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Nature:用迷你类器官研究SARS-CoV-2如何破坏人体并造成死亡!

来源:本站原创 2020-06-25 08:54

2020年6月25日讯 /生物谷BIOON /——SARS-CoV-2这种病毒可以损害在实验室中生长的肺、肝和肾组织,这可能解释了COVID-19在人类中出现一些严重并发症的原因。

研究人员正在实验室培育微型器官,以研究新型冠状病毒如何破坏人体。对这些类器官的研究揭示了病毒在入侵器官方面的多样性,从肺部到肝脏、肾脏和肠道。研究人员还在这些微型组织中进行药物试验,以确定这些疗法是否可以用于治疗人类。

医生从住院病人和尸检中得知,SARS-CoV-2可能对器官造成毁灭性的影响。但目前还不清楚这种损害是由病毒直接造成的,还是由感染的继发性并发症造成的。多个研究小组正在使用类器官研究来显示病毒在体内的何处传播,它感染了哪些细胞以及它对哪些细胞造成了损害。

德国美因茨约翰内斯古腾堡大学的细胞生物学家Thomas Efferth说:"类器官的美妙之处在于它们类似于组织的真实形态。"
图片来源:Bing Zhao

病毒学家通常使用细胞系或在培养皿中培养的动物细胞来研究病毒。但是研究人员说,这些不能很好地模拟SARS-CoV-2感染,因为它们不能模拟体内发生的事情。

西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚生物工程研究所的干细胞生物学家Núria Montserrat说,有机体更好地证明了SARS-CoV-2对人体组织的作用。Montserrat说,它们可以生长成包括多种细胞类型的细胞,并在几周内形成原始器官的形状。它们也比动物模型便宜,而且避免了它们带来的伦理问题。

但是,荷兰鹿特丹Erasmus MC的病毒学家Bart Haagmans说,对类器官中SARS-CoV-2的研究有局限性,因为它们不能反映体内器官之间的相互影响,这意味着研究结果仍需要在动物模型和临床研究中得到验证。

吸入

类器官研究的关键发现之一是SARS-CoV-2对从上呼吸道到肺部的呼吸系统细胞的作用。

日本京都大学的干细胞生物学家Kazuo Takayama和他的同事开发出了四种不同细胞类型的支气管类器官,这些细胞是由体外支气管层的冷冻细胞或上皮细胞制成的。当他的团队用SARS-CoV-2感染类器官时,他们发现病毒主要以干细胞为攻击目标,这些干细胞补充被称为基底细胞的上皮细胞,但病毒不易进入保护性的分泌性"俱乐部细胞"。这个团队在bioRxiv上发表了他们的研究成果,现在他们计划研究病毒是否能从基底细胞传播到其他细胞。

病毒可从上呼吸道进入肺部,导致呼吸衰竭,这是COVID-19的严重并发症。纽约市威尔康奈尔医学院的干细胞生物学家Shuibing Chen在培养皿中使用微型肺,发现一些细胞在感染后死亡,而病毒会诱导趋化因子和细胞因子等蛋白质的产生,这些蛋白质会引发大规模的免疫反应。许多严重的COVID-19患者都经历过被称为细胞因子风暴的免疫反应,这可能是致命的。

但是,同样在bioRxiv上发布了研究结果的陈教授说,为什么病人的肺细胞会死亡仍然是个谜--是由于病毒造成的损伤,还是由于自我毁灭,还是由于被免疫细胞吞噬。"我们知道细胞会死亡,但我们不知道是如何死亡的,"陈说,他创造类器官的方法与Takayama的不同。她使用的是多能干细胞,这种干细胞可以发展成人体的任何细胞类型,而不是用成年细胞来制造干细胞。以这种方式生长的类器官可以包括更多的细胞类型,但最终的结果是不成熟的,因此可能不能代表成人组织,陈说,她现在正在用免疫细胞培养肺类器官。

血液冲击

SARS-CoV-2可以从肺部传播到其他器官,但直到Montserrat和她的同事在5月4日的《细胞》杂志上发表了一篇研究论文,研究人员才确定病毒究竟是如何传播的。在同样由多能干细胞制成的类器官的实验中,他们发现SARS-CoV-2可以感染内皮细胞--血管内壁的细胞--从而使病毒颗粒泄漏到血液中并在全身循环。加拿大温哥华英属哥伦比亚大学的基因工程师、该研究的联合第一作者Josef Penninger说,对COVID-19患者血管受损的病理学报告也支持这一假设。

Penninger和Montserrat说,对类器官的研究表明,病毒一旦进入血液,就会直接感染几个器官,包括肾脏。虽然病毒感染了肾脏类器官,并且一些细胞死亡,但研究人员不能确定这是否是在一些患者中观察到的肾功能不全的直接原因。

另一项关于肝类器官的研究发现,该病毒可以感染和杀死促进胆汁生成的细胞,即胆管细胞。上海复旦大学的细胞生物学家Bing Zhao说,许多研究人员认为,COVID-19患者的肝脏损伤是由过度活跃的免疫反应或药物副作用引起的。Bing Zhao的研究结果发表在《Protein & Cell6》杂志上。他的研究"表明病毒可以直接攻击肝脏组织,从而导致肝脏损伤。"

根据一项使用肠道器官的科学研究,该病毒还可以在排列在小肠和大肠的细胞中复制,也就是肠细胞。

研制出肠道类器官的Haagmans说,尽管这些发现很有启发性,但利用类器官研究病毒-宿主的相互作用还处于起步阶段。"现在说它们有多相关还为时过早。"研究人员说,需要更复杂的类器官系统来更好地了解病毒是如何与人体免疫系统相互作用造成损害的。

图片来源:Joep Beumer Clevers group Hubrecht Institute

Penninger说:"我们现在相当确信,导致COVID-19的病毒可以感染肺部以外的组织,并在很大程度上导致疾病。但更严重的后果,如肾脏和心脏损害,可能是由于病毒感染和过度免疫反应的结合。"

药物测试床

科学家们也在研究类器官是否可以用来模拟药物在体内的反应。研究人员希望,类器官可以用于测试潜在的COVID-19疗法,其中一些疗法已经匆忙进入临床试验,而没有在细胞和动物模型上进行广泛测试。

陈说:"由于时间敏感性,许多临床试验都是基于之前对其他冠状病毒的知识设计的,并没有在模型系统中进行仔细的评估就启动了。结果,很多人都失败了。"

陈对美国FDA批准的1200种治疗其他疾病的药物进行了筛选,发现抗癌药物伊马替尼能够抑制肺组织中的SARS-CoV-2。此后,该药物作为COVID-19治疗药物的几项人体临床试验已经启动。

其他研究小组也在测试现有药物在类器官中对抗冠状病毒的效果,并取得了一些成功。Haagmans说:"我们只有在这个过程的最后才会知道这些系统对测试药物功效的预测价值。这是一个长期过程。"(生物谷Bioon.com)
 
参考资料:



【3】Zhao, B., Ni, C., Gao, R. et al. Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids. Protein Cell (2020). https://doi.org/10.1007/s13238-020-00718-6





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