Патогенез и патоморфология поражения легких после COVID-19

Введение. Первые случаи заражения SARS-CoV-2 были зарегистрированы в декабре 2019 г. в Ухане (Китай). Генетический анализ вирусной последовательности предполагает, что вирус возник у летучих мышей и распространился среди людей через промежуточного хозяина. SARS-CoV-2 – оболочечный вирус, заражающий своего хозяина с помощью серии шиповидных протеинов, которые создают короноподобный вид. Уникальное качество спайк-протеина SARS-CoV-2 заклю- чается в расщеплении рядом находящихся сериновых протеаз, что способствует его значительной трансмиссивности и инфекционно-сти. Считается, что поражается несколько клеток-мишеней, включая пневмоциты типа II и альвеолярные макрофаги в легких, а также эн-тероциты в кишечнике и базальные эпителиальные клетки в носовых ходах [1–3].

Термин «пневмофиброз» определяет патологическое состояние, при котором паренхима легкого подвергается необратимому процессу избыточного роста, склерозирования и/или рубцевания, что связано с избыточным отложением компонентов внеклеточного матрикса, включая коллаген. Интерстициальные заболевания легких (ИЗЛ) представляют собой гетерогенную группу, характеризующуюся различными клиническими, рентгенологическими и патологическими паттернами, которые широко поражают паренхиму легких. Для некоторых ИЗЛ характерна разная степень пневмофиброза, в частности идиопатический пневмофиброз (идиопатический легочный фиброз, ИЛФ) считается наиболее репрезентативным типом. ИЛФ имеет наихудший прогноз со средней выживаемостью 2–5 лет после постановки диагноза и действительно представляет собой огромную нерешенную медицинскую проблему. ИЛФ проявляется в старшем возрасте с большей распространенностью у мужчин, чем у женщин, и при отсутствии какой-либо явной провокации. Пневмофиброз также представляет собой терминальную стадию ИЗЛ [4].

Патогенез. Пневмофиброз является одним из известных последствий тяжелого течения COVID-19, а исследования описывают остаточные легочные аномалии у части пациентов и после выздоровления. Известные факторы риска развития пневмофиброза после COVID-19 включают возраст, развитие острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС) и потребность в искусственной вентиляции легких. Данная патология также является известным последствием тяжелого и/или стойкого повреждения легких по другим причинам, таким как заболевания соединительной ткани, хронические гранулематозные заболевания, воздействие лекарственных препаратов и респираторные инфекции [5].

Фиброз рассматривается как следствие нарушения процесса репарации и напрямую связывается с тяжестью провоцирующего события. Описаны различные механизмы повреждения легких при COVID-19, причем как вирусные, так и иммунные. Дополнительные факторы могут предрасполагать к тяжелому повреждению легких и увеличивать риск смерти или пневмофиброза у выживших [6].

В процессе нормальной репарации легкое восстанавливает свою нормальную структуру и функцию. Альвеолярные эпителиальные клетки типа 1 (AEC1) составляют 90 % альвеолярной поверхности [7]. При повреждении AEC1 альвеолоциты 2-го типа (AEC2) подвергаются апоптозу или дифференцировке в первый тип для восстановления альвеолярного эпителия [8], однако при обширном повреждении AEC2 не могут адекватно восстановить эпителий, что приводит к аномальному развитию тканей с последующей активацией фибробластов, отложением коллагена, соединительной ткани и ангиогенезом [9].

Основными типами клеток при идиопатическом легочном фиброзе являются фибробласты и миофибробласты. В аномальной биохимической среде, продуцируемой активированными эпителиальными и эндотелиальными клетками, фибробласты и миофибробласты активируются для дифференцировки и пролиферации [10]. Фибробласты в альвеолярном интерстиции синтезируют основные вещества внеклеточного матрикса – коллаген и фибронектин. FGF, PDGF и TGF-β стимулируют миграцию фибробластов к месту повреждения, и эти фибробласты приобретают профибротический фенотип, устойчивый к апоптозу [11].

Фибробласты играют важную роль в восстановлении тканей, пролиферируя и дифференцируясь в миофибробласты, а также модулируя объем внеклеточного матрикса [12]. Миофибробласты продуцируют более плотный внеклеточный матрикс по сравнению с фибробластами, а наличие актина гладких мышц вызывает пространственную реорганизацию коллагеновых фибрилл [13]. Уплотнение легочной ткани будет препятствовать газообмену и в конечном итоге приведет к снижению функции легких, одышке и непереносимости физической нагрузки.

Предполагается, что тяжелое воспаление и цитокиновый шторм участвуют в патогенезе COVID-19, хотя это предположение продолжает оставаться предметом споров [14, 15] и относительная важность воспалительных цитокинов в развитии COVID-19 до сих пор неясна. Было обнаружено, что маркеры воспаления, особенно IL-6 [16], в тяжелых случаях COVID-19 предсказывают необходимость ис- кусственной вентиляции легких. В ряде рандомизированных контролируемых исследований сообщалось об использовании моноклональных антител, которые ингибируют как мембраносвязанные, так и растворимые рецепторы IL-6, у пациентов с COVID-19 со смешанными результатами, поскольку в исследования включались менее тяжелые пациенты и исключались пациенты, получавшие респираторную поддержку [17].

Макрофаги, находящиеся в легких, делятся на два типа популяций в зависимости от их происхождения: резидентные альвеолярные макрофаги и макрофаги, происходящие из моноцитов. Они обладают способностью поляризоваться от M1, провоспалительного фенотипа, к альтернативно активированному статусу M2, который участвует в заживлении и противовоспалительной активности. Эти клетки усиливают фиброз за счет синтеза IL-1β и CCL18 или ингибируют его, продуцируя матриксные металлопротеиназы (MMP) [18], которые разрушают внеклеточный матрикс. Поляризованные макрофаги М2 ответственны за ингибирование воспалительного процесса и стимулирование фиброза посредством секреции хемоки-нов, MMP, тканевого ингибитора металлопротеиназ и фибронектина. Более того, макрофаги М2 обладают способностью трансдиф-ференцироваться в фиброцитоподобные клетки, которые экспрессируют коллаген [19].

В регуляции фибротического процесса участвуют иммунокомпетентные клетки, прежде всего CD4+-Т-лимфоциты. Они способны образовывать хемокины, цитокины, факторы роста, которые в свою очередь могут стимулировать пролиферацию и дифференцировку фибробластов, а также продуцирование ими коллагена. В настоящее время в качестве регуляторов фиброзообразования рассматривают определенные субпопуляции CD4+-Т-лимфо-цитов, в частности Th1, Th2, Th17 и Th22 [20]. Так, Th1-клетки и связанные с ними цитокины (ИФНγ) способствуют формированию хронического воспалительного процесса и пролиферации фибробластов. Th2 также играют важную роль в процессе формирования фиброзной ткани. Цитокины, которые они продуцируют, а именно IL-4, IL-13 и IL-5, участвуют в регуляции тканевого ремоделирования (в частности, рецепторы для IL-4 и IL-13 обнаружены на субпопуляциях тканевых фибробластов). Стимуляция IL-4 или IL-13 запускает синтез белков внеклеточного матрикса и дифференцировку миофибробластов. Подавление провоспалительной активности макрофагов этими интерлейкинами может противодействовать воспалению, возникающему при COVID-19, в зависимости от фазы инфекции [21]. И хотя IL-4 и IL-13 в процессе воспаления в легких у больных COVID-19 напрямую не участвуют, опосредованно они могут влиять на развитие цитокинового шторма и последующего фиброзообразования в качестве медиаторов, регулирующих иммунные ответы Th1 и Th17. В сыворотке тяжелых пациентов с COVID-19 отмечают значительное повышение уровня цитокинов Th1 и Th2. Цитокины Th2 (IL-4, IL-6 и IL-13) стимулируют синтез иммуноглобулинов В-лимфоцитами, а также продуцирование коллагена фибробластами. В связи с этим повышается риск развития пневмофиброза у пациентов с тяжелой формой COVID-19 [22].

TGF-β представляет собой многофункциональный цитокин, который играет решающую роль в восстановлении тканей после повреждения, а сигнальный путь TGF-β1 преимущественно вовлечен в патогенез фиброзного заболевания легких, поскольку он индуцирует пролиферацию и дифференцировку фибробластов. Имеются сообщения о том, что TGF-β1 индуцирует фиброз легких, активируя SMAD-независимые и SMAD-зависимые пути, увеличивая объем внеклеточного матрикса и отложение коллагена [23, 24].

Из-за цитокинового шторма в месте инфекции может происходить приток макрофагов, нейтрофилов и Т-клеток, вызывая повреждение легких. Презентация антигенов приводит к пролиферации и дифференцировке CD4+-Т-клеток в подклассы, такие как Th2. Альтернативно активированные макрофаги фенотипа М2 индуцируются IL-4. Наблюдалась повышенная иммуноэкспрессия сфингозина-1 (макрофаги М2) и IL-4 в группе пациентов с COVID-19, что свидетельствует об активации пути Th2 [25].

Исследования с пациентами, перенесшими COVID-19, показали, что повышенный уровень IL-4 был связан с тяжелыми респираторными симптомами. Кроме того, цитокины, стимулирующие путь Th2, могут препятствовать ответу Th1, поскольку они подавляют активацию макрофагов фенотипа М1. Ответ Th2, помимо того что неэффективен для элиминации вируса, стимулирует выработку цитокинов, таких как TGF-β1, усугубляя процесс ремоделирования ткани [26].

В дополнение к ответу цитокинов ответ легких на повреждение включает активацию миофибробластов, которые дифференцируются из фибробластов, а затем быстро рекрутируются в легкие для облегчения процессов восстановления [27]. Отложение внеклеточного матрикса также может служить защитой, отгораживая область повреждения и предотвращая распространение воспаления на здоровые участки, однако дисбаланс в отложении этих белков приводит к формированию фиброза. Ослабление дифференцировки миофибробластов и ограничение отложения коллагена может быть хорошей стратегией для замедления прогрессирования пневмофиброза [28].

Патоморфология. При острой стадии инфекции COVID-19 SARS-CoV-2 связывается с альвеолярными эпителиальными клетками II типа, что сопровождается эмиграцией большого количества воспалительных клеток, нарушением целостности альвеол, заполнением полостей альвеол и терминальных бронхиол слизью и отечной жидкостью [29]. В то же время инициируется альвеолярная регенерация и репарация, дифференцируются фибробласты и миофибробласты, начинается процесс фиброза. В период реконвалесценции, по мере прогрессирования заболевания, воспаление в легких постепенно уменьшается, происходит репарация и регенерация поврежденных альвеол. Фиброзная соединительная ткань продолжает разрастаться, и по мере накопления внеклеточного матрикса вторичный пневмофиброз, вызванный SARS-CoV-2, постепенно усугубляется [30].

Гистопатологически различают 3 фазы развития поражения легких при ОРДС: экссу- дативную, пролиферативную и фибротиче-скую. В пролиферативной фазе альвеолярные клетки II типа пролиферируют с регенерацией и ремоделированием эпителиальных клеток вместе с пролиферацией фибробластов. Впоследствии у некоторых пациентов прогрессирует фибротическая фаза, включающая отложение коллагена в альвеолярном, сосудистом и интерстициальном руслах, что приводит к необратимому развитию кистозных изменений и ограниченному функциональному восстановлению. Ряд клинических, рентгенологических и гистологических исследований показал, что прогрессирование пневмофиброза, обычно осложняющее тяжелое течение COVID-19, может потенциально снижать выживаемость пациентов [31, 32].

Макроскопически легкие неравномерно уплотненные, тяжелые, безвоздушные, розово-красные на разрезах, при надавливании с поверхности разрезов стекает темно-красная жидкость в повышенном количестве. Гистологически альвеолы неравномерно расширены, местами с разрывом межальвеолярных перегородок, отмечаются участки ателектазов и дистелектазов, в просвете - отечная жидкость, диффузно выявляется серозно-гнойный экссудат с десквамированными альвеолоци-тами, на стенках альвеол - гиалиновые мембраны, участки пневмофиброза с нарушением гистоархитектоники, определяется соединительная ткань в альвеолярных ходах, в просветах альвеол [33]. Межальвеолярные перегородки утолщены и склерозированы, местами обильно инфильтрированы клетками лимфоидного ряда. Идентичная инфильтрация отмечается и вокруг сосудов, выявляются также эритроцитарные сладжи и стазы в сосудах. В просвете бронхов - клетки слущенного эпителия и серозно-гнойный экссудат [34].

Путь деформации и ремоделирования легочной архитектуры зависит от фибробластов, реагирующих на повреждение: они мигрируют в альвеолярное пространство, секретируют и регулируют внеклеточный матрикс и могут дифференцироваться в миофибробласты [35, 36].

Клинические аспекты. Диагноз пневмофиброза выставляется на основании клини- ческих симптомов, рентгенологических данных и истории тяжелого ОРДС, вызванного COVID-19. Клинические симптомы пневмофиброза включают сухой кашель, утомляемость и одышку. При компьютерной томографии легких выявляются следующие признаки: паренхиматозные тяжи, архитектурная деформация и тракционные бронхоэктазы [37–39].

Прогноз у пациентов с легочным фиброзом, вызванным вирусной инфекцией, варьирует. Более чем у трети пациентов, выживших после тяжелой пневмонии COVID-19, выписанных из больницы, развился пневмофиброз. Более того, во многих исследованиях сообщается, что такие вирусы, как ЦМВ, ви-рус гриппа, вирус птичьего гриппа, SARS-CoV, MERS-CoV, вызывают долговременное повреждение легких и остаются факторами риска пневмофиброза в течение длительного времени после заражения [40–42].

Многочисленные сходства COVID-19 с атипичной пневмонией предрасполагают к сопоставлению риска прогрессирования фиброза легких. В связи с этим могут быть предложены три взаимодополняющие стратегии снижения вероятности развития фиброза легких: более интенсивное и продолжительное ингибирование репликации вируса; длительное торможение воспалительной реакции; введение антифибротических препаратов [43].

В настоящее время нет полностью проверенных вариантов лечения поствоспалительного пневмофиброза COVID-19 [43]. Различные стратегии лечения находятся в стадии оценки. Было предположено, что длительное применение противовирусных, противовоспалительных и антифибротических препаратов снижает вероятность развития фиброза легких [22, 44]. Антифибротические препараты, такие как пирфенидон и нинтеданиб, обладают противовоспалительным действием, поэтому их можно использовать даже в острой фазе пневмонии, вызванной COVID-19. Имеются данные, основанные на историях болезни трех пациентов, об использовании пирфенидона, азитромицина и преднизолона для лечения пневмофиброза после ОРДС, вызванного H1N1. В настоящее время в литературе под- держивается использование антифибротиче-ских средств в первую неделю развития ОРДС для предотвращения таких последствий, как фиброз легких. Имеются данные и о применении с этой целью препаратов биологической терапии [45, 46].

Таким образом, существует острая необходимость в идентификации биомаркеров на ранних стадиях заболевания для выявления пациентов, у которых вероятно развитие пневмофиброза. Обоснование применения анти-фибротической терапии должно быть персонифицированным, а роль прецизионной медицины предполагает прогнозирование групп высокого риска. Реабилитация в острой стадии и особенно в стадии выздоровления является полезной, поскольку она способствует улучшению дыхательной функции, повышению выносливости при физических нагрузках, улучшению самообслуживания в повседневной жизни [47, 48].

Обсуждение. Пневмофиброз может развиться либо после хронического воспаления, либо как первичный, генетически обусловленный и возрастной фибропролиферативный процесс и является признанным последствием ОРДС. Тем не менее большинство последующих исследований, включающих как физиологические измерения, так и КТ грудной клетки, показали, что стойкие рентгенологические отклонения после ОРДС не имеют большого клинического значения и стали менее распространенными в эпоху защитной вентиляции легких. По имеющимся данным, ОРДС развивается примерно у 40 % пациентов с COVID-19, а 20 % случаев ОРДС являются тяжелыми. Следует отметить, что средний возраст пациентов, госпитализированных с тяжелой формой COVID-19, по-видимому, выше, чем у пациентов с MERS или SARS, что, возможно, является следствием более широкого распространения среди населения. Необратимо прогрессирующее интерстициальное повреждение легких характеризуется снижением функции внешнего дыхания, усилением степени фиброза на КТ, ухудшением симптомов и качества жизни, а также ранней смертностью. Кроме того, относительно не- большая степень остаточного, но непрогрессирующего фиброза может привести к значительной заболеваемости и смертности среди пожилых пациентов с COVID-19 [49].

По данным исследований COMEBAC, при повторной мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ) через 4 мес. после госпитализации по поводу COVID-19 изменения по типу «матового стекла» были выявлены у 63 % пациентов, пневмофиброз встречался у 19 %. У пациентов, переживших ОРДС, частота выявления фиброза составляла 39 % и была выше, чем у переболевших в более легкой форме. Однако функциональные тесты оценки дыхательной системы в большинстве случаев были нормальными. В среднем пневмофиброз занимает около 10 % от общего объема легких. Фокусы пневмофиброза описываются более чем у трети больных через 6 мес. после госпитализации по поводу острой коронавирусной инфекции, другие авторы указывают на более высокую распространенность этих изменений – до 72 %. Среди остаточных респираторных симптомов наиболее часто отмечается одышка, хронический кашель и боль в груди, что сопровождается нарушением функции легких. Однако через несколько месяцев, несмотря на сохраняющуюся одышку, функциональные легочные пробы нормализуются. Например, имеются данные о том, что через 3 мес. после госпитализации 71 % больных все еще продолжали жаловаться на одышку, но существенных функциональных отклонений при проведении проб не отмечалось. Возраст, исходная степень поражения легких (по данным МСКТ грудной клетки) и потребность в интубации или инвазивной вентиляции определяют большую вероятность нарушения легочной функции через 3 мес. после перенесенного COVID-19. Участки инфильтрации по типу «матового стекла» визуализируются у 75 % пациентов и ассоциируются с ухудшением функции легких. По данным других авторов, через 12 мес. у большинства больных наблюдалось существенное улучшение состоя- ния и переносимости физических нагрузок, хотя около 5 % пациентов все еще жаловались на одышку. К этому сроку функциональные легочные тесты были снижены примерно у трети больных, а у 24 % больных при МСКТ выявлялись постковидные изменения [50–52].

Фиброз при SARS встречался редко, а при MERS наблюдался у трети пациентов. Факторы риска включают пожилой возраст, длительное пребывание в отделении интенсивной терапии и большое поражение легких в острой фазе. Гистологическое исследование показало, что развивается двустороннее диффузное альвеолярное повреждение с клеточным фибромиксоидным экссудатом и десквама-цией пневмоцитов [53]. Имеются данные о развитии обширного интерстициального фиброза легких с частичной гиалиновой дегенерацией и геморрагическим инфарктом легкого, прогрессирующим внутри- или интерсептальным утолщением, неровными узорами и интерстициальными изменениями. Эти данные свидетельствовали о развитии фиброза, хотя было слишком рано маркировать эти изменения легких как необратимый фиброз в течение 3 нед. [54].

Заключение. Анализ публикаций отечественных и зарубежных авторов позволяет сделать вывод, что пневмофиброз после COVID-19 является одним из наиболее частых осложнений, обусловленным необратимыми процессами избыточного роста компонентов соединительной ткани. Однако необходимы дополнительные исследования, способствующие полному и детальному определению основных патогенетических механизмов развития фиброза легких, вызванного COVID-19. При этом основное предположение заключается в неадекватном разрешении повреждения легких или дисрегуляции репаративного процесса. Несмотря на множество первоначальных легочных или внелегочных поражений, которые приводят к ОРДС, наверняка имеется общий нисходящий путь, который ведет к фиброзу.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Концепция и дизайн исследования: Яшин С.С., Сердобольская Ю.В.

Литературный поиск, обработка материала: Сердобольская Ю.В., Сергеева Е.В.

Анализ и интерпретация данных: Яшин С.С., Федорина Т.А.

Написание и редактирование текста: Федорина Т.А., Яшин С.С., Сергеева Е.В.