1.简介
锌是一种重要的金属,由于其作为辅因子、信号分子和结构元素的功能,参与多种生物过程。它参与调节碳水化合物和脂质代谢,以及生殖、心血管和神经系统的功能(1). 同时,锌对免疫系统的作用最为关键。简言之,锌调节白细胞和淋巴细胞的增殖、分化、成熟和功能(2). 锌在炎症反应的调节中起信号作用(三). 它也是营养免疫的一个组成部分(4). 相应地,锌状态的改变会显著影响免疫反应,从而增加对炎症和传染病的敏感性,包括获得性免疫缺陷综合征、麻疹、疟疾、结核病和肺炎(5). 早期数据表明,人群锌状况与儿童和成人呼吸道感染的流行率有关(6,7).
鉴于全世界缺锌的高流行率(高达17%),其对人口健康的影响被视为一个重大问题(8). 此外,某些人群,包括婴儿,尤其是早产儿和老年人,被认为是缺锌及其不良影响的高危人群(9).
在缺锌条件下,生物体更容易受到毒素产生细菌或肠道病毒病原体的影响,这些细菌或肠道病毒病原体会激活鸟苷酸和腺苷酸环化酶,刺激氯化物分泌,导致腹泻,减少对营养物质的吸收,从而加剧已经受损的矿物质状况。此外,缺锌可能会损害水和电解质的吸收,延迟正常自我限制的胃肠疾病发作的终止(10). 在慢性缺乏期间,促炎性细胞因子的产生增加,影响大量炎症、代谢、神经变性和免疫疾病的结果(11). 风湿性关节炎、糖尿病等疾病(12)动脉粥样硬化和肥胖(13),认知功能受损(14)以及年龄相关性黄斑变性(AMD)可能是由于缺锌、慢性炎症恶化和氧化应激所致。
在6-29%的呼吸道感染中,冠状病毒科被认为是病原体(15,16)尽管这种疾病的严重程度因特定病毒及其毒力的不同而有很大差异(17). 来自冠状病毒科家族是可以从动物传染给人类的人畜共患病毒。蝙蝠被认为是这些病毒的宿主,但其他中间动物也可以将病毒传播给人类(18). 新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是由2019年底首次在中国武汉出现的新型2019-nCoV病毒(现称SARS-CoV-2)引起的一种冠状病毒病(19). 尽管其他两种高致病性冠状病毒MERS-CoV和SARS-CoV关系密切(20),SARS-CoV-2扩展到大多数国家(21). 2020年3月11日,世卫组织将新冠肺炎定性为大流行(22). 目前,新冠肺炎的流行率超过1521200例,导致全球92700人死亡(23).
新型冠状病毒肺炎主要影响呼吸系统,导致肺炎和急性呼吸窘迫综合征(24)导致机械通风的要求(25). 反过来,众所周知,高龄、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)和机械通气与新冠肺炎死亡率较高有关(26). 现代生活中,个人暴露于多种化学物质,即使是长期易患慢性病和代谢紊乱的低剂量,也会增加这种风险(27-31). 既往慢性代谢疾病,包括糖尿病、心血管疾病(32)和肥胖(33)被认为是增加新冠肺炎易感性和死亡率的风险因素。据推测,由于免疫功能受损,老年人感染新冠肺炎的风险较高(34).
由于锌在免疫中的作用得到了明确证明(2)以及衰老过程中受损的锌状态(35)代谢性疾病,包括糖尿病、肥胖和心血管疾病(13)推测锌化合物可作为新冠肺炎的辅助治疗(36)增加抗病毒耐药性(37). 值得注意的是,锌早先被认为是免疫支持和预防H1N1流感(“葡萄酒流感”)的潜在药物(38).
鉴于缺乏锌对新冠肺炎的预防和/或治疗效果的临床数据,以及锌对呼吸系统的主要影响,在这篇综述中,我们将讨论锌在预防支气管肺感染方面的作用的最新临床数据,以及锌对nCoV-2019的直接影响的现有迹象。
2.锌和新冠肺炎
鉴于全球新冠肺炎疫情,锌的潜在保护作用尤为重要。锌因其免疫调节作用和直接抗病毒作用而被认为是治疗新型冠状病毒感染的潜在支持疗法(36). 然而,由于迄今为止还没有关于锌抗新冠肺炎作用的直接数据,因此本综述将仅从机制上讨论现有数据。
具体而言,Zn2+阳离子,尤其是与锌离子载体吡啶硫酮结合,通过减少其复制抑制SARS冠状病毒RNA聚合酶(RNA依赖性RNA聚合物,RdRp)活性(39). 这些重要发现表明,锌2+可能被认为是新冠肺炎治疗中的特殊抗病毒药物。值得注意的是,最近的试验表明氯喹抗病毒活性作为新型冠状病毒肺炎的治疗有效(40)尽管其抗病毒活性的密切机制需要进一步研究(41). 早期发现表明,氯喹是一种锌离子载体,可增加锌2+通量进入电池(42). 此外,作者还提出,氯喹介导的锌内流可能是该化合物抗癌活性的基础(42). 同样,假设细胞内锌增加2+氯喹的浓度也可能介导其对SARS-CoV-2的抗病毒作用。从这个角度来看,不含氯喹的补锌可能具有类似的积极作用,而不会产生氯喹治疗的不良副作用(43). 假设,使用其他锌离子载体,如槲皮素和表没食子儿茶素没食子酸酯,也可以观察到这种效应(44)虽然临床试验得到了实验支持,但毒性大大降低在体外需要进行研究来支持这一假设。
另一种与锌相关的新冠肺炎调节方法可能包括靶向病毒蛋白结构中的锌离子。特别是,已经证明二硫键诱导的锌2+MERS-CoV和SARS-CoV中木瓜蛋白酶样蛋白酶的释放导致蛋白质不稳定(45). 鉴于存在类似的关键含锌位点,锌投影剂药物(如二硫仑)可被视为潜在的抗病毒药物(46)抗SARS-CoV-2治疗中靶向氧化策略的成分(47).
SARS-CoV-2与SARS-CoV相似,需要血管紧张素转换酶2(ACE2)才能进入靶细胞(48). 因此,调控ACE2受体被认为是新冠肺炎治疗的潜在治疗策略(49). 斯佩斯等(50)证明锌暴露(100µM) 显示可降低大鼠肺中重组人ACE-2的活性。虽然该浓度接近总锌的生理值,但锌对SARS-CoV-2-ACE2相互作用的调节作用似乎只是假设(51).
虽然没有冠状病毒HCoV 229E(52)也不是HCoV-OC43(53)感染导致睫状体搏动频率显著降低,HCoV 229E诱发睫状体运动障碍,导致粘液纤毛清除受损。后者不仅会改变病毒颗粒的清除,而且会像流感病毒一样容易感染细菌(54). 反过来,补充锌可以改善锌缺乏大鼠支气管上皮的纤毛长度(55)以及增加睫状体搏动频率在体外(56). 因此,锌可能会改善nCoV-2019诱导的黏液纤毛清除功能障碍。一般来说,锌被证明是呼吸道上皮细胞所必需的,因为它具有抗氧化和抗炎活性(57)以及紧密连接蛋白ZO-1和Claudin-1的调节(58)从而增加其屏障功能。反过来,紧密连接蛋白复合物(如ZO-1和Claudin-1)的下调以及屏障功能的降低加剧了病毒和细菌的炎症过程(59). 此外,气道中TJ perm选择性的丧失导致高分子量蛋白质和水不受控制地泄漏到气道中,从而导致肺泡水肿和ARDS的形成(60).
3.锌和呼吸道病毒
尽管锌对SARS-CoV-2和COVID-19直接作用的数据有限,但其抗病毒作用已在其他病毒性疾病中得到证实。锌通过调节病毒颗粒的进入、融合、复制、病毒蛋白的翻译以及对包括呼吸系统病理学相关病毒在内的许多病毒的进一步释放,对病毒感染具有重要影响(37,61). 具体地说,通过应用锌离子载体(如吡硫酮和hinokitiol)增加细胞内锌水平,显著改变小RNA病毒的复制,小RNA病毒是普通感冒的主要病因(62). 这些发现通常与20世纪70年代早期锌对鼻病毒复制的抑制作用的早期迹象相一致(63). 此外,锌治疗可增加白细胞产生干扰素α(IFNα)(64)并增强其在鼻病毒感染细胞中的抗病毒活性(65). 由于干扰素α的抗病毒活性是通过JAK1/STAT1下游信号转导和抗病毒酶(如潜伏核糖核酸酶(RNaseL)和蛋白激酶RNA-activated(PKR))的上调介导的,这些抗病毒酶参与病毒RNA降解和抑制病毒RNA翻译(66)最近的研究结果表明,锌可能会刺激这些机制2+.
这些发现以及锌在免疫中的作用的现有数据引起了人们对锌在预防和/或治疗感冒中的潜在用途的兴趣。辛格和达斯的系统回顾(67)发表在Cochrane数据库中的研究显示,补充锌后,普通感冒持续时间显著缩短,患普通感冒的发病率也显著降低(IRR=0.64(95%CI:0.47-0.88),P=0.006)。荟萃分析结果表明,锌的补充剂量>75毫克/天显著缩短了普通感冒的持续时间(68)乙酸锌是最有效的形式(69).
某些研究还揭示了锌状态与呼吸道合胞病毒(RSV)感染之间的关系。特别是,已经证明RSV肺炎患儿的全血锌显著降低(70). 围产期酒精暴露导致锌代谢受损与免疫抑制和肺泡巨噬细胞活性改变相关,导致RSV感染易感性增加(71). 反过来,锌化合物被证明可以抑制呼吸道合胞病毒的复制和RSV斑块的形成,在10µm锌预培养(72).
同样值得注意的是,缺锌与流感-MRSA细菌重叠感染的高死亡率和不良长期预后相关(73)也强调了考虑细菌复合感染风险的重要性。
尽管有关于补充锌对呼吸道病毒感染的保护作用的实验结果,但临床和流行病学数据仍有待详细阐述和系统化。
4.成人和老年人肺炎
锌对免疫系统至关重要,老年人缺锌的可能性增加(74). 低锌状态被认为是老年人肺炎的潜在危险因素。尤其是高血清锌(>70µg/dl,即约10.8µ与低锌(<70µg/ml)组(75)也与全因死亡率相关(76). 社区获得性肺炎和高龄患者的血清锌水平降低15%,根据CURB-65评分评估,这也与肺炎严重程度相关(77). 尽管发烧、心动过速和呼吸急速的平均持续时间往往更长,但锌水平低的伊朗患者的重症肺炎发病率明显较高(78). 相应地,在急性呼吸衰竭发病时发现血清锌水平不足,感染性休克患者的锌水平最低。然而,未观察到血清锌值与30天死亡率或在重症监护病房的停留时间之间的关联(79).
系统分析的结果也证实了每天摄入至少75毫克锌对减少肺炎症状持续时间而非严重程度的有效性,成人的反应比儿童更明显(80). 同时,某些研究没有发现在服用标准抗生素治疗的同时肺炎有任何改善,尽管补充时间只有4天(81).
Boudreault的详细研究等(82)证明低血浆锌易导致重症监护中呼吸机诱导的损伤,这与金属硫蛋白系统在肺部保护中的作用有关。这些数据证实了实验研究的结果,该研究表明缺锌大鼠通气诱导的肺损伤加重(83).
在印度患者中,高血浆锌水平与脓毒症死亡率降低以及48小时SOFA评分降低相关(84). 此外,危重病患者持续低血清锌水平与复发性脓毒症风险增加相关(85).
总之,现有数据表明,锌状态与成人和老年人肺炎及其并发症(包括呼吸衰竭、呼吸机诱导损伤和败血症)之间存在关联。
5.小儿呼吸道感染
最初的报告假设老年人对SARS-CoV-2感染的易感性几乎异常,从而表明儿童对新冠肺炎具有天然抵抗力(86). 然而,对小儿新型冠状病毒肺炎病例的详细分析(87)俄罗斯的新经验表明,儿童也可能受到SARS-CoV-2的严重影响。鉴于婴儿锌缺乏症的高发率,还讨论了锌状况与儿童肺炎之间的关系的现有数据。
发展中国家肺炎的高发病率被认为是人群缺锌的结果(7). 重症肺炎患儿低血清锌的发生率为80%(88). 相应地,在儿科急性下呼吸道感染患者中观察到血清锌水平降低了2倍(89). 肺炎患儿并发败血症、机械通气和致死病例的血清锌水平显著降低(90). 一般来说,肺炎患儿锌水平低的迹象为预防性补锌提供了依据。
特别是,发展中国家的锌补充剂可将肺炎发病率降低19%(RR=0.81;95%CI:0.73,0.90),而肺炎特异性死亡率降低15%并不显著(91). 最近在Cochrane数据库中发表的一项系统综述和荟萃分析表明,锌补充剂显著降低了儿童肺炎的发病率和患病率,分别为13%和41%(92).
与锌补充剂已证明的预防效果相反,锌在儿童肺炎治疗中的疗效数据相互矛盾(93). 尽管早期观察到治疗失败风险降低(94)和病死率[RR=0.67(95%CI:0.24-0.85)](95)在重症肺炎儿童中,最近的一项研究表明,对经放射检查证实患有肺炎的2至24个月大儿童补充锌并没有显著改善治疗失败的风险(96). 此外,锌缺乏的肺炎儿童在血清锌水平达到正常之前补充锌并不能改善疾病的临床表现(97).
许多研究表明,锌补充剂在预防非特定急性下呼吸道感染(包括支气管炎、细支气管管炎和肺炎)方面具有潜在的功效。特别是,对锌缺乏的儿童补充10毫克葡萄糖酸锌,导致急性下呼吸道感染的发作次数和恢复时间几乎减少了两倍(98). 此外,泰国儿童补充锌(30毫克/天)可显著降低急性下呼吸道感染的严重程度,从而更快地停止疾病并缩短住院时间(99). 一项详细的荟萃分析表明,锌补充剂显著降低了5岁以下儿童急性下呼吸道感染的发病率(根据特定临床标准定义)(100).
同时,补充锌对上呼吸道感染的影响也得到了证明。特别是,在一项为期12个月的随机临床试验中,补充5毫克锌后,哥伦比亚儿童的上呼吸道感染人数减少了73%(101). 某些研究还揭示了补锌对儿童急性上下呼吸道疾病的保护作用(102,103).
6.锌与肺部炎症
炎症在局部(肺炎)和全身(细胞因子风暴)水平上都在新冠肺炎发病机制中起着关键作用,寻找合适的抗炎剂尤为重要(104).
尽管在许多综述中详细讨论了锌在炎症反应调节中的作用(2,5)锌在肺炎发病机制和肺部炎症中的某些调节作用仍有待阐明。然而,现有数据清楚地表明,锌离子在肺炎中可能具有抗炎作用,从而限制了组织损伤和全身效应。
特别是,大鼠缺锌导致促炎性TNFα和VCAM-1表达显著增加,肺组织重塑,补充锌可部分逆转(105). 锌缺乏还通过上调TNFα、IFNγ和FasR信号和细胞凋亡,导致肺上皮细胞屏障功能显著改变在体外(106). 在脓毒症条件下,锌缺乏可通过刺激肺部JAK-STAT信号上调急性期反应相关基因(107). 锌和一氧化氮(NO)-金属硫蛋白(MT)-Zn通路被证明在LPS或高氧的反应中介导肺损伤(108).
反过来,锌预处理显著减少了LPS诱导的肺内皮细胞损伤,并增加了细胞活力在体外,以及通过血氧压力和饱和度评估的呼吸功能改善(109). 研究表明,锌预处理可显著降低LPS诱导的中性粒细胞向肺部的募集,从而减少小鼠的急性肺损伤(110).
值得注意的是,缺锌与肺细胞外基质的炎症改变有关,这些炎症改变易导致纤维化(111). 鉴于新型冠状病毒肺炎患者存在间质性肺纤维化,这一发现尤其令人感兴趣(112).
某些研究表明,锌对包括脓毒症在内的全身炎症中的肺损伤具有保护作用。实验数据表明,在多菌败血症小鼠模型中,锌缺乏增加了对全身炎症和脓毒症诱导的器官损伤(包括肺部)的敏感性(113). 在多菌败血症模型中,锌缺乏导致肺部NF-κB p65 mRNA表达和生成增加,导致靶基因IL-1β、TNFα和ICAM-1上调(114)而补充锌可减少中性粒细胞浸润和MPO介导的氧化损伤(115,116). ERK1/2和NF-κB通路的调节被证明对脓毒症条件下锌对肺部的保护作用至关重要(117).
相应地,脓毒症患者的特征是血清锌水平低,这可能是由于ZIP8(SLC39A8)mRNA表达增加所致。此外,血清锌浓度与疾病严重程度和促炎细胞因子IL-6、IL-8和TNFα呈负相关(118). 在肺上皮细胞和肺泡巨噬细胞中发现了ZIP8和NF-κB表达对TNFα或LPS暴露的相互调节(119). 此外,ZIP8-缺陷小鼠的特征是气道中性粒细胞浸润增加,CXCL1和IL-23生成增加(120).
在有毒大气污染物暴露模型中也证明了锌介导的呼吸保护作用。特别是,农业有机粉尘暴露动物的锌缺乏加剧了中性粒细胞迁移和促炎细胞因子(TNFα、IL-6、CXCL1)的过度生成,以及NF-κB活化导致巨噬细胞IL-23和CXCL1表达增加(121). 反过来,香烟烟雾暴露小鼠补充锌显著减少了支气管肺泡灌洗液中肺泡巨噬细胞的数量(122).
锌在肺组织中观察到的抗炎作用似乎主要是通过PKA诱导的Raf-1和IκB激酶β(IKKβ)抑制NF-κB信号传导来介导的(123,124)或A20依赖性抑制(125). 此外,锌诱导的T细胞活性调节也可能在限制炎症反应中发挥重要作用(126,127). 最后,锌被证明可以在表观遗传水平上正常化缺锌引起的促炎细胞因子的过度生产(124,128).
7.锌和肺炎链球菌感染
虽然新型冠状病毒肺炎的特征是由SARS-CoV-2病毒引起的病毒性肺炎,但由于其在H1N1流感相关肺炎中的高发病率,细菌联合感染可能是一个重大问题(129). 特别是,人类冠状病毒NL63与粘附性增加有关肺炎链球菌上皮细胞(130). 反过来,肺炎链球菌感染被认为是肺炎最常见的原因。
锌是抗菌免疫的基本成分(5). 特别是,锌缺乏与肺炎球菌感染时吞噬细胞的杀伤活性降低有关(131). 反过来,补充锌改善了鼻咽肺炎链球菌儿童携带与急性下呼吸道感染(132). 锌缺乏也容易导致对肺炎球菌表面蛋白A的免疫反应受损,鼻腔肺炎链球菌小鼠的定植和严重肺炎球菌感染(133)导致感染后生存时间缩短(134). 相应地,对23价肺炎球菌多糖疫苗免疫反应较好的患者的特征是血清锌水平显著升高(135). 然而,没有效果(136)或血清型特异性效应(137)观察锌对多价肺炎球菌疫苗抗体生成的影响。锌也可能对肺炎链球菌通过干扰Mn(II)稳态和细胞质锰缺乏症的发展来减少其生长(138). 后者反过来又增加了细菌对中性粒细胞氧依赖性杀伤的敏感性(139).
许多研究表明氧化锌纳米粒子具有抗菌作用(140). 特别是,ZnO通过以下方式抑制生长和生物膜形成肺炎链球菌(141). 与肺炎病因学有关的其他细菌制剂也观察到类似的效果,包括肺炎克雷伯菌(142),耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(143)、和铜绿假单胞菌(144). 然而,由于ZnO-(NPs)对人肺细胞的毒性,其潜在的抗菌应用可能受到限制(145)以及支气管和肺部巨噬细胞吞噬活性受损(146).
当考虑到肺炎链球菌此外,还应注意锌离子对细菌的重要性。特别是,细菌正常生长和形态以及定殖和毒力都需要充足的锌吸收(147). 肺炎球菌生物膜的形成也取决于锌的生物利用度(148).
8.观点和结论
获得的数据表明,个体充足的锌状态可提高免疫反应性。相应地,锌供应不足可能会导致上下呼吸道感染性疾病。虽然锌的治疗效果被认为是不一致的,但现有的循证数据表明,锌的补充和锌状态的改善在预防肺炎及其因锌的抗炎作用而引起的并发症方面是有效的。
虽然锌的生物医学相关性尚待研究,但锌对2019年流感病毒的潜在抗病毒作用存在某些间接迹象。根据该病临床病程的最新数据,充足的锌状态可能通过减少肺部炎症、改善黏液纤毛清除率、预防呼吸机引起的肺损伤、调节抗菌和抗病毒免疫,特别是在老年人中,作为新冠肺炎的辅助治疗具有保护作用(图1). 需要进一步的临床和实验研究来阐明锌缺乏在新冠肺炎易感性中的潜在作用,以及锌补充的影响和潜在机制。