《细胞》新发现：揭秘新冠病毒感染鼻腔细胞全过程

【蜂耘网   生命健康】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。

 

 

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。

 

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

 

（蜂耘生命健康网   责任编辑：墨染）