作者:刘思金等 来源:《科学进展》 发布时间:2023/6/27 9:48:48
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像“特洛伊木马”,空气污染让流感病毒深入肺部

 

空气污染究竟是否会加重呼吸系统病毒感染?现在,中国科学家发现,答案是肯定的。

中国科学院生态环境研究中心(以下简称生态中心)刘思金研究员团队与中国科学院微生物研究所(以下简称微生物所)方敏研究员等合作,发现大气细颗粒物可以打破流感病毒本身在动物体内散播方式,像“特洛伊木马”一样将病毒运送到细胞中,同时让病毒更容易进入肺脏深部,甚至进入肝脏、脾脏和肾脏等肺外器官。相关研究近日发表于《科学进展》(Science Advances) 期刊。

“我们的研究详细阐释了空气污染如何影响呼吸道感染,说明了考虑空气质量管理和减少空气污染政策的紧迫性。”论文共同通讯作者刘思金对《中国科学报》说。

诞生在校车上的合作

2020年9月里的一天,担任环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任的刘思金像往常一样搭乘校车从研究所前往中国科学院大学雁栖湖校区给研究生上课。这段一个多小时的教学之旅,他喜欢在车上和邻座的老师学生们聊聊感兴趣的研究。

这一次,刘思金遇到了方敏,交流中,他们发现了共同感兴趣的话题:空气污染与呼吸系统感染性疾病。

近年来,越来越多的研究表明,PM2.5等大气颗粒物可以吸附携带多种病原微生物,但它们是否会增加人群的疾病风险及其相关机制并不清楚。

刘思金团队主要开展大气细颗粒物暴露的健康危害研究,特别关注颗粒物诱发机体损伤效应的过程和机制;方敏团队主要从事病原微生物感染和免疫、病原与宿主互作的研究,在流感病毒的致病机理研究方面做了大量的工作。这让他们对大气细颗粒物如何影响呼吸系统病毒感染这个长期未解答的跨学科问题都十分感兴趣。

两人越聊越投机,短短的旅途上,初步的合作意向已经达成。

随后,两个团队合作申请了国家自然科学基金委的面上项目,以及原创性探索项目。他们开始以流感病毒为研究对象,着手研究大气细颗粒物与病毒感染之间的关系与机制。

“之所以选择流感病毒,是因为流感病毒是造成呼吸系统感染的重要病原之一,并且可以在微生物所的生物安全二级实验室进行操作。我们也在小鼠流感病毒感染模型的建立方面积累了一些技术方法和实操经验。”论文共同通讯作者方敏对《中国科学报》说。

细颗粒化身“特洛伊木马”

流行病学研究表明,当空气污染严重时,人类呼吸道病毒传播似乎也会增加。空气中细颗粒与病毒究竟如何协作?

合作团队选择了四种具有不同来源和组成的颗粒物来验证其与病毒之间的相互作用,包括大气环境中采集的PM2.5、以二氧化硅为主要成分的粉尘颗粒、通过生物质燃烧形成的生物炭颗粒以及由化石燃料燃烧产生的碳黑颗粒。

“大气中的病毒不是纯粹自由态存在的,它往往是有载体的。我们发现,细颗粒物就可以作为一个载体,它们可以像‘特洛伊木马’一样将病毒运送到细胞中。”刘思金比喻说。

值得注意的是,研究者发现,细颗粒物与病毒的相互作用在很大程度上依赖于其物理化学性质。例如PM2.5比其他三种细颗粒物吸附的病毒要多得多,因为它具有较高的表面积和孔隙率等特性。生物炭的病毒载量紧随其后。

那么,装载在细颗粒物上的病毒是否可以感染呢?

研究者通过经典的血凝素实验对细颗粒物与病毒的复合物进行了检验。“血凝素(HA)是流感病毒表面的一种糖蛋白,它能够与多种禽类和哺乳动物红细胞上的血凝素受体结合,引起红细胞凝集。”方敏介绍,研究发现细颗粒物与病毒复合物的凝聚能力是纯病毒的70%~90%,其活性在培养4小时后保持不变,这说明被吸附或者沉积在颗粒物上的病毒仍然具有较高的感染活性。

针对搭载“特洛伊木马”的病毒被机体吸入后产生的损伤效应,合作团队发现所有的细颗粒物都能在不同的程度上增强病毒对细胞的感染并促进了病毒的出芽和释放。更为重要的是,小鼠实验发现颗粒物可以运载病毒进入肺脏深部,并且突破气血屏障,到达肝脏、脾脏和肾脏等肺外器官,导致小鼠产生更严重的损伤效应,包括全身性炎症、局部组织损伤和体重减轻等。

“由于颗粒物的载体作用,改变了流感病毒在呼吸道的分布,并运载病毒到达肺外器官。与单独的病毒相比,复合体由于颗粒性质更容易被细胞摄取,这个过程可以不依赖病毒特异性受体。另外,颗粒物可以通过脂筏促进子代病毒出芽释放,导致病毒的整个感染过程被重排和加速了。”方敏解释说。

红细胞上的流感颗粒(蓝色;人工着色),可搭载细颗粒进入细胞。图片来自:NIBSC / SPL/Nature

“摸着石头过河”

《自然》(Nature)对这项研究进行了专文报道,认为该研究“有助于解释为什么空气污染严重时流感病毒感染更加严重”。

“我们的研究为空气污染对呼吸道感染的影响提供了详细的见解,也表明了考虑空气质量管理和进一步减少空气污染政策的紧迫性。”刘思金说。

刘思金课题组成员、论文第一作者董政告诉《中国科学报》,该研究从2020年9月开始,到现在花费了将近三年时间。由于研究中涉及到环境化学、病毒学以及免疫学等跨学科知识和技术方法,很多实验思路和方法都需要“摸着石头过河”,才能逐步建立。董政说,“做研究有趣的地方正在于克服一个又一个难题后的喜悦感。”

不过,研究者表示,这项研究也有一定的局限性,如实验室模拟与真实的环境条件可能存在差别,同时实验动物与人体存在很大的差别,单纯动物实验得到的结论不能完全外推到人体,接下来仍需要更多的研究对此进行深入探索。(来源:中国科学报 冯丽妃)

  空气中的细颗粒,如PM2.5、灰尘、生物炭和碳黑,可吸附不同数量的病毒,形成传染性的细颗粒-病毒复合物。复合物通过非病毒受体依赖的途径感染宿主细胞,引导病毒的内化和出芽。不同的细颗粒负载的病毒沿着呼吸道分布在不同的位置,并运输到更远处的肺外器官。图片来源:受访对象

相关论文信息:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2165

 
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