導語：對於艾滋病，我們已經有了在病毒暴露後的緊急阻斷藥，可以阻斷病毒在淋巴結中的大量複製和擴散到全身，因此能夠大幅降低艾滋病感染的風險。而新冠病毒在侵入人體後進入大規模複製階段前也需要一定時間，那麼，能否在此之前將病毒消滅在呼吸道中?斯坦福大學研究團隊通過探明新冠病毒感染呼吸道的分子水平上的詳細過程，提出了這樣的可能性。

        2020年9月，The New England Journal of Medicine發布了電子顯微鏡下新冠病毒感染呼吸道上皮細胞的震撼圖像。對圖像著色後，可以看到，粘液鏈(黃色)附著在纖毛(藍色)上，大量由人類氣道上皮細胞產生的新冠病毒粒子(紅色)自受感染的宿主細胞釋放到呼吸道表麵，已具備完整的、具有傳染性的病毒形式。該圖像展示了人類呼吸係統內每個細胞產生和釋放的病毒粒子的數量之多，解釋了病毒感染傳播到受感染個體多個器官以及向他人高頻率傳播的源頭所在。

        通過在組織培養中模擬病毒複製，我們已經知道，新冠病毒通過其表麵的刺突蛋白(S蛋白)與宿主細胞膜上ACE2受體結合，並在TMPRSS2蛋白酶的參與下，穿透到宿主細胞內部開始複製。然而，作為病毒在人體中的初始感染目標及主要複製部位，上呼吸道並非毫不設防。

        鼻子和氣道的上皮組織主要由三種細胞類型組成：多纖毛細胞、基底細胞和產生粘液的杯狀細胞。纖毛和與其同層的粘蛋白分子(mucin)、以及其上層的粘液(mucus)共同組成粘液纖毛運輸係統，粘蛋白分子彼此鏈接形成了一張類似三維彈性柵欄的網絡阻止較大的病毒顆粒進入(~100 nm)，粘液可以捕獲病毒顆粒，而不斷跳動的纖毛則可以推動粘液層向咽喉移動，這是一道先天的防禦屏障。那麼，新冠病毒是如何越過這道屏障並自由進出氣道內壁細胞的呢?

        為了回答這個問題，斯坦福大學病理學、微生物學和免疫學醫學教授Peter Jackson博士及其同事通過複雜方法將人鼻黏膜上皮細胞(human nasal epithelia，HNE)分化為能模擬正常人氣道結構和功能的鼻上皮類器官，雖然缺乏血管和免疫細胞，但包括了完整的粘液-粘蛋白層和發育良好的多纖毛細胞。通過在培養皿中給這些類器官接種新冠病毒，研究人員密切監測了上皮細胞中病毒進入、複製、退出的全過程，發現多纖毛細胞上的兩種結構——纖毛和微絨毛——在其中起到關鍵作用。研究結果以“SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming”為題於2022年12月1日發表於Cell。

        結果發現：

        01

        纖毛是感染初期新冠病毒在鼻上皮細胞的主要進入部位

        電鏡顯示病毒最初隻附著在纖毛上。即使在接種 24 小時後，僅少數細胞呈病毒陽性，病毒的大規模複製發生在48小時後，表明最初受感染的細胞極為有限，而病毒的子代複製及傳播到鄰近細胞較為快速。

        通過敲除特定基因阻斷纖毛組裝發現，在24小時及48小時時抑製了HNE的新冠病毒感染。這種方法同樣能夠抑製副流感病毒(PIV)、呼吸道合胞病毒(RSV)的感染，表明纖毛廣泛參與呼吸道病毒的感染。

        改變病毒的接種水平(即感染複數，multiplicity of infection，MOI)，病毒的進入和擴散模式未發生變化。研究人員猜測是粘蛋白網絡阻止了病毒的感染。使用特定的蛋白酶破壞粘蛋白網絡結構，確實增加了24小時時病毒的進入。

        在那些纖毛運動障礙患者的細胞培養的類器官中，病毒在48小時後感染的細胞比正常情況下區域更為局限。該運動障礙將使得粘液無法受纖毛推動而流動，這說明病毒正借助了粘液的流動傳遍了整個上呼吸道。

        ACE2受體是新冠病毒進入細胞的關鍵，在纖毛上病毒同樣與ACE2結合。隨後以兩種可能的方式穿越粘液-粘蛋白屏障：1)病毒與ACE2結合，TMPRSS2促進病毒融合，RNA基因組隨後釋放到纖毛中，並通過纖毛動力蛋白轉運到胞質溶膠中;2)病毒與ACE2結合形成的複合體依靠纖毛動力蛋白從纖毛遠端運輸到細胞體。

        02

        新冠病毒通過調節微絨毛結構和功能，使病毒排出

        多纖毛細胞上除了較長的纖毛，還存在一種圓頂粗短的微絨毛結構。新冠病毒一旦進入細胞，將引起細胞內酶的活性，使得微絨毛像瘋漲的植物一樣，不斷伸長分枝，形成與纖毛大小相當或更大的樹狀結構，而附著在其上的病毒顆粒也因此進入粘液-粘蛋白層，“隨波逐流”感染更遠的細胞。

        研究人員確定了其中起到關鍵作用的調節激酶。使用特定的激酶抑製劑並不影響早期病毒進入細胞，但在48小時時病毒排出期，減少了病毒陽性細胞的數量。對小鼠使用鼻腔噴霧的動物實驗的結果也表明，激酶抑製劑能夠部分抑製感染。

        以上發現確定了鼻腔用藥的新靶點，可通過阻止纖毛運動或微絨毛生長，防止呼吸道病毒在鼻子中“殖民擴張”。Jackson博士表示，實驗中使用的藥劑可以進一步優化，比如製成用於呼吸道病毒暴露後不久使用的鼻腔噴霧劑，或是預防藥物，“使用局部用藥的短時藥物來延遲病毒的進入、排出或擴散，將幫助我們的免疫係統及時趕到，阻止全麵感染。這將有望限製未來的疫情大流行。”

        End

        參考資料：

        [1]https://news.unchealthcare.org/2020/09/unc-researchers-publish-striking-images-of-sars-cov-2-infected-cells/

        [2]https://www.integrativepro.com/articles/snot-closer-look-at-nasal-mucus

        [3]Wu CT, Lidsky PV, Xiao Y, et al. SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming. Cell. 2023 Jan 5;186(1):112-130.e20. doi: 10.1016/j.cell.2022.11.030.