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本文由西北大学范伯格医学院细胞与发育生物学系的科研人员11月2日在线发表于Nature Communications杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
实时成像技术探讨了人类气道上皮中的粘液纤毛清除 (MCC) 如何影响 SARS-CoV-2 的传播
文章创新点
本文利用实时成像技术探讨了人类气道上皮中的粘液纤毛清除 (MCC) 如何影响 SARS-CoV-2 的传播。这项研究的新颖之处在于其动态的纵向方法，可以实时观察人类支气管上皮培养物中 12 天内的病毒传播、纤毛运动和粘液流动。与以前经常依赖静态成像的研究不同，这项研究表明，虽然 MCC 最初充当病毒进入的屏障，但它反而通过在感染后在粘液中移动病毒体来促进病毒传播。在感染过程的后期，粘液分泌增加和纤毛运动缺陷会抑制 MCC，从而限制病毒进一步传播。
这项研究强调了 MCC 和 SARS-CoV-2 之间复杂的相互作用，表明 MCC 可能发挥双重作用，既能帮助又能阻碍病毒在气道内的随时间分布。MCC 在病毒动力学中的这种双重作用比以前主要将 MCC 视为单纯的保护或抑制作用的研究有了进步。使用物理（琼脂糖覆盖）和遗传（纤毛运动敲除）扰动来限制 MCC 进一步强调了 MCC 对 SARS-CoV-2 传播的贡献，从而提供了潜在的治疗见解。
文章解析
背景导致 COVID-19 的 SARS-CoV-2 最初感染呼吸道上皮，呼吸道上皮受到粘液纤毛清除 (MCC) 的保护，这是一种主要的免疫防御机制，可清除呼吸道中的粘液和被捕获的病原体。传导气道内衬有多纤毛细胞和产生粘液的杯状细胞，利用这种 MCC 机制抑制病原体入侵。然而，虽然已知 MCC 可以预防初次感染，但它对感染建立后病毒传播的影响尚不清楚。先前的研究暗示 MCC 可以协助病毒传播，但实验证据有限。本研究使用活体成像技术研究了 MCC 在促进或阻碍 SARS-CoV-2 在呼吸道上皮内传播中的作用。
技术和方法研究人员开发了一种活体成像方法来观察 SARS-CoV-2 在分化的原代人支气管上皮培养物中 12 天内的传播情况。他们使用荧光报告病毒和纤毛及粘液标记物来实时追踪病毒感染、纤毛运动和粘液运动。人类支气管上皮细胞在气液界面 (ALI) 上培养，这是一种模拟气道行为的标准模型，细胞组织成包含多纤毛细胞和产生粘液的杯状细胞的假分层结构。使用延时和高帧率显微镜等先进成像方法来捕捉 MCC 动态和病毒运动。
为了探索 MCC 在病毒传播中的作用，该团队进行了两种类型的 MCC 抑制：
使用琼脂糖覆盖培养表面进行物理抑制，限制粘液运动。
通过 CRISPR-Cas9 敲除对纤毛摆动至关重要的轴丝动力蛋白基因进行遗传抑制，进一步阻止有效的 MCC。
结果讨论
研究发现 MCC 与 SARS-CoV-2 之间存在微妙的关系：
早期感染：MCC 最初充当 SARS-CoV-2 的屏障，减少病毒进入。然而，一旦感染开始，MCC 的粘液运动会无意中帮助病毒传播。粘液中的病毒粒子跟随 MCC 流动，导致“彗星状”病毒病灶沿粘液运动方向发展。
后期感染阶段：随着时间的推移，由于粘液分泌增加和多纤毛细胞受损，MCC 有效性下降。这种恶化阻碍了病毒传播，限制了感染灶的大小和密度。研究表明，过量的粘液分泌可能在抑制 MCC 方面发挥重要作用，而不仅仅是纤毛细胞的损失。
MCC 抑制实验：MCC 的物理和遗传扰动都导致病毒传播减少，感染灶更小、更局部化。琼脂糖覆盖的培养物显示出有限的扩散，而动力蛋白敲除的培养物也是如此，这导致病毒病灶较小，没有典型的彗星状形态。
这项研究深入了解了 MCC 动力学如何影响 SARS-CoV-2 感染，而不仅仅是最初的病原体进入。它表明，一旦病毒在气道上皮内建立，MCC 反而可以促进 SARS-CoV-2 的局部传播。然而，随着感染的进展，病毒本身会通过增加粘液分泌和丧失纤毛功能来损害 MCC，最终形成一个限制其进一步传播的反馈回路。MCC 的这种微妙作用凸显了复杂的宿主-病毒相互作用，并提供了潜在的治疗见解。例如，调节 MCC 功能可能有助于控制 SARS-CoV-2 在呼吸道内的传播。
该论文还将 MCC 对 SARS-CoV-2 传播的影响与其他呼吸道病毒进行了比较，表明虽然 MCC 有助于 SARS-CoV-2 的传播，但它可能在其他病毒（如流感病毒和呼吸道合胞病毒）的感染动态中发挥不同的作用。
研究的局限性
体外模型限制：ALI 培养模型虽然反映了呼吸道上皮，但也有局限性。在真实的人类呼吸道中，粘液不断向咽部清除，不会像在培养物中那样再循环。这种再循环可能会影响体外观察到的感染的时空动态。
报告病毒和细胞特异性发现：该研究依赖于一种用荧光报告基因改造的 SARS-CoV-2 病毒，该病毒在感染和 GFP 表达之间存在滞后，可能会影响感染时间评估。该研究还承认，各种细胞特异性因素和状态可能会影响感染动态，而 ALI 模型并未完全捕捉到这些动态。
不同供体之间的 MCC 差异：供体细胞样本之间存在明显的异质性，MCC 效率和培养形态各异，影响了不同样本间 MCC 效应的可重复性。
本研究证明了 MCC 在 SARS-CoV-2 感染中的双重作用，既是感染开始后的初始屏障，又是传播的载体。研究结果强调了 MCC 动态在呼吸道病毒发病机制中的重要性，并为针对 MCC 的治疗策略提供了见解。该研究的创新实时成像方法提供了病毒-宿主相互作用的详细视图，为未来研究呼吸道感染和 MCC 对呼吸道疾病的更广泛影响奠定了基础。
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