2024年11月23日，Nature Communications刊发了来自中国科学院过程工程研究所马光辉和魏炜团队的一项新型抗病毒及其变异体的疗法-溶酶体陷阱(LysoTRAP)。其灵感来自巨噬细胞在体内清除病毒的自然机制，它是通过从活化的巨噬细胞中提取溶酶体，并在其表面锚定病毒进入细胞所需的受体蛋白构建而成。简单来说，溶酶体陷阱就是一个“诱捕陷阱”，利用受体蛋白作为诱饵，特异性地捕获病毒，并将其内化到溶酶体内进行降解清除。
活化的巨噬细胞具有增强的病原清除活性，因此其溶酶体具有更强的病毒降解能力。此外，LPS激活的巨噬细胞来源的溶酶体中蛋白酶和核糖核酸酶的水平也大幅增加。研究人员受到巨噬细胞在体内清除病毒的自然行为的启发，特别是巨噬细胞吞噬病毒并在溶酶体中降解病毒的能力，研发了溶酶体陷阱。溶酶体陷阱通过将ACE2蛋白（SARS-CoV-2的已知宿主受体）锚定在其外部作为“诱饵”来捕获SARS-CoV-2病毒。除了蛋白质受体 ACE2 外，研究人员还扩展了溶酶体陷阱的功能，使其包含糖类受体唾液酸，并验证了其对 H1N1病毒的优异抗病毒作用。研究人员使用多种方法包括ELISA、Western blotting、q-PCR和RNA电泳来验证溶酶体陷阱对病毒蛋白和基因的降解能力。
研究人员通过肺部吸入或静脉注射将Cy7标记的溶酶体陷阱注入小鼠体内，并使用活体实时荧光成像系统观察其生物分布，而肺部吸入可使溶酶体陷阱直接到达病毒感染的主要部位-肺部，从而提高生物利用度并最大限度地减少脱靶效应。研究人员通过评估内毒素水平、肺部H&E染色、细胞因子水平和肺部呼吸功能等指标来评估溶酶体陷阱的安全性，未观察到明显的毒副作用。
lysoTRAP的构建与评价
lysoTRAP 构建
从经脂多糖 (LPS) 激活的巨噬细胞中提取溶酶体，发现 LPS 激活的巨噬细胞溶酶体具有更强的病毒降解活性。将两亲性 DSPE-PEG-NTA-Ni 插入溶酶体膜，利用 NTA-Ni 基团与 ACE2 蛋白 His 标签之间的强螯合作用，将 ACE2 锚定在溶酶体外表面，形成 lysoTRAP。
lysoTRAP 表征
透射电子显微镜 (TEM) 和共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 证实 lysoTRAP 的形态和 ACE2 的成功锚定。酶联免疫吸附测定（ELISA）测定了每个溶酶体上锚定的ACE2分子数量。稳定性测试表明 lysoTRAP 在 PBS 溶液中孵育 72 小时或冻干保存 6 个月后，其粒径、zeta 电位、酸性环境和酶活性均保持稳定。冻干后的lysoTRAP在4℃保存六个月后，其物理和生物活性指标均未发生显著变化，表明lysoTRAP可以冻干并长期储存。
lysoTRAP 体外实验
使用假病毒颗粒进行体外实验，通过石英晶体微天平 (QCM) 检测、CLSM 成像、STED 成像和 TEM 成像证实 lysoTRAP 能够有效捕获、内化和降解假病毒颗粒。ELISA、蛋白质印迹 (WB)、定量聚合酶链式反应 (q-PCR) 和 RNA 电泳分析证实 lysoTRAP 能够有效降解病毒蛋白和基因。病毒感染实验表明 lysoTRAP 对 9 种假病毒变体和真实的 Omicron 变体均有效，证明其对病毒突变的抵抗力。
lysoTRAP 体内实验
使用表达人 ACE2 (hACE2) 的C57BL/6小鼠模型进行体内实验，证实 lysoTRAP 能够有效清除假病毒颗粒并抑制病毒感染。使用仓鼠模型进行体内实验，证实 lysoTRAP 能够有效清除真实的 SARS-CoV-2 病毒并抑制病毒感染，包括野生型和 Omicron 变体，减轻肺部病理损伤，抑制炎症反应。
人源 lysoTRAP 的构建和应用
开发了人源 lysoTRAP (h-lysoTRAP)，从非小细胞肺癌患者手术切除的肿瘤旁正常肺组织中构建人肺部类器官，h-lysoTRAP能够有效捕获和降解真实的 SARS-CoV-2 病毒。h-lysoTRAP 在人肺类器官中也表现出良好的抗病毒活性。QCM检测、TEM观察、蛋白质组学分析、毛细电泳分析和q-PCR分析证实了h-lysoTRAP对真实新冠病毒的捕获、内化和降解能力。lysoTRAP的内毒素水平低于限值，肺部组织学检查、细胞因子水平和肺呼吸功能评估表明，lysoTRAP吸入后仅会引起轻微且短暂的炎症反应。lysoTRAP在复杂生理环境下的清除能力：在加入胎牛血清（FBS）模拟复杂生理环境的条件下，lysoTRAP仍然能够有效降解假型病毒，表明其在体内环境中具有良好的清除能力。
lysoTRAP 平台的扩展
将 lysoTRAP 平台扩展到以唾液酸为诱饵，用于清除 H1N1 病毒。体外和体内实验以及人肺类器官实验均证实了唾液酸工程化溶酶体 (lysoTRAP (SA)) 能够有效清除 H1N1 病毒。
图1：本研究中h-lysoTRAP对人肺类器官SARS-CoV-2病毒的清除效应
lysoTRAP 具有的优势--与针对病毒刺突蛋白的疗法（如抗体和疫苗）相比
广谱抗病毒活性: lysoTRAP 不针对特定的病毒蛋白，而是利用病毒进入细胞的普遍机制进行捕获和降解，因此对多种病毒变异株均有效。研究证明 lysoTRAP 可有效清除 SARS-CoV-2 和 H1N1 病毒。
不易产生耐药性: 由于 lysoTRAP 不依赖于病毒蛋白的特定序列，因此病毒难以通过突变来逃避免疫。
安全性高: lysoTRAP 使用的是人体自身的溶酶体，因此生物相容性好，毒副作用小。
有效清除多种病毒:对病毒变体有效: lysoTRAP 不受 SARS-CoV-2 刺突蛋白突变的影响，对多种假型变体和真实的奥密克戎变体均有效。lysoTRAP 并非针对特定的病毒蛋白序列，而是利用病毒进入细胞的普遍机制进行捕获和降解，因此不易受到病毒突变的影响。
灵活的“陷阱”平台: 该平台可通过改变溶酶体表面的“诱饵”受体蛋白，用于对抗各种病毒。
多模型验证: 研究利用细胞、小鼠、仓鼠和人肺类器官模型验证了 lysoTRAP 的有效性和安全性。
目前的研究主要集中在溶酶体陷阱的治疗作用，但由于其在肺部滞留时间较长，因此也具备一定的预防潜力。未来还需要进一步研究来验证溶酶体陷阱的预防效果。
溶酶体陷阱是一种极具潜力的新型抗病毒疗法，其广谱抗病毒活性、不易产生耐药性以及安全性高等优势使其在未来具有广泛的应用前景。除了新冠病毒，溶酶体陷阱还可以应用于其他呼吸道病毒感染的治疗，如流感病毒和呼吸道合胞病毒等。此外，通过改变溶酶体表面的受体蛋白，溶酶体陷阱还可以拓展到其他病毒感染性疾病的治疗。
未来的研究还可以探索更简便的溶酶体陷阱制备方法，例如利用溶酶体定位信号肽将 ACE2 或唾液酸修饰酶直接递送到溶酶体表面。此外，还可以通过基因编辑技术增强溶酶体内部酶的活性，进一步提高溶酶体陷阱的降解效率溶酶体陷阱平台在应对未来病毒大流行方面的潜在应用，重点关注其多功能性和灵活性。溶酶体陷阱的临床转化前景以及需要解决的挑战，例如规模化生产、给药途径优化和长期安全性评估。
科途医学在此项研究中提供了人肺类器官的模型构建服务和人肺类器官培养基及配套试剂盒。
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