中国研究团队首次证明:新冠可以通过释放病毒颗粒,直接感染中枢神经系统

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中国研究团队首次证明:新冠可以通过释放病毒颗粒,直接感染中枢神经系统

2020年08月07日 18:00:25
来源:前瞻网

新冠病毒引起的呼吸道疾病症状是比较明显的,但感染患者中也有不少案例出现了一些与神经相关联的症状,包括头痛、嗅觉丧失、老年痴呆、意识混乱、癫痫和脑病。

在一项对武汉214例住院新冠患者的研究中,据研究人员们统计——新冠的神经学表征甚至占了全部症状的36.4%,而且多见于严重感染患者(45.5%)。

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同样,法国的一项研究还显示住院新冠患者的神经学表征甚至占到了在84.5%(49/58)。重要的是,德国最近的一项研究表明,在致死性COVID-19病例中,有36.4%(8/22)的脑活检可检测到新冠RNA,这突出了人脑中病毒感染的巨大可能性。

不过,此前还没有直接的实验证据表明新冠病毒感染了人的中枢神经系统(CNS)。

而最新的针对武汉214例住院新冠患者的研究则证明,新冠病毒可以神经元关联的细胞中实现感染和复制。该研究由中国科学院深圳先进技术研究院、香港大学等多单位合作,题为“SARS-CoV-2 infects human neural progenitor cells and brain organoids”。该研究证明了SARS-CoV-2可以直接感染诱导多能干细胞(iPSC)衍生的人神经祖细胞(hNPC),神经球和脑类器官。

新冠病毒可以直接感染神经系统

在实验中,研究人员们发现新冠病毒可以感染和损伤仓鼠的嗅觉感觉神经元。此外,介导新冠病毒进入人体的血管紧张素转换酶2 (ACE2),也被检测到广泛存在于大脑之中,并高度集中在许多部位——包括黑质、颞中回和后扣带皮层。这些发现表明人类大脑可能是SARS-CoV-2肺外感染的一大攻击靶标。

研究人员评估了诱导多能干细胞(iPSCs)来源的人神经祖细胞(hNPCs)、神经球和脑器官样体中SARS-CoV-2的感染。他们首先评估了ACE2和关键冠状病毒进入相关蛋白酶在hNPCs中的表达。数据显示,在hNPCs中很容易检测到ACE2、TMPRSS2、cathepsin L和furin(补充信息,图S1)。

然后他们又用10多重感染(MOI)的SARS-CoV-2和SARS-CoV作为对照,挑战ipsc来源的hNPCs。在感染后0、24和48小时分别收集上清,用于病毒复制评估。有趣的是,数据表明,SARS-CoV-2可以在hNPCs中复制,而SARS-CoV并未出现这样的现象。

此外,他们定量了感染SARS-CoV-2的hNPCs的细胞活力。重要的是,SARS-CoV-2感染显著降低了模拟感染的hNPCs在72 hpi和120 hpi时的存活率,分别为4.7% (P < 0.0001)和2.5% (P < 0.0001)(图1a)。

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图1:SARS-CoV-2感染hNPCs、神经球和脑类器官。

与感染的hNPCs中SARS-CoV-2诱导的大量细胞毒性相比,在感染的hNPCs中,SARS-CoV-2感染并没有显著上调干扰素,也没有大幅促进炎症。接下来,研究人员用SARS-CoV-2对3D神经球进行试验观察,并从感染的神经球中收集上清样本,分别为0、24、48和72 hpi,用于病毒复制评估。

研究人员们发现,SARS-CoV-2 RNA依赖的RNA聚合酶(RdRp)拷贝数以时间依赖的方式显著增加(图1b,左)。此外,根据斑块测定,从感染的神经球中释放出大量的感染性病毒颗粒(图1b,右)。同时,对感染SARS-CoV-2的神经球进行冷冻和免疫染色以评估病毒抗原。重要的是,SARS-CoV-2核衣壳(N)蛋白很容易在感染的神经球中检测到,但在模拟感染的神经球中未检测到阳性信号(图1c)。此外,电子显微镜在双膜结构的空泡中检测到广泛的病毒颗粒,这可能代表了病毒颗粒形成的位置(图1d)。这些发现表明,神经球允许SARS-CoV-2感染和支持生产性的活性病毒复制。

新冠病毒可以直接感染神经系统

再之后一步,他们研究了SARS-CoV-2是否可以感染人脑的3D类器官。他们使用了先前描述的协议生成了ipsc派生的人脑器官。35天大的脑器官样体显示自组织的内部形态,具有充满液体的脑室样结构,类似于发育中的大脑皮层(图1e)。采用冷冻和免疫染色法测定35日龄脑器官样体中神经元标记物的表达和分布。分别通过TUJ1、PAX6和NESTIN染色鉴定泛神经元、早期前脑和hNPCs标记物。TUJ1染色识别了含有早期神经元的原始皮层板(图1e),而PAX6染色则代表了大脑皮层的放射状胶质细胞(图1e)。此外,NESTIN染色在脑器官样体中识别出活跃的增殖npc(图1e)。总的来说,这些结果表明端脑的发育和大脑神经发生可以被我们的类器官系统模拟。

大脑-E

为了调查脑器官样体是否对SARS-CoV-2感染开放,人类ipsc来源的35天脑器官样体受到SARS-CoV-2的挑战。重要的是,在72 hpi的感染样本中检测到广泛的SARS-CoV-2抗原(图1f),表明SARS-CoV-2直接感染了脑器官样体。免疫荧光染色和共聚焦显微镜显示,SARS-CoV-2-N信号在周围区域(图1f,箭头)和更深的脑器官样体区域(图1f,白色箭头)。此外,在强烈感染SARS-CoV-2的区域很容易检测到细胞融合(图1f,黄色箭头)。模拟感染的脑器官样体中未检测到SARS-CoV-2-N信号(图1f)。接下来,我们分析了来自感染脑器官样体的上清样本,以评估SARS-CoV-2病毒颗粒的释放。

结果显示,SARS-CoV-2 RdRp基因拷贝数以时间依赖的方式增加,并显示:子代病毒颗粒从感染的脑器官样体中释放出来(图1g,左)。

新冠病毒可以直接感染神经系统

具体来说,在72 hpi处检测到大约3.2×106个SARS-CoV-2 RdRp基因拷贝数,比0 hpi处高9倍(P < 0.0001)(图1g,左)。对感染SARS-CoV-2的脑组织的上清标本进行菌斑分析,发现感染性病毒的滴度在24 hpi时达到峰值,在48 hpi和72 hpi时持续检测到。这些发现清楚地表明,SARS-CoV-2可以通过释放病毒颗粒,有效地感染脑类器官(图1g,右)。值得注意的是,双免疫染色显示,SARS-CoV-2- n与神经元标记物TUJ1和鼻咽癌标记物NESTIN共局域化,表明SARS-CoV-2可直接感染脑器官样体中的皮层神经元和NPCs(图1h, i)。

新冠病毒可以直接感染神经系统

综上结果表明,ipsc来源的hNPCs可被SARS-CoV-2感染,而非SARS-CoV感染。在感染SARS-CoV-2的神经球和脑类器官中检测到广泛的病毒蛋白表达和感染性病毒颗粒,提示SARS-CoV-2可有效感染人脑。重要的是,SARS-CoV-2感染的3D人脑器官样体定位于TUJ1和nestin阳性细胞,提示SARS-CoV-2可以直接靶向皮层神经元和NPCs。神经球模型代表了神经发生的早期特征,而大脑器官模型展示了人类皮层发育的特征,概括了人类大脑的发育和生理安排。SARS-CoV-2可有效感染人脑类器官,这一发现突出表明,病毒可能直接参与COVID-19患者的神经症状。这些结果对嗅觉丧失(嗅觉丧失)和味觉丧失(嗅觉丧失)的病理性症状以及COVID-19的其他神经学表现(包括癫痫、脑病、脑炎、格林-巴利综合征和米勒-费希尔综合征)提供了见解。在这篇稿件的提交过程中,两个独立的研究同样提示了人脑类器的易感性。

然而,在这些研究中没有评估神经元祖细胞对SARS-CoV-2的“开放”程度。而最新试验证明,SARS-CoV-2也可以靶向神经元祖细胞群。在这方面,由于这些神经祖细胞可能被SARS-CoV-2感染,嗅觉功能和其他神经表现的恢复可能是不完全和晚期的。重要的是,2015年再次出现的寨卡病毒也被公认为针对人类大脑的神经祖细胞,导致胎儿小头畸形和严重发育缺陷,以及成人的其他神经异常。SARS-CoV-2感染对中枢神经系统的慢性或长期后果应密切监测。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

[责任编辑:王舒琦 PT065]

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