我關(guān)注新冠病毒的研究進(jìn)展有三年多了，萬萬沒想到的是，現(xiàn)在居然還有新冠感染機(jī)制的研究讓我大受震撼。
近日，由斯坦福大學(xué)Peter K. Jackson和加州大學(xué)舊金山分校Raul Andino領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在頂級期刊《細(xì)胞》雜志發(fā)表了一篇重要研究成果[1]。
他們發(fā)現(xiàn)，新冠病毒進(jìn)入呼吸道之后，立即與上皮細(xì)胞纖毛上的ACE2結(jié)合，順著纖毛穿過正常情況下它們難以逾越的纖毛周圍層（PCL），實(shí)現(xiàn)對纖毛上皮細(xì)胞的感染。更厲害的是，在細(xì)胞內(nèi)完成復(fù)制之后，新冠病毒會讓纖毛上皮細(xì)胞上原本短小的微絨毛變粗變長，穿過PCL層，成功完成“排毒”，以感染更多的細(xì)胞。
Jackson團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究不僅揭開了新冠病毒感染呼吸道細(xì)胞的謎底，還破解了呼吸道病毒繞過先天性免疫屏障，來回穿越、擴(kuò)大感染的原因。
對我而言，新冠病毒的這招來回穿越的伎倆，讓我大受震撼。不知道你有沒有覺得新冠很厲害，反正我看完之后心跳加快、手心冒汗。
▲ 論文首頁截圖
雖然新冠病毒感染是一種全身性的系統(tǒng)疾病，但是新冠病毒感染的主要組織和器官還是呼吸道。
在2020年初，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了新冠病毒感染全身多種組織細(xì)胞的機(jī)制。鼻子是新冠病毒感染的主要器官和第一站[2]，科學(xué)家到現(xiàn)在還沒弄明白，新冠病毒究竟是如何穿過黏液層和纖毛周圍黏蛋白這個(gè)物理屏障，進(jìn)而感染鼻上皮細(xì)胞的。
要知道纖毛周圍層（PCL）是一層非常厲害的天然免疫防線，一般情況下，只有小顆粒（25nm）可以穿過PCL，而新冠病毒這種直徑達(dá)到100nm的病毒是無法穿越PCL的[3]。
▲ 氣道的結(jié)構(gòu)，以及PCL的通透性[3]
那新冠病毒等體型巨大的呼吸道病毒，究竟是如何感染鼻腔纖毛上皮細(xì)胞（CEC）的呢？
有兩個(gè)信息點(diǎn)讓Jackson和他的同事們眼前一亮。
首先，新冠病毒感染細(xì)胞所必需的ACE2和TMPRSS2，纖毛上面都有[4,5]；其次，纖毛細(xì)胞的纖毛剛好穿過整個(gè)PCL層[3]。那最可能的方式就是，新冠病毒把露在PCL外面的部分纖毛作為突破口，然后順著纖毛感染了纖毛上皮細(xì)胞。
基于人鼻類器官，他們首先證實(shí)人鼻纖毛上皮細(xì)胞確實(shí)是新冠病毒感染鼻腔上皮的主要入口。而且他們還發(fā)現(xiàn)新冠病毒感染纖毛上皮細(xì)胞還存在一個(gè)動力學(xué)瓶頸：不管采用多大的感染復(fù)數(shù)（MOI，病毒粒子和細(xì)胞的比例），在接種病毒6和24小時(shí)候，都只有3%的鼻纖毛上皮細(xì)胞是新冠病毒陽性；到接種的48小時(shí)之后，陽性率才增加到80%。
▲ 新冠感染纖毛上皮細(xì)胞存在動力學(xué)瓶頸
隨后，借助于各種先進(jìn)的顯微鏡和熒光技術(shù)，Jackson團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，接種新冠病毒6小時(shí)之后，浸泡在PCL中的纖毛上確實(shí)黏附著病毒，而加入靶向S蛋白的中和抗體后，會抑制新冠病毒在纖毛上的附著，而且細(xì)胞感染率也大幅下降。
▲ 新冠病毒附著在纖毛上
此外，抑制纖毛的形成也會抑制新冠病毒對人鼻上皮細(xì)胞的感染。
以上的結(jié)果表明，纖毛確實(shí)是新冠病毒感染鼻上皮細(xì)胞的關(guān)鍵。
接下來的問題是，新冠病毒是如何順著纖毛進(jìn)入纖毛上皮細(xì)胞的呢？
基于一系列的分子生物學(xué)和藥學(xué)研究，Jackson團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩種方式。第一種是新冠病毒直接與ACE2和TMPRSS2結(jié)合，導(dǎo)致新冠病毒與纖毛融合，病毒釋放RNA進(jìn)入纖毛內(nèi)部，最后進(jìn)入纖毛上皮細(xì)胞。第二種是，新冠病毒與ACE2結(jié)合之后，在纖毛動力蛋白的幫助下，從纖毛的頂端下降到纖毛的底端，再進(jìn)入纖毛上皮細(xì)胞。
▲ 新冠病毒進(jìn)入纖毛上皮細(xì)胞的兩種方式
不知道大家還記不記得前面介紹過的感染延遲現(xiàn)象：48小時(shí)候之后病毒才感染更多的細(xì)胞。奇怪的是，在Vero細(xì)胞（有些滅活疫苗就是用這個(gè)細(xì)胞系培養(yǎng)新冠病毒的）中，新冠病毒感染卻不存在這種延遲現(xiàn)象。這又是什么原因造成的呢？
結(jié)合鼻腔上表皮的結(jié)構(gòu)，Jackson團(tuán)隊(duì)推測可能是初始被感染細(xì)胞排出新病毒的過程限制了病毒的傳播。于是，他們開始研究鼻纖毛上皮細(xì)胞被感染后是如何排出新病毒的。
結(jié)果真有新發(fā)現(xiàn)。
原來因?yàn)?span lang="EN-US">PCL的存在，新冠病毒不僅感染纖毛上皮細(xì)胞有困難，在纖毛上皮細(xì)胞中復(fù)制完成后排出新病毒也很困難。問題都出在過不去上。
那這滯后的一兩天，新冠病毒究竟在干什么呢？
原來它們在“修路”！
后續(xù)的一系列研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒居然可以激活調(diào)控細(xì)胞骨架重組的p21活化激酶1和4（PAK1和PAK4），讓纖毛上皮細(xì)胞上原本微小的微絨毛成長成跟纖毛一樣又粗又長的巨型微絨毛。借助于這些巨大的微絨毛，新冠病毒成功穿越PCL，完成排毒，感染更多的細(xì)胞。
▲ 新冠病毒入侵和排毒的機(jī)制示意圖
Jackson團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，微絨毛上沒有ACE2和TMPRSS2，因此，巨型微絨毛是新冠病毒打造的排毒專用通道。值得一提的是，這個(gè)新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，也讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新的抑制新冠病毒感染的方法，即，抑制微絨毛的形成。
在研究的最后，Jackson團(tuán)隊(duì)探討了奧密克戎變異株傳染性強(qiáng)的原因，以及是否也存在類似的機(jī)制。
研究結(jié)果表明，奧密克戎感染上呼吸道用的也是這套機(jī)制，不過與其他變異株相比，奧密克戎變異株感染速度更快，在接種6小時(shí)后感染的細(xì)胞為10%，24小時(shí)時(shí)為40%，遠(yuǎn)高于其他毒株的1-3%。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，附著在纖毛上的奧密克戎毒株比其他毒株多很多。這也說明，奧密克戎毒株與ACE2的結(jié)合能力確實(shí)要強(qiáng)于其他毒株。
▲ 奧密克戎確實(shí)更強(qiáng)
總的來說，Jackson團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)研究讓我們對新冠病毒感染上呼吸道有了更深入的認(rèn)知，更重要的是，研究還發(fā)現(xiàn)了能阻止新冠病毒感染的靶點(diǎn)，這也為鼻腔給藥提供了新思路。
未來，或許我們通過鼻腔用藥就能在新冠病毒感染人體的第一站阻擊新冠病毒的入侵。這中用藥方式不僅簡單，而且可以避免全身性治療的不良脫靶效應(yīng)。
胸外菁英TALK Vol.2，另辟“新”徑-Alk陽性可手術(shù)患者“新”機(jī)遇
參考文獻(xiàn)：
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[2].Sungnak W, Huang N, Bécavin C, et al. SARS-CoV-2 entry factors are highly expressed in nasal epithelial cells together with innate immune genes. Nat Med. 2020;26(5):681-687. doi:10.1038/s41591-020-0868-6
[3].Button B, Cai LH, Ehre C, et al. A periciliary brush promotes the lung health by separating the mucus layer from airway epithelia. Science. 2012;337(6097):937-941. doi:10.1126/science.1223012
[4].Lee IT, Nakayama T, Wu CT, et al. ACE2 localizes to the respiratory cilia and is not increased by ACE inhibitors or ARBs. Nat Commun. 2020;11(1):5453. Published 2020 Oct 28. doi:10.1038/s41467-020-19145-6
[5].Nakayama T, Lee IT, Jiang S, et al. Determinants of SARS-CoV-2 entry and replication in airway mucosal tissue and susceptibility in smokers. Cell Rep Med. 2021;2(10):100421. doi:10.1016/j.xcrm.2021.100421