实验室培养的微型器官，揭示新冠病毒如何侵害机体

原文作者：Smriti Mallapaty

利用人类肝脏导管细胞培养的类器官（organoid）感染了新冠病毒SARS-CoV-2（红色）。来源：Bing Zhao

研究人员正在实验室内培养微型器官，用以研究新冠病毒如何侵害机体。基于这些类器官（organoid）的研究显示，新冠病毒可以入侵从肺到肝、肾和肠道的各种器官。研究人员也在使用类器官开展药物实验，以了解这些疗法是否适用于人类。

医生从住院病人和验尸结果中了解到，新冠病毒会对器官产生毁灭性影响，但是却不清楚其中一些损害是直接由病毒造成的，还是由感染引起的次要并发症造成的。若干研究小组正在利用类器官研究病毒会到达机体的什么部位，感染什么细胞，造成什么样的损害。

“类器官的优点是形似真实的组织。”德国美因茨大学的细胞生物学家Thomas Efferth说。

病毒学家一般使用培养的细胞系或动物细胞研究病毒[1]。但是它们不能有效地模拟新冠病毒感染，因为它们无法模拟机体内真实发生的情况，研究人员如此表示。

西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所的干细胞生物学家Núria Montserrat说，类器官可以更好地演示新冠病毒对人体组织的影响。类器官生长后会包含多种细胞类型，只用几周时间便能形成真实器官的形状。它们的费用低于动物模型，同时避开了动物模型存在的伦理问题。

尽管如此，利用类器官研究新冠病毒也有其局限性，因为它们不能反映真实器官在机体内的互作，这意味着基于类器官所得的发现仍需要通过动物模型和临床研究加以验证，鹿特丹伊拉斯姆斯大学的病毒学家Bart Haagmans说。

从类器官研究中获知的关键洞察之一是新冠病毒对呼吸系统内的细胞——从上呼吸道至肺部——造成了什么影响。

京都大学的干细胞生物学家高山和雄（Kazuo Takayama）及其同事利用支气管外层的冷冻细胞或上皮细胞，培养了包含四种不同类型细胞的支气管类器官。他们用新冠病毒感染该类器官后发现，病毒主要靶向补充上皮细胞的干细胞——基底细胞，但是没有轻易进入保护性的分泌性棒状细胞（club cell）[2]。他们团队已将该研究结果发布在预印本服务器bioRxiv上，目前计划研究新冠病毒是否能够从基底细胞传播至其他细胞。

新冠病毒可以从上呼吸道进入肺部，引起呼吸衰竭——新冠肺炎的一种严重的并发症。威尔康奈尔医学院的干细胞生物学家Shuibing Chen利用培养的肺类器官进行研究，发现部分细胞在感染后会死亡，而且病毒会诱导生成趋化因子和细胞因子[3]，触发强烈的免疫反应。许多新冠肺炎重症患者都经历了细胞因子风暴（cytokine storm）——一种具有致命性的免疫反应。

Shuibing Chen也将她的研究结果发布在bioRxiv上，但是她说病人的肺细胞为什么会死亡仍然是一个谜：是因为病毒引起的损害，自我诱导的摧毁，还是被免疫细胞吞噬。“我们知道那些细胞会死亡，但是不知道原因是什么。”她说。她采用了和高山和雄不一样的方法来创造类器官，她没有用成体细胞，而是用了可以发育成为任何细胞类型的多能干细胞。这样培养出来的类器官可以包含更多的细胞类型，但是最后的结果不那么成熟，因此可能不能代表成熟组织，Shuibing Chen说。她现在正在使用免疫细胞培养肺类器官。

新冠病毒可以从肺部传播到其他器官，但是研究人员原本一直不确定它究竟是如何传播的，直到5月Montserrat及其同事在《细胞》期刊上发表了一项研究[4]。他们利用通过多能干细胞培养而成的类器官开展实验，表明新冠病毒可以感染血管内皮细胞，进而使病毒颗粒渗入血液，在机体全身循环。COVID-19患者的受损血管病理报告也支持这一假设，加拿大不列颠哥伦比亚大学的遗传工程师、前述研究[5]的共同作者Josef Penninger说。

感染了新冠病毒（白色）的人类肠道类器官。来源：Joep Beumer/Clevers group/Hubrecht Institute

类器官研究表明，病毒一旦进入血液，便会直接感染肾在内的多个器官，Penninger和Montserrat说。虽然病毒感染了肾类器官，而且部分细胞死亡了，但是研究人员不确定这是不是部分病人出现肾功能障碍的直接原因。

另一项关于肝脏类器官的研究发现，新冠病毒可以感染并杀死胆管细胞。许多研究人员认为新冠肺炎患者的肝损伤是由免疫反应过度活跃或药物副作用引起的，复旦大学的细胞生物学家赵冰说。他说他的研究“表明病毒可以直接攻击肝组织，引起肝损伤”，目前已发表在《蛋白质与细胞》（Protein & Cell）上[6]。

根据《科学》发表的一项基于肠道类器官的研究[7]，新冠病毒还能在肠上皮细胞（enterocyte）中复制。

虽然这类发现具有启发性，但是使用类器官研究病毒-宿主互作仍处于萌芽阶段，Haagmans说，他成功培养出了肠道类器官。“目前要说它们有多大相关性，为时尚早。”他说。研究人员表示，需要有更复杂的类器官系统，才能更好地理解新冠病毒如何与机体的免疫系统互作，造成破坏。

“现在，我们相当确定新冠病毒可以感染肺部以外的器官，具有明显的致病作用。”Penninger说。但是他也表示，更加严重的后果，比如肾损伤和心脏损伤，可能是病毒感染和免疫反应过度共同作用的结果。

科学家们也在研究类器官能否用于模拟药物在机体内的反应。他们希望利用类器官测试潜在的新冠肺炎疗法，其中一些疗法尚未经过大范围的细胞及动物模型测试，便已匆匆投入临床试验。

“由于时间紧急，许多临床试验是基于过去有关其他冠状病毒的认知设计出来的，没有经过模型系统的谨慎评估便启动了，”Shuibing Chen说，“因此，许多都失败了。”

Shuibing Chen筛查了美国食品及药物管理局（FDA）批准用于其他疾病的约1200种药物，发现癌症药物伊马替尼（imatinib）抑制了肺类器官中的新冠病毒[3]。此后，多个把伊马替尼作为新冠肺炎潜在治疗药物的人类临床试验启动了。

另有一些研究小组也在利用类器官测试已有药物防治新冠病毒的效果，并取得了一些成功[2,8]。“只有到最后，我们才能知道这些系统对于测试药效有何预测性价值，”Haagmans说，“这是一个漫长的过程。”

参考文献：

1. Takayama, K. Trends Pharmacol. Sci. https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.05.005 (2020).

2. Suzuki, T. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.05.25.115600 (2020).

3. Han, Y. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.05.05.079095 (2020).

4. Monteil, V. et al. Cell 181, 905–913 (2020).

5. Varga, Z. et al. Lancet 395 1417–1418 (2020).

6. Zhao B. et al. Protein Cell https://doi.org/10.1007/s13238-020-00718-6 (2020).

7. Lamers, M. M. et al. Science https://doi.org/10.1126/science.abc1669 (2020).

8. Krüger, J. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.06.10.144816 (2020).

原文以Mini organs reveal how the coronavirus ravages the body为标题发表在2020年6月 22日的《自然》新闻版块