Cytokine regulation disbalance — the basis for COVID-19 immunopathogenesis

Full Text

Особенности клинической картины COVID-19

Инфицирование коронавирусом SARS-CoV-2 изначально приводит к развитию острого инфекционного заболевания респираторного тракта с типичными катаральными симптомами и клинически может протекать как сезонные ОРВИ. При развитии COVID-19 инкубационный период составляет от 1 до 14 дней, в среднем - 5 дней. У 80% пациентов заболевание протекает в легкой форме и в большинстве случаев завершается спонтанным выздоровлением, как в случае инфицирования другими респираторными вирусами, в том числе, сезонными коронавирусами. Как и при других формах ОРВИ в тяжелых случаях у больных наблюдается высокая лихорадка и следующие основные симптомы: кашель – сухой или со скудной мокротой, одышка, затрудненное дыхание, ощущение заложенности в грудной клетке, боль в горле, насморк, миалгия, головная боль, общая слабость, насыщение крови кислородом по данным пульсоксиметрии, SpO2 ≤ 95% [1].

У большинства пациентов с COVID-19 имеются слабые клинические проявления или симптомы средней тяжести, но у примерно 15% больных развивается тяжелая пневмония, а у около 5% - острый респираторный дистресс синдром (РДС) и полиорганная недостаточность. Эти больные нуждаются в принудительной вентиляции легких и усиленном наблюдении в палате интенсивной терапии. Смертность при COVID-19 в начале пандемии колебалась от 1 до 5%, сейчас этот показатель снизился до около 1%. Наиболее тяжелые формы развиваются у пациентов с сопутствующими коморбидными состояниями, такими как сердечно-сосудистые заболевания, диабет, хронические заболевания почек, печени и др. [2, 3].

Первые же впечатления инфекционистов после начала эпидемии привели к мнению, что мы столкнулись с совершенно уникальной, необычно протекающей инфекцией, при развитии тяжелых форм существенно отличающейся от классических респираторных вирусных инфекций. Видимо, главное отличие заключалось в том, что при COVID-19 в инфекционном процессе задействованы не только ткани верхних дыхательных путей, но и многие другие органы, где мишенью действия вируса является эндотелий сосудов и другие клетки.

Индукция синтеза интерферона под влиянием коронавируса

В ответ на инфицирование SARS-CoV-2 развиваются защитные реакции, обусловленные активацией сначала врожденного, а затем приобретенного иммунитета и направленные против вируса. Эффективность защитных противовирусных иммунологических реакций в первую очередь зависит от развития начальных этапов врожденного противовирусного иммунного ответа. Клетки нашего организма способны противостоять инфицированию многими вирусами в результате первичного распознавания рецепторами врожденного иммунитета вирусных патоген-ассоциированных молекулярных паттернов, главными из которых для коронавируса SARS-CoV-2 служат одноцепочечные молекулы РНК, а также некоторые вирусные белки.  

Клетки человека и других высших организмов имеют несколько групп паттерн-распознающих рецепторов, реагирующих на проникновение в организм патогенов, включая вирусы, и запускающих активацию и развитие реакций врожденного иммунитета. Мембранные рецепторы в основном представлены Толл-подобными рецепторами (Toll-like receptors, TLR), большинство из которых находятся в составе поверхностной мембраны главным образом клеток миеломоноцитарного ряда и различных популяций лимфоцитов, а также в составе мембран фаголизосом для взаимодействия с вирусными нуклеиновыми кислотами в случае попадания вирусов в клетки путем фагоцитоза (рецепторы TLR-7, TLR-8 и TLR-9).     

После инфицирования клеток путем взаимодействия коронавируса со специфическими мембранными рецепторами (рецепторы ангиотензин-превращающего фермента 2 типа) происходит попадание вируса в клетки, его «раздевание» и появление в цитоплазме вирусных нуклеиновых кислот. Важнейшими цитоплазматическими паттерн-распознающими рецепторами или сенсорными молекулами для распознавания вирусных нуклеиновых кислот являются члены семейства RLR: RIG-I (retinoic acid-inducible gene I) и MDA5 (melanoma differentiation factor 5), которые присутствуют в цитоплазме большинства клеток организма и представляют собой РНК-зависимые АТФазы, относящиеся к семейству хеликаз DExD/H-box. После распознавания и связывания РНК коронавируса происходит активация сенсорных молекул и осуществляется  сигналинг путем последовательного фосфорилирования адаптерной молекулы MAVS (mitochondrial antiviral signaling protein), связанной и зависимой от митохондрий, далее молекулы TRAF3 (TNF receptor activating factor 3), активацией комплекса TANK/IKKγ/IKKε/TBK1 с привлечением внутриклеточного фактора TBK1 (TRAF-family binding kinase 1). Этот процесс заканчивается димеризацией регуляторных факторов IRF3 (Interferon responsive factor 3) и IRF7, которые перемещаются в ядро клетки и взаимодействуют с участком ДНК, называемым ISRE (IFN-stimulated response element), что приводит к последовательной индукции экспрессии генов сначала IFN бета, потом IFN альфа, а также IFN лямбда (IFN III типа), необходимых для развития противовирусного ответа [4].

В клетках, экспрессирующих мембранные Толл-подобные рецепторы, которые распознают вирусные РНК, возможны и несколько другие начальные этапы индукции синтеза интерферонов. С гомологичными внутриклеточными TIR доменами всех TLR ассоциированы два типа адаптерных молекул: MyD88 (myeloid differentiation primary response protein 88) и TRIF (TIR-domain-containing adaptor protein inducing IFN) [5]. Связывание вирусных нуклеиновых кислот с TLR приводит к активации и фосфорилированию TRIF, что далее вызывает активацию молекулы TRAF3 и всего дальнейшего описанного выше пути запуска экспрессии генов и ведет к синтезу интерферонов. Второй путь от мембранных Toll-подобных рецепторов через адаптерную молекулу MyD88 либо от молекулы MAVS связан с активацией и фосфорилированием внутриклеточных сигнальных молекул TRAF-2/6 (tumor necrosis factor receptor-associated factors), далее действующих на IKK комплекс с активацией транскрипционного фактора NF-κB, его транслокацией в ядро и индукцией экспрессии генов провоспалительных цитокинов.

В случае инфицирования коронавирусом SARS-CoV-2 важны два принципиальных момента. Во-первых, система врожденного иммунитета распознает коронавирус и отвечает на его внедрение типичным развитием защитных реакций. Во-вторых,  при ответе на коронавирус происходит активация двух основных сигнальных путей, ведущих к индукции экспрессии генов двух принципиально различающихся групп цитокинов: 1) интерферонов I и III типа, 2) провоспалительных цитокинов. Синтез данных цитокинов определяет развитие и реализацию главных функций врожденного иммунитета в организации противовирусной защиты организма. Следовательно распознавание компонентов вирусов мембранными и цитоплазматическими рецепторами врожденного иммунитета приводит к индукции синтеза не только интерферонов, но и провоспалительных цитокинов, стимулирующих развитие типичной воспалительной реакции как компонента противовирусных защитных реакций.  

Роль интерферонов в противовирусной защите

Известно более 20 генов интерферонов, которые могут быть разделены на 3 основных класса – интерфероны I, II и III типов [6]. Все IFN I типа имеют сходное строение и практически одинаковые функции вследствие высокой степени гомологии, достигающей для группы IFNα 80%. К интерферонам II типа относится лишь одна молекула IFNγ, открытого практически одновременно с IFNα и IFNβ и получившего свое название чисто исторически. IFNγ имеет важные иммунорегуляторные функции, взаимодействует с собственными специфическими рецепторами, но обладает существенно более низкой противовирусной активностью по сравнению с IFN I и III типа. Интерфероны III типа или интерфероны лямбда (IFNλ1, IFNλ2, IFNλ3 и IFNλ4) обладают такой же противовирусной активностью, как и IFN I типа, но взаимодействуют с другим гетеродимерным рецепторным комплексом, состоящим из IL-28Rα (или IFNλR1) и IL-10R2 субъединицы рецепторов семейства IL-10, но далее внутриклеточный сигналинг идентичен сигналингу от рецепторов IFN I типа.

В настоящее время достаточно полно изучены механизмы действия интерферонов, в том числе клеточные рецепторы и пути проведения внутриклеточного сигнала. Биологическая активность интерферонов I типа осуществляется путем взаимодействия с общим гетеродимерным рецептором, состоящим из двух субъединиц (IFNAR1 и IFNAR2), экспрессируемых на большинстве клеток организма, в том числе на гепатоцитах, фибробластах, Т-лимфоцитах, макрофагах, эпителиальных и дендритных клетках. Перекрестное связывание молекулами IFN альфа экстрацеллюлярных доменов IFNAR вызывает их гетеродимеризацию, последующую активацию ассоциированных с рецептором киназ: Janus kinase 1 (JAK1) и JAK2 за счет фосфорилирования остатков тирозина в пределах цитоплазматической области цепи IFNAR-2с [7]. Проведение сигнала далее связано с активацией транскрипционных факторов STAT1 и STAT2 (Signal transducer and activator of transcription). Фосфорилированные STAT1 (по аминокислотному остатку тирозина в положении 701 – для всех интерферонов) и STAT2 формируют гетеродимеры и взаимодействуют с регуляторным фактором IRF9, образуя тримерный белковый комплекс, обозначаемый IFN-stimulated gene factor 3 (ISGF3), который перемещается в ядро клетки, приводя к запуску транскрипции от 200 до 500 IFN-стимулированных генов (ISG, IFN-stimulated genes) [8].

Интерфероны I и III типов, несмотря на разное строение специфических мембранных рецепторов, осуществляют внутриклеточный сигналинг с участием одинаковых адаптерных молекул и транскрипционных факторов и поэтому обладают сходной противовирусной активностью. Однако экспрессия рецепторов интерферонов I и III типов значительно отличается на разных клетках. Отличия в биологическом действии обусловлены экспрессией рецепторов IFN III типа главным образом на эпителиальных клетках в разных органах, тогда как на лейкоцитах уровень экспрессии данных рецепторов ниже. Поэтому противовирусное действие IFN III типа не отличается от IFN I типа, но иммуномодулирующие свойства проявляются значительно слабее [9]. Видимо функции IFN III связаны главным образом с защитой эпителиальных клеток, но это особенно важно, т.к. именно там происходит первый контакт вируса с клетками организма.

Интерфероны подавляют вирусные инфекции двумя основными путями. Во-первых, синтезируясь клетками после инфицирования вирусом, IFN запускают экспрессию IFN-стимулированных генов, продукты которых призваны заблокировать прохождение вирусом жизненного цикла практически на всех стадиях, включая проникновение в клетку, трансляцию вирусных белков, репликацию вируса, его сборку и выход в окружающую среду. В результате, те клетки, на которые подействовал IFN, приобретают так называемый антивирусный статус и не могут быть инфицированы вирусами.

Во-вторых, все IFN обладают иммуномодулирующими свойствами, усиливают работу врожденного и приобретенного противовирусного иммунитета, активируя цитотоксичность НК клеток, презентацию вирусных антигенов Т-лимфоцитам и стимулируя функции ряда других клеток, участвующих в защите от вирусов [10]. Суммируя результаты экспериментальных и клинических исследований, следует выделить следующие биологические свойства интерферонов I типа:

1. Противовирусное действие за счет индукции экспрессии ISG и синтеза продуктов этих генов.
2. Активация функций натуральных киллерных (НК) клеток, обладающих способностью лизировать инфицированные вирусом клетки организма.
3. Усиление экспрессии молекул главного комплекса гистосовместимости I класса на разных типах клеток, инфицированных вирусами, для увеличения эффективности представления вирусных антигенов цитотоксическим Т-лимфоцитам. Это приводит к активации специфического распознавания инфицированных вирусом клеток цитотоксическими Т-лимфоцитами с их последующим лизисом.
4. Усиление функциональной активности цитотоксических CD8+ Т-лимфоцитов для антиген-специфического лизиса вирус-инфицированных клеток-мишеней. Это означает, что IFN активирует как антиген-неспецифический лизис инфицированных вирусами клеток с участием НК клеток, так и антиген-специфический лизис Т-лимфоцитами.
5. Активация функций дендритных клеток (ДК), являющаяся важнейшей составной частью противовирусной активности интерферона, так как ДК представляют вирусные антигены Т-лимфоцитам и тем самым осуществляют связь между врожденным и приобретенным противовирусным иммунитетом.
6. Стимуляция дифференцировки и функциональной активности CD4+ Т-лимфоцитов хелперов 1 типа для усиления приобретенного противовирусного иммунитета.
7. Подавление активности FoxP3+ T-регуляторных лимфоцитов, экспрессирующих IFNAR1, для предотвращения подавления противовирусного иммунного ответа.
8. Активация макрофагов.

Это пример, как одна небольшая молекула цитокина с ММ около 22000 дальтон способна за счет плейотропного (множественного) типа биологического действия активировать совершенно разные механизмы защитных реакций с участием разных типов клеток, но направленные на выполнение одной цели – нейтрализации и удаления проникшего в организм вируса. По-видимому, IFN может считаться важнейшим медиатором противовирусной защиты организма.

Блокирование IFN – ключевой механизм ускользания коронавирусов от иммунной системы

По-видимому, блокада системы IFN приобретает особое значение в патогенезе инфекционных заболеваний, вызываемых высокопатогенными вирусами, к которым относятся и коронавирусы. IFN ингибирует репликацию данных вирусов, поэтому подавление синтеза и действия IFN особенно важны для их выживания в организме человека. Коронавирус SARS-Cov-2 блокирует систему IFN следующими способами. Во-первых, SARS-Cov-2 имеет вирусные белки, подавляющие распознавание клеточными ПРР. Во-вторых, SARS-CoV-2 подавляет синтез IFN I и III типов, вмешиваясь в сигналинг от ПРР. В-третьих, он способен блокировать передачу сигнала от рецепторов IFN.

Как и многие другие вирусы, коронавирус SARS-CoV-2 имеет эволюционно сформированные механизмы ускользания от действия защитных клеточных факторов и содержит в своем геноме гены, кодирующие белки, блокирующие сигнальный путь синтеза интерферона. В ответ на инфицирование коронавирусом SARS-CoV-2 запускается синтез IFN, однако, при изучении кинетики индукции синтеза IFN I типа в культуре клеток, показано, что SARS-CoV-2 вызывает отсроченный синтез IFN по сравнению с рядом других вирусов. Важно, что не какой-то один, а около 20 белков SARS-CoV-2 существенно ингибируют его синтез, причем, среди них оказались структурные и неструктурные белки коронавируса, например, NSP1, NSP3, NSP12, NSP13, NSP14, ORF3, ORF6, S, M и рях других [11]. При этом, добавление в культуру клеток рекомбинантного IFN-β подавляло репликацию SARS-CoV-2 [12], то есть его блокирующее действие на синтез IFN можно превзойти препаратами, добавленными из вне.

Неструктурный белок NSP1 подавляет трансляцию РНК при синтезе IFN, NSP6 связывает TBK1 (TANK binding kinase 1), блокируя фосфорилирование транскрипционного фактора IRF3, NSP8 и NSP9 препятствуют переносу IFN к клеточной мембране, NSP12, представляющий собой вирусную РНК-зависимую РНК полимеразу, связывает транскрипционный фактор IRF3 и блокирует его транслокацию в ядро, подавляя экспрессию генов интерферонов, NSP13 связывает и блокирует фосфорилирование TBK1, NSP15 - NRDP1 - E3 убиквитин лигазу, NSP16 подавляет распознавание вирусной РНК внутриклеточными хеликазными рецепторами. Кроме подавления синтеза ИФН, 2 белка, NSP1 и NSP6, способны вмешиваться и в его действие путем блокирования фосфорилирования комплекса транскрипционных факторов STAT1/STAT2. При этом SARS-CoV-2 подавлял сигналинг от рецепторов IFN более эффективно, чем коронавирусы SARS-CoV и MERS-CoV [13, 14].

Другие вирусные белки ORF6 и ORF9b также блокируют молекулы, участвующие в транслокации транскрипционных факторов IRF3, IRF7, STAT1 в ядро. ORF9b связывает субъединицу TOM70 митохондриального рецептора, ответственного за взаимодействие упомянутого сигнального белка MAVS с комплексом TBK1/IRF3, что приводит к нарушению сигнального каскада и подавлению синтеза интерферона. ORF6 в сигнальном пути индукции синтеза IFN блокировал молекулы MDA5, MAVS, IRF3 и активацию промотора гена IFN-β, подавляя транслокацию IRF3 в ядро клетки [12]. ORF6 блокирует и сигнальный путь от рецепторов IFN, также связываясь с транскрипционными факторами STAT1/STAT2 и препятствуя их перемещению в ядро [15].

Таким образом, продукты вирусного генома действуют на разных этапах не только активации экспрессии генов, но и выхода интерферона из клеток, подавляя этапы трансляции, фолдинга и секреции. Удивительно, что в геноме небольшого коронавируса SARS-CoV-2 относительно много места занимают гены, кодирующие белки, способные противодействовать интерферону. Видимо функция подавления синтеза и действия IFN дает SARS-CoV-2 преимущества в ускользании от иммунного ответа, и именно подавление синтеза эндогенного IFN коронавирусом следует считать ключевым фактором иммунопатогенеза тяжелых форм COVID-19.

Клинические наблюдения, указывающие на роль интерферонов в эффективной защите от коронавирусной инфекции

Блокада противовирусного действия IFN чрезвычайно важна для патогенеза COVID-19, т.к. степень подавление системы IFN при коронавирусной инфекции ассоциирована с тяжестью клинических проявлений заболевания. Клинические наблюдения показали, что при COVID-19 решающую роль в дисбалансе реакций врожденного иммунитета играет недостаточный синтез IFN на ранних стадиях инфекции. У тяжелых пациентов с COVID-19 наблюдался не только сниженный, но и отсроченный синтез IFN, и это сопровождалось ранним началом интенсивного синтеза провоспалительных цитокинов и развитием цитокинового шторма [16]. Следовательно, если IFN синтезируется не сразу, а с некоторым запозданием и в небольших количествах, это позволяет коронавирусу активно реплицироваться и индуцировать повышенный синтез провоспалительных цитокинов.

Таким образом, в иммунопатогенезе поражения легких при тяжелых респираторных инфекциях, вызванных коронавирусом SARS-CoV-2, решающее значение имеет быстрая репликация вируса, связанная с подавлением системы эндогенного IFN, призванного в норме остановить развитие инфекции. Нарушение синтеза нескольких типов интерферона подтверждено в исследованиях, где показано, что в носоглоточных смывах больных COVID-19 содержание IFN-α2, IFN-λ3, IFN-β, IFN-γ, а также IL-33 было снижено по сравнению со здоровыми людьми, тогда как уровни иммуносупрессорного цитокина IL-10 и хемокина CCL2 повышены [17]. Фактически недостаточный синтез IFN I типа является отличительной чертой состояния иммунного ответа у больных COVID-19. Это подтверждают данные, что генетические дефекты в системе IFN либо наличие нейтрализующих аутоантител к IFN I типа коррелируют с тяжестью течения COVID-19.

101 из 987 (10.2%) обследованных больных с тяжелыми формами COVID-19 имели нейтрализующие аутоантитела класса IgG против IFN-ω (13 пациентов), против 13 подтипов IFN-α (36 пациентов), или против обоих типов интерферона (52). Такие аутоантитела не были обнаружены у 663 больных с легкими формами инфекции, вызванной вирусом SARS-CoV-2, и присутствовали лишь у 4 из 1227 (0.33%) обследованных здоровых лиц. Интересно, что 95 из 101 больного (94%) с наличием аутоантител были мужчины [18].

Геномные исследования предрасположенности к развитию тяжелых форм COVID-19

Удивительно, что при широких геномных исследованиях не было обнаружено взаимосвязи клинического течения COVID-19 с аллелями антигенов главного комплекса гистосовместимости, которые обычно играют важную роль в противовирусном иммунитете. Однако недавно опубликовано исследование, продемонстрировавшее сильную ассоциацию между наличием антигена гистосовместимости HLA-B*15:01, который имеется у около 10% людей в Европе, с бессимптомным течением коронавирусной инфекции, вызванной SARS-CoV-2 [19]. 

Значимая генетическая предрасположенность к развитию тяжелых форм COVID-19 обнаружена прежде всего для вариантов гена ангиотензин-превращающего фермента (ACE2) [20, 21]. И это не случайно, ведь именно этот ген кодирует рецептор для входа коронавируса в клетки. С другой стороны, обнаружены значительные ассоциации тяжести течения  COVID-19 со многими другими генами: SLC6A20, JAK1, TYK2, TLR7, IFN-α, IFNAR2, IRF1, DOCK2, FOXP4, SFTPD, MUC5B, CIB4, NPNT, ZKSCAN1, ATP11A, PSMD3, OAS1, LZTF1, ABO, MAPT, DPP9, среди которых многие гены ответственны за развитие противовирусного иммунитета, в частности гены интерферона, его рецептора и молекул сигнальных путей развития защитных реакций [22, 23].

При генетическом исследовании когорты из 659 больных с COVID-19 показано, что 3.5% пациентов имели аутосомно-рецессивные дефекты в гене IRF7, участвующий во внутриклеточном сигналинге при активации синтеза IFN, и гене IFNAR1 (рецептор IFN альфа I типа) и аутосомно-доминантные дефекты в гене TLR3 (участвует в распознавании вирусной РНК), генах TICAM1, UNC93B1,TBK1, IRF3 (участвуют во внутриклеточном сигналинге), а также вновь выявленные дефекты в генах UNC93B1, IRF7, IFNAR1, IFNAR2 [24]. Полиморфизм гена TLR7, также участвующего в распознавании вирусной РНК, обнаружен у 21 больного с крайне тяжелым COVID-19 и летальностью 15%. Нарушения сигналинга с участием TLR7 приводило к снижению синтеза IFN I типа B-лимфоцитами, миелоидными и плазмацитоидными дендритными клетками и видимо служило главным патогенетическим фактором тяжелого течения коронавирусной инфекции в этой группе больных [25, 26]. Подтверждением важнейшей роли IFN в защите от коронавируса SARS-CoV-2 служит клиническое наблюдение, что у двух больных COVID-19 с дефектами генов TLR3 и IRF3 назначение препарата рекомбинантного пегилированного IFNα2 приводило к существенному улучшению состояния [27]. Описано также влияние единичных нуклеотидных полиморфизмов в генах рецепторов IFN I типа: IFNAR1 и IFNAR2 на течение коронавирусной инфекции. Выявлена взаимосвязь между генотипом СС варианта rs2257167 гена IFNAR1, наличием аллеля T варианта rs2229207 гена IFNAR2 и тяжестью течения COVID-19 [28].

Сейчас известен уже 21 вариант генетических дефектов сигнальных молекул в системе интерферона, и примерно 15%–20% тяжелых случаев пневмонии при COVID-19 у не вакцинированных пациентов можно связать с этими нарушениями [29]. Таким образом, в результате проведения геномного анализа удалось определить гены, связанные с тяжелым и более легким течением COVID-19. Безусловно это имеет не только практическое значение в плане прогнозирования и лечения коронавирусной инфекции, но и открывает новые механизмы формирования противоинфекционного иммунитета. Генетические исследования, подтвержденные клиническими данными, ясно продемонстрировали, что ключевым фактором иммунопатогенеза коронавирусной инфекции, вызываемой SARS-CoV-2, являются генетические нарушения работы системы эндогенного интерферона – главного защитного противовирусного цитокина.

Синтез провоспалительных цитокинов и «цитокиновый «шторм» в иммунопатогенезе развития тяжелых форм COVID-19

При COVID-19 у большинства тяжелых больных отмечены высокие уровни основных провоспалительных цитокинов в лаважной жидкости и в плазме периферической крови: TNF, IL-2, IL-6, IL-7, IL-10, G-CSF, IP-10, MCP-1, MIP-1A, и ряда других, характеризующих развитие так называемого цитокинового шторма, служащего причиной гипервоспалительной реакции в легких, а затем полиорганной недостаточности и гибели больных [30, 31, 32]. Макрофаги и Т-лимфоциты являются основными продуцентами большого числа провоспалительных цитокинов, уровни синтеза которых ассоциированы с плохим прогнозом, в частности, IL-1, IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-8/CXCL8, IL-9, IL-10, IL-12, IL-13, IL-15, IL-17, IL-21, IL-23, IL-25, IL-31, G-CSF, GM-CSF, TRAIL, TNF, TNFβ, IFN-γ, TGF-α, CCL2, CCL3, CCL4, RANTES/CCL5, CCL7, CCL8, CCL13, CCL17, CCL28, CXCL2/SDF-1, CXCL10/IP-10, CXCL11, и ряд других цитокинов и их рецепторов. [33, 34, 35]. Три главных провоспалительных цитокина (IL-6, TNF, IL-1β) оказались значительно повышены в сыворотках крови 1484 пациентов с COVID-19, среди них уровни TNF и IL-6 были независимыми предикторами тяжести заболевания и летального исхода [36]. Такие же высокие уровни многих провоспалительных цитокинов были обнаружены на ранних стадиях заболевания при развитии тяжелых форм инфекций, вызванных коронавирусами SARS-CoV и MERS-CoV [37, 38], что свидетельствует об общих сходных механизмах развития цитокинового шторма и формирования патологического воспаления в легких.

Указанные основные провоспалительные цитокины (IL-6, TNF, IL-1β) могут синтезироваться под действием S белка коронавируса SARS-CoV-2. S белок распознается мембранным паттерн распознающим рецептором TLR4, после чего в макрофагах запускается стандартный сигнальный путь активации синтеза цитокинов с участием транскрипционного фактора NF-κB [39]. Таким образом SARS-CoV-2 может запускать синтез провоспалительных цитокинов и развитие цитокинового шторма несколькими путями, взаимодействуя с мембранными и цитоплазматическими рецепторами инфицированных клеток. При этом цитокиновый шторм сопровождается резким увеличением уровней других маркеров воспаления: С-реактивного белка, ферритина и D-димера, указывая на общую активацию системного воспаления. У больных COVID-19 наблюдается лейкоцитоз за счет увеличения числа нейтрофильных гранулоцитов периферической крови на фоне снижения содержания моноцитов, эозинофилов и базофилов. Повышенные уровни провоспалительных медиаторов коррелируют с неблагоприятным прогнозом [40, 41].

Сам термин «цитокиновый шторм» был впервые использован для описания патологического состояния, вызванного гиперпродукцией провоспалительных, Т-клеточных и ряда других цитокинов при развитии острой реакции отторжения трансплантата [42]. Впоследствии этот термин стал применяться для описания клинических синдромов, вызванных гиперпродукцией цитокинов, при сепсисе и септическом шоке, тяжелых проявлениях аутоиммунных состояний, воспалительном синдроме иммунного восстановления на фоне антиретровирусной терапии у больных СПИД, синдроме активации синтеза цитокинов при терапии рака с применением CAR T-лимфоцитов, некоторых других состояниях и, наконец, при COVID-19. Во всех случаях причины и механизмы развития цитокинового шторма существенно различаются, но патофизиологические механизмы последствий гиперпродукции цитокинов во многом одинаковы (см. обзор М.П.Потапнева [43]).

Характер действия провоспалительных цитокинов в организме зависит от их содержания в тканях. Цитокины в низких концентрациях нужны для правильного формирования местного воспаления, их сбалансированная продукция ведет к правильному соотношению активации врожденного и приобретенного иммунитета, приводит к контролю вирусной репликации и удалению вируса из организма. Более высокие уровни цитокинов вызывают развитие защитной системной воспалительной реакции, в норме обеспечивающей включение всех систем организма, включая нейроэндокринную, гемопоэтическую и другие, для организации единой защитной реакции, но патологически высокие концентрации приводят к формированию симптомов септического шока и к гибели организма. В тех случаях, когда уровни цитокинов намного превышают физиологические концентрации, они становятся уже не медиаторами защиты, а медиаторами развития патологии, и в некоторых случаях – «медиаторами смерти».

Цитокиновый шторм при COVID-19 – это стремительно развивающееся жизнеугрожающее патофизиологическое состояние, когда в результате избыточной активации клеток иммунной системы происходит массивный синтез провоспалительных цитокинов, приводящий к развитию местного и системного гипервоспалительного ответа. Клинически это проявляется в развитии лихорадки, острого респираторного дистресс синдрома, диссеминированного внутрисосудистого свёртывания крови, синдрома пропотевания капилляров, падении артериального давления, полиорганной недостаточности и, в особо тяжелых случаях, приводит к смерти при отсутствии адекватных реанимационных мероприятий. 

У больных с неблагоприятным течением COVID-19  в результате гиперпродукции провоспалительных цитокинов развивается острый респираторный дистресс-синдром (РДС), характеризующегося сильной воспалительной реакцией, отеком легких, накоплением в легких воспалительных клеток (нейтрофилов, макрофагов, лимфоцитов) и тяжелой гипоксией. Гистопатологические исследования легочных поражений помимо отека и инфильтрации воспалительных клеток, показывают слущивание альвеолярных эпителиальных клеток, расширение и повреждение альвеолярных перегородок, повреждение эндотелия интерстициальных артериол. В очагах воспаления наблюдаются некроз тканей и гиперплазия. Повреждение стенок интерстициальных артериол легких указывает на то, что помимо цитопатогенного действия вирусов именно воспалительный ответ играет важную роль в развитии заболевания.  Гибель эпителиальных и эндотелиальных клеток ведет к нарушению клеточного барьера в альвеолах, микрососудистым тромбозам, выходу жидкости в просвет альвеол и нарушению газообмена  [44, 45].

Дисбаланс цитокинов приобретенного иммунитета

Коронавирус SARS-CoV-2 запускает экспрессию генов и синтез IFN I типа в эпителиальных клетках респираторного тракта. Физиологические уровни IFN альфа, способные подавить репликацию  SARS-CoV-2, обнаруживаются у больных с легкими формами COVID-19 [46]. При тяжелых респираторных вирусных инфекциях, в частности инфекции, вызванной коронавирусом SARS-CoV-2, активация врожденного иммунитета ведет к интенсивному синтезу провоспалительных цитокинов, в физиологических концентрациях нужных для нормального формирования защитного противовирусного иммунного ответа. Таким образом, дисбаланс иммунологических реакций при COVID-19 в первую очередь зависит от развития начальных этапов врожденного противовирусного иммунного ответа, а именно связан с изменениями синтеза различных цитокинов, заключающемся в подавлении синтеза IFN и увеличении синтеза провоспалительных медиаторов. По мере развития заболевания развивается тяжелый дисбаланс не только реакций врожденного иммунитета, но также дисбаланс между реакциями врожденного и приобретенного иммунитета с развитием глубокой лимфопении на фоне неконтролируемого синтеза провоспалительных цитокинов.

При инфицировании коронавирусом SARS-CoV в случае благоприятного исхода COVID-19 происходит образование вирус-специфических CD4+ Т-лимфоцитов, синтезирующих IL-2, IFNγ, TNF, видимо относящихся к клонам Тх 1 типа, и CD8+ T-лимфоцитов, синтезирующих IFNγ и TNF. Сильный Т-клеточный ответ коррелировал с высокими титрами нейтрализующих антител. Напротив, преобладание синтеза цитокинов Тх 2 типа (IL-4, IL-5, IL-10) наблюдалось у пациентов с летальным исходом [47]. Продукция цитокинов Т-лимфоцитами хелперами периферической крови больных COVID-19 изучена в нескольких исследованиях. Отмечено низкое содержание Tх1 и сниженная продукция одного из основных активаторов Т-лимфоцитов - IFN-гамма при тяжелом течении COVID-19 [48, 49], напротив, гиперактивация Tх2 и Тх17. При этом, обнаружена гиперпродукция провоспалительных цитокинов IL-4, IL-5, IL-13, корррелировавшая с тяжестью симптомов и смертностью [48], а также гиперпродукция провоспалительного IL-17А при особо тяжелых случаях COVID-19 [50]. Следовательно дисбаланс цитокиновой регуляции наблюдается и со стороны синтеза цитокинов Т-хелперными клонами активированных при COVID-19 Т-лимфоцитов.

Заключение

Иммунный ответ на коронавирус SARS-CoV-2 развивается с участием реакций как врожденного, так и приобретенного иммунитета. В результате запускаются два основных сигнальных пути активации экспрессии генов и синтеза IFN I и III типов, а также экспрессии генов и синтеза провоспалительных цитокинов. Однако особенностями коронавируса SARS-CoV-2 являются очень высокая репликативная активность и способность подавлять синтез IFN, что можно считать ключевым фактором патогенеза коронавирусной инфекции. Это является причиной ускользания коронавируса от защитных механизмов иммунной системы и неконтролируемой репликации с инфицированием все новых клеток и переходом инфекционного процесса на системный уровень. При этом сигнальный путь активации синтеза провоспалительных цитокинов не подавляется, и они продолжают синтезироваться в больших количествах в ответ на безудержную репликация вируса не только в эпителиальных и эндотелиальных клетках, но и в клетках иммунной системы, включая моноциты и макрофаги. Вследствие этого иммунопатогенез COVID-19 связан с развитием несбалансированного иммунного ответа в результате подавления коронавирусом SARS-CoV-2 синтеза интерферона и компенсаторной гиперпродукцией провоспалительных цитокинов, служащей причиной неадекватно сильного воспаления с развитием острого респираторного дистресс-синдрома и дыхательной недостаточности с последующим развитием системных воспалительных проявлений и полиорганной недостаточности. В связи с этим иммунокоррекция для борьбы с SARS-CoV-2 в варианте цитокинотерапии должна проводиться с учетом иммунопатогенеза заболевания, строго исходя из стадий развития инфекционного процесса. Перспективными направлениями иммунокоррекции при COVID-19 могут быть: лечение препаратами интраназального рекомбинантного IFN I или III типов в начальной стадии инфекции и применение антицитокиновой терапии при развитии цитокинового шторма.

About the authors

Andrey S. Simbirtsev

Author for correspondence.
Email: simbas@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8228-4240
SPIN-code: 2064-7584
Scopus Author ID: 7003758888
ResearcherId: K-2087-2013

Scientific supervisor

References

Supplementary files