我所利用仿生腸芯片研究新冠病毒誘發腸組織感染獲進展

  近日,我所秦建華研究員團隊與中科院昆明動物研究所鄭永唐研究員團隊合作,建立了一種仿生腸芯片感染模型,研究探索了新冠病毒感染導致的腸屏障損傷、腸粘液細胞分布異常等一系列病理改變,為新冠病毒致病機理、傳播途徑研究和快速藥物評價等提供了新的思路和方法。

  新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染已導致全球大流行,構成重大公共衛生危機,嚴重威脅人類健康。臨床發現,新冠病毒感染病人主要以呼吸道癥狀為主,但仍有20%到50%的患者具有明顯的胃腸道癥狀,包括腹痛、腹瀉、便血,甚至腸道穿孔等。另有報道在COVID-19患者的糞便樣本中可發現病毒RNA,提示腸道有可能是新冠病毒攻擊的另一個主要靶器官。盡管已有基于細胞和動物水平的感染模型,但針對新冠病毒誘發腸道感染的研究并不多,感染機制仍不清楚。特別是現有研究模型仍然存在一定局限,尚難以反映人體腸道組織界面、多細胞組成及粘液分泌等器官特異性關鍵特征。

  人體內腸道具有消化、吸收和分泌等功能,也是人體最大的免疫器官。腸道組織包含復雜的多細胞成分、腸絨毛結構、粘膜和微生物菌群等,其中腸上皮組織屏障對于維持宿主—微生物穩態和抵御外界病原體感染至關重要。本工作從人體腸道結構和功能特點出發,仿生建立了一種多層設計的可灌注腸芯片裝置,模擬包含多種人源腸細胞、組織界面、3D細胞基質和機械流體等復雜因素的腸組織微環境。實驗中,研究者通過在多層腸芯片裝置上下側腔室內進行人腸上皮細胞、黏液分泌細胞、人臍靜脈血管內皮細胞和人免疫細胞的3D動態共培養,可形成具有人腸上皮—血管內皮界面特征的腸組織屏障,并呈現典型的腸絨毛結構、粘液分泌和屏障完整性等功能。

  利用該芯片裝置,研究者在中科院昆明動物所BSL-3實驗室內開展新冠病毒感染研究。當腸芯片裝置暴露于新冠病毒后,在人腸上皮細胞內可見大量病毒復制,同時出現絨毛破壞,粘液分泌細胞分布異常,鈣粘蛋白表達水平降低等多種腸組織屏障損傷改變。此外,病毒感染還可導致血管內皮細胞損傷,細胞數量明顯減少以及細胞間連接蛋白(VE-cadherin)表達降低等改變。轉錄組分析發現,病毒感染可誘發人腸上皮細胞和血管內皮細胞出現異常響應,包括免疫反應相關信號通路(如TNF和NF-kappa B)激活、促炎細胞因子和趨化因子相關基因(如TNF,IL-6和CXCL10)表達升高等一系列變化。

  本工作中,研究者首次嘗試利用微流控仿生腸芯片裝置探究新冠病毒誘發的腸道感染,發現新冠病毒可導致人腸組織屏障功能障礙,內皮細胞損傷和炎癥反應等一系列病理過程。這種腸芯片感染模型可在一定程度上反映基于組織水平的腸器官生理特點以及對新冠病毒的病理響應,并具有建模周期短、耗費低和易于動態觀測等優勢。后續工作可進一步結合人體多種腸道免疫細胞和腸道微生物等因素,在芯片上建立更加復雜的腸道免疫微環境,對于深入研究腸道病原體與宿主間相互作用以及病毒傳播途徑等具有重要意義。

  該工作于近日發表在《科學通報》(Science Bulletin)上。(文/圖 王亞清)

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