韦东胜,陈剑琳,蔡镭捷,董 雯

(莆田学院,药学与医学技术学院医学检验系,医学微生态学福建省高校重点实验室,福建 莆田 351100)

COVID-19是由一种名为严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2,SARS-CoV-2)的高传染性核糖核酸病毒引起的。自2019年12月始,COVID-19疫情逐渐在全球大范围流行,感染人数已达数亿,死亡人数已达数百万,且感染与死亡人数还在不断增长。研究发现,营养与COVID-19发生发展有密切关系,个体营养状况可能决定其感染SARS-CoV-2的风险和临床结局[1]。Se是一种人体必需的微量营养元素,是目前公认的具有抗病毒作用的微量元素,该元素的缺乏使RNA病毒感染的易感性和严重性增强。研究发现,Se摄入不足、含量低是感染SARS-CoV-2的危险因素之一[2]。由此可见,Se可能与COVID-19存在相关性,在疾病的发生发展中发挥一定作用,以下就Se与COVID-19的相关性及防治可行性研究进展作以综述。

1 COVID-19概述

COVID-19是SARS-CoV-2所致的一种急性呼吸道传染病,也是一种全身性疾病,且患者临床症状和体征各有不同,从无症状或仅有咳嗽、喉部疼痛、发烧等轻微症状到呼吸困难或衰竭、肺炎、急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)等严重肺部症状,还可出现多种肺外组织和器官损伤,如眼部及皮肤并发症、肝损伤、出凝血功能障碍、心肌病变、心律失常、急性肾损伤、胃肠道症状、神经病变(如嗅觉缺失、失聪和意识模糊)多器官功能障碍等多种严重临床表现,更甚者出现休克及死亡[3]。这提示COVID-19发生发展可能经历五个阶段:大量病毒感染、免疫系统抑制、细胞因子风暴、多器官损伤及后期的肺纤维化样改变,严重者常导致死亡。

SARS-CoV-2通过其刺突蛋白(spike protein,S蛋白)与宿主呼吸道细胞表面受体—血管紧张素转换酶II(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)结合,进入细胞并利用宿主细胞实现自我复制扩散,这必然导致细胞损伤及死亡,进而引起组织损伤及功能障碍。研究已发现,ACE2还存在于心脏、血管、肾脏、肝脏、胃肠道等组织细胞表面,SARS-CoV-2同样通过ACE2介导对这些器官进行感染,这也是COVID-19出现肺外多器官损伤的原因之一[4]。

SARS-CoV-2感染后,对宿主发生攻击,导致宿主免疫系统紊乱,引起体液中多种细胞因子迅速大量产生,如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1(IL-1)、白介素-6(IL-6)、干扰素β(IFN-β)、干扰素γ(IFN-γ)、巨噬细胞趋化蛋白-1(MCP-1)等,诱发“细胞因子风暴”,进而出现高度侵袭性炎症反应,对宿主多个器官进行免疫攻击。研究表明,炎症反应会引起血管内皮细胞损伤,血小板活化,凝血与纤溶系统紊乱,血液处于高凝状态,增加血栓风险,易出现大血管凝块、动脉深静脉血栓、肺栓塞和微血管血栓,加剧多器官损害[5]。此外,SARS-CoV-2感染后,将改变细胞的抗氧化防御系统,导致细胞出现氧化应激,产生大量以活性氧(reactive oxygen species,ROS)为主的自由基,使已被感染的细胞进一步损伤[6]。研究发现,自由基在肺部过量产生,氧化应激致使肺部出现毛玻璃样变,即肺纤维化样改变,最后恶化为ARDS,甚至危及生命[7]。

COVID-19具有超强传染性,但其群体易感性和感染后果受年龄、性别、营养状况、饮食方式、遗传因素、肠道和肺部微生物区系的变异以及环境因素所影响,其中,个体的Se营养状况备受关注。新近,Moghaddam团队发现,德国44.4%的COVID-19患者血清Se水平极低,65%的死亡患者处于缺Se状态,且患者血清Se水平与其预后高度相关,预后效果较好的患者的血清Se水平明显高于死亡患者[8];Im团队发现,对韩国COVID-19住院患者进行检测,42%有Se缺乏症[9];Majeed团队发现,印度南部COVID-19感染患者的血清Se水平(69.2±8.7) ng/mL明显低于健康的人(79.1±10.9) ng/mL[10];Margaret Rayma团队发现,我国富Se城市(恩施、十堰和向阳)的COVID-19发病率比贫Se城市(随州和孝感)低十倍以上,且头发中Se水平与COVID-19的治愈率存在显著的正相关,即发Se水平越低,COVID-19治愈率越低[11]。由此推测,Se缺乏症与COVID-19的死亡率有关,充足的Se对SARS-CoV-2感染具有保护作用,对于疾病的防治有重要意义。

2 Se对COVID-19的防治可行性分析

Se是瑞典化学家Jons Jakob Berzelius于1817年发现的一种半金属元素,具有非金属和金属的化学和物理特性,在机体中是多种重要酶和蛋白质的组成部分,被认为是人体必需的微量营养元素。在人体中,Se主要以特殊氨基酸—硒代半胱氨酸的形式参与构成至少25种含Se蛋白,即硒蛋白。主要的硒蛋白,如谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)和硫氧还蛋白还原酶((thioredoxin reductase,TrxR),最初仅被作为抗氧化剂,后来发现还具有调节内分泌系统和细胞内信号传导等复杂功能[12]。Se对RNA病毒性感染疾病的防治作用最初是在克山病的研究中发现,可通过增强免疫力、减少氧化应激、预防病毒感染和支持危重疾病等方面发挥关键作用[13]。Se的抗病毒效果在其他RNA病毒防治中是得到临床证实的,研究发现Se与COVID-19发生发展存在联系[14]。因此,Se具有防治SARS-CoV-2感染的潜在价值,评估Se对COVID-19防治的可能机制是非常有意义的。

2.1 抑制病毒复制及感染力病毒要感染宿主细胞,需要依赖合适的受体来入侵细胞。其中,SARS-CoV-2是由ACE2受体介导,通过内吞方式进入宿主细胞内,并由此发生病毒复制。对甲型流感病毒、柯萨奇病毒等常见呼吸道感染病毒的研究发现,Se可改变病毒与受体的结合亲和力,降低感染率[14]。例如纳米Se可抑制神经氨酸酶活性,阻断H1N1病毒吸附细胞作用,抑制病毒与宿主细胞的结合,减少病毒侵入呼吸道上皮细胞,而且Se还可减少ACE2的表达来降低SARS-CoV-2与细胞的亲和力,从而减低其感染力[14]。Se还可能参与修复并维持呼吸上皮屏障的结构完整性,减少侵入宿主细胞的病毒量。此外,病毒在细胞内复制和突变的程度也与Se水平相关,Se的缺乏会加速病毒复制,明显提高病毒基因组突变率,导致毒性更强的表型出现,适当补充Se可抑制病毒复制,减弱突变和降低毒性[15]。因此,Se对SARS-CoV-2复制、突变和感染力方面有重要影响。

2.2 抗氧化COVID-19的特征之一是SARS-CoV-2导致细胞出现过度氧化应激反应。大量自由基在肺部生成,如ROS、过氧化氢,导致细胞抗氧化体系崩溃,即自由基的产生与组织抗氧化能力之间失去平衡,继而使包括内质网和线粒体在内的多种细胞器结构和功能出现异常,细胞和组织损伤,最终导致肺部疾病发生发展[6,16]。硒蛋白具有很强的抗氧化作用,可有效维持组织的氧化还原平衡,并保护细胞成分免受氧化应激的损伤,以维持正常结构和功能。其中,GPx在ROS代谢及其损伤保护中具有重要的作用,TrxR在氧化还原动态平衡和信号转导中起着重要作用[12];还有一系列内质网硒蛋白(如硒蛋白F、K、M、N和S)在促进蛋白质正常折叠、调节内质网应激和保护氧化应激中发挥作用[17]。在机体Se水平较低时,血液和组织器官的氧化应激水平增加。研究还发现,对ARDS患者补充Se,特别是亚硒酸钠,可提高GPX和TrxR的表达与活性,这对恢复肺部的抗氧化能力及改善呼吸非常重要[18]。因此,通过膳食补充Se,增加细胞硒蛋白生物合成及其活性,发挥其抗氧化作用,降低机体氧化应激,对预防SARS-CoV-2感染或减轻COVID-19症状具有积极意义。

2.3 免疫调节SARS-CoV-2感染引起的免疫反应有两个阶段:初始阶段,需要特定的适应性免疫反应来消除病毒,以阻止疾病发展;第二个阶段,以重度肺损伤(如ARDS)为特征,在此阶段抑制炎症可能是有益的[19]。研究发现,机体内Se缺乏的程度与炎症因子的水平呈现正相关,而Se水平在一定范围内升高可减低炎症水平[20]。Se具有抗炎和免疫调节作用,核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)是免疫和炎症反应的核心调节因子,同时作为促炎因子引发COVID-19的“细胞因子风暴”[21]。Se是NF-κB抑制剂,可抑制NF-κB通路,减轻炎症和免疫反应[20]。通过对ARDS患者补充亚硒酸钠治疗后发现,NF-kB通路被抑制,免疫力提高,减弱潜在的致命“细胞因子风暴”,使肺部炎症和病变减轻。

Se对抗体的产生起着重要的作用。硒蛋白缺乏可导致小鼠T细胞的成熟、激活和免疫功能受损[22]。此外,小鼠在硒蛋白缺乏时,其T细胞在相应T细胞受体刺激下增殖明显减少,T细胞依赖性抗体反应受损,且血清中免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)、IgG1、IgG2a、IgG2b、IgG3等抗体水平均低于对照组,适当补Se,有利于维持T细胞成熟和功能,包括T细胞依赖的抗体产生[22]。

研究还发现,Se是吞噬细胞(巨噬细胞和中性粒细胞)活动所必需的。吞噬细胞对病原体有吞噬和杀灭作用,可清除入侵的病毒[14]。在缺Se期间,并不是所有的组织都能同等地获得低Se储备,免疫细胞是最先面临快速衰退的组织之一,且在缺乏Se的条件下,细胞吞噬和消除入侵病毒的能力下降,会增加感染SARS-CoV-2的风险[23]。补充Se可使巨噬细胞活化,增强其吞噬能力和杀菌能力。

因此,通过膳食补充Se,可改善机体免疫反应并维持正常的炎症反应,产生保护作用,从而降低细胞因子风暴的风险,对减轻COVID-19的病程具有积极意义。

2.4 改善凝血功能血液凝固可能会增加COVID-19的死亡率,在危重患者经常可见静脉血栓栓塞,包括深静脉血栓和肺栓塞[24]。COVID-19患者的血浆Se水平与最小血小板计数、最小血浆抗凝血酶活性和蛋白C活性呈正相关。Se缺乏增加了大鼠血浆血栓烷A2(thromboxane A2,TXA2)浓度,导致血管收缩和血液凝固。研究发现,Se,特别是作为亚硒酸盐,可通过减少TXA2的生成而具有抗聚集作用[5,25]。此外,Se还具有保护血管内皮细胞、抗血小板聚集功能。亚硒酸钠有相当大的潜力可以减少由SARS-CoV-2诱导的内皮炎和全身性血液凝块引起的损伤。无论在COVID-19的哪个阶段,具有抗血栓特性的亚硒酸钠作为一种辅助治疗在治疗内皮炎、凝血障碍和微血栓形成方面可能具有一些益处。

3 Se防治COVID-19的应用前景

目前,虽然通过接种疫苗可以预防COVID-19,但由于疫苗对人体的保护力不同,且并不是每一个人都适宜接种疫苗,另外,SARS-CoV-2不断变异形成新突变株,人们仍然面临感染SARS-CoV-2发生COVID-19的风险。在中国、德国、韩国和印度南部的四个患者群体中,Se状态或摄入量与COVID-19结果(包括死亡率和恢复率)相关[8-12]。在COVID-19临床治疗中应考虑患者Se的状况。有效补充Se可降低COVID-19过程中的组织损伤,促进COVID-19往较好的方向转归,尤其适用老年人及肥胖患者,降低其产生严重并发症及不良愈后的风险。亚硒酸钠价廉物美,具有抗SARS-CoV-2作用,在临床上已获得较佳疗效,但是Se的利弊关系仅有微量的差异[14]。依布硒啉(Ebselen),一种化学合成的有机硒化合物,也是GPX模拟物,具有抗氧化性能,以及抗炎、抗菌和抗病毒性能,被认为是最有效的COVID-19蛋白酶抑制剂之一,可以安全地用于人体,是潜在的COVID-19治疗药物[25]。适当补Se不仅在缺Se人群中很重要,而且对Se水平正常的未感染者增加抗氧化损伤和免疫调节能力方面也有一定效果,对病毒感染的有害影响提供保护作用。当然,需要进一步的临床试验来评估Se对COVID-19的防治作用。

4 小结

COVID-19是由SARS-CoV-2引起,致病机制复杂,临床症状较为广泛,目前缺乏特效药治疗,严重危害人类健康,且对全球安全和经济造成重大影响。Se是大部分生命体氧化还原生物学中必不可少的微量元素,Se可通过抑制病毒复制及感染力、抗氧化应激反应、改善免疫调节和凝血功能等分子机制干预COVID-19的致病作用。在COVID-19的临床治疗中,特别是在土壤Se缺乏的地区,应充分考虑患者Se的状况,合理补充Se可作为COVID-19的辅助治疗。且随着一些国家进入后疫情时代,疾病预防会进入常态化,实施预防性Se补充,特别是在老年人和儿童中,是一种健全、安全和可行的战略。Se在COVID-19疾病谱中的多效性可能成为人类健康的重要研究课题。