Cell：新研究精确定位了新冠病毒在人类鼻子内的出入口

有人刚刚对你咳嗽了。在飞机上。在一个晚餐聚会上。在超市排队时。如果有一种“晨起后”的鼻腔喷雾剂，可以消除呼吸道病毒在你的鼻子和喉咙中的定植能力，那就好了。

在一项新的研究中，美国斯坦福大学医学院病理学教授、微生物学与免疫学教授Peter Jackson博士、加州大学旧金山分校微生物学与免疫学教授Raul Andino博士及其同事们通过确定SARS-CoV-2---导致COVID-19的冠状病毒---进入和离开我们鼻腔中的细胞的路线，使这种可能性更接近现实。相关研究结果发表在2023年1月5日的Cell期刊上，论文标题为“SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming”。

Jackson说，“我们的上呼吸道不仅是肺部感染的发射台，也是传染给他人的发射台。”

就像一条穿过的河流

鼻子和气道内排列着主要由三种细胞类型---基底细胞、杯状细胞（goblet cell）和多纤毛细胞（multiciliated cell）---组成的上皮组织，它们占鼻腔上皮所有细胞的80%左右。多纤毛细胞形成一道保护屏障，防止病毒进入气道。

Jackson和他的同事们聚焦于在多纤毛上皮细胞上发现的两种结构：纤毛（cilia）和微绒毛（microvilli）。虽然这两种结构都是众所周知的，但之前还没有发现这两种结构与病毒如何进入或离开气道内的细胞有关。

纤毛是各种细胞向外表面长出的面条状附属物。一个鼻腔上皮细胞在它的面向鼻腔的表面上可能承载多达400条这些鞭状的线，所有这些线都在和谐地持续跳动。它们上面有一层薄薄的称为粘蛋白（mucin）的蛋白，在这上面还有一层粘液。

Jackson说，粘蛋白分子可以相互连接，形成一种类似于弹性的三维链状栅栏的网状结构，防止诸如SARS-CoV-2之类的较大病毒进入上呼吸道细胞。粘液外衣捕获病毒颗粒、细菌、环境碎片和细胞分解的垃圾，并保持位于下面的细胞湿润。

上呼吸道上皮细胞的纤毛穿过这层粘液，它们的同步跳动产生了一种波浪，就像一条缓慢流动的河流，推动粘液及其捕获的颗粒前进到它可以被咳出或者被吞咽和消化的地方。

几乎所有动物细胞的另一个共同特征是微绒毛，即从细胞表面延伸出来的像小手指一样的小刺。微绒毛可以抓住并运输亚细胞颗粒和囊泡。

你说再见，我说你好

为了近距离观察新生病毒感染期间发生的情况，Jackson和他的同事们使用了一种复杂的组织培养方法来产生他们所谓的模拟正常气道的气道上皮类器官（airway epithelial organoid）。虽然缺乏血管和免疫细胞，但这些类器官完全再现了鼻腔上皮的结构，包括完整的粘液-粘蛋白层和发育良好的多纤毛细胞。

这些作者将这些培养物与SARS-CoV-2培养接种在相同的培养皿中。通过光学显微镜和电子显微镜以及免疫化学染色，他们监测上皮细胞的病毒进入、复制和退出。

只有多纤毛细胞被感染。电子显微镜显示，这种病毒最初只附着在纤毛上。在上皮类器官与SARS-CoV-2培养6小时后，许多病毒颗粒从顶端往下散布在纤毛的两侧。甚至在接种24小时后，这种病毒也只在几个细胞中复制。48小时后才发生大规模复制。SARS-CoV-2在现实生活中也需要一整天或两天的时间才能开始全面复制。

通过降低对鼻腔上皮细胞中纤毛形成至关重要的一种蛋白的水平，纤毛被耗尽，从而严重减缓了SARS-CoV-2感染。Jackson说，“很明显，人类多纤毛鼻上皮细胞是SARS-CoV-2在鼻上皮组织的主要进入点。”

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.11.030。

这些作者猜测感染的延迟是由于这种病毒必须穿过的气道粘液-粘蛋白屏障。为此验证这一点，他们用一种可以破坏粘蛋白网络的粘蛋白选择性酶处理气道上皮类器官。Jackson说，它使这种病毒在24小时内的进入速度从“几乎检测不到到”加快到“很容易检测到”，他的结论是，从这种网状结构中消除粘蛋白可以阻止它阻断SARS-CoV-2感染气道上皮类器官的能力。

在患有一种非常罕见的疾病---原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia）---的患者中，他们的纤毛跳动能力受到影响或不再同步，粘液流动失去了它的方向性。

在产生源自这些患者的气道上皮类器官中，这种病毒附着在纤毛上的情况与在正常细胞中看到的相似。在接种24小时后，细胞感染率也与正常感染的细胞相似。细胞表面的微绒毛看起来很正常。但在48小时后，SARS-CoV-2感染的细胞总体上要少得多---它只能感染紧邻的细胞---这表明一旦SARS-CoV-2开始在受感染的细胞内复制，这种病毒就会依赖充足的粘液流动来帮助它在整个上呼吸道中传播。

之前的一项研究已表明作为经典的SARS-CoV-2结合的细胞表面分子，ACE2受体集中在鼻上皮细胞的纤毛上（Nature Communications, 2020, doi:10.1038/s41467-020-19145-6）。这项新的研究显示，SARS-CoV-2通过这种受体与上皮细胞的纤毛结合。

Jackson说，从那里开始，这种病毒可能以两种方式之一滑过这种粘液-粘蛋白屏障：要么是以跳房子的方式从纤毛的一侧跳下，从一个ACE2分子跳到另一个，直到到达细胞的主体，在那里与细胞膜融合并爬进去；要么是以楔子的方式进入纤毛，乘坐内部货运电梯到达细胞的主体。

他说，“一旦这种病毒滑过了这道屏障，它就可以在下面的细胞中自由复制。”

这些作者还发现，SARS-CoV-2一旦进入鼻上皮细胞，就会诱发细胞内酶的活性，导致微绒毛扩大和产生分支，就像疯狂的仙人掌植物一样，直到它们的顶端伸出粘液屏障。它们的数量增加。接种后24小时，许多改变的微绒毛---通常不到纤毛长度的一半---已经变成了巨大的、分支的、树状的结构，大小与纤毛相当或更大，它们被附着的病毒颗粒装饰着，这些病毒颗粒可以进入粘液-粘蛋白屏障，在那里它们可以沿着粘液漂流，感染其他更遥远的细胞。

这些作者确定了鼻上皮细胞中的酶，这些酶因SARS-CoV-2感染而大量开启，导致微绒毛的这种转变。抑制这些酶使这种改变停止，并大大减少了这种病毒扩散到其他细胞。

一种喷雾剂就能把它们全部结合起来？

Jackson和他的同事们在用其他两种呼吸道病毒---当前正在流行的呼吸道合胞病毒和不太常见的副流感病毒--以及BA.1（SARS-CoV-2的Omicron变体中的一种亚变体）与气道上皮类器官一起培养时，也观察到类似的结果。

Omicron的传染性更强，而且正如预期的那样，它比用于其他SARS-CoV-2实验的老毒株更快地感染了气道组织中的多纤毛上皮细胞。但是抑制病毒在气道细胞中的进入或退出仍被证明是有效的，即使是对这种高传染性的SARS-CoV-2变体。

Jackson说，这些病毒进入机制可能是许多呼吸道病毒的一个普遍特性。

这些发现为鼻用药物确定了新的靶标，通过阻碍纤毛运动或微绒毛的巨大化，甚至可能防止未知的呼吸道病毒在人类的鼻子或喉咙里安营扎寨。

Jackson说，在这些实验中使用的物质也许能够被优化用于呼吸道病毒暴露后不久的鼻腔喷雾剂，或作为预防药物。

他说，“用一种局部给送的、短期的药物来延迟病毒的进入、退出或传播，将有助于我们的免疫系统及时赶上和到达，以阻止全面的感染，并希望能限制未来的大流行病。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Chien-Ting Wu et al. SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.11.030.

2. Scientists pinpoint COVID-19 virus's entry and exit ports inside our noses
https://med.stanford.edu/news/all-news/2023/01/covid-virus-infection-nasal.html