“细胞因子风暴”首次在文献中用于描述同种异体造血干细胞移植后急性移植物抗宿主病的植入综合征，至今已有27年。“细胞因子释放综合征”则是为了描述输注莫罗莫那单抗（muromonab-CD3，OKT3）后的类似综合征而创造的。细胞因子风暴和细胞因子释放综合征是危及生命的全身性炎症综合征，涉及循环细胞因子水平升高和免疫细胞过度激活。可由各种疗法、病原体、癌症、自身免疫性疾病和单基因疾病触发。
因细胞因子风暴或细胞因子释放综合征的定义过于宽泛或过度关注于医源性原因，目前其尚无广泛认可的定义。在没有病原体感染的情况下，通过观测疾病进程中的细胞因子水平很容易辨别细胞因子风暴，但对严重感染的期间，特别是考虑到某些细胞因子可能有助于控制感染但同时亦对宿主有害时，机体的正常反应和失调反应之间的界限难以辨别。同时，这些炎症介质的相互依赖性使正常反应和失调反应之间的区别进一步复杂化。故对于临床医生而言，识别细胞因子风暴对患者的治疗和预后具有重要意义。
在本文中，NEJM的撰文者提出了细胞因子风暴的统一定义；讨论该综合征的病理生理特征、临床表现和治疗；并概述医源性、病原体诱发性、肿瘤性诱发性和单基因性病因。旨在为医生提供一个概念框架、统一的定义以及必要的分期、评估和治疗工具以管理细胞因子风暴。
01
临床特征与实验室指标异常
因子风暴是一个总称，包括数种免疫失调疾病，其特征是全身症状、全身炎症和多器官功能障碍，如果治疗不当，可导致多器官衰竭。尽管驱动因素不同，但细胞因子风暴的晚期临床表现趋同且经常重叠，而这些症状可能是细胞因子诱导的组织损伤或急性期生理变化亦或是免疫细胞介导的反应所引起。即几乎所有的细胞因子风暴患者都是发热，严重病例则表现为高热。部分患者还伴随疲乏、头痛、皮疹、关节痛和神经精神表现等。过度炎症、凝血病和低血小板计数的联合作用使细胞因子风暴患者成为自发性出血的高危患者，可快速进展为弥散性血管凝血、血管闭塞等。此外，部分患者还会表现出严重的呼吸系统症状，如咳嗽、呼吸急促等，甚至发展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS）,并伴随血氧降低，需机械通气以维持血氧。同时，肾功能衰竭、急性肝损伤、心肌损伤等在部分细胞因子风暴严重的病例中也常有报道。部分患者在肾功能障碍、内皮细胞死亡和急性期低白蛋白血症的共同作用下，会表现出与接受大剂量白介素-2治疗的癌症患者相似的变化，即毛细血管渗漏综合征和全身性水肿。以及表现出免疫效应细胞相关的神经毒性综合征或与细胞因子释放综合征相关的脑病。这些相关神经毒性作用常常迟发，一般在细胞因子风暴发生几日后出现。
图1. 胞因子风暴的临床表现
细胞因子风暴的实验室检测结果因人而异。但普遍表现出非特异性炎症标志物（如C反应蛋白）升高，且与严重程度正相关。并伴随血细胞计数异常、铁蛋白，D-二聚体升高等。其原因归结于多种因子的相互作用，这些细胞因子诱导骨髓中的细胞生成、趋化因子诱导细胞迁移以及免疫细胞介导的机体损伤。如白介素-6、白介素-2、干扰素γ、趋化因子CXCL9等。在 CAR- T 细胞疗法诱导的细胞因子风暴和其他几种细胞因子风暴疾病中发现血清白细胞介素-6 水平高度升高。
那么，评估是否为细胞因子风暴患者应明确那些指标呢？作者将其分为如下三点：1、辨别基础疾病（并排除可能类似于细胞因子风暴的疾病）。2、确定严重程度3、确定临床轨迹。对于所有疑似细胞因子症状的病例，均应进行全面的感染病情检查，以及肾脏和肝功能的实验室评估，并检测炎症性急性期生物标志物（例如 CRP 和铁蛋白）和血细胞计数。然而，仅根据临床特征很难区分脓毒症引起的细胞因子风暴和CAR-T细胞治疗引起的细胞因子风暴。故联合检测以排除感染，并且测量血清细胞因子有助于确定细胞因子风暴的原因。然而，CAR-T疗法和其他非感染性原因也可以与感染同时存在，而感染也可以在治疗过程中发生，因此持续监测感染情况十分必要。同时，考虑细胞因子风暴时应排除部分疾病，如过敏和对微生物感染的正常生理反应。
02
细胞因子风暴的病理生理学特征
炎症反应涉及一套极为复杂的生物机制。这些机制在多细胞生物中进化为通过激活先天性和适应性免疫反应来解决损伤。免疫系统通过识别外来入侵者，对病原体作出对应的免疫反应，清除病原体，维持体内稳态。这种反应需机体产生足够的细胞因子，但亦需在消除病原体和避免过度炎症反应之间取得平衡，过多的细胞因子往往会导致临床上显着的附带损害。那么，机体进化过程中是否有对应的策略来应对细胞因子的附带损害呢？答案是细胞因子拥有极短的半衰期，这通常会阻止它们在淋巴组织和炎症部位之外产生有害影响。
细胞因子风暴可在多种情况下触发：在没有病原体的情况下启动反应（如特发性多中心卡斯尔曼病的遗传性疾病）、效应免疫细胞过度活化（如CAR-T 细胞治疗引起的细胞因子风暴）、机体难以承受的病原体负担（如脓毒症）或不受控制的感染和长时间的免疫激活（如EB 病毒相关的噬血细胞性淋巴组织细胞增多症，HLH）以及免疫应答未能消退并恢复体内平衡（如原发性HLH）。在这些状态下，细胞因子的过度分泌会导致机体过度的炎症反应和多器官衰竭。
那么，鉴于细胞因子的症状不具有特殊性，要怎样定义细胞因子风暴呢？作者提出以下三个标准来识别细胞因子风暴：1、循环细胞因子水平升高。2、急性全身炎症症状3、由于炎症引起的继发性器官功能障碍（通常是肾脏，肝脏或肺部），超出可归因于对病原体的正常反应（如果存在病原体），或任何细胞因子驱动的器官功能障碍（如果不存在病原体）。细胞因子中和治疗手段和抗炎药物对细胞因子风暴治疗结局的改善进一步支持了过量细胞因子的病理理论以及将疾病分类为细胞因子风暴。
简而言之，机体对病原体作出的反应的过程或免疫治疗过程中所引起的细胞因子风暴而导致的机体损害可能大于该过程中免疫反应本身能为机体带来的直接益处。并且，由于细胞因子半衰期短，循环水平可能无法准确反映局部组织水平，并且在全身范围内也不容易获得测量结果。所以，作者不对细胞因子正常水平设定具体的阈值标准，也不推荐特定的细胞因子组合或列出必须升高水平的特定细胞因子。这也意味着，未来这将是相关研究的一个要点！
图2. 细胞因子风暴的病理生理学特征
细胞因子风暴可以由于以下原因引起：不适当识别（如在超敏反应中）或无效识别和免疫逃避,不适当应答以及细胞因子生成过度,免疫逃逸导致无效应答，或者无法终止炎症恢复稳态。
03
参与细胞因子风暴的细胞
先天性免疫细胞作为体内抵御外来原体的第一道防线，其包含了多种细胞，如粒细胞、单核细胞和巨噬细胞等。这些细胞识别病原体，通过吞噬作用吞噬病原体和细胞，并产生细胞因子。先天免疫细胞使用模式识别受体（对任何特定抗原不具有特异性）识别病原体，并通过产生细胞因子来激活适应性免疫系统，从而进一步识别和响应各种微生物入侵者。
与细胞因子风暴发病机制有关的先天细胞包括中性粒细胞、巨噬细胞和NK细胞。其中中性粒细胞通过产生一种纤维网络（中性粒细胞细胞外陷阱），其有助于血栓形成，并在细胞因子风暴期间会增强细胞因子的产生。在许多形式的细胞因子风暴中，巨噬细胞被激活并分泌过量的细胞因子，最终导致严重的组织损伤，从而导致器官衰竭。此外，在某些形式的细胞因子风暴中，NK细胞的细胞溶解功能降低，这可能会延长抗原对免疫系统的刺激，进而导致炎症难以解决。
适应性免疫系统主要由T细胞和B细胞组成。T细胞在不同条件下诱导分化为多种亚群，具有不同功能并分泌不同的细胞因子。其中1型辅助性T（Th1）细胞和细胞毒性T淋巴细胞（CTL）主要负责宿主对病毒感染的防御。Th1细胞调节巨噬细胞的募集， 2型辅助性T（Th2）细胞募集嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞，9型辅助性T（Th9）细胞募集肥大细胞，17型辅助性T细胞（Th17）细胞募集中性粒细胞。其中，Th1细胞产生大量的干扰素γ，诱导迟发性超敏反应，激活巨噬细胞，对于防御细胞内病原体至关重要。
CAR-T 细胞治疗和抗 CD28 抗体治疗是T 细胞过度活化而形成的细胞因子风暴的医源性原因，表明活化的 T 细胞能够引发细胞因子风暴。来自HLH小鼠模型和细胞因子风暴患者的数据表明，无法及时杀死CTL而导致T细胞体内长时间活化，从而引发一连串的炎症组织损伤。B细胞通常与细胞因子风暴的发病机制无关。然而，通过耗竭B细胞治疗某些细胞因子风暴疾病（如人疱疹病毒8（HHV-8）相关的多中心卡斯尔曼病）的有效性表明，在病毒感染时，这些细胞能引发或传播细胞因子风暴。
图3. 参与细胞因子风暴的效应T细胞亚群
相对而言，近些年的研究才使我们对细胞因子风暴这一疾病有进一步的认识。分子克隆技术的出现帮助我们发现了细胞因子风暴涉及的全套细胞因子和趋化因子（表1）。复杂且相互连接的细胞类型、信号通路和细胞因子网络参与了细胞因子风暴，干扰素γ、白介素-1、白介素-6、TNF和白介素-18是细胞因子风暴中水平常升高的关键细胞因子，被认为具有核心病理作用。细胞因子升高的模式因微生物群、遗传特征和基础疾病等因素而不同。分泌各种细胞因子的具体免疫细胞尚未完全明了，而且很可能在不同细胞因子风暴中有所不同。
表1. 细胞因子风暴中的可溶性细胞因子/炎性介质*
BLC（B淋巴细胞趋化因子）；CXCL(C-X-C基序趋化因子配体)；GM-CSF(粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子)；MIG表示干扰素γ诱导的单核因子；MIP-1β(巨噬细胞炎症蛋白1β)；NK(自然杀伤细胞)；VEGF(血管内皮生长因子)。
了解到多种不同状况可导致细胞因子风暴（表2）之后，也推动了对这一疾病的认识。将重组细胞因子如白介素家族成员IL-1、IL-6、IL-12等、肿瘤坏死因子（TNF）和干扰素γ给予动物模型或用于治疗癌症患者之后，它们可产生严重的细胞因子风暴样症状、毒性作用甚至导致死亡，这与细胞因子在细胞因子风暴中作为过度炎症介质发挥核心作用的理论相符。反过来，使用单克隆抗体中和特定细胞因子可以减轻症状和改善器官功能也表明某些高水平的细胞因子在许多细胞因子风暴疾病中起关键作用。
表2. 细胞因子风暴的临床原因、病理驱动因素和治疗方法
CAR（嵌合抗原受体），CMV（巨细胞病毒），EBV（EB病毒，HHV-8（人类疱疹病毒8型），HIV（人类免疫缺陷病毒），HLH（噬血细胞性淋巴组织细胞增生症），JAK1（Janus激酶1），JAK2（Janus激酶2），MAS（巨噬细胞活化综合征），MCD（多中心卡斯尔曼病），mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白），SARS-CoV-2（严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2）。
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医源性细胞因子风暴
前面我们已经讲到，CAR-T 细胞治疗和抗 CD28 抗体治疗是T 细胞过度活化而形成的细胞因子风暴的医源性原因，表明活化的 T 细胞能够引发细胞因子风暴。研究表明，高度活化的CAR -T细胞是细胞因子风暴的启动因素。虽然早期的一些研究提示发挥驱动作用的细胞因子是由CAR -T细胞释放，进而导致T细胞活化和炎症细胞因子释放。但最近在小鼠上开展的研究提示，细胞因子和推动细胞因子风暴发展的因子并非由CAR-T细胞生成，而是巨噬细胞生成，而这种细胞因子风暴可通过白介素-6阻滞剂高效逆转大多数患者的症状和器官功能障碍。因此，在CAR T细胞疗法诱发的细胞因子风暴中，白介素-6可能是发挥驱动作用的细胞因子。糖皮质激素和白介素-1抑制剂也可有效治疗此类细胞因子风暴。然而，并非所有接受CAR T细胞或blinatumomab（一种与CD19+和CD3+T细胞结合的双特异性抗体）治疗的患者都会发生细胞因子风暴，所以可能有其他因素,如CAR结构和设计、疾病负担和宿主基因背景在治疗中产生影响。
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病原体诱发的细胞因子风暴
细胞因子风暴也可由自然发生的微生物感染导致。感染很可能是细胞因子风暴的最常见触发因素，但为了控制广泛感染而适量生成的细胞因子与过度生成的细胞因子常常难以区分。这些细胞因子可能导致发热、细胞死亡、凝血病和多器官功能障碍。免疫应答在尝试清除病原体过程中造成的附带损伤可能比病原体本身更为致命。在与脓毒症相关的细胞因子风暴中，目前尚不清楚是哪些免疫细胞和细胞因子推动了病理性过度炎症。
传播性病毒感染也可诱发严重的细胞因子风暴。对微生物产生过度炎症反应的患者，他们的免疫系统在检测病原体种类、产生抗病原体效应以及免疫负反馈调节机制或者消除炎症方面常常有缺陷。此前，有研究表明，在具有遗传易感性的患者中，病原体的侵入为细胞因子风暴的产生开启了“发射按钮”，而T细胞活化则推动了细胞因子风暴。临床中，使用环孢素和抗IL-6受体单克隆抗体疗法对某些病毒驱动的HLH相关细胞因子风暴有效，这表明了细胞因子风暴的形成以及发挥“效力”的过程中，T细胞活化和IL-6的促炎功能起着关键作用。在新冠疫情期间，医疗单位号召已康复的新冠患者积极献血清以救治重症患者。究其原因，主要是现有抗病毒药较少，与细菌感染患者相比，病毒感染患者采取有效靶向治疗更为困难。而免疫球蛋白和恢复期患者血浆有时有助于患者控制病原体，并产生有益的免疫调节作用。这就是对于某些病毒早期感染时，使用促炎细胞因子可能有助于在免疫应答造成损害之前控制病毒。
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单基因或自身免疫性细胞因子风暴
临床中，偶尔可见病原体在单基因病患者中触发细胞因子风暴的情况。实际上，细胞因子风暴的发病原因复杂，还包括自身免疫、肿瘤或特发性原因。如原发性HLH患者的基因突变（PRF1、UNC13D、STXBP1、RAB27A等）以及继发性HLH患者的自身免疫疾病、病毒感染以及自身免疫等均与细胞因子风暴相关。其中，HLH患者细胞因子与高水平的IFN-γ、TNF、白介素家族成员如IL-1、IL-6等正相关。对应的治疗药物如糖皮质激素、环孢素、抗IL-1抗体、JAK1和JAK2抑制剂和IL-6拮抗抗体对一些原发性或继发性HLH患者有益，这一情况亦提示上述药物靶向的通路亦可能是发病机制的关键。
自身炎症性疾病的特征是在看似无原因的情况下发生炎症，以及在无感染和自身免疫表现的情况下发生细胞因子风暴。这部分患者往往伴随着一定的遗传病或先天免疫系统疾病，其包括TNF受体相关周期性综合征（TNFRSF1A），新生儿发病的多系统炎症综合症等。这些遗传疾病推动细胞因子风暴发生的关键因素可能在于先天免疫细胞释放的细胞因子，如TNF，白介素家族成员等。目前，临床中已有部分研究正在评价使用相关的细胞因子上游基因抑制剂以治疗细胞因子风暴的研究。
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病毒相关细胞因子风暴
COVID-19由SARS-CoV-2引起，其特征是异质性症状范围包括从轻度疲劳至危及生命的肺炎、细胞因子风暴和多器官衰竭。细胞因子风暴在SARS患者中已有报道，且与不良结局相关。并且多种文献报道，对重症患者使用免疫抑制剂可实现有效治疗，这也表明细胞因子风暴很有可能推动了COVID-19的进展。下图对不同病毒感染过程血清中相关细胞因子的变化情况。
表3. 病毒感染期间与细胞因子风暴相关的主要细胞因子2
有研究指出，在病程早期给予促炎药物（如吸入型干扰素β）具有良好效果，即在早期感染时给予免疫刺激以增强抗病毒活性的疗法有益（后期很可能有害）；而免疫抑制疗法在后期有益，早期有害。并且，部分单抗如IL-1β单克隆抗体；JAK抑制剂抑制Ⅰ型干扰素、IL-6等相关细胞因子的下游信号传导等。但是其用药阶段需与病程相“呼应”，否则该药物可能对治疗有害或无用。
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细胞因子风暴治疗
细胞因子风暴的一般治疗策略包括旨在维持关键器官功能的支持性治疗，控制基础疾病和消除导致免疫系统异常激活的触发因素，以及靶向免疫调节或非特异性免疫抑制（旨在限制被激活的免疫系统造成的附带损伤）。并且，病理性的过度炎症反应本身即是一种免疫缺陷，增加了患者的感染风险，而在此情况下使用免疫抑制剂会增加患者的感染风险。因此，采取经验性治疗时，我们需监测患者反应并采取相应的预防手段，以保证治疗的安全性，同时评估疗效。
近些年，随着个体化治疗即精准医学取得的进展提示我们，需要对细胞因子风暴开展类似研究，从而可以跨越疾病界限识别出特异性治疗靶点，以及识别出提示某些药物有效的标志。希望进行个性化的细胞因子表达谱分析的同时实施个体化用药，在生物标志物指导下对细胞因子风暴采取个体化治疗。
总结
机体免疫系统有着一套复杂但有效的调控系统，它维持着机体免疫系统的动态平衡。我们体内存在调节免疫应答和预防细胞因子风暴的广泛调节机制。然而，医源性原因、病原体、癌症、自身免疫和自身炎症机制等仍可能导致细胞因子风暴。那么，炎症反应期间，若机体发生轻度或继发性器官功能障碍有助于战胜感染时，这种炎症反应即是可以接受的。一旦炎症反应导致过度器官功能障碍，使患者（在无通气支持和透析的情况下）在生存方面面临风险时，这种炎症反应即为病理性炎症。但是实际上，往往难以界定这种“可接受”与“不可接受”的炎症反应之间的界限。本文中，作者提出了细胞因子风暴的统一定义：循环系统内细胞因子水平升高，急性全身炎症症状，以及有超出对病原体（如果有病原体）正常应答水平所导致的继发性器官功能障碍。考虑到“多组学”分析和免疫系统的治疗性调节方面取得的进展，作者预计细胞因子风暴患者的治疗与预后将得到长足的改善。
参考文献：
1. Fajgenbaum DC, June CH. Cytokine Storm. N Engl J Med 2020;383:2255-73.
2. Hu B, Huang S, Yin L. The cytokine storm and COVID-19. Journal of medical virology 2021;93:250-6.
3.封面图：https://creakyjoints.org/living-with-arthritis/coronavirus/managing-symptoms/cytokine-storm-covid-19-autoimmune-disease/
