揭示病毒破坏性,测试药物有效性,“迷你器官”成新冠病毒研究有力工具|国际战“疫”行动

2020-07-02 18:46:41 来源: 科技日报 作者: 刘霞


类器官可用于研究新冠病毒对人体器官的损害。     图片来源:网络(medicalxpress.com) 

科技日报记者 刘霞

病毒学家通常使用培养皿中的细胞株或动物细胞研究病毒,但这些细胞不能很好地模拟新冠病毒感染,因为它们不能模仿人体内发生的事情。有鉴于此,研究人员在实验室中培养出一种“迷你器官”(类器官),以研究新冠病毒对人体的影响。

据英国《自然》网站近日报道,对这些类器官开展的研究表明,新冠病毒会攻击人体多个器官,包括肺、肝脏、肾脏和肠等。此外,研究人员还利用这些类器官测试新冠肺炎的潜在疗法。

类器官俨然已成为新冠病毒研究的有力工具,但也有科学家强调,针对其开展研究获得的结论仍不成熟,需要进一步人体临床试验才能最终论定。

类器官与身体组织形态非常相似

医生从住院患者和尸检中知道,新冠病毒可能对人体器官产生破坏,但尚不清楚某些损害是病毒直接导致的,还是由感染之后产生的并发症引起的。目前,全球多个研究小组正在借助类器官揭示病毒在体内传播的位置、感染的细胞以及造成的损害。

德国约翰内斯·古腾堡大学的细胞生物学家托马斯·埃弗斯说:“类器官的美在于它们与身体组织的真实形态非常相似。”

西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所的干细胞生物学家努里亚·蒙特塞拉特也指出,类器官可以更好地展示新冠病毒对人体组织的作用。首先,它们可以发育成多种细胞类型,并在数周内呈现出原始器官的形状。其次,它们比动物模型便宜。而且,它们还避免了动物模型可能会引发的道德伦理争议。

不过,荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯大学病毒学家巴特·哈格曼强调,借助类器官研究新冠病毒也存在缺陷,因为它们不能反映人体内发生的器官之间的相互干扰,这意味着研究结果仍需要在动物模型和临床试验中予以验证。

研究新冠病毒对人体器官的伤害

《自然》杂志的报道指出,类器官能在新冠病毒研究中大显身手,多个科研团队借助类器官深入分析了新冠病毒对肺部、肝脏、肠道等人体器官造成的伤害。

类器官研究提供的关键见解之一是新冠病毒对呼吸系统(从上呼吸道到肺)细胞的作用。

日本京都大学干细胞生物学家高山和一及其同事开发出4种具有不同细胞类型的支气管类器官,它们由支气管外层(上皮)的冷冻细胞制成。当团队用新冠病毒感染类器官时,他们发现病毒主要靶向可补充上皮细胞(基底细胞)的干细胞,但不容易进入保护性分泌型支气管上皮棒状细胞。

此外,美国康奈尔大学医学系干细胞生物学家陈水冰利用培养皿中的“迷你”肺开展研究,发现某些细胞在被感染后会死亡,而且,新冠病毒会诱导产生名为趋化因子和细胞因子的蛋白,这些蛋白会引发大量免疫反应。陈水冰指出,为什么病人的肺细胞会慢慢凋亡?是由于病毒导致的损害造成,还是由于免疫细胞的吞噬?仍是未解之谜。

陈水冰创建类器官的方法与高山不同。她使用的不是成人细胞,而是可以发育为体内任何细胞类型的多能干细胞。她说,以这种方式生长的类器官可以囊括更多细胞类型,但最终结果不那么成熟,因此可能不代表成年组织。她目前正用免疫细胞培养肺类器官。

新冠病毒可从肺部传播到其他器官,但研究人员不确定病毒的传播方式。

今年5月4日,蒙特塞拉特及其同事在《细胞》杂志上发表的研究给出了解释。在同样针对由多能干细胞制成的类器官的实验中,他们发现,新冠病毒可以感染内皮细胞(血管内壁排列的细胞),这些细胞会使病毒颗粒泄漏到血液中,并在人体内循环。加拿大不列颠哥伦比亚大学的基因工程师约瑟夫·彭宁格说,新冠肺炎患者血管受损的病理报告也支持这一假说。彭宁格和蒙特塞拉特表示,针对类器官的研究表明,一旦进入血液,新冠病毒就可以直接感染包括肾脏在内的多个器官。

不过,尽管新冠病毒感染了肾脏类器官,并使一些细胞死亡,但研究人员不确定这是否是导致某些新冠肺炎患者肾功能障碍的直接原因。

另一项针对肝脏类器官的研究发现,新冠病毒可以感染并杀死有助于胆汁产生的细胞——胆管细胞。此项研究负责人、中国复旦大学细胞生物学家赵冰表示,许多研究人员认为,在新冠肺炎患者身上看到的肝损伤是由过度活跃的免疫反应或药物副作用引起的,但他的研究表明,“新冠病毒可以直接攻击肝组织,导致肝损伤”。

哈格曼等人借助肠道类器官开展的研究表明,新冠病毒还可以在小肠和大肠内的肠细胞中复制。哈格曼说,尽管这样的发现很有启发性,但使用类器官研究病毒与宿主的相互作用还处于初期,需要更复杂的类器官系统才能更好地理解新冠病毒如何与人体免疫系统相互作用从而造成损害。

测试药物对冠状病毒的反应

科学家还在研究是否可以将类器官用于模拟药物在人体内的反应,他们希望能用类器官测试潜在的新冠肺炎疗法。

陈水冰筛查了美国食品药品监督管理局(FDA)批准的大约1200种药物,发现抗癌药物伊马替尼可抑制肺类器官中的新冠病毒。目前,已有几项人体临床试验在测试该药物作为新冠肺炎疗法的潜力。其他小组也在类器官中测试现有药物对冠状病毒的反应,并取得了一些成功。

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