實驗室迷你肺或揭示新冠病毒為何致死

在波士頓國家新發傳染病實驗室（NEIDL）的生物安全四級實驗室內，研究人員戴著三副手套，通過彎彎曲曲的管子在防護服裡呼吸空氣。在他們面前的塑料罩下，是從類器官（模擬器官的細胞團）長出的人類肺泡細胞。

現在該用冠狀病毒感染它們了。

接下來發生的事情也許會揭示新冠病毒為何具有不尋常和致命的影響——重要的不僅僅是病毒，還有人體對病毒的反應。部分人死亡的原因就是這種反應，而類器官也許能協助人們確定哪裡的危害最嚴重。人們已經用準確的細胞模型找到了病毒進入人體的路徑和對人體造成最大傷害的地方，細胞模型對尋找治療方法也有所幫助。

許多病毒學家使用計算機數據，或者用含有一部分新冠病毒結構的其他病毒，有時也通過感染病毒易於生長的猴子細胞來開展他們的工作。但是，這些替代方法無法展現真正的病毒對特定的人類細胞有著哪些影響。「如果在真實的事物上進行研究，結果就是真實的」，波士頓大學 NEIDL 實驗室的微生物學家埃爾克 · 米爾伯格（Elke Mühlberger）說道。「 如果對宿主的免疫應答感興趣，替代品是沒有用的。」

圖 | 波士頓大學的研究人員在生物安全四級的 NEIDL 實驗室中研究致命病毒。

在對實驗室製造的人肺組織進行的研究中，測試新冠藥物是其中一項有望獲得成果的研究領域。在嘗試對人使用任何潛在的抗病毒藥物之前，研究人員必須先在實驗室中測試藥物阻斷病毒的能力。但是經過對皮氏培養皿的多年適應，標準實驗室細胞已經和正常人體細胞大相逕庭了。米爾伯格說：「它們不再具備像肺或肝臟一樣反應的能力，它們對幹擾素沒有反應——與真實的器官有很大的不同。」「除了被感染，它們沒什麼別的反應。」

但來自類器官的細胞是不同的。

小器官

類器官是由幹細胞產生的複雜的微型組織。這些細胞可以增殖和進行自主分化，直到最終形成具有真實器官的基本細胞組成和功能的小團塊。比如具有精細皺紋的小腸，能發出腦電波的腦部斑塊，以及看起來與真正胚胎極像的結構。

圖 | 人類肺細胞正在生長成為立體的類器官。這些來自 「肺泡層」 的細胞正在被新冠病毒感染，有助於研究人員了解該病毒為何致命。

類器官首次應用於病毒研究是在寨卡病毒暴發期間，研究人員用寨卡病毒感染實驗室的微型大腦，發現寨卡病毒更易感染年輕和發育中的神經元。這就解釋了為什麼這種蚊子傳播的病毒，能在一些巴西新生兒中引起小頭畸形這種出生缺陷。

類器官還有助於對研究人員所知甚少的動物病毒進行研究，因為事實證明，這些病毒很難在實驗室環境中生長。今年 5 月，香港的科學家在實驗室培育了馬蹄蝠小腸，而馬蹄蝠被視為新冠病毒暴發的根源，其身上攜帶著成千上萬種鮮為人知的病毒。

肺細胞

波士頓的這項研究使用了在多個地區實驗室中創建的肺組織，其中包括一些與肺泡部分匹配的組織，肺泡是肺中用於交換氧氣的蓬鬆氣囊，研究發現新冠肺炎重症患者的肺泡會不堪重負。

芬奇 · 霍金斯（Finn Hawkins）是一名肺科醫生兼類器官實驗室負責人，他剛剛結束對 ICU 新冠肺炎患者的治療。他說：「我從未見過類似的情況。最令我驚訝的是新冠病毒只會使某些患者出現嚴重的肺損傷。而伊波拉卻會令所有感染者患病。」

重症患者也會出現奇怪症狀。使用呼吸機的患者本應逐漸脫離危險，但與之相反，有些患者體內發生了「細胞因子風暴」，這是一種失控的炎症反應，患者會持續發燒。多數新冠肺炎患者死亡的原因在於他們已經無法呼吸。霍金斯說：「其標記上升，嚴重缺氧。患者病情突然惡化，此前我從未經歷過這種狀況，而現在它在接連不斷地發生。你開始疑慮發生了什麼，是什麼在加劇這種情況。」

霍金斯說，特定氣道和肺細胞供應情況可以解釋兩個問題：第一，哪些細胞使病毒進入體內；第二，什麼是病毒破壞性作用產生的關鍵。他說，將幹細胞衍生肺細胞與對單個細胞內的分子進行測序和追蹤的技術結合起來，結果會顯示出「難以置信的清晰度」，他說，「你可獲取到原本無法獲取的信息。」

為了觀察哪種細胞最容易受到感染，北卡羅萊納州的一個研究小組利用人類氣道細胞薄片來形成在液體和氣體之間生長的層。他們確定，纖毛細胞（其表面絨毛如同海葵上的葉子一樣揮動著，使痰液順著氣道向上和向外移動）具有高水平的 ACE-2，這是病毒所依賴的人類細胞受體。他們發現，鼻子是病毒最有可能進入的地方。

科學家可以利用這一信息想出抵禦病毒的辦法。YouTube 上的一個視頻建議建造一個類似於回形針結構的抗病毒鼻子。如果病毒正在侵犯我們的鼻子，那麼這個想法並不瘋狂。霍金斯說：「如果你了解哪些細胞以何種形式被感染，那你就可以找到阻止病毒進入或是削弱病毒危害的策略。」

利用肺部模型研究的下一個問題是確定特定細胞類型對感染的反應方式。霍金斯說：「我們懷疑該病毒正在觸發某些狀況。我們真正感興趣的是：當病毒進入細胞時，引發的連鎖後果是什麼？」一些醫生認為，病毒損害了肺的氣體交換系統——肺泡，因而導致患者死亡。交換氧氣的氣囊細胞又大又薄，類似於遊艇上的帆。但是真正的問題可能在於 「Ⅱ 型」 細胞，其作用是製造表面活性劑，這種表面活性劑會降低表面張力，使氣囊保持打開狀態。

圖 | 感染新冠病毒後，肺細胞被綠色點亮標記。（來源：KOTTON LAB）

霍金斯說：「患者屍檢顯示，Ⅱ 型細胞受到了嚴重破壞。我們知道他們被病毒感染了。這是了解患者死因的關鍵細胞類型。患者肺泡完全封閉，這是患者需要吸氧的原因。患者最終使用呼吸機時，提供合適的壓力並搶救滲漏的病態肺部非常具有挑戰性。」

細胞凋亡

霍金斯傾向於研究住院新冠肺炎患者，而波士頓大學達雷爾 · 科頓實驗室的博士後傑西 · 黃（Jessie Huang）一直在用類器官製造 Ⅱ 型細胞，並將其送到全國和世界各地。患者的肺泡細胞不容易生長，但波士頓實驗室已經找到了如何製造這些細胞的方法，他們可以製造一種被稱為 alveolosphere 的類器官，即從 AEC2 衍生的類器官。

這些細胞會被運送到整個鎮上的安全實驗室。米爾伯格說：「我們的工作非常簡單，只是往細胞中添加病毒。」

將新冠病毒注射進肺細胞後會發生什麼呢？米爾伯格說，她在細胞液中添加了 「少量病毒」，令細胞感染。幾天後，觀察到細胞核呈破碎狀，一些細胞出現了分離漂浮。她說：「你會觀察到細胞狀態變差。我們認為病毒會直接殺死細胞，但我們不確定。」 這可能是細胞因子和趨化因子的過度生產，一種分子炎症類型。

米爾伯格相信利用類器官也能更好地了解哪種藥物可以阻止病毒複製。她說，一種在猴子細胞中能阻止病毒的化合物並未在人體肺細胞中起作用。她補充說：「我們認為類器官對病毒的反應完全不同，藥物的效果也可能不同。」

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