冠状病毒如何在短短几小时内破坏肺细胞

如果科学家们确切地知道SARS-CoV-2病毒在被感染的最初几个小时内对我们的肺细胞产生了什么影响呢?他们能利用这些信息找到能在病毒完全开始复制之前就破坏病毒复制过程的药物吗?研究发现，现有的几种fda批准的药物(包括一些最初设计用于抗癌的药物)可以阻止冠状病毒的传播，这表明答案是肯定的。

一个来自波士顿大学国家新发传染病实验室(NEIDL)、波士顿大学医学校区再生医学中心(CReM)和波士顿大学网络系统生物学中心(CNSB)的研究团队开始了一个长达数月的跨学科合作探索，结合了病毒学、干细胞衍生肺组织工程和深度分子测序等多个领域的专业知识，开始回答这些问题。他们同时用SARS-CoV-2病毒感染了数万个人类肺细胞，然后精确追踪所有这些细胞在感染后的最初几分钟内发生的情况。似乎这还不够复杂，该团队不得不将NEIDL内的整个高密封研究设施冷却到华氏61度。

这项具有挑战性的大规模工作的结果是什么?波士顿大学的团队已经公布了迄今为止最全面的地图，所有的分子活动在肺细胞内触发的发病冠状病毒感染。他们还发现，至少有18种现有的、经fda批准的药物可能在患者感染后不久被重新用于抗击COVID-19感染。实验表明，其中五种药物将冠状病毒在人类肺细胞中的传播减少了90%以上。他们的研究结果最近发表在分子细胞．

研究人员说，现在，来自世界各地的学术界和工业界合作者正在与该团队联系，商讨下一步如何将他们的研究成果从实验室转移到临床。(尽管COVID-19疫苗已经开始推出，但预计需要大半年的时间才能让足够多的人接种疫苗，以产生群体免疫。而且不能保证目前的疫苗配方对未来可能出现的SARS-CoV-2毒株同样有效。)更有效和适时的治疗干预措施可以帮助减少与COVID-19感染相关的总死亡人数。

“这项研究的不同寻常之处在于，我们观察了(感染)非常早期的时间点，即病毒感染肺细胞后的一个小时。埃尔克Mühlberger是该研究的高级研究员之一，也是波士顿大学NEIDL的病毒学家，他说:“看到病毒在感染过程中这么早就开始破坏细胞，这很可怕。”她通常研究世界上最致命的病毒，如埃博拉病毒和马尔堡病毒。

“最引人注目的方面是病毒影响了多少分子途径，”该研究的另一位高级研究员、波士顿大学CNSB的主任安德鲁·埃米利(Andrew Emili)说。CNSB专门研究蛋白质组学和分子相互作用的深度测序。“病毒对肺细胞进行大规模重塑——病毒对其感染的细胞的支配程度之高令人惊讶。”

病毒不能复制自己，因为它们缺乏制造蛋白质的分子机制——这就是为什么它们依赖于感染细胞来劫持细胞的内部机制，并利用它传播自己的遗传物质。Emili说，当SARS-CoV-2接管后，它完全改变了细胞的代谢过程，甚至在感染后3到6小时内破坏了细胞的核膜，这让研究团队感到惊讶。相比之下，“感染致命埃博拉病毒的细胞在这些感染的早期时间点没有显示出任何明显的结构变化，甚至在感染的晚期，核膜仍然完好无损，”Mühlberger说。

核膜包裹着细胞核，它拥有细胞的大部分遗传信息，并控制和调节正常的细胞功能。随着细胞核被SARS-CoV-2破坏，整个细胞的情况迅速恶化。当我们呼吸时，细胞通常在维持必要的氧气和二氧化碳的气体交换中起着作用，在围攻之下，细胞就会死亡。当细胞死亡时，它们还会发出应激信号，加剧炎症，触发级联生物活性，加速细胞死亡，最终导致肺炎、急性呼吸窘迫和肺衰竭。

该研究的资深作者之一、CReM科学家、波士顿医学中心(Boston Medical Center，波士顿大学教学医院)的肺科医生安德鲁·威尔逊(Andrew Wilson)说:“我不可能预测到很多这些途径，其中大多数对我来说都是新闻。”自2020年3月以来，威尔逊在波士顿安全网络医院BMC一直奋战在COVID-19大流行的前线，试图治疗和拯救医院ICU中病情最严重的患者。“这就是为什么我们的(实验)模型如此有价值。”

该团队利用CReM的类器官专业知识来培养人类肺气囊细胞，这是一种排列在肺内部的细胞。气囊细胞通常很难在传统培养中生长和维持，也很难直接从患者身上提取用于研究目的。这就是为什么迄今为止其他实验室的许多冠状病毒研究都依赖于使用更容易获得的细胞类型，比如猴子的肾细胞。问题是，猴子的肾细胞对冠状病毒感染的反应与人类的肺细胞不同，这使它们成为研究病毒的糟糕模型——从它们身上学到的任何东西都不能轻易转化为治疗人类患者的临床相关发现。

“我们的类器官，由我们的CReM教员开发，是从干细胞——它们与我们体内的活的、会呼吸的细胞并不相同，但它们是最接近的，”该研究的高级作者之一达雷尔·科顿说。他是CReM的主任和BMC的肺科医生，在那里他与威尔逊一起在ICU治疗COVID-19患者。他们两人经常通过Zoom电话与Mühlberger、Emili和他们研究团队的其他成员合作，他们设法在重症监护病房的短暂平静时刻加入Zoom电话。

在最近使用CReM工程人类肺细胞的另一项研究中，研究团队证实，现有药物瑞德西韦和卡莫司他在对抗病毒方面是有效的，尽管这两种药物都不是控制COVID-19引起的炎症的完美解决方案。瑞德西韦是一种广泛使用的抗病毒药物，已经在冠状病毒患者中得到了临床应用。但根据这项新研究的发现，这种病毒会在数小时内对细胞造成严重损害，引发炎症，研究人员说，一旦感染严重到需要在ICU使用呼吸机的程度，瑞德西韦等抗病毒药物可能没什么作用。“如果疾病已经进展，(给予瑞德西韦)就无法挽救生命，”Emili说。

看到SARS-CoV-2如何巧妙地征用人类细胞并颠覆它们进行复制病毒基因组的制造工作，这让研究人员想起了另一种致命的入侵者。

Mühlberger说:“我很惊讶，癌细胞和感染sars - cov -2的细胞之间有这么多相似之处。”作为研究的一部分，该团队筛选了一些抗癌药物，发现其中一些药物能够阻止SARS-CoV-2的繁殖。和病毒一样，癌细胞也想复制自己的基因组，不断分裂。要做到这一点，它们需要产生大量的嘧啶，嘧啶是遗传物质的基本组成部分。中断嘧啶的生产——使用一种为此目的设计的抗癌药物——也会阻止SARS-CoV-2基因组的构建。但是Mühlberger警告说抗癌药物通常有很多副作用。她说:“我们真的想用这种重物质来对抗病毒吗?”还需要更多的研究来衡量这种方法的利弊。

为了完成这项最新研究，四名资深调查人员、科学家、博士后和研究生从他们的实验室花了近四个月的时间，几乎夜以继日地工作。对该团队的领导者来说，至关重要的是确保实验设置有坚如磐石的基础，可以模拟SARS-CoV-2病毒感染人类时的实际情况。

“科学就是答案——如果我们用科学来问肺细胞当他们感染冠状病毒时，会出什么问题细胞会告诉我们，”科顿说。“客观的科学数据给了我们做什么的暗示，也给了我们教训。它可以揭示摆脱这场大流行的途径。”

他对团队从世界各地的合作者那里得到的拓展感到特别兴奋。他说:“拥有超级计算机和机器学习专业知识的人对使用这些工具和我们出版物中的数据集来确定(治疗COVID-19)最有希望的药物靶点感到兴奋。”

科顿说，COVID-19临床医生和科学家们越来越明显的一个主题是，认识到时机是关键。他说:“一旦病人在ICU使用呼吸机，我们对他们的身体所能做的就很有限了。”“时机就是一切，确定干预的早期时机至关重要。你可以继续猜测，希望我们能幸运——或者你(做研究)从一开始就真正了解感染，并在药物开发中排除猜测。”

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