Viruses | 实验室培养的呼吸道模型，助力肺部病毒感染防愈

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曾经，在实验室里培养器官细胞只会在科幻电影里出现，而如今正在变成现实。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO) 的研究人员发现，实验室培养的人体支气管上皮细胞可以有效地模拟人类呼吸道对病毒的反应，这意味着该模型可以用来快速测试抗病毒治疗是否对感染病毒的人体具有有效性。

2019新型冠状病毒 (SARS-CoV-2) 的大流行给人类健康和全球经济带来严重威胁，该病毒是以前从未在人体中发现的冠状病毒新毒株。由于诊断和治疗手段的研发需要耗费一定的时间，新型传染性病毒的出现往往使得它们具有引发全球流行病的灾难性风险。

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人类呼吸道模型的建立可以更好地了解病毒是如何影响宿主，以及潜在的药物是否可能对其产生作用。来自CSIRO的科学家Elizabeth Pharo博士及其研究团队在Viruses期刊上发表的文章介绍了该模型。作者表示人类呼吸道模型的建立可以让抗病毒药物在进入临床试验阶段之前“快速失效”，帮助更有希望的药物通过人体试验。并且该模型还可以用于帮助研究病毒的特性以及它如何影响呼吸道细胞，从而帮助减少对动物实验的需求。

那么该模型是如何建立的呢？

呼吸道上皮细胞是流感病毒感染的起始部位。因此，它必须为宿主提供防御病毒入侵的第一道防线，对吸入的毒素、病原体、过敏原和微粒形成物理化学屏障，防止它们进入血液。呼吸道上皮的结构完整性是由顶端连接复合体 (Apical Junction Complexes, AJCs) 提供的，它在相邻细胞之间形成高度调控和选择性渗透屏障。甲型流感病毒等病原体可通过破坏AJCs进而破坏上皮细胞，因此AJCs损伤是诊断肺部疾病的关键。

AJCs是一种复杂的结构，包括紧密连接 (tight junctions, TJs)、贴壁连接 (adherens junctions, AJs) 和桥粒 (desmosomes)。其中紧密连接通过相邻细胞膜上的跨膜蛋白形成嵴线而相互作用，从而将两个细胞的质膜紧密地连接在一起。紧密连接的嵴线上含有两类蛋白：闭合蛋白和密封蛋白。闭合蛋白包括Occludin。闭合蛋白细胞外的部分还能够形成细胞间相互作用，胞质内的N-和C-末端能结合胞质中的紧密连接蛋白 zonula occludens (ZO)，紧密连接蛋白1 (ZO)-1在TJs、细胞骨架和AJs之间形成连接，因此对维持AJCs的稳定性起着重要作用。

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这项研究是在CSIRO设在吉朗的澳大利亚疾病防范中心 (Australian Centre for Disease Preparedness, ACDP) 进行的，ACDP的研究人员从捐赠的正常支气管上皮细胞 (NHBE) 中提取了细胞样本 (捐赠者身体状况健康且没有抽烟习惯)，随后将这些呼吸道细胞传代后选取未分化的细胞接种在气液界面培养系统 (air-liquid interface, ALI) 的聚酯膜上。大约4周后分化良好的NHBE(wdNHBE) 细胞形成体外假复层上皮，包括基底细胞、杯状细胞、棒状杆细胞和纤毛细胞，4-8周后就可用于实验。在2009年大流行性甲型流感H1N1pdm09株感染wdNHBE细胞后，观察wdNHBE细胞的反应。选择Poly(I:C) 作为刺激先天免疫反应的阳性对照，聚肌胞聚肌胞Poly(I:C) 是一种干扰素诱导剂，可在体内细胞诱导下产生干扰素，有广谱抗病毒和免疫调节功能。

wdNHBE上皮纤毛细胞表面的纤毛协调地跳动

实验结果显示，在H1N1pdm09感染后30小时，紧密连接蛋白1(ZO-1)显示被破坏并且呈现不连续，表明顶端连接复合体和上皮细胞受损。wdNHBE细胞在甲型流感H1N1pdm09病毒感染后产生先天免疫应答，产生了促炎症及抗炎症细胞因子、趋化因子，以及抗病毒蛋白viperin。此外，在粘液纤毛清除中发挥重要作用的MUC5B的表达量降低，这可能影响粘液纤毛的清除作用，粘膜屏障是肺部先天免疫系统的主要组成部分，MUC5AC和MUC5B是主要分泌的黏液蛋白，在呼吸道防御和粘液纤毛清除中发挥关键作用。

图1. 甲型流感病毒H1N1pdm09破坏wdNHBE细胞的紧密连接和细胞骨架。用ALI培养基 (a) 和接种了H1N1pdm09的培养基 (b)上生长的wdNHBE细胞。

该实验中培养的分化良好的NHBE(wdNHBE)细胞形成了顶端连接复合体 (AJCs)，粘液分泌和协调性跳动的纤毛细胞。甲型流感H1N1pdm09病毒和poly(I:C) 对该模型中呼吸道上皮细胞的破坏，以及先天免疫应答的产生，抗病毒、促炎和抗炎基因的诱导，证明了该模型用于研究大流行性流感的可行性。在该模型中紧密连接蛋白1 ZO-1被破坏显示H1N1pdm09损伤了顶端连接复合体 (AJCs) 和上皮细胞，从而引起全身感染。对甲型流感H1N1pdm09病毒的反应中MUC5B的减少表明粘液纤毛的清除能力受损，这可能导致病毒对人体的侵染程度加深。

未来的研究将集中于利用这一模型来研究人畜共患的、具有大流行潜力的新型传染性病毒，包括目前席卷全球的SARS-CoV-2冠状病毒。ACDP的科学家们现在正在使用这个模型研究COVID-19如何感染和损害健康的呼吸道细胞。

Viruses (ISSN 1999-4915; IF 3.816) 是一个病毒学领域的国际型开放获取期刊。其期刊范围涵盖动物病毒、植物病毒、抗病毒和疫苗、噬菌体以及朊病毒等各方面的研究。Viruses采取单盲同行评审，一审周期约为14.7天，文章从接收到发表仅需2.5天。

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原文出自Viruses期刊

Pharo, E.A.; Williams, S.M.; Boyd, V.; Sundaramoorthy, V.; Durr, P.A.; Baker, M.L.Host–Pathogen Responses to Pandemic Influenza H1N1pdm09 in a Human Respiratory Airway Model. Viruses 2020, 12, 679. 

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*翻译作者：Sherin Hu

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