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实验室迷你肺或揭示新冠病毒为何致死

2020-06-24 14:17:59博名知识网
在波士顿国家新发传染病实验室(NEIDL)的生物安全四级实验室内,研究人员戴着三副手套,通过弯弯曲曲的管子在防护服里呼吸空气。在他们面前的塑料罩下,是从类器官(模拟器官的细胞团)长出的人类肺泡细胞。现在该用冠状病毒感染它们了。接下来发生的事情也许会揭示新冠病毒为何具有不寻常和致命的影响——重要的不仅仅是病毒,还有人体对病毒的反应。部分人

  在波士顿国家新发传染病实验室(NEIDL)的生物安全四级实验室内,研究人员戴着三副手套,通过弯弯曲曲的管子在防护服里呼吸空气。在他们面前的塑料罩下,是从类器官(模拟器官的细胞团)长出的人类肺泡细胞。

  现在该用冠状病毒感染它们了。

  接下来发生的事情也许会揭示新冠病毒为何具有不寻常和致命的影响——重要的不仅仅是病毒,还有人体对病毒的反应。部分人死亡的原因就是这种反应,而类器官也许能协助人们确定哪里的危害最严重。人们已经用准确的细胞模型找到了病毒进入人体的路径和对人体造成最大伤害的地方,细胞模型对寻找治疗方法也有所帮助。

  许多病毒学家使用计算机数据,或者用含有一部分新冠病毒结构的其他病毒,有时也通过感染病毒易于生长的猴子细胞来开展他们的工作。但是,这些替代方法无法展现真正的病毒对特定的人类细胞有着哪些影响。“如果在真实的事物上进行研究,结果就是真实的”,波士顿大学 NEIDL 实验室的微生物学家埃尔克 · 米尔伯格(Elke Mühlberger)说道。“ 如果对宿主的免疫应答感兴趣,替代品是没有用的。”

  

实验室迷你肺或揭示新冠病毒为何致死

  图 | 波士顿大学的研究人员在生物安全四级的 NEIDL 实验室中研究致命病毒。

  在对实验室制造的人肺组织进行的研究中,测试新冠药物是其中一项有望获得成果的研究领域。在尝试对人使用任何潜在的抗病毒药物之前,研究人员必须先在实验室中测试药物阻断病毒的能力。但是经过对皮氏培养皿的多年适应,标准实验室细胞已经和正常人体细胞大相径庭了。米尔伯格说:“它们不再具备像肺或肝脏一样反应的能力,它们对干扰素没有反应——与真实的器官有很大的不同。”“除了被感染,它们没什么别的反应。”

  但来自类器官的细胞是不同的。

  小器官

  类器官是由干细胞产生的复杂的微型组织。这些细胞可以增殖和进行自主分化,直到最终形成具有真实器官的基本细胞组成和功能的小团块。比如具有精细皱纹的小肠,能发出脑电波的脑部斑块,以及看起来与真正胚胎极像的结构

  

实验室迷你肺或揭示新冠病毒为何致死

  图 | 人类肺细胞正在生长成为立体的类器官。这些来自 “肺泡层” 的细胞正在被新冠病毒感染,有助于研究人员了解该病毒为何致命。

  类器官首次应用于病毒研究是在寨卡病毒暴发期间,研究人员用寨卡病毒感染实验室的微型大脑,发现寨卡病毒更易感染年轻和发育中的神经元。这就解释了为什么这种蚊子传播的病毒,能在一些巴西新生儿中引起小头畸形这种出生缺陷。

  类器官还有助于对研究人员所知甚少的动物病毒进行研究,因为事实证明,这些病毒很难在实验室环境中生长。今年 5 月,香港的科学家在实验室培育了马蹄蝠小肠,而马蹄蝠被视为新冠病毒暴发的根源,其身上携带着成千上万种鲜为人知的病毒。

  肺细胞

  波士顿的这项研究使用了在多个地区实验室中创建的肺组织,其中包括一些与肺泡部分匹配的组织,肺泡是肺中用于交换氧气的蓬松气囊,研究发现新冠肺炎重症患者的肺泡会不堪重负。

  芬奇 · 霍金斯(Finn Hawkins)是一名肺科医生兼类器官实验室负责人,他刚刚结束对 ICU 新冠肺炎患者的治疗。他说:“我从未见过类似的情况。最令我惊讶的是新冠病毒只会使某些患者出现严重的肺损伤。而埃博拉却会令所有感染者患病。”

  重症患者也会出现奇怪症状。使用呼吸机的患者本应逐渐脱离危险,但与之相反,有些患者体内发生了“细胞因子风暴”,这是一种失控的炎症反应,患者会持续发烧。多数新冠肺炎患者死亡的原因在于他们已经无法呼吸。霍金斯说:“其标记上升,严重缺氧。患者病情突然恶化,此前我从未经历过这种状况,而现在它在接连不断地发生。你开始疑虑发生了什么,是什么在加剧这种情况。”

  霍金斯说,特定气道和肺细胞供应情况可以解释两个问题:第一,哪些细胞使病毒进入体内;第二,什么是病毒破坏性作用产生的关键。他说,将干细胞衍生肺细胞与对单个细胞内的分子进行测序和追踪的技术结合起来,结果会显示出“难以置信的清晰度”,他说,“你可获取到原本无法获取的信息。”

  为了观察哪种细胞最容易受到感染,北卡罗莱纳州的一个研究小组利用人类气道细胞薄片来形成在液体和气体之间生长的层。他们确定,纤毛细胞(其表面绒毛如同海葵上的叶子一样挥动着,使痰液顺着气道向上和向外移动)具有高水平的 ACE-2,这是病毒所依赖的人类细胞受体。他们发现,鼻子是病毒最有可能进入的地方。

  科学家可以利用这一信息想出抵御病毒的办法。YouTube 上的一个视频建议建造一个类似于回形针结构的抗病毒鼻子。如果病毒正在侵犯我们的鼻子,那么这个想法并不疯狂。霍金斯说:“如果你了解哪些细胞以何种形式被感染,那你就可以找到阻止病毒进入或是削弱病毒危害的策略。”

  利用肺部模型研究的下一个问题是确定特定细胞类型对感染的反应方式。霍金斯说:“我们怀疑该病毒正在触发某些状况。我们真正感兴趣的是:当病毒进入细胞时,引发的连锁后果是什么?”一些医生认为,病毒损害了肺的气体交换系统——肺泡,因而导致患者死亡。交换氧气的气囊细胞又大又薄,类似于游艇上的帆。但是真正的问题可能在于 “Ⅱ 型” 细胞,其作用是制造表面活性剂,这种表面活性剂会降低表面张力,使气囊保持打开状态。

  

实验室迷你肺或揭示新冠病毒为何致死

  图 | 感染新冠病毒后,肺细胞被绿色点亮标记。(来源:KOTTON LAB)

  霍金斯说:“患者尸检显示,Ⅱ 型细胞受到了严重破坏。我们知道他们被病毒感染了。这是了解患者死因的关键细胞类型。患者肺泡完全封闭,这是患者需要吸氧的原因。患者最终使用呼吸机时,提供合适的压力并抢救渗漏的病态肺部非常具有挑战性。”

  细胞凋亡

  霍金斯倾向于研究住院新冠肺炎患者,而波士顿大学达雷尔 · 科顿实验室的博士后杰西 · 黄(Jessie Huang)一直在用类器官制造 Ⅱ 型细胞,并将其送到全国和世界各地。患者的肺泡细胞不容易生长,但波士顿实验室已经找到了如何制造这些细胞的方法,他们可以制造一种被称为 alveolosphere 的类器官,即从 AEC2 衍生的类器官。

  这些细胞会被运送到整个镇上的安全实验室。米尔伯格说:“我们的工作非常简单,只是往细胞中添加病毒。”

  将新冠病毒注射进肺细胞后会发生什么呢?米尔伯格说,她在细胞液中添加了 “少量病毒”,令细胞感染。几天后,观察到细胞核呈破碎状,一些细胞出现了分离漂浮。她说:“你会观察到细胞状态变差。我们认为病毒会直接杀死细胞,但我们不确定。” 这可能是细胞因子和趋化因子的过度生产,一种分子炎症类型。

  米尔伯格相信利用类器官也能更好地了解哪种药物可以阻止病毒复制。她说,一种在猴子细胞中能阻止病毒的化合物并未在人体肺细胞中起作用。她补充说:“我们认为类器官对病毒的反应完全不同,药物的效果也可能不同。”

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