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《细胞》新发现：揭秘新冠病毒感染鼻腔细胞全过程

疫情百态

2023-01-17 来源 : 学术经纬

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我们可能会认为，新冠病毒感染宿主细胞的机制早已被研究透了。然而，权威学术期刊《细胞》近期在线发表的一篇论文告诉我们：原来，新冠病毒感染鼻腔细胞的过程直到现在才真正被看清。

▲来自斯坦福大学和加州大学旧金山分校的研究团队首次揭示了新冠病毒进入、离开鼻腔上皮组织的路径。

在疫情初期，科学家就发现新冠病毒的刺突蛋白会与宿主细胞的ACE2受体结合，从而进入、感染宿主细胞。但在这个清晰的过程中，却有一个未解之谜：按理来说，我们鼻腔中的保护屏障应该能将新冠病毒这样的大颗粒拒之门外。那么，病毒是如何突破屏障，感染上皮细胞的？

保护屏障

要解答这个问题，我们需要从鼻腔保护屏障的结构看起。

作为新冠病毒感染人体的起点，我们的鼻腔里有一道层次分明、排列紧密的保护屏障，这道屏障由内到外包含了3层结构。

首先是鼻腔上皮组织，由基底细胞、杯状细胞和纤毛上皮细胞这3类细胞紧密排列形成。其中纤毛上皮细胞含量最高，占据了鼻腔上皮组织的80%。

在上皮组织的上方，是一层黏蛋白分子组成的纤毛周围层（periciliary layer, PCL）。黏蛋白分子相互连接，形成的弹性网络如同一道滤网，只允许直径在25纳米以内的颗粒穿透。

在黏蛋白上方还有一层黏液，这道屏障可以捕获大型病毒颗粒、细菌、环境颗粒物、细胞降解产生的废物等。

▲由黏液层、纤毛周围层（PCL）和上皮组织构成的鼻腔保护屏障，其中纤毛上皮细胞长出了纤毛（cilia）和微绒毛（microvilli）（图片来源：参考资料[1]）

黏液捕获了病毒等异物后，需要纤毛上皮细胞的协助才能排出。纤毛上皮细胞的表面就像是长了很多 “胡须”：一种更长、更粗的“胡须”叫做纤毛（cilia），还有一种更细微的是微绒毛（microvilli）。一枚上皮细胞长出的几百根纤毛整齐划一地摆动，产生的推力让黏液变成一条缓慢流动的“小溪”，其中的颗粒也随着溪流一起被咳出体外，或者是被吞咽、消化。

之前的研究已经发现，纤毛上长有ACE2受体，而病毒要想与这些ACE2受体结合、入侵上皮细胞，首先要先穿过上方的黏液和黏蛋白层。但问题是，新冠病毒的直径至少也有60纳米，明显超过了黏蛋白网络25纳米的“筛孔”。它们是如何穿过屏障、感染上皮细胞的？

奇异的停滞

研究团队首先借助组织培养手段，在体外培养出了呼吸道上皮类器官，以此模拟人体的上呼吸道。虽然不含血管和免疫细胞，但这些类器官完全重建了鼻腔上皮的构造，包括完整的黏液-黏蛋白层，以及发育完好的纤毛上皮细胞，因此足够用来研究病毒感染鼻腔的过程。

将类器官与新冠病毒放在一起培养后，研究团队借助扫描、投射电子显微镜和免疫组织化学染色，检测了病毒进出上皮细胞、在细胞中复制的过程。

电子显微镜观测显示，病毒最初附着在纤毛上，只有含纤毛的细胞受到感染。而在敲低了形成鼻腔上皮纤毛必需的蛋白质后，类器官中的纤毛减少，新冠病毒感染的速度也大幅下降。这些实验证实了，鼻腔的纤毛上皮细胞是新冠病毒感染鼻腔的主要入口。

▲新冠病毒感染鼻腔上皮细胞（图片来源：参考资料[1]）

作者指出，病毒可能是通过以下两种方式之一，穿越黏液-黏蛋白屏障、抵达纤毛上皮细胞的：或者是与ACE2受体和跨膜丝氨酸蛋白酶（TMPRSS2）结合后，与纤毛融合、乘坐纤毛内部的“电梯”进入上皮细胞；或者病毒像跳房子一样，从一个ACE2受体跳到下一个，直到抵达细胞主体，细胞膜融合、进入细胞。

▲新冠病毒进入上皮细胞主体的两种方式（图片来源：参考资料[1]）

但在感染之后，令研究者意外的现象出现了：在类器官模型里，最初病毒只感染了少量细胞，并没有立即在上皮细胞间传播开；在感染后的48小时，纤毛上皮细胞才被大量感染。在此之前，病毒似乎是在等待什么。

对此，研究团队猜想，延迟的感染是因为病毒要想被上皮细胞排出、去感染更多细胞，需要花费大量时间穿越黏液-黏蛋白屏障。为了验证这个猜想，研究团队用一种选择性的蛋白水解酶处理类器官，降解黏蛋白。在黏蛋白网络被破坏后，病毒感染的速度明显加快。

此外，通过对原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia, PCD）患者的研究也证实了病毒需要依赖黏液流动，来帮助在上呼吸道中扩散。这类患者的纤毛无法协调摆动，因此黏液也不能定向流动。基于这些患者组织构建的类器官在感染新冠病毒后，48小时的受感染细胞数量明显更少。

微绒毛变形记

但只有纤毛还不够，因为纤毛是病毒进入细胞的通道，但无法排出病毒。接下来，真正难以置信的发现来了：为了让病毒感染更多细胞，之前毫无存在感的微绒毛为病毒铺平了离开上皮细胞的道路。

前面说到，纤毛上皮细胞的表面有纤毛和微绒毛这两种结构。相比于协助病毒进入细胞的纤毛，更短、更细的微绒毛似乎可有可无。但在病毒进入细胞后，微绒毛变成真正的主角。细胞间的PAK1/4酶被激活，导致微绒毛变大、长出更多分支，如同一株树苗成长、开枝散叶。

感染24小时后，许多原本长度不到纤毛一半的微绒毛，会变得比纤毛还要长。它们穿过黏蛋白，抵达黏液层。这时，附着在微绒毛上的病毒颗粒就能顺利地离开细胞，进入黏液层。这样，这些病毒就能随着由纤毛驱动的“溪流”漂走，感染更遥远的细胞。

▲这项研究揭示了新冠病毒感染鼻腔上皮细胞的机制（图片来源：参考资料[1]）

由此，研究也提出了抑制病毒感染的潜在机制：抑制PAK1/4酶的活性，就能限制微绒毛的成长，从而削弱病毒感染更多细胞的能力。

▲感染一段时间后，新冠病毒通过微绒毛感染更多细胞（图片来源：参考资料[1]）

最后，在研究新冠病毒奥密克戎毒株之余，作者还研究了另外两种呼吸道病毒：人呼吸道合胞病毒（RSV）和副流感病毒（parainfluenza virus）。结果显示，上述病毒感染机制可能普遍存在于这些呼吸道病毒中。

领导这项研究的斯坦福大学Peter Jackson教授表示，这项研究的发现或许能用于鼻喷雾剂的研发，通过延缓病毒进出细胞、扩散的速度，为免疫细胞的参战争取时间，实现抑制病毒感染的目标。

封面图来源：药明康德内容团队制图

参考资料：

[1] Chien-Ting Wu et al, SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming, Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.11.030

[2] Scientists pinpoint COVID-19 virus's entry and exit ports inside our noses. Retrieved January 16th, 2023 from https://medicalxpress.com/news/2023-01-scientists-covid-virus-entry-exit.html