I slutet av 2019 rapporterades ett utbrott av ett nytt coronavirus (2019-nCoV) i Wuhan, Hubei-provinsen, Kina . Utbrottet har blivit en global pandemi. Detta virus verkar vara mycket mer smittsamt än coronaviruset för allvarligt akut respiratoriskt syndrom (SARS) (SARS-CoV) och coronaviruset för Mellanösterns respiratoriska syndrom (MERS) (MERS-CoV). I slutet av den 8 juni 2020 har det funnits mer än 7 000 000 bekräftade fall av coronavirus sjukdom 2019 (COVID-19), med nästan 400 000 dödsfall världen över.

Full-längdsgenomsekvensering visade att 2019-nCoV delar 79,5 % sekvensidentitet med SARS-CoV, och parvis proteinsekvensanalys visade att det tillhörde klassen av SARS-relaterade coronavirus . Både 2019-nCoV och SARS-CoV tar sig in i värdcellen via samma receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) . Därför döptes detta virus senare om till SARS-CoV-2. Även om den totala dödligheten vid COVID-19 orsakad av SARS-CoV-2 är lägre än vid SARS och MERS, är organdysfunktion, t.ex. akut andningsnödsyndrom (ARDS), akut hjärtskada, akut leverskada och akut njurskada, ganska vanligt i allvarliga fall. ACE2, en homolog till angiotensin-konverterande enzym (ACE), som uttrycks i en mängd olika mänskliga organ och vävnader, har omfattande biologiska aktiviteter och kan motverka renin-angiotensinsystemets (RAS) negativa roll i många sjukdomar . Med tanke på att spikproteinet i SARS-CoV-2 interagerar med ACE2, liksom det i SARS-CoV, kan COVID-19 ha en patogen mekanism som liknar den för SARS. I denna översikt kommer vi att diskutera ACE2:s roll i COVID-19 och dess potentiella terapeutiska mål, i syfte att ge mer information om hanteringen av epidemin.

RAS och ACE2

RAS är ett komplext nätverk som spelar en viktig roll i upprätthållandet av blodtrycket samt elektrolyt- och vätskehomeostas, vilket påverkar funktionen av många organ, såsom hjärta, blodkärl och njurar . Angiotensin II (Ang-II), som är den mest representativa bioaktiva peptiden i RAS, deltar i stor utsträckning i utvecklingen av kardiovaskulära sjukdomar, såsom högt blodtryck, hjärtinfarkt och hjärtsvikt . I det klassiska RAS- systemet klyver renin substratet angiotensinogen för att bilda decapeptiden angiotensin I (Ang-I), och sedan tar ACE bort två aminosyror vid Ang-I:s karboxylterminus för att ge Ang-II (fig. 1). Hittills har tre Ang-II-receptorer identifierats, och dessa receptorers affinitet för Ang-II är likartad, i det nanomolära området . Bland dessa receptorer binder angiotensin typ 1-receptorn (AT1R) till Ang-II och orsakar vasokonstriktion, cellproliferation, inflammatoriska reaktioner, blodkoagulation och ombyggnad av den extracellulära matrisen, medan angiotensin typ 2-receptorn (AT2R) motverkar de ovan nämnda effekterna som förmedlas av AT1R .

År 2000 upptäckte två oberoende forskargrupper ACE2, en homolog till ACE, som kan avlägsna det karboxyterminala fenylalaninet i Ang-II för att bilda heptapeptiden angiotensin-(1-7) . Dessutom kan angiotensin-(1-7) bildas utan Ang-II under växelverkan av ACE2 och ACE (fig. 1). I denna metaboliska väg hydrolyseras Ang-I först av ACE2 för att bilda angiotensin-(1-9), och angiotensin-(1-9) hydrolyseras sedan av ACE för att bilda angiotensin-(1-7). Ang-I kan också omvandlas direkt till angiotensin-(1-7) av endopeptidaser och oligopeptidaser . På grund av den högre affiniteten mellan ACE och Ang-I är den klassiska vägen från Ang-II till angiotensin-(1-7) vanligare . Angiotensin-(1-7) binder som ligand till den G-proteinkopplade receptorn MAS, som ger motsatt effekt till Ang-II, och utövar en rad olika funktioner i flera organ/system . Förutom att katalysera produktionen av angiotensin-(1-7) är ACE2 involverad i upptaget av aminosyror i tarmepitelceller .

ACE2 medierar SARS-CoV-2-infektion

Inträde i värdceller är det första steget i virusinfektion. Ett spikglykoprotein på coronavirusets virala hölje kan binda till specifika receptorer på värdcellernas membran. Tidigare studier har visat att ACE2 är en specifik funktionell receptor för SARS-CoV . Zhou et al. visade att SARS-CoV-2 kan ta sig in i celler som uttrycker ACE2, men inte i celler utan ACE2 eller i celler som uttrycker andra coronavirusreceptorer, t.ex. aminopeptidas N och dipeptidylpeptidas 4 (DPP4), vilket bekräftar att ACE2 är cellreceptorn för SARS-CoV-2 . Ytterligare studier visade att bindningsaffiniteten hos SARS-CoV-2 spikglykoproteinet till ACE2 är 10-20 gånger högre än SARS-CoV:s bindningsaffinitet till ACE2 . Den sannolika mekanismen för SARS-CoV-2:s inträde i värdcellerna på grundval av SARS-CoV-studier visas i figur 2. Kortfattat binder den receptorbindande domänen för spikeglykoproteinet till spetsen av subdomän I i ACE2 . Membranfusionen mellan viruset och värdcellen aktiveras efter bindningen, och viralt RNA frigörs därefter i cytoplasman, vilket leder till infektion. Vid SARS-CoV-infektion internaliseras intakt ACE2 eller dess transmembrandomän tillsammans med viruset . Den katalytiskt aktiva platsen för ACE2 täcks inte av spikglykoproteinet, och bindningsprocessen är oberoende av ACE2:s peptidasaktivitet. Vissa transmembranproteinaser (t.ex. disintegrin- och metallopeptidasdomän 17 , transmembranproteas serin 2 och TNF-konverterande enzym) och proteiner (t.ex. vimentin och clathrin) kan vara involverade i bindnings- och membranfusionsprocesserna . ADAM17 kan till exempel klyva ACE2 för att orsaka avskiljning av ektodomänen, och TMPRSS2 kan klyva ACE2 för att främja virusupptag .

ACE2 uttrycks i varierande grad i nästan alla mänskliga organ. I andningsorganen visade den traditionella immunohistokemiska metoden och den nyligen införda RNA-seq-analysen av enskilda celler att ACE2 huvudsakligen uttrycks på alveolärepitelceller av typ II, men svagt uttrycks på ytan av epitelceller i mun- och nässlemhinnan och nasofarynx, vilket tyder på att lungorna är det primära målet för SARS-CoV-2 . Dessutom uttrycks ACE2 i hög grad på hjärtmuskelceller, proximala tubulära celler i njuren och urinblåsans urotelceller, och uttrycks rikligt på enterocyter i tunntarmen, särskilt i ileum . Det cellfria och makrofag-fagocytos-associerade viruset kan spridas från lungorna till andra organ med högt ACE2-uttryck genom blodcirkulationen (fig. 2). Till exempel upp till 67 % av de patienter som utvecklade diarré under SARS och en hel del patienter med COVID-19 uppvisade enteriska symtom . Aktiv virusreplikation i enterocyter i tunntarmen har rapporterats, och SARS-CoV-2 har framgångsrikt isolerats från avföringsprover .

ACE2 är förknippat med skador på flera organ i COVID-19

Autopsier av SARS-patienter visade att SARS-CoV-infektion kan orsaka skador på flera organ, t.ex. hjärtat, njurarna, levern, skelettmuskulaturen, det centrala nervsystemet, binjurarna och sköldkörtlarna, förutom lungorna . De flesta kritiskt sjuka patienter med COVID-19 hade också skador på flera organ, bland annat akut lungskada, akut njurskada, hjärtskada, leverdysfunktion och pneumothorax . I likhet med SARS och COVID-19 observeras också ofta organskador vid MERS, särskilt i mag-tarmkanalen och njurarna, medan förekomsten av akuta hjärtskador är mindre vanlig . Till skillnad från SARS-CoV och SARS-CoV-2 använder MESR-CoV DPP4 som sin inträdesreceptor, som huvudsakligen uttrycks på pneumocyter, flerkärniga epitelceller och bronkialsubmukosala körtelceller i lungorna, epitelceller i njurarna och tunntarmen samt aktiverade leukocyter . DPP4 uttrycks inte rikligt på hjärtmuskelceller . Detta tyder därför på att organs involvering och skada är starkt förknippad med receptorns fördelning i kroppen.

Enligt resultaten av en serie studier om SARS bör patogenesen för COVID-19 vara komplex. De virusinducerade inflammatoriska reaktionerna, inklusive överdrivet uttryck av cytokiner och kemokiner, överdriven rekrytering av inflammatoriska celler, otillräckligt interferonsvar och eventuell produktion av autoantikroppar anses vara vitala faktorer i sjukdomspatogenesen . Proinflammatoriska cytokiner (PIC) och kemokiner i plasma, t.ex. interleukin (IL)-1, IL-6, IL-12, IL-8, monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) och interferon-gamma-inducerbart protein 10 (IP-10), är kraftigt förhöjda i plasma hos patienter med SARS . Betydligt förhöjda plasmakoncentrationer av dessa PICs hittades också hos allvarliga patienter med COVID-19 . Obduktionsstudier av SARS-patienter visade vidare att PICs och MCP-1 uttrycktes i hög grad i SARS-CoV-infekterade ACE2+-celler, men inte i vävnader utan infekterade ACE2+-celler, vilket tyder på virusinducerad lokal immunmedierad skada .

Förutom att fungera som receptor för SARS-CoV och SARS-CoV-2 hydrolyserar ACE2 Ang-II till angiotensin-(1-7), och ACE2/angiotensin-(1-7)/MAS motverkar de negativa effekterna av RAS och utövar antiinflammatoriska effekter . Flera studier har visat att SARS-CoV-infektion kan nedreglera ACE2-uttrycket i cellerna och därigenom störa den fysiologiska balansen mellan ACE/ACE2 och Ang-II/angiotensin-(1-7) och därefter orsaka allvarliga organskador . Med tanke på att SARS-CoV-2 är en art av SARS-relaterade coronavirus och använder ACE2 som receptor, kan nedregleringen av ACE2-uttrycket vara inblandad i de multipla organskadorna i COVID-19.

Med utgångspunkt i tidigare studier om SARS och nyligen genomförda studier om SARS-CoV-2 beskrivs nedan de multipla organskadorna i COVID-19 (fig. 3) och den möjliga betydelsen av ACE2 för organskador.

Akut lungskada

Och även om mortaliteten i COVID-19 är lägre än den i SARS och MERS har många patienter akut lungskada (ALI) efter infektion . I likhet med de patologiska egenskaperna hos SARS och MERS observerades också allvarlig diffus alveolär skada, såsom omfattande ödem, hyalinmembranbildning, inflammatoriska infiltrat, mikrotrombibildning, organisering och fibros, i COVID-19, men med mer cellulära fibromyxoida exudat i alveolerna och de små luftvägarna . RAS och ACE2:s roll i ARDS/ALI har fått stor uppmärksamhet sedan utbrottet av SARS 2003. Kliniska studier har visat att ACE-polymorfism kan korrelera med svårighetsgraden av ARDS . Höga Ang-II-nivåer i lungorna kan öka kärlpermeabiliteten och orsaka lungödem . Flera studier har visat på de skyddande effekterna av ACE2/angiotensin-(1-7)/MAS-axeln i lungorna. Den lindrar lunginflammation, fibros och pulmonell arteriell hypertension samt hämmar cancercellstillväxt, tumörangiogenes och tumörmetastasering . I olika djurmodeller av ALI uppvisade ACE2-knockoutmöss ökad kärlpermeabilitet, ökat lungödem, neutrofil ackumulering och markant försämrad lungfunktion jämfört med kontrollmöss av vildtyp . Injektion av rekombinant humant ACE2-protein eller AT1R-blockerare i ACE2-knockoutmöss kan minska graden av ALI .

SARS-CoV-infektion minskar avsevärt ACE2-uttrycket i musens lungor . Ytterligare experiment visade att enbart bindning av rekombinant SARS-CoV spike-Fc till ACE2 från människa och mus kan resultera i en nedreglering av ACE2-uttrycket på cellytan. Spike-Fc-proteinet förvärrade syrainducerad ALI hos vildtypmöss, men påverkade inte allvarlighetsgraden av lungsvikt hos ACE2-knockoutmöss, vilket tyder på att effekten av spike-proteinet på ALI är ACE2-specifik . Studier om influensa visade också att ACE2 var signifikant nedreglerat efter H1N1-infektion . ACE2-brist försämrade signifikant patogenesen hos infekterade möss, och hämning av AT1 lindrade svårighetsgraden av influensa H7N9-virusinducerad lungskada . Dessutom var Ang-II-nivåerna förhöjda hos H5N1- och H7N9-infekterade patienter, vilket var förknippat med lungskadans svårighetsgrad och förutspådde dödliga utfall hos H7N9-infekterade patienter . Hos patienter med COVID-19 var Ang-II-nivåerna i plasma markant förhöjda och linjärt associerade med virusbelastning och lungskador . Alla dessa resultat tyder på att RAS och nedreglering av ACE2 bidrar till patogenesen för lungskada vid COVID-19.

Akut hjärtskada

Hjärtat uttrycker rikligt ACE2, vilket tyder på att det är sårbart för SARS-Cov-2-infektion. Obduktioner av patienter med SARS visade att 35 % av dem (7 av 20) var positiva för SARS-CoV-genomet i hjärtvävnad, och patienter med SARS-CoV hjärtinfektioner hade en mer aggressiv sjukdom och tidigare dödlighet än de utan . Ödem i myokardstroma, inflammatorisk cellinfiltration och atrofi av hjärtmuskelfibrer observerades hos patienter med SARS och hjärtmuskelskador . Hjärtskador är ganska vanliga bland svårt sjuka patienter med COVID-19, och vi fann att tidig akut hjärtmuskelskada var förknippad med en högre risk för dödlighet .

Den gynnsamma rollen av ACE2/angiotensin-(1-7)/MAS-axeln i hjärtat har väl demonstrerats . Den kan inducera vasorelaxation i kranskärlen, hämma oxidativ stress, dämpa patologisk hjärtremodellering och förbättra postischemisk hjärtfunktion . Uttrycket av ACE2 ökar vanligtvis i det inledande skedet av hjärtskadan, men minskar i takt med att sjukdomen fortskrider . ACE2-knockout hos möss resulterar i myokardiell hypertrofi och interstitiell fibros och påskyndar hjärtsvikt . Dessutom förvärrar ACE2-knockout hos möss den hjärtdysfunktion som orsakas av diabetes . I både SARS-CoV-infekterade möss och människor är ACE2-uttrycket i hjärtmuskelceller tydligt nedreglerat i hjärtat . Enligt nyligen genomförda studier och våra uppgifter har ett betydande antal patienter med allvarlig sjukdom hypertoni som en komorbiditet. Överaktivering av RAS kan ha inträffat hos dessa individer redan före infektionen. Den betydande nedregleringen av ACE2 och uppregleringen av Ang-II i COVID-19 resulterar i överaktivering av RAS, och förlusten av de skyddande effekterna av angiotensin-(1-7) kan förvärra och föreviga hjärtskador.

Skador i matsmältningssystemet

Mag-tarmkanalen, särskilt tarmen, är sårbar för SARS-CoV- och SARS-CoV-2- infektioner. SARS-CoV-partiklar har påvisats i epitelceller i tarmslemhinnan, men inte i matstrupen och magsäcken . Det viktigaste patologiska fyndet i tarmarna hos patienter med sars var utarmning av lymfoid vävnad i slemhinnan . Endast en mild fokal inflammation upptäcktes i mag-tarmkanalen . Dessa fynd kan förklara varför gastrointestinala manifestationer i COVID-19 inte är allvarliga och är övergående.

Många patienter med COVID-19 uppvisar en liten till måttlig ökning av serumnivåerna av alaninaminotransferas (ALT) och/eller aspartataminotransferas (AST) under infektionsförloppet . Obduktioner av SARS-patienter visade fettdegeneration, hepatocytnekros och cellinfiltration i levern . SARS-CoV påvisades dock inte i levervävnaden hos de flesta patienter som obducerades . Både immunohistokemi och RNA-seq-analyser av enskilda celler visade att hepatocyter, Kupffer-celler och endotelet i sinusoiderna var negativa för ACE2; endast kolangiocyter var positiva för ACE2 . Gamma-glutamyltranspeptidas (GGT), som avspeglar kolangiocytskador, var förhöjt hos vissa COVID-19-patienter . Dessa resultat tyder på att de flesta akuta leverskador kanske inte beror på virusinfektion, utan med stor sannolikhet på andra orsaker, t.ex. läkemedelshepatotoxicitet, hypoxi och systemisk inflammation. Huruvida SARS-CoV-2 orsakar skador på gallgångarna genom att binda till ACE2 på kolangiocyter kräver ytterligare undersökningar.

Akut njurskada

ACE2 uttrycks i hög grad i njuren, särskilt i de apikala membranen hos proximala tubulära epitelceller, vilket tyder på att njuren är ett annat mål för SARS-CoV-2 . Dessutom kan en obalans mellan Ang-II och angiotensin-(1-7) orsakad av ACE2-brist förvärra njurens sårbarhet för andra faktorer som orsakar akut njurskada (AKI) . SARS-CoV påvisades i epitelceller i de distala tubuli, och virussekvenser identifierades i urinprov från vissa patienter . SARS-CoV-2 har också isolerats från urinprov . En retrospektiv analys av 536 SARS-patienter visade att 6,7 % av patienterna utvecklade akut nedsatt njurfunktion under sjukdomsförloppet . En stor kohortstudie från New York visade att förekomsten av AKI bland patienter med COVID-19 kunde uppgå till 36,6 % .

Andra organ- och vävnadsskador

Pankreas

Pankreasceller uttrycker i hög grad ACE2, vilket tyder på att COVID-19 kan påverka bukspottkörteln . Det har rapporterats att upp till 16 % av patienterna med allvarlig COVID-19 har förhöjda amylas- och lipasnivåer i serum, och 7 % uppvisar medföljande betydande förändringar i bukspottkörteln på datortomografi . Klinisk presentation av akut pankreatit har rapporterats hos patienter med COVID-19 . ACE2/angiotensin-(1-7) spelar en skyddande roll vid diabetes genom att förbättra överlevnaden av β-celler i bukspottkörteln, stimulera insulinutsöndringen och minska insulinresistensen . Studier har visat att jämfört med patienter med icke-SARS-pneumoni utvecklade många fler SARS-patienter som inte hade någon tidigare diabetes och som inte hade fått steroidbehandling insulinberoende akut diabetes under sjukhusvistelsen . Plasmaglukosnivåer och diabetes är dessutom oberoende prediktorer för dödlighet hos patienter med SARS . Vid obduktion av vissa SARS-patienter fann man atrofi och amyloiddegeneration i de flesta bukspottkörtelns öar, vilket tyder på att viruset orsakar skador på öarna . Därför kan COVID-19 också påverka bukspottkörtelns funktion, i likhet med SARS, och glukosnivåerna bör övervakas noga, särskilt hos patienter med diabetes eller glukokortikoidbehandling.

Skelettmuskulatur

Muskelförsvagning och förhöjda serumnivåer av kreatinkinas (CK) observerades hos mer än 30 % av patienterna med SARS . Mildt till måttligt förhöjda CK-nivåer observerades också hos patienter med COVID-19 vid intagningen . Myofibernekros och atrofi observerades i skelettmuskelvävnad, men inga SARS-CoV-partiklar påvisades genom elektronmikroskopi . Nya studier visade att RAS spelar en viktig roll i patogenesen för olika sjukdomar i skelettmuskulaturen och att ACE2/angiotensin-(1-7)/MAS-axeln utövar skyddseffekter mot muskelatrofi . Det är dock oklart om SARS-CoV-2 angriper musklerna och om nedregleringen av ACE2 är förknippad med myopati.

Centrala nervsystemet

ACE2 finns i stor utsträckning i hjärnan, främst i neuronerna, och deltar i den neurala regleringen av breda fysiologiska funktioner, t.ex. kardiovaskulära och metaboliska aktiviteter, stressrespons och neurogenes . I en musmodell invaderade SARS-CoV hjärnan genom luktbulben och spred sig sedan transneuronalt till andra områden . Olfaktoriska och gustatoriska störningar har rapporterats hos många patienter med COVID-19, vilket tyder på att luktbulben är inblandad i SARS-CoV-2-infektion . SARS-CoV isolerades från vävnadsprover från mänsklig hjärna . Obduktioner visade ödem och fokal degeneration av neuroner i hjärnan hos patienter med SARS . Många patienter (78/214) hade neurologiska manifestationer i COVID-19, och SARS-CoV-2 påvisades i cerebrospinalvätskan hos en patient med encefalit . Med tanke på att SARS-CoV-2 har en mycket högre affinitet för sin receptor (ACE2) än SARS-CoV skulle den förstnämnda kunna infektera och skada det centrala nervsystemet.

Blodkärl

ACE2 uttrycks också i endotelcellerna i små och stora blodkärl, och det vaskulära endotelet kan producera angiotensin-(1-7) . ACE2/angiotensin-(1-7)/MAS-axeln inducerar vasodilaterande, antiproliferativa och antitrombotiska effekter i kärlsystemet . SARS-RNA kan påvisas i endotelet i de små venerna i många vävnader . D-dimernivåerna i plasma är betydligt förhöjda hos svårt sjuka patienter med COVID-19 , och förekomsten av disseminerad intravaskulär koagulation (DIC) i sjukdomens tidiga skede är inte sällsynt. Virusinfektion och inflammatoriska reaktioner skadar integriteten hos det vaskulära endotelet och orsakar ökad permeabilitet, koagulationsaktivering och störningar i mikrocirkulationen, vilket kan bidra till organskador vid COVID-19.

Potentiella mål och läkemedel

Då ACE2 är receptor för både SARS-CoV och SARS-CoV-2, och vissa transmembranproteinaser som ADAM17 och TMPRSS är involverade i bindnings- och membranfusionsprocesser, kan dessa platser vara potentiella mål för utveckling av antivirala läkemedel för COVID-19-behandling. Serumprover från patienter med konvalescent SARS kan t.ex. neutralisera spike-drivet inträde av SARS-CoV-2 i värdceller, vilket tyder på att vacciner riktade mot spike-proteinet kommer att vara lovande . Studier har visat att SARS-CoV-specifika monoklonala antikroppar och rekombinant ACE2-Ig effektivt kan neutralisera SARS-CoV-2, och att en hexapeptid av den receptorbindande domänen av spikproteinet binder till ACE2 och därmed blockerar SARS-CoV:s inträde .

Nedregleringen av ACE2 i organ efter virusinfektion stör den lokala balansen mellan RAS och ACE2/angiotensin-(1-7)/MAS-axeln, vilket kan vara förknippat med organskador. Djurstudier har visat att behandling med ACE-hämmare (ACEI) kan öka plasma-angiotensin-(1-7)-nivåerna, minska plasma-Ang-II-nivåerna och öka uttrycket av ACE2 i hjärtat, medan angiotensin II-receptorblockerare (ARB) kan öka plasmanivåerna av både Ang-II och angiotensin-(1-7) samt det kardiella uttrycket och aktiviteten av ACE2 . Användningen av ACEI/ARB:er, reninhämmare och angiotensin-(1-7)-analoger kan således mildra organskador genom att blockera renin-angiotensinvägen och/eller öka angiotensin-(1-7)-nivåerna . Andra djurstudier visade att ALI orsakad av SARS-CoV-spik eller influensavirus hos möss kunde räddas genom användning av ARB:er . I en befolkningsbaserad studie minskade tillämpningen av ACEI:er och ARB:er signifikant 30-dagarsdödligheten hos patienter med lunginflammation som krävde sjukhusvistelse . Det finns också farhågor om att behandling med ACEI/ARB kan underlätta infektion och öka risken för att utveckla allvarlig och dödlig COVID-19 genom att öka ACE2-uttrycksnivåerna i målorganen . Två stora kohortstudier visade dock att användning av ACEI/ARB inte var förknippad med ökad SARS-CoV-2-infektion, utan var förknippad med en lägre risk för dödlighet av alla orsaker hos patienter som lagts in på sjukhus . Ytterligare studier behövs för att testa de skyddande effekterna av ACEI/ARBs i COVID-19.