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》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)國家重點實驗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。這段一個多小時的教學(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，但它們是否會增加人群的疾病風(fēng)險及其相關(guān)機(jī)制并不清楚。

劉思金團(tuán)隊主要開展大氣細(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，兩個團(tuán)隊合作申請了國家自然科學(xué)基金委的面上項目，以及原創(chuàng)性探索項目。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，是因為流感病毒是造成呼吸系統(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驗室進(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)方法和實操經(jīng)驗。論文共同通訊作者方敏對《中國科學(xué)報》說。

細(xì)顆?；硖芈逡聊抉R

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

合作團(tuán)隊選擇了四種具有不同來源和組成的顆粒物來驗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，因為它具有較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)典的血凝素實驗對細(xì)顆粒物與病毒的復(fù)合物進(jìn)行了檢驗。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，小鼠實驗發(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)致病毒的整個感染過程被重排和加速了。方敏解釋說。

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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)對這項研究進(jìn)行了專文報道，認(rèn)為該研究有助于解釋為什么空氣污染嚴(yán)重時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》，該研究從2020年9月開始，到現(xiàn)在花費(fèi)了將近三年時間。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)科知識和技術(shù)方法，很多實驗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又一個難題后的喜悅感。

不過，研究者表示，這項研究也有一定的局限性，如實驗室模擬與真實的環(huán)境條件可能存在差別，同時實驗動物與人體存在很大的差別，單純動物實驗得到的結(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 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》