摘 要
重症急性呼吸綜合徵（SARS）是一種有顯著發病率和死亡率急性呼吸道疾病，儘管該疾病的臨床表現已經被廣泛研究，但其發病機制尚未完全研究透徹。一些有限的屍體解剖研究發現主要是肺臟和免疫系統受到嚴重傷害，其他受累器官包括腎臟、腦、消化系統、心臟、肝臟、甲狀腺和泌尿系統。初級靶細胞是肺泡上皮細胞和腸上皮細胞，這兩種細胞均大量表達了血管緊張素化酶II，而該酶是SARS冠狀病毒受體。其他受累細胞包括了腎小管上皮細胞、腦神經元細胞和免疫細胞。該疾病的病理學可見直接和非直接的損傷，直接損傷由病毒感染攻擊靶細胞導致，非直接損傷來源於免疫應答、循環系統功能障礙和低氧。在這個研究裡面，我們從總體、細胞學和分子生物學的水平總結了SARS主要的病理學表現，並探討多種不同的可能的發病機制，其意義在於提出發病機制假設，並用於疾病的預防、診斷及治療。
01
簡 介
重症急性呼吸綜合徵（SARS）是一種有顯著發病率和死亡率急性呼吸道疾病，該病首先在2002年底於中國廣東省發現，後來很快傳播至整個東南亞及全世界的國家，該疾病爆發後報道了8096例可能的病例，死亡率為9.6%（WHO）。
SARS是由兩個階段組成的疾病過程，首先是流感為主的症狀，包括肌肉痠痛、畏寒發熱等不適，起病初期有呼吸道及消化道症狀，發熱8-9天后大約有20%的患者臨床惡化並發展為呼吸衰竭，甚至死亡。實驗室檢查的典型特徵包括淋巴細胞減少、血小板減少，乳酸脫氫酶增高，以及肝酶升高。大部分住院病人的胸片變化可見雙肺間質性改變到局部實變。導致SARS的病原體被鑑定為一種冠狀病毒SARS-CoV，該病毒的基因已經被測序。該疾病的流行病學、臨床表現、實驗室檢查及影像學特徵已經被詳細研究了，然而發病機制尚未完全明確。
這篇回顧根據迄今發表的SARS患者的驗屍報告，包括了之前關於該疾病導致的多器官感染的文章，從總體、細胞學和分子生物學做出總結。此外，我們討論了許多目前已知的可能導致該疾病發生髮展的機制，還包括了一個我們學組提出的發病機制，其意義在於提出發病機制假設，並用於疾病的預防、診斷及治療。
02
病理學改變
2.1 呼吸系統
SARS患者的驗屍報告發現他們的肺平均比普通人的肺更重，大體標本可見嚴重肺實變、水腫、胸腔積液以及肝樣變，有些患者可見沿氣管支氣管束分佈的局部出血及粘液膿性物質。
顯微鏡下可見典型的瀰漫性肺泡損傷DAD，根據形態學的改變，許多學者把SARS的肺損傷分為兩到三個連續的階段，與疾病的持續時間相關聯。這些階段包括：急性滲出性炎症階段、纖維增殖階段以及最終的纖維化階段，儘管從組織病理學可見上述不同階段的重疊。在同一個肺組織標本內可見這三個階段的特徵，第一階段的進行性肺損傷在大部分病例中均可見到，即便是病程的108天以後。急性階段的特徵是廣泛的肺透明膜形成、肺水腫、肺泡出血以及肺泡腔內的纖維蛋白滲出，可見細支氣管纖毛上皮細胞減少及破壞，表明嚴重細支氣管損傷。增殖階段的特徵是小葉間隔增厚、肺泡上皮細胞增生、組織纖維化和細胞滲出。在最終的階段，可見肺泡及間隔纖維化，且纖維化的範圍和疾病的時程正相關。
除了目前已知的肺臟病理學上所發現的組織學變化，另有其他的病理學改變被發現，這包括了肺泡上皮細胞的脫屑性改變，鱗狀上皮化生，血管損傷，包括脈管炎和血管性水腫，以及OP損傷表現，比如小氣道內纖維肉芽組織增生及胸膜下肺泡腔內病變。血管纖維蛋白血栓和肺梗死也在不少病例中被發現。Hwang報道了一種急性纖維素性機化性肺炎的模式，主要特徵是肺泡內纖維團塊及機化性肺炎，然而，這類病理表現的臨床意義尚未完全闡明。
許多SARS的屍體解剖展示了隨後的支氣管肺炎，特別是在病程超過10天以後。肺病原學檢測主要結果包括：銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球、毛黴菌、麴黴菌及鉅細胞病毒。
有些人認為少量肺炎症細胞浸潤可能是SARS的主要病理學特點，肺間質及肺泡內見多種細胞浸潤，在大多在肺組織樣本中主要由巨噬細胞和淋巴細胞組成，儘管有些樣本僅見巨噬細胞為主要細胞。大部浸潤的淋巴細胞表現為CD3(+) T細胞，有些為B細胞(CD20+)，而NK細胞(CD56+)大量缺乏。
不少學者報道了不典型的、增大的肺泡上皮細胞，可見特徵性的大細胞核、核仁以及兩性分子的細胞質顆粒。另外，在大多數病例中報道了具有多個細胞核的大合胞體細胞。免疫生化證實這種多核細胞是巨噬細胞和/或上皮細胞。然而，多核細胞的出現並不認為是SARS的特徵，因為其他病毒引起的肺炎也可以導致多核細胞的出現。在這種多核巨噬細胞和上皮細胞中應用原位雜交（ISH）檢測到了SARS病毒基因組。
應用逆轉錄PCR（RT-PCR）在屍檢肺組織樣本通常檢測到SARS-CoV RNA。甚至在1例患者發病後第8周也能檢測到高病毒載量。原位雜交證明了SARS-CoV基因片段存在於Ⅱ型肺泡細胞、巨噬細胞/單核細胞和 T 淋巴細胞中。原位雜交（ISH）信號定位在細胞漿。兩個研究小組在氣管和細支氣管上皮細胞也檢測了病毒基因組。目前在未發表的資料裡也有肺上皮細胞和成纖維細胞感染的證據。冠狀病毒樣顆粒，以及一些病例中冠狀病毒核衣殼包涵體，通過電子顯微鏡在肺泡細胞和巨噬細胞中被觀察到。這些顆粒的身份通過被免疫金標記而證實。
一些作者注意到上述的病理特徵不是SARS獨有的特徵，瀰漫肺泡損傷可以由其他原因引起，比如細菌、氧毒性、創傷和藥物。所以，SARS肺炎和非SARS肺炎之間的鑑別，若沒有另外的試驗如原位雜交、RT-PCR和病毒分離，不可能由肺組織病理特徵定診。然而，某些雖然不是SARS感染的特徵，但可以幫助區別SARS-CoV和其他因素引起的瀰漫性肺泡損傷，第一，與非SARS病例相比，在SARS病例中實變、水腫和透明膜形成表現更顯著，儘管有些作者認為這是病程的不同。第二，不同於其他因素引起的肺炎，SARS肺炎的炎症細胞浸潤的特徵是缺少甚至沒有細胞但參與。第三，廣泛的血管內皮的損傷和上皮細胞損傷是SARS的突出特徵。
另外，某些肺外表現有助於證實可疑的SARS病例。首先，SARS常常合併感染和多器官損傷。其次，免疫系統的損傷在SARS致病過程中起了主要作用，肺組織病理發現脾、淋巴結和腸的淋巴組織破壞證實了免疫系統的損害。以前沒有發現其他類型的肺炎有能力引起如此廣泛的器官損傷和如此嚴重的免疫系統功能障礙。
對比了SARS和禽流感（H5N1）組織病理特徵，發現，SARS和禽流感（H5N1）均是以肺細胞為攻擊目標的急性感染性疾病，兩者均以瀰漫性肺泡損傷為特徵。然而，與禽流感（H5N1）相比，SARS的瀰漫性肺泡損傷進展的較緩。SARS和禽流感（H5N1）的機化階段均以肺纖維化為特徵，與SRAS相比，禽流感（H5N1）的纖維細胞要少。
2.2 免疫系統
SARS對免疫系統具有極大的破壞。在淋巴結和脾中通常出血性壞死通比較多。在某些淋巴結，特別是肺門淋巴結，生髮中心被破壞，剩餘的竇內可見細胞浸潤。在許多病例中都有發現脾白髓萎縮，T淋巴細胞和B淋巴細胞耗竭，生髮中心消失。動脈周圍淋巴鞘數量減少，脾包膜縮小。而且，脾的紅髓出現大量出血和壞死。Peyer的斑塊也受到影響，CD20陽性B細胞和CD3陽性T細胞均減少。RT-PCR在脾臟和淋巴結均顯示出高病毒載量。在免疫細胞方面，大多數SARS患者觀察到淋巴細胞減少，特別是T細胞淋巴細胞減少。CD4和CD8細胞計數均顯著下降，而CD4/CD8比值保持正常。在一個臨床病例總結中，SARS患者淋巴細胞亞群的絕對計數如下:T細胞(0.60±0.33)×109 L−1,CD4陽性T細胞(0.27±0.15)×109 L−1,CD8陽性T細胞(0.29±0.20)×109 L−1,B細胞(0.21±0.18)×109 L−1,NK細胞(0.17±0.10)×109 L−1。T細胞計數一般在發病後2周左右達到最低點。
在我們對SARS和免疫系統的研究中，EM和原位雜交分別檢測到了SARS患者血液樣本中單核細胞和淋巴細胞的病毒顆粒和基因組序列，提示SARS- cov能夠感染這兩種細胞。循環系統中大約淋巴細胞約50%，單核細胞約30%被SARS-CoV感染。絕大多數感染的淋巴細胞經免疫組織化學鑑定為T細胞，其餘被感染的細胞有B細胞和NK細胞。電鏡顯示，病毒顆粒易於形成簇，並位於內質網內或附近。此外，在屍檢病例中，除了巨噬細胞數量小幅度減少外，脾臟內所有類型的免疫細胞數量均明顯減少。然而，巨噬細胞的平均大小似乎增加，表明可能被活化。在屍檢中，EM和ISH均證實了循環血液、脾臟和淋巴結中大量的巨噬細胞和淋巴細胞被感染。
SARS-CoV感染也影響腸道的淋巴系統。觀察到粘膜下淋巴組織過度萎縮，在某些情況下僅能發現濾泡結構的基質結構衰竭狀態。這種萎縮表現在咽粘膜下組織和迴腸、空腸和闌尾的派爾斑。卵泡、卵泡生髮中心和胸腺依賴區均發現被破壞。EM和原位雜交已經在腸粘膜和派爾斑的淋巴細胞中發現了病毒顆粒和病毒基因組。
2.3 骨髓
部分SARS病例中，在骨髓活檢中發現了噬血細胞現象，但在其他病例中沒有發現。目前尚無低增生性骨髓的病例報告。骨髓樣本的SARS病毒RT-PCR和ISH的檢測均均呈陰性。
2.4 消化道
總的來說，對消化系統的大體檢查沒有明顯的變化。在一些已確診的SARS病例中，曾有消化道輕度瀰漫性炎症和自溶性改變的報道，而其他報道未見組織學異常。消化道最顯著的組織病理學改變是粘膜下淋巴組織的萎縮，本綜述2.2節對此進行了詳細描述。小腸和大腸粘膜的上皮細胞通過原位雜交、熒光原位雜交、RT-PCR和EM證實被SARS-CoV感染。這一發現與報告一致糞便樣本中用RT-PCR和病毒分離檢測到病毒一致。沒有發現食管或胃組織的組織學異常
2.5 肝
SARS患者屍體解剖的肝組織顯示出大量的肝細胞有絲分裂，肝細胞氣球樣變性，輕度至中度淋巴細胞浸潤。脂肪變性和中央小葉壞死也有過報道。Chau等報道的三例SARS患者均出現明顯的細胞凋亡。在數例患者中，RT-PCR證實了肝細胞的SARS感染，而ISH和EM沒有檢測到病毒基因組和病毒顆粒。
2.6 泌尿系統
部分SARS患者屍檢發現腎臟局灶性出血，不同程度的腎小管壞死。腎臟內沒有發現腎小球病理學或細胞浸潤。良性高血壓性腎硬化和自溶等非特異性表現出現在許多病例中。原位雜交和EM均已在腎小管遠端上皮細胞中檢測到病毒序列和顆粒。遠端小管中檢測到病毒也可能解釋了尿液樣本中存在病毒RNA，並分離出SARS-CoV。
2.7 神經系統
腦組織標本組織學檢查顯示神經元變性壞死、水腫、廣泛的膠質細胞增生和細胞浸潤。浸潤細胞包括小膠質細胞/定居巨噬細胞和CD3陽性T淋巴細胞。通過EM和原位雜交，在大腦神經元的細胞質中檢測到病毒顆粒和病毒基因組序列，主要位於下丘腦和皮層，表明病毒可以通過血腦屏障。大腦感染SARS-Co的確切途徑尚不清楚。被感染的單核/巨噬細胞通過血腦屏障遷移可能與HIV-1有相似的方式。此外，SARS-CoV與微血管內皮細胞(血腦屏障形成的主要細胞)相互作用也可以促進病毒進入大腦。神經元感染可以對SARS患者常常出現神經系統和心理學症狀提供一個解釋。
03
SARS的發病機制
在2002年和2003年的SARS疫情中，全球共有8000多人感染SARS冠狀病毒（SARS-CoV）。SARS冠狀病毒是從中國廣東一個活的動物市場發現的果子狸中分離出來的。全基因組序列與人類SARS-CoV基因組的同源性為99.8%，表明了一條種間傳播途徑。許多其他動物也被發現是宿主或被病毒感染。最近，有報道蝙蝠是SARS病毒的自然攜帶者。有證據表明SARS-CoV通過飛沫和接觸傳播以及糞便-口腔途徑傳播。通過這些途徑，SARS冠狀病毒可以在動物間或人與人之間傳播。
SARS的發病機制是多因素、複雜的。最合理和可能的機制似乎包括病毒對靶細胞的直接損傷和隨後免疫系統功能障礙介導的間接損傷。SARS冠狀病毒感染免疫系統，除了損傷人肺細胞外，還涉及循環免疫細胞、淋巴結和脾臟。T淋巴細胞和巨噬細胞/單核細胞是SARS-CoV感染的關鍵免疫細胞。脾白髓損傷嚴重，脾免疫細胞明顯減少。除此以外，SARS-CoV感染腸道上皮細胞、遠端腎小管上皮細胞和中樞神經系統。此外，有限的SARS-CoV肺內內皮細胞和纖維母細胞的感染已被證實。
根據這些發現，可以推測以下的發病機制。通過飛沫吸入，SARS冠狀病毒到達呼吸道並侵入上皮細胞氣管、支氣管、細支氣管和肺泡的上皮細胞，這些細胞中存在病毒基因組序列。病毒在靶細胞的感染和複製直接導致呼吸道損傷。局部炎症改變破壞了血氣屏障的完整性，增加了毛細血管的通透性。纖維蛋白滲出導致透明膜的形成。感染及相關感染導致Ⅱ型肺泡細胞急性損傷，肺泡表面活性物質分泌減少，導致肺泡塌陷。同時，SARS-CoV感染固有免疫細胞和循環免疫細胞。感染的免疫細胞主要包括巨噬細胞和T細胞。觀察到的免疫細胞的感染和破壞與事實相符，即淋巴細胞減少症幾乎總是在SARS患者中發現。循環免疫細胞將病毒傳播到其他器官，包括脾臟和淋巴結。免疫細胞的破壞和脾臟白髓的廣泛損傷導致免疫功能低下。免疫防禦能力減弱會加劇病毒在肺部的感染和複製，並使病毒對呼吸道肺泡造成損害，導致呼吸窘迫。由外周血淋巴細胞計數確定的免疫功能低下程度可以預測疾病的嚴重程度和預後。T細胞減少程度與病情嚴重程度有關的臨床觀察, 驗證了這個假設。以類似的方式，患有糖尿病或免疫功能受損的慢性肝炎的SARS患者預後相對較差。 圖示1說明了所提出的機制，包括感染的免疫細胞在SARS發病中的作用。SARS與艾滋病相似，因為兩者都是導致免疫缺陷的病毒性疾病。然而，SARS感染各種免疫細胞並迅速進展，而HIV主要攻擊CD4淋巴細胞，進展緩慢。需要指出的是，SARS-CoV感染在不同病例中表現出不同程度的嚴重性。只有最嚴重的病例才能顯示屍檢結果中描述的全部病理變化。
其他一些病毒性傳染病，如麻疹、埃博拉病毒感染和呼吸道合胞病毒感染，也與嚴重的淋巴細胞減少有關 。然而，導致這些疾病中淋巴細胞減少的病因似乎與SARS不同。在呼吸道合胞病毒或埃博拉病毒感染中未發現淋巴細胞直接感染，在麻疹患者外周血細胞中僅佔很小比例。 因此，對於這些感染，直接感染似乎在淋巴細胞的耗竭中起著次要的作用。
許多研究者推測，宿主免疫過度反應可能在SARS的發病機制中起一定作用。有人認為SARS-CoV感染可能引起免疫系統的過度誘導，在SARS患者中確實發現了細胞因子和趨化因子水平的升高，但不總是這樣。 體外研究表明，SARS-CoV感染巨噬細胞和樹突狀細胞均可引起細胞因子的產生。通過體外實驗證明，巨噬細胞、樹突狀細胞等細胞系感染SARS-CoV後，誘導了某些趨化因子的上調。細胞因子和趨化因子的過度誘導可能通過吸引炎症細胞而導致局部炎症反應的惡化。然而，一些作者認為這些發現不足以得出結論，並對上述過程中細胞因子的相關性表示懷疑，特別是在SARS患者中沒有觀察到一致的細胞因子譜。
先天免疫反應的缺乏也可能影響SARS的發病機制。甘露糖結合凝集素是天然免疫系統的重要組成部分，在一些SARS患者中被檢測到缺乏。這種缺乏可能會增加SARS感染的易感性。此外，體外實驗表明，SARS-CoV感染巨噬細胞和樹突狀細胞後幾乎沒有干擾素反應。這微小的干擾素反應也可能導致先天性免疫反應的嚴重不足。
自身免疫反應也可能參與SARS的發病機制。體外實驗表明，從SARS患者血清中獲得的自身抗體可以誘導上皮細胞和內皮細胞的細胞毒作用 。
血管緊張素轉換酶2（ACE2）已被鑑定為SARS-CoV的主要功能受體。ACE2在肺的上皮細胞和小腸以及其他幾個器官的內皮和平滑肌細胞表達。ACE2不僅是SARS-CoV受體，而且是SARS相關性肺損傷發病機制的關鍵成分。根據動物實驗，ACE2可以預防呼吸衰竭，而且ACE2下調可能導致急性肺損傷。ACE2是腎素血管緊張素系統（RAS）的負調節因子，因此對血管緊張素II負性調節作用。血管緊張素II似乎是RAS的元素之一 這有助於加重急性肺損傷。關於SARS相關的肺損傷，已經發現SARS-CoV Spike蛋白與ACE2的結合可以降低ACE2的表達 從而誘發急性肺水腫。
局部病毒複製也可能在SARS的發病機制中發揮重要作用。如前所述，細胞損傷的嚴重程度在不同的器官中是不同的，肺和免疫系統通常承受最嚴重的傷害。ACE2（功能性SARS-CoV受體）的分佈不同解釋了這種器官間的差異。但是，這並不能解釋 某些細胞類型(如淋巴細胞、成纖維細胞和結腸上皮細胞）不表達ACE2，也受到SARS-CoV的影響。相反，只有很少的血管內皮細胞，雖然這些細胞持續表達ACE2，顯示感染SARS-CoV（未發表的數據）。L-SIGN（CLEC4M）和DC-SIGN（CD209L） 據報告是SARS-CoV的額外受體，儘管它們的效率要低得多。體外實驗表明，純合子的L-SIGN起作用 是對SARSCoV感染的保護作用。然而，L-SIGN和DC-SIGN的確切作用還有待進一步闡明.
此外，有證據表明細胞凋亡在SARS的發病機制中起著一定的作用。體外實驗表明，某些非結構蛋白的過度表達可能導致多種細胞凋亡。作為這一機制的進一步證據，在SARS患者的肝臟和甲狀腺組織樣本中發現了凋亡細胞。
最後，認為SARS的發病機制與基因有關。某些HLA單倍型與更容易感染SARS有關。相比之下，L-SIGN純合子個體對SARS感染的易感性較低。
圖1：受感染的免疫細胞在SARS中的發病機制（不包括其他相關的因素）
04
研究意義和未來研究方向
本篇論文所提出的SARS機制對新發疾病的預防、診斷、治療和未來的研究具有重要意義。更好地瞭解靶細胞的分佈和病毒濃度將為準確和早期檢測病毒提供指導。機體免疫功能的狀態對於評估SARS的治療非常重要。機體免疫系統的狀態在疾病不同階段並不相同，這給免疫抑制、免疫支持和激素治療提供依據，同時也可能有助於確定治療時機和藥量。由於SARS流行期間對其發病機理和免疫病理作用缺乏足夠認識，對激素的使用存在爭議，而且其治療效果並非總是有益。此病毒在體內分佈廣泛，尤其是在血液和白細胞濃度高，提示病毒可能通過血液和體液傳播。因在人體的腸道、腎臟、糞便和尿液中檢測到病毒，這說明糞便和尿液也可能是病毒的傳播途徑。SARS疫苗的研製取決於合適的動物模型的建立。由於免疫功能障礙和免疫病理在SARS的發病機制中起著非常關鍵作用，免疫指標的監測是評價動物模型和研究疫苗有效性的重要參數。這一重要結論至今仍未被研製SARS疫苗的研究人員重視。在對SARS康復患者進行隨訪時，還需要注意中樞神經系統的感染和其他器官的狀況。
關於SARS的發病機理還有許多問題需要進一步探討。除了已經確定的SARS-CoV受體外，其他相關受體或輔助因子在SARS-CoV與靶細胞相互作用中的機制研究更應該值得關注。此外，免疫細胞的機制需要更進一步明確。趨化因子和細胞因子的作用及其與免疫細胞間的相互作用需要進一步闡明。病毒的遺傳突變在引起該病和最終消滅該病流行方面的作用和機制仍知之甚少。
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