大家都知道這場持續了三年之久的疫情是由新型冠狀病毒引起的，可能還有些人了解新冠病毒是一個單鏈RNA病毒，它是使用自己的刺突蛋白，與細胞上的血管緊張素轉化酶酶2(簡稱ACE2)受體結合來完成識別的，接著病毒就會進入宿主細胞並開始複製，最終引發疾病。但病毒究竟是如何進入呼吸係統的，病毒進入呼吸道上皮細胞以及如何在細胞間傳播的分子機製尚不清楚。

        2023年1月5日，來自斯坦福大學的科研團隊在著名期刊Cell雜誌在線發表了一篇名為《SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming》的研究文章，這項研究首次詳細闡述了新冠病毒感染呼吸道上皮細胞的分子機製，研究人員發現病毒通過ACE2受體附著在上皮細胞的纖毛上，並且使用纖毛作為進入細胞的通道。

        鼻子是上呼吸道粘膜免疫的重要組成部分，它參與宿主保護的免疫穩態。鼻粘膜防禦主要有兩種類型，從生理角度上來說，由緊密結合的纖毛細胞、杯狀細胞和基底上皮細胞、雙層黏液層和基底膜構成的屏障是最主要的防禦手段，但我們還不清楚哪些類型的細胞最先被感染。

        作者首先利用原代細胞培養分化的手段生成了纖毛細胞、杯狀細胞和基底細胞的鼻上皮類器官，這種類器官包括了正常人上氣道上皮的形態和功能，接著用新冠病毒去感染培養的類器官，結果發現新冠病毒核衣殼蛋白和刺突蛋白隻有在感染後的6、24 和 48 小時的時候在纖毛細胞中可見，這表明纖毛細胞更加容易被早期感染，因此，纖毛細胞是SARS-CoV-2在鼻上皮中的主要進入部位。

        由於ACE2 和 TMPRSS2 是 SARS-CoV-2 感染的核心，並定位於呼吸道纖毛細胞上，通過染色定位實驗作者發現這兩種關鍵的受體蛋白在培養的類器官上也有同樣的定位，因此作者假設SARS-CoV-2和其他呼吸道病毒通過ACE2附著在纖毛上以穿透PCL，並使病毒能夠通過粘液蛋白層運輸。我們剛剛提過黏液層是維持免疫穩態的一種重要的免疫屏障，因此研究人員用一種黏蛋白特異性的酶處理類器官，這種酶可以分解黏蛋白形成的網絡結構，結果發現這加速了病毒的感染速度。

        為了測試SARS-CoV-2是否在早期特異性的結合纖毛細胞，作者利用掃描和透射電子顯微鏡觀察感染了病毒的類器官，結果證實多個病毒粒子附著在纖毛上，這表明纖毛被 SARS-CoV-2利用以穿過鼻上皮屏障。通過重組刺突蛋白與熒光偶聯，並用延時顯微鏡觀察說明SARS-CoV-2與纖毛ACE2受體結合以促進細胞進入。

        基於以上的實驗結果，作者假設減少纖毛的數量會阻礙病毒感染的進程，通過敲低對纖毛細胞形成至關重要的CEP83蛋白(不影響上皮或杯狀細胞的分化)，作者發現CEP83下調的確抑製了24和48hpi的類器官SARS-CoV-2感染水平。

        進一步的，為了更好地了解鼻上皮中的病毒感染，作者探究了病毒從少數最初感染的細胞中排出的情況，結果發現病毒感染促進了細胞絲狀偽足突起，誘導含病毒的絲狀偽足可能對SARS-CoV-2的釋放和後代病毒粒子在細胞間傳播很重要。因此，作者使用透射電鏡和IF染色係統地展示了原代氣道上皮細胞中的微絨毛樣結構。在纖毛狀類器官的頂端表麵上觀察到兩類突起：長而寬的活動纖毛和粗短的圓頂狀微絨毛(圖3A)，接下來，通過共聚焦和免疫組化實驗作者證明了SARS-CoV-2與微絨毛相互作用，使其能在受感染動物的呼吸道內傳播。

        而進一步的研究表明SARS-CoV-2使微絨毛發生延伸，通過調節微絨毛的結構和功能，通過促進高度延伸和分支的微絨毛的形成來促進病毒的排出。

        原發性纖毛運動障礙(PCD患者)，這是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，雖然呼吸道纖毛的數量和長度是正常的，但是失去了纖毛擺動和病原體清除的功能。通過使用患者的類器官培養物，作者發現在患者和健康供體中 24 hpi 時 SARS-CoV-2 感染細胞的百分比相似，這表明突變不會影響初始感染率，然而，在 48 hpi 時，PCD 患者的SARS-CoV-2感染細胞少於健康供體，這表明其在感染後期很重要。

        除此之外，作者還探討了細胞間的接觸是否影響病毒的轉移。我們知道呼吸上皮由多層細胞組成，然而，直到48 hpi時，隻有最上層的細胞被病毒感染，下層的細胞很少被感染。因此，細胞間接觸可能不是病毒在鼻上皮中傳播的唯一途徑。雖然病毒可能通過鼻上皮的細胞間接觸傳播，但作者認為傳播取決於頂端表麵的粘液流動。

        鑒於在細胞中調節激酶能夠控製細胞骨架的生成，作者探究了是哪些激酶被調控後促進了微絨毛的高度延伸，通過磷酸化蛋白質組學的手段，作者最終確定了五種激酶，包括細胞骨架重組p21活化激酶1和4(PAK1和PAK4)，絲氨酸/蘇氨酸激酶(AKT1/2)，絲裂原活化蛋白激酶(p38)、絲裂原活化蛋白激酶(ERK1)和含有蛋白激酶1的ROCK1。作者確定這些激酶是否在感染細胞中磷酸化，所有五種藥物均在類器官中被激活。

        在動物實驗中，研究人員采用鼻噴霧劑將SLK和PAK4激酶抑製劑應用於K18-hACE2轉基因小鼠，結果PAK4激酶抑製劑可以部分抑製感染的水平，這為開發鼻腔噴霧劑來預防病毒感染提供了借鑒的範例。

        總的來說，作者發現新冠病毒會首先感染呼吸道纖毛細胞，如果移除纖毛，則可阻止新冠病毒和其他呼吸道病毒的感染，同時，侵入的病毒會激活細胞中激酶來促進細胞骨架的形成，通過高度延伸的微絨毛結構將新生成的病毒送到黏液層，從而提高了病毒的傳播能力。

        事實上，並不是隻有新冠病毒會通過這種方式進行傳播，其他呼吸道病毒也可能通過同樣的方式突破免疫屏障，就新冠病毒本身而言，大體來說，抗新冠病毒的藥物可以歸納為兩大類，一是阻止病毒和宿主細胞結合，二是阻止新病毒在宿主細胞內的產生，但是本項研究提出了一個新的預防性策略，那就是使用鼻噴劑或者其他預防性的短期藥物來延遲病毒的進入、退出或傳播，而這將有助於免疫係統及時趕上和到達，以阻止全麵的感染發生。

        參考文獻:

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