ВАСИЛЕВСКИЙ И.В.
Белорусский государственный медицинскимй университет, Минск, Республика Беларусь
Резюме
В статье на основании современных литературных данных приводится комплексный анализ проблемы роли цитокинов при новой короновирусной инфекции SARS-CoV-2 (COVID-19). Приведены сведения по иммунопатогенезу инфекции SARS-CoV-2. Подчерки-вается тот факт, что тяжелая форма данного заболевания характеризуется системным гипер-воспалением, острым респираторным дистресс-синдромом, полиорганной недостаточно-стью, нередко приводящими к летальным исходам. Условно называемый цитокиновый шторм, вызываемый чрезмерными иммунными реакциями, признан ведущей причиной тяжелой формы инфекции SARS-CoV-2. По мере накопления современных сведений по иммунопатогенезу новой короновирусной инфекции SARS-CоV-2 (COVID-19) в настоящее время в реальной врачебной практике используется несколько подходов для лечения наблю-даемого цитокинового шторма, связанного с COVID-19. Практический интерес с позиций клинической фармакологии представляют новые подходы к лечению инфекции SARS-CоV-2 (COVID-19), нацеленных на блокаду цитокинов. В частности, это использование ингиби-торов IL-6 (тоцилизумаба, сарилумаба), ингибиторов IL-1 (анакинры), ингибиторов пути янус-киназы (JAK) (барицитиниба). В недавних исследованиях различных авторов реали-зация подобных подходов показала многообещающий потенциал для лечения тяжелых форм COVID-19. Представленная информация имеет большое практическое значение для практи-кующих врачей.
Ключевые слова: инфекция SARS-CoV-2 (COVID-19), иммунопатогенез, цитокины, цитокиновый шторм, лечение цитокинового шторма при SARS-CoV-2 (COVID-19), практи-кующие врачи.
ROLE OF CYTOKINES IN SARS-CoV-2 INFECTION AND WAYS TO BLOCK CYTOKINE STORM
Vasilevski I.V.
Belarusian State Medical University, Minsk, Republic of Belarus
Summary
The article, based on modern literature data, provides a comprehensive analysis of the problem of the role of cytokines in the new coronavirus infection SARS-CoV-2 (COVID-19). Information on the immunopathogenesis of SARS-CoV-2 infection is presented. The fact is emphasized that the severe form of this disease is characterized by systemic hyperinflammation, acute respiratory distress syndrome, multiple organ failure, often leading to death. Conditionally called a cytokine storm caused by excessive immune responses, it is recognized as the leading cause of severe SARS-CoV-2 infection. With the accumulation of modern information on the immunopathogenesis of the new coronavirus infection SARS-CoV-2 (COVID-19), several approaches are currently being used in real medical practice to treat the observed cytokine storm associated with COVID-19. Of practical interest from the standpoint of clinical pharmacology are new approaches to the treatment of SARS-CoV-2 (COVID-19) infection, aimed at blocking cytokines. In particular, this is the use of IL-6 inhibitors (tocilizumab, sarilumab), IL-1 inhibitors (anakinra), and Janus kinase (JAK) inhibitors (baricitinib). In recent studies by various authors, the implementation of such approaches has shown promising potential for the treatment of severe forms of COVID-19. The information presented is of great practical importance for practicing physicians.
Key words: SARS-CoV-2 (COVID-19) infection, immunopathogenesis, cytokines, cytokine storm, treatment of the cytokine storm for SARS-CoV-2 (COVID-19), medical practitioners.
В конце 2019 г. в Китайской Народной Республике (КНР) произошла вспышка новой коронавирусной инфекции с эпицентром в городе Ухань (провинция Хубэй). Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) 11 февраля 2020 г. определила официальное название инфекции, вызванной новым коронавирусом, – COVID-19 («Coronavirus disease 2019»). Международный комитет по таксономии вирусов 11 февраля 2020 г. присвоил официальное название возбудителю инфекции – SARS-CoV-2. В настоящее время мировым медицинским сообществом выработаны основные стратегические направления лечения новой коронави-русной инфекции, основанные на анализе постоянно обновляемых данных клинических исследований и реальной клинической практики [1,2].
Коронавирус SARS-CoV-2 проникает в клетки-мишени, используя ангиотензин-превращающий фермент 2-го типа (АПФ2) [3]. Высокий уровень экспрессии рецепторов к АПФ2 обнаружен в разных органах и тканях человека (в легких, сердце, некоторых отделах центральной нервной системы, почках, сосудистом эндотелии, печени, яичках и кишечнике), что объясняет мультиорганное повреждение при COVID-19. Благодаря S-белку (spike protein, поверхностный шиповидный белок), который по своей структуре имитирует АПФ2, вирус-ные частицы SARS-CoV-2 связываются с рецепторами АПФ2 на поверхности клеток-мишеней и проникают внутрь клетки путем эндоцитоза [4]. Для входа в клетки хозяина вирус SARS-CoV-2 использует и трансмембранную сериновую протеазу типа 2 (transmembra-ne protease serine 2 — TMPRSS2), выступающую в роли кофактора активации S-белка [5]. В инфицировании вирусом SARS-CoV-2 обсуждается роль протеазы ADAM17, представля-ющей собой трансмембранный белок, и ее участия в расщеплении АПФ2 на поверхности мембраны клетки с высвобождением растворимой формы АПФ2 в кровоток. Основная мишень вируса SARS-CoV-2 — это альвеолярные клетки (альвеолоциты) II типа легких, осуществляющие важные функции: синтез сурфактанта, лизоцима и интерферона, нейтрали-зацию продуктов оксидативного стресса, регуляцию баланса альвеолярной жидкости и транспорт ионов. Вирус SARS-CoV-2 является триггером высвобождения провоспали-тельных цитокинов из активированных макрофагов. Последующее развитие “цитокинового шторма” на фоне гиперактивации иммунной системы содействует тяжелому поражению легочной ткани (и других органов) [6].
Poland G.A. et al. [7] в своей обстоятельной работе представили основные этапы жизненного цикла вируса SARS-CoV-2 и развитие иммунного ответа на вирус. Выделенные этапы согласно данным авторов следующие:
1. Присоединение вириона SARS-CoV-2 к поверхности клетки с помощью взаимодействия с клеточным рецептором ангиотензинпревращающего фермента-2 (АПФ2).
2. Вход в клетку. Вирусные белки могут распознаваться рецепторами опознавания паттерна (напр. Толл-подобные рецепторы — TLR2, TLR4 и TLR7), что приводит к высвобождению молекулярных паттернов, связанных с опасностью воспалительного ответа и активации противовирусных путей врожденного иммунитета.
3. Слияние мембран и высвобождение РНК в клетку.
4. Трансляция РНК для производства вирусных белков.
5. Геном РНК копируется и прикрепляется к нуклеокапсидному белку.
6. Формирование дочерних вирионов SARS-CoV-2.
7. Распознавание шиповидного гликопротеина и нуклеокапсидного белка рецепторами B-клеток.
8. В-клетки производят антитела, связывающие шиповидный гликопротеин, и нейтрализу-ющие антитела, нацеленные на рецепторсвязывающий домен (РСД) шиповидного глико-протеина.
9. Захват вируса антигенпрезентирующими клетками (АПК).
10. Презентация антигенов, включая эпитопы структурных и неструктурных белков, Т-клеткам.
11. Активация Th-клеток (CD4 + хелперных Т-лимфоцитов).
12. Активация цитотоксических Т-лимфоцитов (CD8 + Т-лимфоцитов).
13. Th-клетки производят цитокины (в основном IFN-γ, IL-2 и TNF-α).
14. Цитотоксические Т-лимфоциты распознают и убивают инфицированные клетки.
В условиях глобальной пандемии новой короновирусной инфекции SARS-CоV-2 (COVID-19) тяжесть клинической картины у пациента и прогноз заболевания связаны с особенностями течения так называемого цитокинового шторма [8]. Синдром высвобождения цитокинов, часто именуемый в литературе как «цитокиновый шторм» (англ. cytokine storm, cytokine release syndrome) представляет собой особую форму системной воспалительной реакции организма, характеризующейся чрезмерным синтезом цитокинов в очаге воспале-ния. Цитокиновый шторм может развиться в результате инфекционно-токсического шока, сепсиса, жёлтой лихорадки, лихорадки Эбола, тяжелого острого респираторного синдрома, вызванного коронавирусом, острого панкреатита, тяжелых травм, реакции отторжения трансплантата и.т.д. [9]. Исследования показали, что быстрое клиническое ухудшение и высокий риск смертности при тяжелой форме COVID-19 могут быть связаны с цитокиновым штормом [10].
Заболевание COVID-19, вызванное инфекцией SARS-CoV-2, связано с рядом патоло-гических механизмов, которые мобилизуют широкий спектр биомолекул, в основном имму-нологических по своей природе. В наиболее тяжелых случаях прогноз может значительно ухудшиться из-за гиперпродукции в основном провоспалительных цитокинов, таких как IL-1, IL-6, IL-12, IFN-γ и TNF-α, преимущественно нацеленных на легочную ткань [11]. Повышение уровня провоспалительных цитокинов, опосредованных ранним иммунным ответом, может привести к цитокиновому шторму, который, как известно, является причиной критических заболеваний, воспалительных нарушений, полиорганных поврежде-ний и, следовательно, смертности от инфекции COVID-19. Известно, что пациенты, испытывающие этот феномен, имеют худший прогноз, чем те, кто не подвержен гипервоспа-лительным явлениям, и у них с большей вероятностью разовьется вызванный выбросом цитокинов синдром острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС) в качестве клини-ческих проявлений. Пациенты с ОРДС испытывают гипоксемическую дыхательную недо-статочность, сопровождающуюся тяжелыми нарушениями функций легких, двусторонней инфильтрацией на снимках грудной клетки [12]. В норме сама иммунная система со временем подавляет это воспаление и человек выздоравливает. Но при инфицировании коронавирусом чаще, чем во многих других случаях, бывает, что тормозящие механизмы иммунной системы не срабатывают. В худшем варианте развития событий это приводит к гиперцитокинемии. В этом случае имеет место полиорганное поражение, когда в патологи-ческий процесс вовлекается весь организм, могут поражаться даже почки и сердце. И, конечно, кроме прочего, развивается ОРДС. Другими словами, в масштабных повреждениях может принимать участие уже не вирус, который запустил агрессивный ответ, а непосред-ственно иммунная система человека, которая вышла из-под контроля.
Хотя многие факторы этой инфекции и ее последствия в настоящее время не совсем ясны, наличие и участие определенных хемокинов, несомненно, имеет решающее значение для развития и прогрессирования COVID-19. Цитокиновый шторм и часто возникающий синдром высвобождения цитокинов (СВК) являются патофизиологическими признаками инфекции COVID-19, связанных с его наиболее тяжелыми и смертельными случаями [13]. Пожилой возраст и наличие ранее существовавших сопутствующих заболеваний считаются факторами риска более тяжелого течения и смертности COVID-19 [14]. В настоящее время очень часто встречающийся и широко обсуждаемый термин в этом контексте — это так называемый феномен цитокинового шторма, проявляющийся как событие, характеризую-щееся молниеносной гиперактивностью иммунных клеток, продуцирующих провоспалитель-ные цитокины, называемое гиперцитокинемией, которая может привести к тяжелой или даже опасной для жизни полиорганной недостаточности [15]. Тяжелая форма новой короновирус-ной инфекции SARS-CоV-2 (COVID-19) характеризуется системным гипервоспалением, острым респираторным дистресс-синдромом (ОРДС) и полиорганной недостаточностью, часто приводящей к летальным исходам.
Критическая форма COVID-19 является разновидностью цитокинового шторма, а ее проявления сходны с течением первичного и вторичного гемофагоцитарного лимфогистио-цитоза (ГЛГ) или синдрома активации макрофагов (САМ). При критическом течении COVID-19 развивается патологическая активация врожденного и приобретенного иммуни-тета, дисрегуляция синтеза провоспалительных, иммунорегуляторных, антивоспалительных цитокинов и хемокинов: ИЛ1, ИЛ2, ИЛ6, ИЛ7, ИЛ8, ИЛ9, ИЛ10, ИЛ12, ИЛ17, ИЛ18, гранулоцитарного колониестимулирующего фактора (Г-КСФ), гранулоцитарно-макрофагаль-ного колониестимулирующего фактора (ГМ-КСФ), фактора некроза опухоли α (ФНОα), ИФНγ-индуцируемого белка 10, ИФНα и ИФНβ, моноцитарного хемоаттрактантного белка 1 (МХБ1), макрофагального воспалительного белка 1α (МВБ1α), а также маркеров воспаления (СРБ, ферритина). Отличие COVID-19-индуцированного вторичного ГЛГ от других форм вирус-индуцированного цитокинового шторма заключается в том, что органом-мишенью при этом варианте цитокинового шторма являются в первую очередь легкие, что связано с тропизмом коронавируса к легочной ткани. Гиперактивация иммунного ответа при COVID-19 часто ограничивается легочной паренхимой, прилегающей бронхиальной и альвеолярной лимфоидной тканью, и ассоциируется с развитием ОРДС.
Непосредственный иммунный ответ на инфекцию, вызванную вирусами, бактериями или другими микроорганизмами, включает мобилизацию клеток и молекул и использует энергетические, ферментативные и биосинтетические ресурсы; т.е. метаболические ресурсы. Цитокины представляют собой группу сигнальных молекул полипептидов, ответственных за регулирование большого количества биологических процессов через рецепторы клеточной поверхности [16]. Ключевые цитокины включают те, которые участвуют в адаптивном иммунитете (например, IL-2 и IL-4), провоспалительные цитокины и интерлейкины (IL) (например, интерферон (IFN) -I, -II и -III; IL-1, IL- 6 и IL-17 и TNF-α); и противовоспа-лительные цитокины (например, IL-10). В ответ на вызывающие стресс внутренние процессы (например, рак или микробная инфекция) клетки-хозяева секретируют цитокины, играющие очень важную роль в перепрограммировании клеточного метаболизма в качестве защитной реакции [17]. Ключевым моментом в инфекции SARS-CoV-2 может быть истощение противовирусной защиты, связанное с врожденным иммунным ответом, а также повышенная продукция воспалительных цитокинов [18].
Какие же клинические последствия повышения уровней цитокинов необходимо вспомнить? Гиперцитокинемия может привести к глубоким изменениям в тканях-мишенях и физиологии хозяина, когда ни один орган не щадится и выживание хозяина находится под угрозой. Отличительным признаком цитокинового шторма является стойкая лихорадка и неспецифические конституциональные симптомы (потеря веса, боли в суставах и мышцах, утомляемость, головная боль). Прогрессирующее широко распространенное системное вос-паление приводит к потере сосудистого тонуса, что проявляется в падении артериального давления, сосудорасширяющем шоке и прогрессирующей органной недостаточности. В этом контексте дыхательная недостаточность является наиболее заметной, но также влияет на сердце, центральную нервную систему и почки. Некоторые клинические проявления связаны со специфическими цитокинами. В частности, лихорадка обусловлена во многом повыше-нием уровня IL-6 и TNF. Синдром капиллярной утечки, который относится к увеличению проницаемости капилляров для белков и клинически проявляется гипотонией, отеком, острой дыхательной недостаточностью и повреждением почек, как полагают, вызывается действием IL-2 [9]. IL-1 активно участвует в воспалительном ответе на инфекцию, а его основными источниками являются активированные моноциты и макрофаги. SARS-CoV-2, по-видимому, действует на активацию и созревание IL-1β, который, в свою очередь, активи-рует другие провоспалительные цитокины, такие как IL-6 и TNF-α [19]. Следовательно, IL-1β является частью цитокинового шторма, вызванного коронавирусной инфекцией [10]. У боль-шинства пациентов с COVID-19 с тяжелыми симптомами наблюдается повышенный уровень IL-1β, что связано с атипичной пневмонией, гиперкоагуляцией и диссеминированным вну-трисосудистым свертыванием [20].
Недавние исследования показали, что нарушение ответа на интерфероны типа 1 на ранней стадии инфекции COVID-19 играет важную роль в развитии цитокинового шторма, а различные цитокины, такие как IL-6 и IL-1, участвуют в тяжелой форме COVID-19. Интерфероны типа 1 играют важную роль в подавлении ранней стадии инфекции COVID-19. Дендритные клетки и мононуклеарные макрофаги, распознающие вирусные антигены, вызы-вают реакцию острой фазы через провоспалительные цитокины, такие как IL-6, IL-1 и TNF-α. Среди них IL-6 стимулирует Т-клетки для активации адаптивного иммунитета. Активиро-ванные Т-клетки также стимулируют макрофаги и NK-клетки через IFN-γ, способствуя удалению вируса. Отсутствие первоначального иммунного ответа на IFN типа 1 чрезмерно увеличивает активность иммунной системы, что приводит к цитокиновому шторму [21]. IL-2 играет ключевую роль в пролиферации Т-клеток и в генерации эффекторных Т-клеток и Т-клеток памяти. Он участвует в адаптивном иммунитете и увеличивает метаболизм глюкозы, способствуя пролиферации и активации Т-, В- и NK-клеток [22]. Ряд исследователей обнаружили повышенные уровни IL-2 или его рецептора IL-2R у пациентов с COVID-19, причем отмечена прямо пропорциональная зависимость уровней IL-2 и тяжести состояния пациентов [23]. IL-4 также участвует в адаптивном иммунитете, играя решающую роль в иммунной регуляции, которой управляют активированные Т-хелперные (Th) клетки. Он преимущественно действует через активацию, пролиферацию и дифференцировку В-лимфо-цитов и промотирование изотипа иммуноглобулина E. Следовательно, IL-4 решающим образом вмешивается в индукцию регулирующих гуморальный иммунитет Th2-клеток [24]. Различные исследования пациентов с COVID-19 выявили повышенные уровни IL-4 как часть цитокинового шторма, связанного с тяжелыми респираторными симптомами [25].
Следует подробнее остановиться на участии в патофизиологических процессах при инфекции SARS-CoV-2 ключевых цитокинов. IL-6 играет важную роль в раннем иммунном ответе на инфекции, а также опосредует неконтролируемое производство и высвобождение хемокинов и цитокинов [26]. Цитокин продуцируется моноцитами CD14 + CD16 + после стимуляции IL-1β и TNF-α. IL-6 участвует в воспалении, иммунном ответе и кроветворении. Эта плейотропная биомолекула секретируется несколькими типами клеток и регулирует широкий спектр физиологических процессов [27]. На начальных стадиях воспаления секре-тируемый IL-6 перемещается в печень и индуцирует большое количество белков острой фазы, включая C-реактивный белок (CРБ), сывороточный амилоид A (SAA), фибриноген, гаптоглобин и α1-антитрипсин. Кроме того, было обнаружено, что IL-6 снижает выработку фибронектина, альбумина и трансферрина. Значительно повышенные концентрации IL-6 могут иметь решающее значение для тяжелых воспалительных состояний при COVID-19. Было обнаружено, что уровни IL-6 в сыворотке крови значимо повышены у пациентов в критическом состоянии; по сравнению с умеренными случаями COVID-19, его уровни прямо коррелируют с тяжестью заболевания [28]. Ruan Q. et.al. в своем исследовании констатиро-вали тот факт, что уровень IL-6 был значительно повышен у умерших пациентов в сравнении с выжившими от COVID-19. Это наблюдение позволило авторам предположить, что смертность от COVID-19 может быть связана с активированным вирусом цитокиновым штормом [29]. Herold T. et al. показали, что высокий уровень IL-6 у пациентов с COVID-19 является предиктором необходимости механической вентиляции легких [30]. Недавнее прос-пективное когортное исследование позволило заключить, что высокие уровни IL-6 и d-димер отражали системное воспаление и тромботическое состояние и предсказывали внутри-больничную смертность от COVID-19 [31]. Повышенные уровни IL-6 были обнаружены у пациентов с COVID-19 и связаны с плохим прогнозом [32,33]. Wan S. с соавт. обнаружили повышенный уровень IL-6 у одной трети пациентов с легкими симптомами и у трех четвер-тей пациентов с тяжелыми симптомами, сделав вывод, что IL-6, наряду с IL-10, может иметь прогностическое значение у пациентов с COVID-19 [34]. Было продемонстрировано, что высокая экспрессия IL-6 у пациентов с COVID-19 может ускорять воспалительный процесс, способствуя цитокиновому шторму и ухудшая прогноз. Цитокиновый шторм, включая повышенные уровни IL-6, также был связан с поражением сердца у пациентов с COVID-19 [35].
IL-10 представляет собой цитокин 2 типа, который ингибирует продукцию провоспалительных цитокинов (например, IFNγ, TNFα, IL-1β и IL-6) в различных типах клеток и предотвращает созревание дендритных клеток, блокируя IL-12. Он препятствует экспрессии основного комплекса гистосовместимости и костимулирующих молекул, кото-рые играют важную роль в клеточном иммунитете. Однако IL-10 может оказывать иммуно-стимулирующее действие, включая стимуляцию продукции IFNγ CD8 + Т-клетками. Это также мощный фактор для роста и дифференцировки В-клеток, тучных клеток и тимоцитов [36]. Многие авторы обнаружили увеличение содержания IL-10 у пациентов с COVID-19 и связали его уровни с тяжестью и прогрессированием заболевания [23,25,32]. Имеется сооб-щение о том, что определение содержания IL-10 у пациентов с инфекцией SARS-CoV-2 может использоваться для прогноза заболевания [34].
IL-17 синтезируется лимфоцитами Th17, и его содержание повышается при воспали-тельных процессах и аутоиммунных заболеваниях. Он также продуцируется клетками CD8 + и различными наборами незрелых лимфоцитов, включая гамма-дельта Т-клетки, NK-клетки и врожденные лимфоидные клетки группы 3 [37]. Повышенные уровни IL-17 были зареги-стрированы у пациентов с SARS-CoV-2 как часть цитокинового шторма и они были связаны с вирусной нагрузкой и тяжестью заболевания [38,39]. Тот факт, что клетки Th17 могут, среди прочего, продуцировать IL-17, привел к предложениям о терапевтическом подходе к COVID-19, ориентированном на ингибитор янус-киназы 2 (JAK2) под названием федра-тиниб. Этот ингибитор JAK2 снижает экспрессию IL-17 клетками Th17 на мышиных моделях [40].
TNF-α продуцируется различными типами клеток, такими как моноциты, макрофаги и Т-клетки. Этот цитокин связан с провоспалительными ответами, опосредованными IL-1β и IL-6. Наряду с другими цитокинами TNF-α участвует в регуляции воспалительных процессов, инфекционных заболеваний и злокачественных опухолей. Было замечено, что уровни TNF-α в сыворотке повышены у пациентов с COVID-19 и их повышение коррелировало с более тяжелым течением болезни [40].
Считается, что основными патологическими эффекторами при COVID-19 являются IL-6 и макрофаги. IL-6 — важный провоспалительный цитокин, обладающий плейотропным действием. Это вызвано инфекцией или повреждением тканей и быстро вызывает острые реакции, чтобы свести их к минимуму. IL-6 способствует выработке различных белков острой фазы в гепатоцитах и индуцирует дифференцировку иммунных клеток, таких как B- и T-клетки. Кроме того, IL-6 участвует в метаболизме железа, регулируя гепсидин, что делает микроокружение устойчивым к инфекции. Взятые вместе, IL-6 играет роль в инициации воспалительных реакций и в активации адаптивного иммунитета против инфекции или повреждения [41]. В связи с тем, что на данный момент только разрабатывается этиотропная терапия SARS-CoV-2, актуальным являются клинико-фармакологические подходы к патоге-нетическому лечению COVID-19, минимизации иммунологических осложнений в виде синдрома активации макрофагов, приводящего к синдрому цитокинового шторма. Именно раннее фармакологическое вмешательство при указанных иммунологических осложнениях уменьшит тяжесть заболевания и смертность при инфекции COVID-19. Учитывая, что вторичный синдром активации макрофагов (MAS)/гемофагоцитарный лимфогистоцитоз (ГЛГ) при COVID-19 является следствием массированной неконтролируемой активации иммунной системы (гипериммунной реакции), спровоцированной острой вирусной инфек-цией, пациентам, наряду с симптоматическим и этиотропным лечением, в большинстве случаев должна проводиться патогенетическая иммуносупрессивная терапия [42]. В таблице 1 приведена информация о некоторых подходах в лечении инфекции SARS-CoV-2 .
Последние комментарии