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免疫荧光共聚焦成像揭示新冠病毒(SARS-CoV-2)感染导致的结构和功能损伤,尤其是运动纤毛损失

Confocal imaging of a SARS-CoV-2-infected epithelia at 4 dpi (orthogonal sections) STELLARIS_contributes_to_understanding_COVID-19_teaser.jpg

病理检查显示,SARS-CoV-2主要会造成呼吸道和肺部损伤。呼吸道和肺部中的上皮衬液在抗感染方面发挥着关键性作用。SARS-CoV-2感染会造成哪些结构和功能损伤呢?
为解答这一重要问题,本研究采用模拟呼吸道上皮细胞的3D细胞培养和以下不同方法来评估SARS-CoV-2感染造成的后果:病毒RNA定量、渗透试验、细胞因子检测、荧光免疫检验、扫描电子显微镜和透射电子显微镜以及图像分析等。

在重建人源支气管上皮细胞模型中,将细胞置于可分化为假复层上皮的气液相界面上对受感染细胞进行特性分析。免疫荧光共聚焦成像显示了以下细胞的正交切片:β-微管蛋白IV(红色)标记的纤毛细胞、细胞角蛋白-5(黄色)标记的基底细胞、DNA(Hoechst、蓝色)标记的细胞核、SARS-CoV-2刺突(绿色)标记的受感染细胞。绿线对应于插膜的自发荧光。感染四天后,刺突阳性细胞的β-微管蛋白IV染色淡化或消失,表明运动纤毛损失。SARS-CoV-2颗粒并非由纤毛直接释放,而是由靠近质膜的纤毛脱落区域释放。有趣的是,受感染细胞样本中,一些刺突阴性基底细胞会穿过假复层上皮,表明上皮细胞对病毒引起的损伤产生反应。综合考虑,研究显示纤毛上皮细胞是SARS-CoV-2的主要靶细胞。感染会造成以下多种后果,包括上皮屏障功能短时间受损并伴有紧密连接中断、纤毛层损失伴随纤毛细胞损伤,以及凋亡细胞短时间增多。转录因子Foxj1是一种纤毛形成的主调节因子,在大范围纤毛损失前下调。粘液纤毛清除试验显示,纤毛的运动功能受到损害。此外,上皮防御机制,如干扰素的产生,仅在纤毛开始受损后才会显著增强。如叙利亚仓鼠SARS-CoV-2感染模型所示,纤毛运动功能的丧失也会发生在体内。
总之,纤毛运动减少会减缓病毒颗粒的清除,导致病毒颗粒更快速地传播到呼吸道中更深的区域。这个过程会自我延续,局部纤毛破坏循环会促进SARS-CoV-2向越来越远的区域发展,直到病毒到达肺泡并引发肺细胞损伤。粘液纤毛清除功能的受损也可能促进其他呼吸道病原体的传播,增加COVID-19患者继发感染的风险。

阅读完整文章:

Robinot, R. et al.:

SARS-CoV-2 infection induces the dedifferentiation of multiciliate cells and impairs mucociliary clearance

Nature Communications (2021) vol. 12, article 4354.

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24521-x

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