRS), часто встречается при детских ревматических заболеваниях, обычно при системном ювенильном идиопатическом артрите (systemic juvenile idiopathic arthritis, s-JIA) и детской системной красной волчанке (childhood-onset systemic lupus erythematosus, c-SLE). В педиатрии патологическое состояние CS/CRS также известно как синдром активации макрофагов (macrophage activation syndrome, MAS) [10].
При инфекционных заболеваниях и сепсисе, вызванных грамотрицательными бактериями, CS может быть вызван липополисахаридом - компонентом мембран грамотрицательных бактерий [11]. CRS также развивается при гемофагоцитарном лимфогистиоцитозе (Hemophagocytic lymphohis-tiocytosis, HLH) в результате инфекционных заболеваний при первичном иммунодефиците и инфекции вируса Эпштейна-Барр [12].
Ревматоидный артрит (rheumatoid arthritis, RA) является хроническим воспалительным заболеванием, однако механизм возникновения хронического воспаления до сих пор неизвестен. В случае s-JIA также пока не удается понять, почему воспаление внезапно переходит в сильный и смертельно опасный CS. При всех 3 коронавирусных инфекциях (SARS-CoV-2, SARS-CoV и MERS-CoV) неизвестны ключевые факторы, которые трансформируют инфекционное состояние в CS. Возможно, причиной является нарушение регуляторных функций производства и секреции разных провоспалительных цитокинов и хемокинов в ходе активации врожденной иммунной системы. Поэтому терапия COVID-19 должна быть направлена на срочное подавление чрезмерно продуцируемых провоспалительных цитокинов и хемокинов [13].
Состояние CS можно точно определить по нескольким анализам крови больного, и при назначении соответствующего лечения на ранней стадии заболевания с учетом результатов этих анализов можно ожидать улучшения в отношении CRS.
В этой связи недавно появились интересные сообщения об участии митохондрий в активации и регуляции врожденного иммунного ответа, а также в усилении и хронизации воспаления [14]. Митохондрии - это органеллы, которые производят у человека более 95% энергии организма в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Кроме этой важной функции, как недавно было обнаружено, митохондрии активно регулируют врожденный иммунный ответ при повреждениях ткани органов и появлении разрушенных клеток вследствие инфекционных и неинфекционных заболеваний. Повреждения ткани органов и клеток приводят к высвобождению митохондриальных белков (n-FP, кардиолипин и др.) и митохондриальной ДНК (mtDNA). Эти продукты распада вносят вклад в образование молекулярных паттернов, связанных с повреждениями (damage-associated molecular patterns, DAMPs), которые стимулируют врожденный иммунный ответ, активируя Toll-подобные рецепторы (TLR), NOD-подобные рецепторы (NLRP) и cGAS-STING сигнальный путь. В результате увеличивается продукция провоспалительных цитокинов, интерферонов I типа и хемокинов [15].
Различные внутренние и внешние стрессорные факторы, вызванные инфекцией SARS-CoV-2, также связаны с дисфункцией и повреждением митохондрий. Когда высвобождаются митохондриальные белки и mtDNA, развивается хроническое воспаление. Острое воспаление и CRS при COVID-19 могут быть вызваны патологическим состоянием.
В аналитическом обзоре рассмотрены патогенез CS при COVID-19, динамика патофизиологических изменений у больного и методы лечения, направленные на спасение жизни при развитии CRS и полиорганной недостаточности (multiple organ failure, MOF) в серьезных случаях COVID-19.
Новая коронавирусная болезнь и COVID-19
Известны 7 типов коронавирусов, которые вызывают инфекционные заболевания человека. 4 из них - вирусы, вызывающие острое респираторное заболевание с поражением верхних дыхательных путей. Их доля в этиологической структуре острых респираторных вирусных инфекций составляет 20-35%, а 3 типа вирусов: SARS-CoV, MERS-CoV, SARS-CoV-2 - поражают нижние дыхательные пути с развитием чрезвычайно тяжелых ARDS и MOF [5, 6].
SARS-CoV-2 - РНК-содержащий вирус, принадлежащий наряду с SARS-CoV и MERS-CoV к β-коронавирусам. Рецептором для SARS-CoV-2 у человека является ангиотензин-превращающий фермент 2 (angiotensin-converting enzyme 2, ACE2), который участвует в функционировании сердечной мышцы и регулировании артериального давления. В случаях COVID-19 спайковый белок (S-белок) с короноподобной формой вирусной оболочки связывается с ACE2-рецептором, и после этого РНК вируса попадает в клетку [16, 17]. Сродство S-белка SARS-CoV-2 к ACE2-рецептору очень высокое [18]. ACE2-рецептор экспрессируется в 83% клеток альвеолярного эпителия, а также на поверхности клеток сердца, почек, эндотелия сосудов и желудочно-кишечного тракта. Это означает, что респираторные пути и альвеолярные эпителиальные клетки, а также клетки других органов являются мишенями для SARS-CoV-2.
Все перечисленные 3 коронавируса являются возбудителями зоонозной инфекции и, как предполагается, происходят от летучих мышей, однако они специфичны и в отношении некоторых других видов животных. Когда вирус мутирует и приобретает способность передаваться от животного одного вида к животному другого вида (преодолевает межвидовой барьер), он сначала может проявлять большую патогенность, но затем имеет тенденцию к постепенному ослаблению. Однако в отношении людей во всем мире SARS-CoV-2 по-прежнему проявляет высокую патогенность. Поэтому очень важно постоянно собирать всю информацию о вирусе от медицинского сообщества, чтобы иметь возможность ее обсудить и понимать патофизиологию COVID-19, а следовательно, знать, как на него реагировать [19].
Патологические изменения
Первые точные описания патогенеза COVID-19 были получены из Китая [20, 21]. Гистопатологические исследования Z. Xu и соавт. выявили диффузные поражения альвеол и их стенок обоих легких больных COVID-19, инфильтрацию их клеточными компонентами с заполнением фиброзномуцинозным экссудатом. В правом легком наблюдали отслоение альвеолярных клеток, образование стекловидного тела и проявления ARDS, в то время как в левом легком выявлены признаки отека и образование гиалиновой мембраны, что указывало на начальную стадию развития ARDS. Интерстициальные ткани были инфильтрированы воспалительными мононуклеарными клетками и лимфоцитами; в пространствах дыхательных путей (которые были аномально увеличены) наблюдали многоядерные синцитиальные клетки, а в альвеолярных клетках ядра были увеличены. В гигантских клетках обнаруживали следы вирусной инфекции. Эти гистологические изменения были похожи на те, которые наблюдались при SARS-CoV и MERS-CoV.
В ткани печени определяли умеренно выраженные микровезикулярные отложения, хотя изменения в фолликулах и воротных венах были небольшими. Это могло указывать или на заражение SARS-CoV-2, или на лекарственное поражение печени. В интерстициальной ткани сердца выявили инфильтрацию воспалительными мононуклеарными клетками, но в самой сердечной мышце повреждений не было.
Согласно китайскому "Новому руководству по лечению коронавирусной пневмонии" [22], в легких часто наблюдается значительный рост альвеолярных эпителиальных клеток II типа. В этих клетках и макрофагах часто видны тельца-включения, тогда как частицы SARS-CoV-2 лишь иногда обнаруживаются в цитоплазме клеток с помощью электронного микроскопа. В тканях легких возникают очаги кровотечения и некрозы, наблюдается геморрагический инфаркт. В поджелудочной железе развиваются атрофические изменения, происходит значительное уменьшение количества CD4+- и CD8+-Т-клеток и инфильтрация макрофагами с признаками фагоцитоза. В периферических лимфатических узлах количество CD4+- и CD8+-Т-клеток было также снижено. В костном мозге наблюдалась панцитопения. В сердце выявляли дегенерацию и некроз кардиомиоцитов, а в интерстициальной ткани - инфильтрацию небольшим количеством моноцитов, лимфоцитов и нейтрофилов. В почках, в капсуле Боумена скапливался экссудат, тубулярный эпителий был денатурирован и слущен, определяли гиалиновые цилиндры. В ткани мозга больного выявлены гиперемия, отек и частичная дегенерация нейронов.
Патофизиология COVID-19
SARS-CoV-2 имеет очень высокий уровень гомологии с SARS-CoV, поэтому полезно учитывать опыт Китая и вирусологические данные, полученные в ходе эпидемии SARS-CoV в 2002 г., а также отчеты из Китая, который встретился с COVID-19 раньше, чем другие страны [1, 2, 9, 13].
Патофизиология новых тяжелых коронавирусных инфекционных заболеваний определяется интенсивным воспалением, вызванным инфицированием и быстрой репликацией вирусов in vivo. ARDS возникает как первичное проявление полиорганных повреждений, следующих за CRS. Эти синдромы (ARDS и CRS), становясь чрезмерными и неконтролируемыми, в конечном итоге могут привести к синдрому полиорганной дисфункции (multiple-organ dysfunction syndrome, MODS), MOF и смерти пациента. Согласно отчету M. Yang [23], SARS-CoV-2 инфицирует клетки дыхательных путей, альвеолярные эпителиальные клетки и эндотелиальные клетки сосудов благодаря быстрой репликации вируса, который затем индуцирует апоптоз (запрограммированную гибель) клеток и увеличение проницаемости сосудов.
Проникновение SARS-CoV-2 в макрофаги способствует активации инфламмасомы NLRP3, продукции и секреции IL-1β и развитию пироптоза. Пироптоз - это форма запрограммированной гибели клеток, при которой макрофаги, вызывающие воспаление за счет секреции IL-1β и IL-18, подавляют рост вирусов в клетках [24].
Согласно сообщениям C. Huang и соавт. [8], клинические симптомы начинают проявляться высокой температурой, кашлем, сильной мышечной болью, заторможенностью и усталостью. Затем появляются респираторные нарушения, а по результатам КТ грудной клетки выявляют пневмонию. В этот период значительно уменьшается количество лейкоцитов, лимфоцитов и тромбоцитов; повышаются титры D-димера, ALT, AST/LDH и снижается концентрации альбумина. Концентрации IL-1β, IL-lRa, IFN-γ, IP10, MCP1, IL-8, IL-10, TNF-α и т.д. в плазме возрастают. При этом пациенты ОРИТ, в котором все пациенты были с ARDS, имели заметно более высокие уровни этих воспалительных цитокинов и хемокинов по сравнению с пациентами, которые не попадали в ОРИТ.
У пациентов ОРИТ значительная виремия проявлялась увеличением содержания вирусной РНК в крови, одновременно регистрировали повреждения миокарда и вторичные инфекции. Все эти данные показывают, что ключевым патофизиологическим звеном инфекции SARS-CoV-2 является выраженный CS, порождаемый чрезмерной активацией врожденного иммунитета. С другой стороны, значительное уменьшение количества лимфоцитов отражало также нарушение в системе приобретенного иммунитета.
C. Zhang и соавт. [25] показали, что основным цитокином, участвующим в развитии чрезмерной воспалительной реакции - CS, у пациентов с COVID-19 с тяжелым течением является IL-6. Основываясь на этих данных и "Новых рекомендациях по лечению коронавирусной пневмонии" [22], 21 пациенту ОРИТ с тяжелым течением COVID-19 был назначен тоцилизумаб (Tocilizumab), антагонист рецептора IL-6. В результате 19 пациентов выздоровели, а IL-6 был заявлен как ведущий фактор патогенеза в развитии заболевания.
Врожденный иммунитет и воспалительные цитокины
Организм человека в ответ на действие стрессорных факторов окружающей среды активирует иммунную систему для восстановления нарушенного стрессом гомеостаза. Стресс может быть вызван бактериальными и вирусными инфекциями, внешней средой (экзогенный) и стрессом внутренней среды организма (эндогенный). Иммунный ответ подразделяют на два типа: врожденный и адаптивный [26]. Врожденный иммунитет генерирует неспецифическое антиген-независимое воспаление для биологической защиты от патогена, в то время как адаптивный иммунитет реагирует на специфические антигены, такие как компоненты бактериальной клетки и вирусный капсид/оболочку, и осуществляет анти-ген-специфические иммунные функции (рис. 1).
Рис. 1. Врожденный и приобретенный (адаптивный) иммунитет
При врожденном иммунитете молекулы, индуцируемые стрессом, воспринимаются особыми рецепторами распознавания образов (pattern recognition receptors, PRRs) [27], такими как TLR и NOD-подобные рецепторы. PRRs воспринимают молекулы патогенов, такие как ЛПС грамотрицательных бактерий, пептидогликаны грамположительных бактерий и т.д. в качестве инородных тел. Такие молекулы патогенов называют молекулярными паттернами, связанными с патогенами (pathogen-associated molecular patterns: PAMPs). Связывание PAMPs с PRRs инициирует воспаление. При эндогенном стрессе распознаются DAMP, которые представляют собой высвобождаемые компоненты поврежденных клеток. Результатом распознавания также является активация воспаления.
Реакции врожденного иммунитета, инициируемые распознаванием PAMPs или DAMPs, вместе с воспалительными клетками очень быстро запускают производство и высвобождение провоспалительных цитокинов и хемокинов, развивается воспаление. В то же время фагоцитарные и дендритные клетки осуществляют процессинг антигена и запускают антиген-специфический адаптивный иммунитет, сопровождаемый продукцией IFN-α. Кроме того, недавно обнаружены 2 новые функции митохондрий: стимуляции врожденного иммунитета при нарушениях митохондриальных функций и регуляции врожденного иммунитета при нормальном функционировании митохондрий [28].
Иммунная система распознает внешние стрессорные факторы (факторы инфекции, такие как вирусы и бактерии) как PAMPs, а внутренние стрессорные факторы (поврежденные клетки и остатки мертвых клеток, продукты разрушения митохондрий и т.д.) как DAMPS через TLR и активацию комплекса инфламмасомы NLRP3. ДНК вирусов и бактерий распознаются системой cGAS-STING, а вирусная РНК - системой RLR. В результате распознавания и активации факторов транскрипции, таких как NFkB, AP1 и IRF3/7, начинается усиленная продукция провоспалительных цитокинов и интерферонов.
Рецепторы распознавания образов (pattern-recognition receptors, PRRs) и врожденный иммунитет
Толл-подобные рецепторы (TLRs)
Связывание DAMPs или PAMPs с PRRs запускает воспалительный процесс. Одними из PRRs являются TLRs. К настоящему времени у человека идентифицировано 10 функциональных TLRs. TLR 1, 2, 4, 5 и 6 экспрессируются на поверхности клетки, а TLR 3, 7, 8 и 9 в эндосомах. Активация TLRs запускает внутриклеточную передачу сигнала и через фактор транскрипции NFkB индуцирует транскрипцию генов цитокинов. С точки зрения распознавания PAMP и запуска иммунных ответов каждый TLR выполняет свою особую функцию. TLR3 распознает dsPHK, а TLR4 - ЛПС. В активации TLR9 и TLR4 также участвуют митохондрии [28, 29]. TLR7 активируется вирусной нуклеиновой кислотой, а митохондрии участвуют в модуляции передачи сигналов от этого TLR. В то же время чужеродные пептиды, которые попадают в фагоцитарные клетки, подвергаются процессингу и презентации на поверхности клетки для активации адаптивной иммунной системы и пролиферации лимфоцитов, распознающих специфические антигены.
Инфламмасома NLRP3
Изначально инфламмасому NLRP3 рассматривали как молекулярный комплекс, связанный с криопирин-ассоциированным периодическим синдромом аутовоспалительных заболеваний (cryopyrin-associated periodic syndrome, CAPS), который вызывается генетической мутацией. Однако в последние годы инфламмасому NLRP3 стали рассматривать как комплекс, участвующий в патогенезе не только инфекционных болезней, но и различных хронических воспалительных заболеваниях, таких как метаболические нарушения, ишемия-реперфузионное повреждение, артериосклероз и болезнь Альцгеймера [30].
Активация NLRP3 происходит в 2 этапа: этап праймирования (подготовки) и этап активации. На этапе праймирования сигналы от TLR и от мембранных рецепторов, связавших цитокины, увеличивают синтез компонентов NLRP3. Затем, когда вирусная РНК или бактериальная ДНК проникает в клетку-мишень, происходит сборка и активация NLRP3. На этапе активации функциональная инфламмасома образует комплекс [(NLRP3) - (кардиолицин) - (прокаспаза-1) (ASC)] и расщепляет неактивную прокаспазу-1 до активной каспазы-1. Активированная каспаза-1, в свою очередь, ферментативно расщепляет предшественники цитокинов, про-К-1β и про-К-18, до функциональных IL-1β и IL-18 соответственно. После этого цитокины секретируются клеткой.
NLRP3 также присутствует в митохондриях. Благодаря продукции и секреции IL-1β и IL-18, клетки подвергаются пироптозу (своего рода запрограммированная гибель клеток). В результате пироптоза предотвращается дальнейшее внутриклеточное распространение вирусов. Кроме того, продукты разрушенных митохондрий и mtДНК еще больше активируют врожденный иммунитет [24].
Индуцируемые ретиноевой кислотой геноподобные рецепторы (retinoic acid-inducible gene-like receptors, RLRs)
Поскольку нуклеиновые кислоты вирусов воспроизводятся внутри клеток, они не могут стимулировать синтез цитокинов с помощью поверхностноклеточных TLR. Однако в клетке есть особая система, не зависимая от TLR и инфламмасомы, которая распознает проникший в клетку вирусный геном. Эта система, индуцируемых ретиноевой кислотой геноподобных рецепторов (Retinoic acid-inducible gene-like receptors, RLRs). RLRs (RIG-I, MDA5, LPG2 и т.д.) выполняют функцию сенсоров вирусной РНК. Система RLRs при обнаружении вирусной РНК активирует факторы транскрипции IRF3, IRF7 и NFkB и благодаря этому усиливает транскрипцию IFN I типа [31] и других провоспалительных цитокинов.
cGAS-STING сигнальный путь
Вирусную ДНК в клетках распознает cGAS-STING сигнальный путь, который в ответ на распознавание активирует продукцию и высвобождение IFN I типа [32]. Кроме того, когда mtDNA из поврежденных митохондрий попадает в цитоплазму, она также активирует cGAS-STING сигнальный путь. Вирусная ДНК и mtDNA в клетках связываются с cGMP-синтазой (cGAS). Это приводит к активации последней. В свою очередь, активная cGAS активирует белок STING (стимулятор генов интерферонов), превращая GTP и ATP в cGAMP (cGMP-AMP). Далее происходит активация факторов транскрипции IRF3 и NFkB, усиление активности генов интерферонов и других провоспалительных генов (рис. 2).
Рис. 2. Митохондриальная регуляция врожденного иммунного ответа (цит. по [28])
Продукты поврежденных митохондрий (DAMPs) могут активировать ряд внутриклеточных сигнальных путей врожденного иммунитета. Митохондриальная ДНК (mtDNA), попадая из поврежденных митохондрий в цитоплазму, активирует внутриклеточные пути передачи сигнала через cGAS, cGAMP и STING, что приводит к активации транскрипции провоспалительных генов. mtDNA, вышедшая из клеток, после фагоцитоза другими клетками активирует продукцию цитокинов через эндосомный TLR9, что приводит к увеличению продукции IL-1β, IL-18 за счет активации инфламмасомы NLRP3.
Митохондрии и врожденный иммунитет
Митохондрии - это субклеточные органеллы, которые поставляют энергию в форме АТФ всем органеллам эукариот. Для синтеза АТФ важно, чтобы матрикс митохондрий был заряжен отрицательно и обеспечивал движение электронов по электронно-транспортной цепи на внутренней мембране митохондрий. Однако различные стрессоры, такие как антиоксиданты, субстраты окислительного фосфорилирования и разные вещества, могут нарушать отрицательный заряд матрикса [33]. Такое нарушение приводит к угнетению синтеза АТФ и повышенной генерации активных форм кислорода, который наносит большой ущерб организму. Кроме того, в поврежденных митохондриях происходит повреждение мембран. Как следствие, компоненты и продукты поврежденных митохондрий и их мембран, такие как кардиолипин, активные формы кислорода и mtDNA, попадают сначала в цитоплазму, а затем в кровоток. В кровотоке эти продукты и компоненты действуют как DAMPs и активируют реакции врожденного иммунитета [28].
Кардиолипин главным образом обнаруживается в сердечной мышце животных, а также присутствует во внутренней мембране митохондрий. Митохондриальный кардиолипин играет важную роль в структурных трансформациях при разделении и слиянии митохондрий. При митохондриальной дисфункции кардиолипин перемещается к внешней мембране, связывает инфламмасому NLRP3 с митохондрией и запускает ее активацию.
Митохондрии происходят из протеобактерий, которые вступили во внутриклеточный симбиоз с эукариотами около 2 млрд лет назад. Митохондрии имеют собственную ДНК (mtDNA) и обладают способностью делиться и размножаться. Поскольку mtDNA - это бактериальная ДНК, она не может быть расщеплена нуклеазами человека. Когда происходит повреждение митохондрий и гибель клеток, mtDNA попадает сначала в цитоплазму, а затем в системный кровоток. Действительно, в плазме крови пациентов с внешними повреждениями, RA, переломами бедренной кости, шоком и другими патологическими состояниями обнаружено увеличение mtDNA. Будучи в цитоплазме или в кровотоке, mtDNA взаимодействует с TLR9, TLR4, RLR и т.д. Это взаимодействие приводит к активации инфламмасомы NLRP3 и развитию воспалительных реакций врожденного иммунитета.
Митохондрии - это внутриклеточные органеллы, которые присутствуют во всех клетках организма человека. Поэтому, когда происходят различные повреждения и гибель клеток, особенно при CS, по крайней мере кальмодулин и mtDNA, вышедшие из митохондрий, могут играть чрезвычайно важную роль в патофизиологии избыточного воспаления, формируя порочный круг чрезмерной генерации провоспалительных цитокинов, IFN и хемокинов.
"Цитокиновый шторм" и его патофизиология с точки зрения физических реакций
Нарушение регуляции врожденного иммунитета приводит к прогрессирующей чрезмерной секреции воспалительных цитокинов и хемокинов и развитию CRS. Затем происходит следующее:
1. DAMPs высвобождаются из поврежденных клеток и тканей.
2. Многие PAMPs появляются из инфицированных тканей и микробной флоры в организме.
3. Повреждение эпителиальных и эндотелиальных клеток, дисфункция митохондрий из-за чрезмерного количества цитокинов и хемокинов приводит к нарушению функций врожденного и приобретенного иммунитета.
Следует отметить, что CRS - это не заболевание, а скорее патофизиологическое состояние, которое со временем ухудшается, приводя к следующим последствиям:
1. Разрушенные ткани и клетки в результате апоптоза, некроза или пироптоза вызывают резкое и массивное увеличение цитопатических продуктов, таких как соотношение AST/LDH (аспартаттрансаминаза/лактатдегидрогеназа) и мышечных ферментов (креатинкиназа: СК/альдолаза).
2. Широкий спектр повреждений эндотелиальных клеток вызывает серьезные нарушения в системе свертывания-фибринолиза и выход плазмы крови из кровеносных сосудов. Прогрессирование этих событий формирует синдром DIC.
3. Врожденные иммунные ответы усугубляются митохондриальной дисфункцией. Кардиолипин и mtDNA, которые попадают в цитоплазму и плазму крови при митохондриальном стрессе, повреждениях и гибели клеток, еще больше промотируют воспалительные патофизиологические ситуации.
Клинические симптомы, такие как лихорадка, утомляемость, чувство недомогания и анорексия, а также повышенный уровень С-реактивного белка при воспалительных состояниях, отражают высокие уровни IL-6 и IL-1β в плазме. Поэтому степень CRS у больного можно понять по анализу клинической картины и показателей анализа крови.
Повышение уровня IFN-γ способствует активации эндотелиальных клеток сосудов, экспрессии молекул HLA класса I и молекул адгезии, а затем чрезмерное повышение IFN-γ вызывает разрушение этих клеток. В результате коллагеновые волокна под эндотелиальным слоем обнажаются и связывают фактор фон Виллебранда. Одновременно к месту повреждения начинают прилипать тромбоциты, образуя сгустки в просвете сосуда. Дальше обнаженный коллаген активирует внутреннюю систему коагуляции, а затем вместе с тканевыми факторами из поврежденных эндотелиальных клеток сосудистой сети активирует внешнюю систему свертывания. Наконец, тромбоциты и фибрин покрывают поврежденные участки эндотелиального слоя.
Образование фибрина активирует плазмин, что приводит к увеличению продуктов деградации фибрина (FDP) и D-димера в крови. В кровеносных сосудах нарушения в системе фибринолитической коагуляции приводят к нарушению микрососудистой коагуляции и развитию DIC-синдрома.
Кроме того, IFN-γ в больших концентрациях активирует макрофаги и повышает эффективность фагоцитоза. При снижении количества лейкоцитов и тромбоцитов в периферической крови развивается анемия. Когда TNF-α связывается с рецепторами, система внутриклеточной сигнализации увеличивает митохондриальную проницаемость, что приводит к высвобождению цитохрома C. Цитохром C активирует каспазу-3 в клетках и вызывает апоптоз. В результате титры AST/LDH быстро и прогрессивно увеличиваются.
При разрушении мышечных клеток прогрессивно увеличиваются титры CK/альдолазы, а при повреждении гепатоцитов - аланинтрансаминазы (ALT). Кроме того, TNF-α способен индуцировать выход ферритина из ретикулоэндотелиальной системы, и поэтому уровень ферритина является хорошим показателем чрезмерного увеличения концентрации TNF-α у больного. TNF-α также способствует повышению уровня триглицеридов и снижению холестерина благодаря ингибированию активности липопротеинлипазы в жировой ткани. Поэтому оба показателя также являются хорошими индикаторами CS. Кроме того, при COVID-19 наблюдается значительное уменьшение количества лимфоцитов и, соответственно, снижение активности приобретенного иммунитета. Это может способствовать появлению вторичных инфекций.
Инфекция SARS-CoV-2 продуцирует большое количество PAMPs, а дополнительное повреждение тканей и клеток увеличивает количество DAMPs. Это приводит к активации врожденного иммунитета и чрезмерной секреции провоспалительных цитокинов и хемокинов. Апоптоз клеток и пироптоз макрофагов дополнительно вызывают чрезмерные воспалительные реакции с выработкой IL-1β и IL-18. При сочетании нескольких патологических состояний, таких как CS, ARDS как результат поражения респираторных и альвеолярных эпителиальных клеток, нарушения микрососудистой коагуляции-фибринолиза из-за повреждения эндотелиальных клеток, митохондриальная митофагия, процессы катаболизма и дисфункции внутриклеточных органелл и клеток прогрессируют и образуют порочный круг, который приводит к MODS. Кроме того, из-за уменьшения количества лимфоцитов и нарушения функций иммунной системы пациенты становятся более восприимчивы к вторичным инфекциям. Таким образом, избыточная активация врожденных иммунных реакций в ответ на SARS-CoV-2 формирует состояние CRS, с дальнейшим переходом к MODS и со временем к MOF.
Лечение "цитокинового шторма" при COVID-19
В лечении COVID-19 можно выделить как минимум на 3 стратегии:
1. Лечение противовирусными препаратами против SARS-CoV-2.
2. Подавление CS.
3. Лечение поврежденных органов, дисфункции дыхательной системы вследствие ARDS, дисфункции центральной нервной системы вследствие отека мозга и дисфункции системы коагуляции-фибринолиза при синдроме DIC.
Что касается 1-й стратегии в настоящее время существует много противовирусных препаратов в качестве кандидатов на лечение COVID-19, например уже начались клинические испытания фавипиравира (Авиган®/Avigаn®) [34]. 2-я стратегия, направленная на предотвращение связывания вируса с ACE2-рецепторами, заключается в использовании нафамостата (Futhan®) [35]. 3-я стратегия входит в сферу ответственности ОРИТ. В ОРИТ используют внешнюю полярную мембранную оксигенацию (external polar membrane oxygenation, ECMO).
Далее рассмотрены стратегии лечения категории 2. Они направлены на прекращение CS и/или блокирование порочного круга чрезмерных врожденных иммунных реакций.
Анти-К-6 терапия: тоцилизумаб (Tocilizumab, Actemra®)
Тоцилизумаб представляет собой рекомбинантное гуманизированное моноклональное антитело к человеческому рецептору интерлейкина-6 (IL-6) из подкласса иммуноглобулинов IgG1, противоревматический препарат, одобренный правительством Японии для лечения 8 ревматических заболеваний, таких как RA, JIA, и артериит Такаясу [36].
Системный JIA (sJIA) является одним из 3 подтипов JIA, а болезнь Стилла у взрослых (Adult Still's disease, ASD) считается sJIA взрослого типа. Оба заболевания могут прогрессировать до быстрого развития MAS, которые являются одним из типов CRS.
Из-за чрезмерных врожденных иммунных реакций коронавирусы SARS-CoV, MERS-CoV и SARS-CoV-2 вызывают выраженную и часто неконтролируемую цитокинемию и хемокинемию. В результате CRS прогрессирует до ARDS и MODS/MOF, и патофизиологическое состояние пациентов резко ухудшается. В конечном итоге это может сформировать ряд критических состояний, которые приведут к смерти. Как уже обсуждали, состояния цитокинемии и хемокинемии приводят к разрушению эндотелиальных клеток сосудов, экстравазации плазмы, разрушению клеток тканей органов; нарушениям в системе коагуляции-фибринолиза, а также является причиной ряда структурных и функциональных нарушений, таких как синдром DIC. Все это приводит к необратимым нарушениям в организме человека.
IL-6 является одним из ведущих цитокинов CS. Поскольку для передачи сигнала от il-6 внутрь клетки комплексы рецептора il-6 с il-6 должны связываться с клеточным рецептором gp130, одна из стратегий лечения подавления избыточных эффектов il-6 заключается в блокировании связывания рецепторов с il-6 с помощью антител против il-6, таких как тоцилизумаб.
согласно отчету из китая [37], 21 пациента с covid-19 в орит с тяжелой дыхательной недостаточностью (при которой лопинавир и метилпреднизолон были неэффективны) лечили тоцилизумабом. было показано, что клинические симптомы, насыщение крови кислородом, лабораторные данные и результаты кт грудной клетки улучшились на следующий день лечения, и 19 (90,5%) пациентов, включая 2 с наиболее тяжелым течением болезни, были выписаны из больницы в течение 13,5 дня. в остальных 2 случаях после продолжительного лечения в больнице состояние пациентов также улучшилось. ни у кого из пациентов не обнаружено побочных эффектов от приема тоцилизумаба. в настоящее время тоцилизумаб рекомендован для терапии пациентов с тяжелой формой covid-19 в китае и италии [25, 37-39].
анти-il-l терапия: анакинра (anakinra, kineret®)
другой центральный цитокин cs - это il-1β. известно, что sars-cov и mers-cov вызывают пироптоз, который реализуется с высвобождением il-1β и il-18. выделяя il-1β, инфицированные макрофаги подавляют внутриклеточное размножение вирусов.
анакинра - рекомбинантный белок антагонистов рецептора il-1 (il-ira). он связывается с рецепторами il-1 с таким же сродством, что и il-1α, и il-1β. в японии анакинра еще не одобрена для лечения никаких заболеваний, но в сша fda одобрил ее для лечения ревматоидного артрита и аутовоспалительных заболеваний, таких как синдром макла-уэллса, семейный холодовой аутовоспалительный синдром, мультисистемное воспалительное заболевание с неонатальным началом. iii фаза клинических исследований показала эффективность анакинры у пациентов с тяжелым сепсисом и cs при значительном улучшении выживаемости [40]. в сша уже начались клинические испытания анакинры при cs в качестве второго варианта лечения covid-19.
анти-tnfтерапия: адалимумаб (adalimuma, humira®)
tnf-α считается цитокином, который может индуцировать другие воспалительные цитокины, которые являются активными патологическими факторами при острых и хронических системных воспалительных реакциях. в экспериментах на животных с лпс-индуцированным сепсисом показано, что tnf-α индуцирует апоптоз клеток в различных органах и играет важную роль в воспалительных ответах при аутоиммунных заболеваниях, таких как ra.
разработано несколько ингибиторов tnf-α, среди которых адалимумаб представляет собой рекомбинантное гуманизированное моноклональное антитело против tnf-α человека. при заболеваниях, вызванных sars, концентрации tnf-α в сыворотке крови были умеренно повышены, но при covid-19, концентрации tnf-α увеличивались чрезвычайно, и это коррелировало с тяжестью заболевания. в китае уже начаты клинические испытания адалимумаба у пациентов с тяжелой формой covid-19 [41].
ингибитор jak: барицитиниб (baricitinib, olumiant®)
для того чтобы вызвать воспалительный ответ, il-6 и tnf-α связываются со своим рецептором на поверхности клетки и активируют внутриклеточные сигнальные пути. с внутриклеточной частью этих рецепторов связываются тирозинкиназы, такие как янус-киназа (jak). когда эти цитокины связываются со своим рецептором, происходит фосфорилирование jak и факторов транскрипции сигнальных трансдукторов и активаторов транскрипции (signal transducers and activators of transcription, stat). затем фосфорилированный stat образует димер и мигрирует в ядро, чтобы активировать транскрипцию генов цитокинов. поскольку ингибиторы jak конкурентно и специфично ингибируют активность jak (индуцированную цитокиновой стимуляцией в клетках), они могли бы теоретически одновременно ингибировать синтез сразу несколько цитокинов.
в японии были протестированы следующие ингибиторы jak: тофацитиниб, барицитиниб и пецитиниб. установлено, что барицитиниб очень быстро подавляет активность jak, вызванную цитокиновой стимуляцией, и, кроме того, предотвращает проникновение вирусов в клетки легких. таким образом, возможно, что барицитиниб предотвращает как вторжение вирусов в клетки легких пациентов, инфицированных sars-cov-2, так и патогенную индукцию cs. тофацитиниб, другой ингибитор jak, не способен предотвращать проникновение вирусов в клетки. разработка новых препаратов - ингибиторов jak продолжается, а в китае проводят клинические испытания этих новых препаратов для лечения пациентов с covid-19 [42, 43].
мелатонин
мелатонин секретируется шишковидной железой. он регулирует циркадные ритмы через рецепторы mt1/mt2 и обычно известен как гормон сна. он также играет роль мощного антиоксиданта и известен своими противовоспалительными эффектами. мелатонин может предотвратить внутриклеточную инвазию коронавирусов, опосредованно регулируя экспрессию ace2, который является рецептором для sars-cov и sars-cov-2. мелатонин ингибирует связывание кальмодулина с ace2-рецептором и подавляет выведение вирусных внешних доменов, что является важным процессом инфицирования коронавирусами [44].
мелатонин также защищает днк с помощью митохондриальных антиоксидантов [45, 46], а при covid-19 может быть полезен для восстановления поврежденных в результате crs митохондрий. однако в японии использование мелатонина в качестве терапевтического препарата пока не одобрено, поэтому нужны дальнейшие исследования.
пульс-терапия метилпреднизолоном
для подавления чрезмерного воспаления используют системное введение глюкокортикоидов. глюкокортикоиды в качестве иммуномодулирующего препарата играют центральную роль в лечении sars-cov. при своевременном введении глюкокортикоидов наблюдали хороший противовоспалительный эффект, улучшался внешний вид больного и восстанавливалась нормальная оксигенация. однако преждевременное введение системных глюкокортикоидов стимулировало репликацию вирусов и ухудшало клиническое состояние больного. поэтому важно проводить терапию глюкокортикоидами с учетом своевременности, типа, дозы и продолжительности приема препарата.
одним из вариантов лечения cs при covid-19 у пациентов в тяжелом состоянии может быть пульс-терапия метилпреднизолоном. при ревматических заболеваниях, таких как системная красная волчанка, синдром васкулита и системная склеродермия, пульс-терапия метилпреднизолоном применяется для лечения пациентов с обострением хронических воспалительных состояний, т.е. патологией cs/mas и ускоренными измененными иммунными реакциями, продуцирующими аутоантитела и образование иммунных комплексов. эти системные импульсы также используют для лечения пациентов с острой недостаточностью кровообращения (шок), быстро прогрессирующим заболеванием центральной нервной системы и интерстициальной пневмонией.
в китае начаты клинические испытания этого вида терапии на пациентах с covid-19 при тяжелом ards [47]. однако дозы метилпреднизолона в этих исследованиях обычно ниже, от 1 до 2 мг/кг в день (60-120 мг/60 кг массы тела) в течение 3 дней. тогда как обычные дозы метилпреднизолона для пульс-терапии в японии выше - от 500 до 1000 мг/60 кг массы тела в день в течение 3 дней.
экстракорпоральное лечение (плазмообменная терапия и непрерывная гемодиафильтрация)
плазмообменная терапия является одним из чрезвычайно эффективных методов экстракорпоральных методов лечения с целью удаления избыточных провоспалительных цитокинов и предотвращения чрезмерных воспалительных процессов. у пациентов с сепсисом и mas с помощью плазмообменной терапии можно предотвратить прогрессирование нарушений системы свертывания-фибринолиза и системного цитолиза до синдрома диссеминированного внутрисосудистого свертывания (dicceminated intravascular coagulation, dic), а затем и до mof. поэтому плазмообменная терапия может быть полезной для ограничения cs при covid-19 [48, 49].
еще один эффективный метод лечения - непрерывная гемодиафильтрация. благодаря непрерывному лечению гемодиафильтрацией пациентов с covid-19, осложненным тяжелыми заболеваниями почек, им была спасена жизнь [51]. этот метод также известен как временная заместительная почечная терапия, он помогает справиться с уремией и нарушениями электролитного дисбаланса при острой почечной недостаточности у пациентов с сепсисом. метод весьма полезен для поддержания баланса жидкостей и электролитов в организме. однако неудачная попытка переливания крови, т.е. чрезмерный объем переливания, может быть связана со смертью таких пациентов.
заключение
чтобы поддерживать гомеостаз, в организме существуют 2 механизма иммунного ответа, которые обеспечивают биологическую защиту против бактериальных и вирусных инфекций. это врожденный и приобретенный (адаптивный) иммунитет. в ходе пандемии covid-19 стало очевидно, что sars-cov-2 генерирует много факторов, которые постоянно вызывают чрезмерные и фатальные цитокинемию и хемокинемию в результате активации реакций врожденного иммунитета. конечно, необходимы дополнительные исследования для выяснения природы и функций этих факторов. возможно, эти индуцированные факторы ускоряют и увеличивают существующее воспаление, создавая тем самым порочный круг воспалительных реакций. необходимо подчеркнуть, что некоторые из этих факторов продуцируются в результате митохондриальной дисфункции и эндогенных damps, включая клеточный дебрис и продукты разрушения митохондрий, такие как тэднк. кроме того, вегетативная нервная система и эндокринная система, такая как гипоталамо-гипофизарно-адреналовая ось, также может быть вовлечена в формирование аберрантных воспалительных реакций, поскольку живые организмы обычно реагируют на серьезные внешние стрессоры всеми системами организма. мировому медицинскому сообществу пора разработать более гибкие и комплексные стратегии реагирования на пандемию covid-19, чтобы решить, как эффективно купировать патологические состояния при этой инфекции.