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我關注新冠病毒的研究進展有三年多了，萬萬沒想到的是，現在居然還有新冠感染機制的研究讓我大受震撼。
近日，由斯坦福大學Peter K. Jackson和加州大學舊金山分校Raul Andino領銜的研究團隊，在頂級期刊《細胞》雜志發表了一篇重要研究成果[1]。
他們發現，新冠病毒進入呼吸道之後，立即與上皮細胞纖毛上的ACE2結合，順着纖毛穿過正常情況下它們難以逾越的纖毛周圍層（PCL），實作對纖毛上皮細胞的感染。更厲害的是，在細胞内完成複制之後，新冠病毒會讓纖毛上皮細胞上原本短小的微絨毛變粗變長，穿過PCL層，成功完成“排毒”，以感染更多的細胞。
Jackson團隊的這項研究不僅揭開了新冠病毒感染呼吸道細胞的謎底，還破解了呼吸道病毒繞過先天性免疫屏障，來回穿越、擴大感染的原因。
對我而言，新冠病毒的這招來回穿越的伎倆，讓我大受震撼。不知道你有沒有覺得新冠很厲害，反正我看完之後心跳加快、手心冒汗。
▲ 論文首頁截圖
雖然新冠病毒感染是一種全身性的系統疾病，但是新冠病毒感染的主要組織和器官還是呼吸道。
在2020年初，科學家就發現了新冠病毒感染全身多種組織細胞的機制。鼻子是新冠病毒感染的主要器官和第一站[2]，科學家到現在還沒弄明白，新冠病毒究竟是如何穿過黏液層和纖毛周圍黏蛋白這個實體屏障，進而感染鼻上皮細胞的。
要知道纖毛周圍層（PCL）是一層非常厲害的天然免疫防線，一般情況下，隻有小顆粒（25nm）可以穿過PCL，而新冠病毒這種直徑達到100nm的病毒是無法穿越PCL的[3]。
▲ 氣道的結構，以及PCL的通透性[3]
那新冠病毒等體型巨大的呼吸道病毒，究竟是如何感染鼻腔纖毛上皮細胞（CEC）的呢？
有兩個資訊點讓Jackson和他的同僚們眼前一亮。
首先，新冠病毒感染細胞所必需的ACE2和TMPRSS2，纖毛上面都有[4,5]；其次，纖毛細胞的纖毛剛好穿過整個PCL層[3]。那最可能的方式就是，新冠病毒把露在PCL外面的部分纖毛作為突破口，然後順着纖毛感染了纖毛上皮細胞。
基于人鼻類器官，他們首先證明人鼻纖毛上皮細胞确實是新冠病毒感染鼻腔上皮的主要入口。而且他們還發現新冠病毒感染纖毛上皮細胞還存在一個動力學瓶頸：不管采用多大的感染複數（MOI，病毒粒子和細胞的比例），在接種病毒6和24小時候，都隻有3%的鼻纖毛上皮細胞是新冠病毒陽性；到接種的48小時之後，陽性率才增加到80%。
▲ 新冠感染纖毛上皮細胞存在動力學瓶頸
随後，借助于各種先進的顯微鏡和熒光技術，Jackson團隊發現，接種新冠病毒6小時之後，浸泡在PCL中的纖毛上确實黏附着病毒，而加入靶向S蛋白的中和抗體後，會抑制新冠病毒在纖毛上的附着，而且細胞感染率也大幅下降。
▲ 新冠病毒附着在纖毛上
此外，抑制纖毛的形成也會抑制新冠病毒對人鼻上皮細胞的感染。
以上的結果表明，纖毛确實是新冠病毒感染鼻上皮細胞的關鍵。
接下來的問題是，新冠病毒是如何順着纖毛進入纖毛上皮細胞的呢？
基于一系列的分子生物學和藥學研究，Jackson團隊發現了兩種方式。第一種是新冠病毒直接與ACE2和TMPRSS2結合，導緻新冠病毒與纖毛融合，病毒釋放RNA進入纖毛内部，最後進入纖毛上皮細胞。第二種是，新冠病毒與ACE2結合之後，在纖毛動力蛋白的幫助下，從纖毛的頂端下降到纖毛的底端，再進入纖毛上皮細胞。
▲ 新冠病毒進入纖毛上皮細胞的兩種方式
不知道大家還記不記得前面介紹過的感染延遲現象：48小時後之後病毒才感染更多的細胞。奇怪的是，在Vero細胞（有些滅活疫苗就是用這個細胞系培養新冠病毒的）中，新冠病毒感染卻不存在這種延遲現象。這又是什麼原因造成的呢？
結合鼻腔上表皮的結構，Jackson團隊推測可能是初始被感染細胞排出新病毒的過程限制了病毒的傳播。于是，他們開始研究鼻纖毛上皮細胞被感染後是如何排出新病毒的。
結果真有新發現。
原來因為PCL的存在，新冠病毒不僅感染纖毛上皮細胞有困難，在纖毛上皮細胞中複制完成後排出新病毒也很困難。問題都出在過不去上。
那這滞後的一兩天，新冠病毒究竟在幹什麼呢？
原來它們在“修路”！
後續的一系列研究發現，新冠病毒居然可以激活調控細胞骨架重組的p21活化激酶1和4（PAK1和PAK4），讓纖毛上皮細胞上原本微小的微絨毛成長成跟纖毛一樣又粗又長的巨型微絨毛。借助于這些巨大的微絨毛，新冠病毒成功穿越PCL，完成排毒，感染更多的細胞。
▲ 新冠病毒入侵和排毒的機制示意圖
Jackson團隊還發現，微絨毛上沒有ACE2和TMPRSS2，是以，巨型微絨毛是新冠病毒打造的排毒專用通道。值得一提的是，這個新機制的發現，也讓科學家發現了新的抑制新冠病毒感染的方法，即，抑制微絨毛的形成。
在研究的最後，Jackson團隊探讨了奧密克戎變異株傳染性強的原因，以及是否也存在類似的機制。
研究結果表明，奧密克戎感染上呼吸道用的也是這套機制，不過與其他變異株相比，奧密克戎變異株感染速度更快，在接種6小時後感染的細胞為10%，24小時時為40%，遠高于其他毒株的1-3%。電鏡觀察發現，附着在纖毛上的奧密克戎毒株比其他毒株多很多。這也說明，奧密克戎毒株與ACE2的結合能力确實要強于其他毒株。
▲ 奧密克戎确實更強
總的來說，Jackson團隊這項研究讓我們對新冠病毒感染上呼吸道有了更深入的認知，更重要的是，研究還發現了能阻止新冠病毒感染的靶點，這也為鼻腔給藥提供了新思路。
未來，或許我們通過鼻腔用藥就能在新冠病毒感染人體的第一站阻擊新冠病毒的入侵。這種用藥方式不僅簡單，而且可以避免全身性治療的不良脫靶效應。
參考文獻：
[1].Wu CT, Lidsky PV, Xiao Y, et al. SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming. Cell. 2023;186(1):112-130.e20. doi:10.1016/j.cell.2022.11.030
[2].Sungnak W, Huang N, Bécavin C, et al. SARS-CoV-2 entry factors are highly expressed in nasal epithelial cells together with innate immune genes. Nat Med. 2020;26(5):681-687. doi:10.1038/s41591-020-0868-6
[3].Button B, Cai LH, Ehre C, et al. A periciliary brush promotes the lung health by separating the mucus layer from airway epithelia. Science. 2012;337(6097):937-941. doi:10.1126/science.1223012
[4].Lee IT, Nakayama T, Wu CT, et al. ACE2 localizes to the respiratory cilia and is not increased by ACE inhibitors or ARBs. Nat Commun. 2020;11(1):5453. Published 2020 Oct 28. doi:10.1038/s41467-020-19145-6
[5].Nakayama T, Lee IT, Jiang S, et al. Determinants of SARS-CoV-2 entry and replication in airway mucosal tissue and susceptibility in smokers. Cell Rep Med. 2021;2(10):100421. doi:10.1016/j.xcrm.2021.100421
本文作者丨BioTalker