像“特洛伊木馬”，空氣污染讓流感病毒深入肺部

空氣污染究竟是否會(huì)加重呼吸系統(tǒng)病毒感染?現(xiàn)在，中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，答案是肯定的。

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(以下簡稱生態(tài)中心)劉思金研究員團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院微生物研究所(以下簡稱微生物所)方敏研究員等合作，發(fā)現(xiàn)大氣細(xì)顆粒物可以打破流感病毒本身在動(dòng)物體內(nèi)散播方式，像特洛伊木馬一樣將病毒運(yùn)送到細(xì)胞中，同時(shí)讓病毒更容易進(jìn)入肺臟深部，甚至進(jìn)入肝臟、脾臟和腎臟等肺外器官。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)期刊。

我們的研究詳細(xì)闡釋了空氣污染如何影響呼吸道感染，說明了考慮空氣質(zhì)量管理和減少空氣污染政策的緊迫性。論文共同通訊作者劉思金對《中國科學(xué)報(bào)》說。

誕生在校車上的合作

2020年9月里的一天，擔(dān)任環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任的劉思金像往常一樣搭乘校車從研究所前往中國科學(xué)院大學(xué)雁棲湖校區(qū)給研究生上課。這段一個(gè)多小時(shí)的教學(xué)之旅，他喜歡在車上和鄰座的老師學(xué)生們聊聊感興趣的研究。

這一次，劉思金遇到了方敏，交流中，他們發(fā)現(xiàn)了共同感興趣的話題：空氣污染與呼吸系統(tǒng)感染性疾病。

近年來，越來越多的研究表明，PM2.5等大氣顆粒物可以吸附攜帶多種病原微生物，但它們是否會(huì)增加人群的疾病風(fēng)險(xiǎn)及其相關(guān)機(jī)制并不清楚。

劉思金團(tuán)隊(duì)主要開展大氣細(xì)顆粒物暴露的健康危害研究，特別關(guān)注顆粒物誘發(fā)機(jī)體損傷效應(yīng)的過程和機(jī)制;方敏團(tuán)隊(duì)主要從事病原微生物感染和免疫、病原與宿主互作的研究，在流感病毒的致病機(jī)理研究方面做了大量的工作。這讓他們對大氣細(xì)顆粒物如何影響呼吸系統(tǒng)病毒感染這個(gè)長期未解答的跨學(xué)科問題都十分感興趣。

兩人越聊越投機(jī)，短短的旅途上，初步的合作意向已經(jīng)達(dá)成。

隨后，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)合作申請了國家自然科學(xué)基金委的面上項(xiàng)目，以及原創(chuàng)性探索項(xiàng)目。他們開始以流感病毒為研究對象，著手研究大氣細(xì)顆粒物與病毒感染之間的關(guān)系與機(jī)制。

之所以選擇流感病毒，是因?yàn)榱鞲胁《臼窃斐珊粑到y(tǒng)感染的重要病原之一，并且可以在微生物所的生物安全二級實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作。我們也在小鼠流感病毒感染模型的建立方面積累了一些技術(shù)方法和實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。論文共同通訊作者方敏對《中國科學(xué)報(bào)》說。

細(xì)顆粒化身特洛伊木馬

流行病學(xué)研究表明，當(dāng)空氣污染嚴(yán)重時(shí)，人類呼吸道病毒傳播似乎也會(huì)增加?？諝庵屑?xì)顆粒與病毒究竟如何協(xié)作?

合作團(tuán)隊(duì)選擇了四種具有不同來源和組成的顆粒物來驗(yàn)證其與病毒之間的相互作用，包括大氣環(huán)境中采集的PM2.5、以二氧化硅為主要成分的粉塵顆粒、通過生物質(zhì)燃燒形成的生物炭顆粒以及由化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳黑顆粒。

大氣中的病毒不是純粹自由態(tài)存在的，它往往是有載體的。我們發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物就可以作為一個(gè)載體，它們可以像‘特洛伊木馬’一樣將病毒運(yùn)送到細(xì)胞中。劉思金比喻說。

值得注意的是，研究者發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物與病毒的相互作用在很大程度上依賴于其物理化學(xué)性質(zhì)。例如PM2.5比其他三種細(xì)顆粒物吸附的病毒要多得多，因?yàn)樗哂休^高的表面積和孔隙率等特性。生物炭的病毒載量緊隨其后。

那么，裝載在細(xì)顆粒物上的病毒是否可以感染呢?

研究者通過經(jīng)典的血凝素實(shí)驗(yàn)對細(xì)顆粒物與病毒的復(fù)合物進(jìn)行了檢驗(yàn)。血凝素(HA)是流感病毒表面的一種糖蛋白，它能夠與多種禽類和哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞上的血凝素受體結(jié)合，引起紅細(xì)胞凝集。方敏介紹，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物與病毒復(fù)合物的凝聚能力是純病毒的70%~90%，其活性在培養(yǎng)4小時(shí)后保持不變，這說明被吸附或者沉積在顆粒物上的病毒仍然具有較高的感染活性。

針對搭載特洛伊木馬的病毒被機(jī)體吸入后產(chǎn)生的損傷效應(yīng)，合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)所有的細(xì)顆粒物都能在不同的程度上增強(qiáng)病毒對細(xì)胞的感染并促進(jìn)了病毒的出芽和釋放。更為重要的是，小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒物可以運(yùn)載病毒進(jìn)入肺臟深部，并且突破氣血屏障，到達(dá)肝臟、脾臟和腎臟等肺外器官，導(dǎo)致小鼠產(chǎn)生更嚴(yán)重的損傷效應(yīng)，包括全身性炎癥、局部組織損傷和體重減輕等。

由于顆粒物的載體作用，改變了流感病毒在呼吸道的分布，并運(yùn)載病毒到達(dá)肺外器官。與單獨(dú)的病毒相比，復(fù)合體由于顆粒性質(zhì)更容易被細(xì)胞攝取，這個(gè)過程可以不依賴病毒特異性受體。另外，顆粒物可以通過脂筏促進(jìn)子代病毒出芽釋放，導(dǎo)致病毒的整個(gè)感染過程被重排和加速了。方敏解釋說。

rId4

紅細(xì)胞上的流感顆粒(藍(lán)色;人工著色)，可搭載細(xì)顆粒進(jìn)入細(xì)胞。圖片來自：NIBSC / SPL/Nature

摸著石頭過河

《自然》(Nature)對這項(xiàng)研究進(jìn)行了專文報(bào)道，認(rèn)為該研究有助于解釋為什么空氣污染嚴(yán)重時(shí)流感病毒感染更加嚴(yán)重。

我們的研究為空氣污染對呼吸道感染的影響提供了詳細(xì)的見解，也表明了考慮空氣質(zhì)量管理和進(jìn)一步減少空氣污染政策的緊迫性。劉思金說。

劉思金課題組成員、論文第一作者董政告訴《中國科學(xué)報(bào)》，該研究從2020年9月開始，到現(xiàn)在花費(fèi)了將近三年時(shí)間。由于研究中涉及到環(huán)境化學(xué)、病毒學(xué)以及免疫學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)和技術(shù)方法，很多實(shí)驗(yàn)思路和方法都需要摸著石頭過河，才能逐步建立。董政說，做研究有趣的地方正在于克服一個(gè)又一個(gè)難題后的喜悅感。

不過，研究者表示，這項(xiàng)研究也有一定的局限性，如實(shí)驗(yàn)室模擬與真實(shí)的環(huán)境條件可能存在差別，同時(shí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與人體存在很大的差別，單純動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論不能完全外推到人體，接下來仍需要更多的研究對此進(jìn)行深入探索。(來源：中國科學(xué)報(bào) 馮麗妃)

空氣中的細(xì)顆粒，如PM2.5、灰塵、生物炭和碳黑，可吸附不同數(shù)量的病毒，形成傳染性的細(xì)顆粒-病毒復(fù)合物。復(fù)合物通過非病毒受體依賴的途徑感染宿主細(xì)胞，引導(dǎo)病毒的內(nèi)化和出芽。不同的細(xì)顆粒負(fù)載的病毒沿著呼吸道分布在不同的位置，并運(yùn)輸?shù)礁h(yuǎn)處的肺外器官。圖片來源：受訪對象

作者：劉思金等 來源：《科學(xué)進(jìn)展》