趙冰、林鑫華教授團隊合作用人源類器官模型證實SARS-CoV-2感染和損傷膽管組織
新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）感染引起的疾?。–OVID-19）已對全球公共衛(wèi)生構(gòu)成重大威脅。值得注意的是，COVID-19患者常見肝功能異常，一項對我國1099例COVID-19患者的臨床研究發(fā)現(xiàn)約20%的患者ALT（ alanine aminotransferase，谷丙轉(zhuǎn)氨酶）和AST（aspartate aminotransferase，天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶）升高，約10%的患者TBIL（total bilirubin，總膽紅素）升高，特別是重度患者肝損傷的發(fā)生率明顯高于非重度患者，提示患者發(fā)生了不同程度的肝損傷【1】。然而，關(guān)于COVID-19患者肝損傷是由肝內(nèi)病毒感染直接引起還是由細胞因子風暴等系統(tǒng)原因間接引起尚不清楚。且目前對SARS-CoV-2致病機制的研究主要依賴于生物信息學分析、臨床特征分析、動物模型以及珍貴的遺體解剖報告，尚缺乏人體組織感染模型。
2020年4月17日，復旦大學趙冰、張榮、林鑫華，中國醫(yī)學科學院梁俊波，合作在Protein & Cell上發(fā)表了題為Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids的研究論文【2】。該研究建立了人源類器官的SARS-CoV-2感染模型，并研究其組織損傷機制。證明SARS-CoV-2可以感染膽管上皮細胞，并下調(diào)膽管組織中細胞緊密連接及膽汁酸轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達，為新冠病毒細胞嗜性、致病機制研究和后續(xù)藥物研發(fā)提供重要工具，并提示膽管功能紊亂可能是部分新型冠狀病毒感染者肝臟損傷的直接誘因。
研究者通過單細胞表達譜測序發(fā)現(xiàn)長期培養(yǎng)的肝臟（膽管）類器官保存了新冠病毒受體ACE2和感染輔助蛋白TMPRSS2雙陽性的膽管上皮細胞類群（下圖），提示人肝臟膽管類器官可以模擬ACE2及TMPRSS2（2020年2月28日，德國萊布尼茨靈長類研究所團隊在Cell上發(fā)表論文，在細胞水平上確認了SARS-CoV-2感染細胞的受體是ACE2，且感染過程和SARS-CoV相似，并依賴于絲氨酸蛋白酶TMPRSS2）共同介導的SARS-CoV-2感染。
對類器官的SARS-CoV-2感染實驗顯示，感染24小時后SARS-CoV-2核衣殼蛋白（N protein）在類器官部分膽管細胞中呈陽性，顯示病毒已經(jīng)成功侵染并復制，受感染的膽管細胞還會經(jīng)膜融合形成合胞體（下圖）。qRT-PCR分析顯示感染后24小時類器官內(nèi)的病毒載量顯著增加，表明人膽管上皮細胞是SARS-CoV-2的易感宿主，并可支持病毒的活躍復制。雖然病毒可感染的細胞比例較低，但通過對感染前后膽管類器官的轉(zhuǎn)錄組分析后發(fā)現(xiàn)病毒感染導致三百多個基因表達水平的顯著改變。GO富集分析顯示感染后參與調(diào)控細胞死亡的相關(guān)基因變化明顯，其中幾個重要的凋亡相關(guān)基因CARD8、STK4等表達顯著上調(diào)，提示感染可誘發(fā)膽管細胞凋亡。
在體內(nèi)膽管的主要功能是將肝實質(zhì)細胞分泌的膽汁酸轉(zhuǎn)運到膽管腔內(nèi)排出，膽管細胞之間的緊密連接維持了膽管上皮的屏障功能，對膽汁酸的收集和排泄至關(guān)重要。研究者發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2感染降低了類器官中Claudin1等緊密連接相關(guān)基因的表達，提示膽管細胞的屏障功能可能被破壞。更重要的是，兩個主要的膽汁酸轉(zhuǎn)運蛋白，頂端鈉離子/膽汁酸轉(zhuǎn)運體(ASBT)和囊性纖維化跨膜電導調(diào)節(jié)(CFTR)的基因表達在SARS-CoV-2感染后顯著下調(diào)。這些數(shù)據(jù)支持SARS-CoV-2感染可以通過下調(diào)膽管細胞中緊密連接形成和膽汁酸運輸關(guān)鍵基因的表達水平，損傷膽管組織屏障和膽汁酸運輸功能。提出COVID-19患者肝內(nèi)病毒感染誘發(fā)膽管功能紊亂和膽汁積淤，進而導致肝臟損傷的可能性。
該研究于2020年3月17日在預印本網(wǎng)站bioRxiv上發(fā)布，是COVID-19疫情爆發(fā)之后利用人源類器官研究SARS-CoV-2感染和致病機制的首次報道。除了肝臟之外，其他重要臟器(肺、腸和腎等)的類器官培養(yǎng)技術(shù)也日漸成熟，廣泛利用人源類器官研究SARS-CoV-2在多臟器中的病毒嗜性、復制動態(tài)以及先天免疫應答值得期待。相比于復雜動物模型，類器官病毒感染模型進行的新型抗病毒藥物藥效和毒性評價將更加直接和便捷。
據(jù)悉，復旦大學生命科學學院研究員趙冰、博士后倪超和中國醫(yī)學科學院基礎(chǔ)醫(yī)學研究所博士研究生高然為共同第一作者，趙冰、梁俊波、張榮、林鑫華為共同通訊作者，中國醫(yī)學科學院基礎(chǔ)醫(yī)學研究所王曉月研究員和復旦大學基礎(chǔ)醫(yī)學院袁正宏教授為高級作者。本項工作依托復旦大學遺傳工程國家重點實驗室類器官研究中心開展，該中心現(xiàn)擁有GMP屏障400平方米，配備高通量類器官培養(yǎng)及表型分析設備，并積累了國際領(lǐng)先的技術(shù)實力。通過與復旦大學附屬醫(yī)院合作，已建立腸、肝、肺、子宮內(nèi)膜等正常組織類器官和腫瘤類器官種質(zhì)資源庫。復旦大學新冠科研攻關(guān)團隊和生物安全三級實驗室為本項工作提供重要技術(shù)指導與支持。
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http://doi.org/10.1007/s13238-020-00718-6
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