单位：1. 遵义医科大学附属医院重症医学科；2. 贵州省人民医院全科医学科；3. 贵州省人民院呼吸与危重症医学科本文来源：《中国呼吸与危重监护杂志》2022年第21卷第10期急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是非心源性肺水肿的一种，是炎性反应过程继发的肺泡损伤。对于新型冠状病毒感染（coronavirus disease 2019，COVID-19）患者，如符合呼吸频率≥30次/min，脉搏血氧饱和度（pulse oxygen saturation，SpO2）≤92%，PaO2/FiO2≤300 mmHg，在排除其他因素导致的SpO2下降，可诊断COVID-19 ARDS。随着全世界科学家的努力，我们对严重急性呼吸综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）的认识越来越深入，对其在感染肺部以后所致的肺损伤及随后出现的ARDS的病理学及病理生理学有了较为深刻的理解，现将近两年的相关研究进展做一综述。
一、COVID-19 ARDS患者肺组织水平病理改变
ARDS通常的肺病理改变是累及肺泡上皮细胞、肺间质以及肺毛细血管组成的屏障复合体的损伤。不同病因所致的ARDS，肺泡上皮细胞、肺间质以及肺泡毛细血管损伤的先后及损伤的程度及机制不一样。COVID-19是人类从未遇到的新型冠状病毒感染所致，在流行初期我们对其病理改变基本上毫无所知，过去的2年多来大量肺组织学及尸检的研究使我们对COVID-19 ARDS的肺组织病理学特点改变有了更为清晰的认识，从而为临床治疗和决策提供了线索，为进一步深入探讨其病理生理机制提供了证据基础。
与其他因素所导致的ARDS的病理改变一致，弥漫性肺泡损伤是COVID-19 ARDS的典型组织病理模式，可分为两个阶段。①渗出期：通常发生在感染初期的前10天。主要特征是血浆中纤维蛋白聚合形成透明膜，并渗漏到间隙/肺泡间隙；肺泡–毛细血管屏障损伤伴红细胞外渗；肺泡腔存在强烈的炎症细胞浸润；②增殖期：成纤维细胞和肌成纤维细胞增生加剧，可形成急性机化性肺炎，随后出现细胞外基质沉积，导致肺实质重构和肺纤维化；以及肺细胞鳞状化生和多核巨细胞增生。与此同时，肺小动脉血栓事件发生率也非常高。Wichmann等指出58%的病例肺小动脉内有血栓形成；同样，Ackermann等研究表明57%的COVID-19患者存在直径为1～2 mm的肺动脉内血栓，并认为血栓形成和肺小血管和毛细血管微血管病变，并伴有出血，这是导致死亡的重要原因。COVID-19 ARDS镜下主要特点可总结为：①肺泡腔透明膜形成；②肺泡上皮细胞脱屑；③肺泡水肿；④肺泡腔和间质炎症细胞浸润，如巨噬细胞、中性粒细胞单核细胞和淋巴细胞；⑤急性肺泡出血呈局灶性；⑥肺泡纤维蛋白，但无病毒包涵体、特异性细胞病变、肉芽肿或成纤维细胞增生。其他病理研究也证实，随着肺损伤的加重，肺泡腔内大量纤维蛋白渗出，肺泡隔血管充血水肿，并出现微血管栓塞，肺间质纤维化加重，最后导致严重的换气功能障碍和低氧血症。研究表明，渗出期和增殖期并不是随着时间推移有序发生的，而是存在异质性，在同一患者的肺损伤组织的不同区域可往往同时存在着渗出期和增殖期的病理表现。Schwensen等研究表明，即使COVID-19临床治愈后，进行的尸检报告证实肺实质仍然存在破坏伴机化，未成熟成纤维细胞开始增殖，表明间质纤维化是这种新疾病的重要组织形态学结局。导致COVID-19的SARS-CoV-2是一种带包膜的单链RNA病毒，直径为60～140 nm，具有9～12 nm的明显的突起，使病毒粒子具有日冕的外观。冠状病毒由棘突蛋白（spike protein，S蛋白）、膜蛋白、包膜蛋白和核衣壳蛋白4种结构蛋白组成。S蛋白从病毒表面突出，是宿主附着和穿透的最重要的蛋白。该蛋白由两个功能亚基（S1和S2）组成，其中S1负责与宿主细胞受体结合，S2亚基参与病毒与宿主细胞膜的融合。病毒通过呼吸道飞沫和气溶胶在人与人之间传播。在感染早期，SARS-CoV-2通过其自身的S蛋白与血管紧张素转换酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）受体结合作用于细胞，如鼻、支气管上皮细胞和肺泡上皮细胞。宿主细胞的2型跨膜丝氨酸蛋白酶（transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）通过裂解ACE2受体蛋白，并激活可介导病毒进入宿主细胞的S蛋白，促进病毒摄取。ACE2和TMPRSS2在Ⅱ型肺泡上皮细胞上高表达。SARS-CoV-2与ACE2结合后，S蛋白通过蛋白酶两步裂解被激活：第一步在S1/S2裂解位点启动，第二步激活位于S2亚基内临近融合肽的位置。S蛋白的初始裂解使S2亚基稳定在附着位点，随后的裂解激活S蛋白，引起构象变化，在融合肽的作用下病毒和宿主细胞膜融合。与胞膜融合后，病毒进入肺泡上皮细胞，病毒内容物被释放入细胞空间。在宿主细胞内，病毒通过RNA聚合酶复制并形成负链RNA，循环复制产生新的正链RNA，在细胞质中合成新的蛋白质。病毒核衣壳蛋白与新的基因组RNA和包膜蛋白在内质网进行整合，并通过高尔基小囊泡运输到细胞膜，胞吐作用将病毒排到细胞外空间，从而开始新的一轮的入侵。SARS-CoV-2与ACE2结合，随之便与肺细胞Toll样受体结合，此后一系列病理生理机制接踵发生。随着病毒基因组的剧烈复制，宿主的免疫系统被激活，诱导炎症细胞的招募，同时分泌大量促炎细胞因子和趋化因子，树突状细胞成熟。这种过度的免疫细胞的激活，以及大量炎症因子的释放，最终导致失控的免疫反应对肺泡上皮细胞造成不可逆损伤。单核细胞被招募到肺泡间隙，分泌促炎细胞因子，并通过释放依赖肿瘤坏死因子α的干扰素，激活细胞死亡受体，诱导肺上皮细胞凋亡。此外，招募的巨噬细胞释放趋化因子和其他细胞因子，增加了毛细血管通透性和随后的中性粒细胞招募。过度的中性粒细胞脱粒导致肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）永久性损伤，并破坏肺泡–毛细血管屏障。除了这种自然机制外，一些学者认为中性粒细胞胞外陷阱（neutrophil extracellular traps，NETs）机制在肺泡上细胞损伤中也发挥了重要作用。Zuo等研究表明COVID-19血清样本显示了NET标志物（髓过氧化物酶DNA复合物和瓜氨酸组蛋白H3）水平明显升高。SARS-CoV-2感染肺泡上皮细胞后存在着复杂的免疫损伤机制，最终导致肺泡上皮细胞损伤及肺间质损害。ECs的损伤并非同时进行，研究表明早期表现为肺泡损伤，通常在3天后，血管内皮损伤的标志物开始上升，COVID-19 ARDS发生呈时间依赖性变化，肺泡损伤发生在疾病过程的早期，随后内皮损伤和活化。SARS-CoV-2通过细胞表面的ACE2受体进入细胞。ECs富含ACE2受体，透射电镜观察到这些细胞中存在SARS-CoV-2，感染后可继发严重的肺血管内皮炎。ACE2系统在心脏和肺部疾病中发挥着重要的保护作用，SARS-CoV-2与受体结合后可导致ACE2功能丧失和下调。ACE2是肾素–血管紧张素系统的负调控因子，通过将血管紧张素Ⅱ转化为血管紧张素1～7，并结合Mas受体产生抗炎、抗水肿和抗纤维化作用；ACE2还可刺激一氧化氮（nitric oxide，NO）的释放，引起血管舒张。肺是血管紧张素Ⅱ合成的主要部位，血管紧张素Ⅱ是一种有效的肺血管收缩剂，可引起肺水肿，损害肺功能，并调节低氧肺血管收缩（hypoxic pulmonary vasoconstriction，HPV）。此外，研究表明，抑制ACE2可降低HPV。因此，COVID-19患者的肾素–血管紧张素系统失调导致的损害之一就是肺通气/灌流失衡，最终导致换气功能损害。正如尸检病理结果所示，严重COVID-19另一个显著的特征就是凝血通路的激活，凝血的主要诱因是SARS-CoV-2感染所致的内皮炎，ECs受损和死亡，导致屏障完整性的丧失，血管完整性的破坏和ECs死亡会导致基底膜暴露，血栓形成，并导致凝血级联反应的激活。此外，白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子可激活ECs，ECs可表达P-选择素、血管性血友病因子（von Willebrand factor，vWF）、纤维蛋白原，这些凝血相关因子大量生成可与血小板结合从而启动凝血。ECs还可释放营养细胞因子，进一步增加血小板的生成。同时，血小板可通过释放血管内皮生长因子触发ECs上调组织因子的表达，组织因子是凝血级联的主要激活因子，也可被活化的周细胞表达。血栓形成后机体存在着继发的反馈调节机制，纤溶系统随之可出现过度激活，以溶解富含纤维蛋白的血凝块，这就解释了为什么高水平的纤维蛋白分解产物（D-二聚体）预示着患者预后不良。小毛细血管被炎症细胞阻塞充血，大血管可能血栓形成，导致肺组织缺血，引发血管生成，ECs增生。然而，新形成的血管也可以作为一个通道，炎症细胞更加方便的募集并促进炎症的发生。在危重COVID-19患者中，SARS-CoV-2可沿血流向远端器官传播，在1例肾移植COVID-19死亡患者尸检发现，肾脏ECs中存在病毒包涵体结构。在另一死亡病例中发现心肌梗死，肺、心脏、肾脏和肝脏有淋巴细胞性内皮炎以及肝细胞坏死。全身血管ECs的损伤可带来器官栓塞和出血，COVID-19患者和脓毒症患者有相似的细胞因子和内皮功能障碍标志物。所以，甚至可以将COVID-19看成一个ECs疾病，疾病发展演化过程中很多的并发症（血栓与出血）均与血管ECs损伤有关。HPV由肺动脉内皮细胞（pulmonary artery endothelial cells，PAECs）和肺动脉平滑肌细胞共同调控。SARS-CoV-2感染ECs，引起血管内皮炎，可抑制肺平滑肌收缩能力，从而导致肺通气/灌流稳态丧失。PAECs是NO的主要来源，内皮炎可通过降低NO浓度进一步改变肺灌注。由于PAECs在缺氧环境下非常脆弱，因此可能会发生额外的损伤。目前，还不确定肺血管ECs的缺失是否可以减轻HPV，抑或是其导致的肺通气/灌流失衡，使得ARDS进一步加重。但这种HPV调控的复杂组合机制确实可以显著影响通气和灌注的稳态。COVID-19 ARDS存在着独特的肺灌注调控机制异常，Mangalmurti等发现SARS-CoV-2诱导的ARDS有其独特的内表型，可直接改变微循环血流。Damiani等使用手持式微循环显微镜实时测量了29例SARS-CoV-2感染患者的舌下微循环，发现血浆D-二聚体浓度与灌注微血管密度呈负相关，并认为灌注减少的机制是微血栓形成，通气区域明显的灌注减少伴肺萎陷区高灌注。尤其是在肺萎陷区生理性HPV机制已经丧失，分流并没有得到限制，CT灌注成像表明肺萎陷区血流灌注增加，这就带来了通气/灌流的严重失衡。一项对48例COVID-19患者的研究表明，有近15%的患者存在肺栓塞，而85%的患者在肺不透亮区外缘肺血管是扩张的，灌注增加，双源CT显示96%的患者呈马赛克灌注模式，提示肺通气和灌注均存在严重异常。肺塌陷区的血流增加表明生理性HPV机制消失，SARS-CoV-2可通过多种机制导致HPV机制失效，包括内皮损伤、细胞因子风暴引起的血管舒张、肺血栓形成、肾素-血管紧张素系统失调，HPV失效机制可能是由于一种异常炎症过程引起的血管舒张。由此可知，在COVID-19 ARDS患者肺组织有些区域存在着通气/灌流的显著增加，而有些区域存在着显著的异常降低，这都可带来严重的肺换气功能异常，导致低氧血症，见图1。肺组织微血栓是COVID-19常见的病理表现，SARS-CoV-2感染患者肺毛细血管血栓患病率是流感患者的9倍，凝血的激活是COVID-19的早期事件，并对通气血流和ARDS的发生具有重要影响。早期血栓的形成其实是机体对抗病毒沿循环血流侵犯远端器官的一种保护反应，故称之为免疫血栓。免疫血栓是机体的免疫反应，初衷是宿主的一种保护性机制。免疫血栓形成主要由中性粒细胞和单核细胞触发，并以小血管内微血栓形成为支撑，其中ECs与微生物接触并承担促黏附效应。免疫血栓形成过程包括：中性粒细胞和单核细胞释放组织因子和细胞外核小体，降解内源性抗凝剂，从而促进炎症引起的凝血激活；组织因子修饰NETs也参与免疫血栓的形成；中性粒细胞的NETosis（炎性细胞死亡）也可增加纤维蛋白沉积，从而增强凝血系统的活性；NETs中存在的组蛋白，尤其是组蛋白H3和H4，不仅可以通过减少血栓调节蛋白介导的蛋白C的激活，而且可以直接激活血小板，从而剂量依赖性地增强凝血酶的生成；最后，NETs可以结合血小板黏附和血栓形成所需的血浆蛋白，如纤维连接蛋白和血管性血友病因子；血小板通过增加表达组织因子的免疫细胞的积累，直接与中性粒细胞和NETs结合，释放损伤相关的分子模式以促进血栓中的组织因子表达，直接与微生物结合并呈递给先天免疫细胞。目前认为，即使COVID-19符合ARDS的柏林定义，但COVID-19 ARDS还有其独特之处，它是个特殊的疾病，有着独特的表型。其主要特点是低氧血症的严重程度与相对良好的呼吸力学之间存在背离。正常的肺顺应性的中位值通常为50 ml/cmH2O左右。然而，COVID-19患者无论其肺的顺应性低于还是高于中位数，都会出现相同严重程度的低氧血症。因此，有学者提出COVID-19相关ARDS可能存在两种不同的病理生理表型：“非ARDS”1型和ARDS 2型。1型ARDS的COVID-19患者，即使出现严重低氧血症，肺顺应性也在正常范围（通常>50 ml/cmH2O）。肺含气量高，肺复张需求低，严重低氧血症主要是由于肺通气/灌流不匹配所致。高PEEP和俯卧位并不能通过改善肺塌陷区通气来改善氧合，但可以重新分配肺通气灌注，改善通气/灌流比值。这些患者的肺部CT扫描证实没有明显区域可复张，但右至左静脉血掺杂却通常达到了50%左右。Gattinoni等将发生1型ARDS的COVID-19表型定义为L型，即低弹性阻力型（type low elastance），表现为肺顺应性基本正常，但存在较低的肺通气/灌流比值，CT影像学表现为磨玻璃样改变，主要存在于胸膜下和沿肺裂分布，肺重量轻度增加。鉴于L型ARDS的病理生理主要是由于HPV功能丧失和肺通气/灌流不匹配，此类患者通过俯卧位通气能够改善肺换气。
2型ARDS的COVID-19患者主要表现为肺顺应性下降，在ICU中，有20%～30%的COVID-19患者发生重度ARDS时肺顺应性＜40 ml/cmH2O。随着疾病的加重，1型ARDS可演化为2型ARDS，COVID-19的表型也转化为H型，即高弹性阻力型（type high elastance），表现为肺水肿，含气量下降，肺弹性阻力增加；同时，因肺水和肺内压的增加导致肺组织无通气区域增多，肺内右向左分流增多。H型ARDS肺组织已经出现弥漫性肺泡、肺间质损伤以及严重的肺毛细血管内皮损伤，微血栓和出血同时在广泛的区域发生，呈严重的机化性肺炎表现，此时俯卧位通气基本就无效了。最近研究表明，H型ARDS在COVID-19 ARDS机械通气患者中高达87%，这表明H型ARDS是COVID-19 ARDS的最终演化模式。
COVID-19 ARDS的发生涉及复杂的免疫损伤机制，肺泡上皮细胞的免疫损害、ECs损伤、通气/灌注失衡、免疫血栓等多种因素均参与其中，且互为因果，相互影响。机体面对SARS-CoV-2感染，立即启动先天和适应性免疫来抵抗微生物的入侵，这本是一种保护机制，但又导致了复杂的免疫损伤，给临床治疗带来了困难和挑战。但是，人类的免疫系统经历了数百万年的进化，之前已遭遇无数磨练，在历史长河中，人类与病毒的交锋从未停止过，面对不计其数及瞬息万变的病毒世界，生命科学和现代医学的探索如漫漫长路，未有穷尽。
