深入探索病毒感染方式，助力SARS-CoV-2病理研究

本文作者：奥林巴斯生命科学  Norm

“这次疫情最大的问题，就像我们当时预测过的一样，到了夏天以后它还消停不了。

原来大家有预测，是不是像SARS一样，到了夏天以后，或者有时候流感也是，到了夏天会有一个低潮。

但是流感的特征在这次新冠里面就显示不出来，他还是处在持续的传播过程，所以世界上的高峰到现在为止还没有到，也很难预测它什么时候会结束。”

—复旦大学附属华山医院感染科主任 张文宏教授

北京时间2020年7月19日

尽管席卷全球的新型冠状病毒肺炎疫情在中国已经得到阶段性的控制，但是中国以外的国家和地区，疫情仍然给当地居民的生活造成着重大的影响。

截止至北京时间2020年7月20日，全球病例总数已经超过了1.42千万，并导致超过60万例死亡。从数据上来看，目前形势最严峻的美国，确诊病例已接近370万，登记死亡病例接近14万人，疫情得以控制的拐点迟迟没有出现。

自2003年非典（SARS）以来，科学家对冠状病毒的研究从未停止。本次新型冠状病毒疫情突发，对该类型病毒的研究探索更加显得紧迫。

今年二月初，中科院武汉病毒所石正丽研究员带领的科研攻坚团队在Nature杂志上发表了名为“A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin”的文章，通过基因比对的方式分析本次新冠病毒很有可能是来源于蝙蝠。

随后石正丽老师团队使用共聚焦显微镜成像观察了Hela细胞上表达的人源、中华马蹄蝠、麝猫、猪和小鼠的ACE2蛋白和新冠病毒标记分子，发现病毒可以利用除鼠源以外的所有ACE2蛋白侵染细胞。同时，该研究也表明新冠病毒无法侵入表达APN或DPP4的细胞（APN和DPP4也是冠状病毒的细胞表面受体）。

图1：新冠病毒侵染表达人源（hACE2），蝙蝠源（bACE2）和猪源（sACE2）ACE2受体的Hela细胞

（蓝色标记细胞核，绿色标记细胞的表面ACE2受体蛋白，红色标记新冠病毒的核衣壳蛋白。）

OLYMPUS激光扫描共聚焦显微镜 FV1200拍摄

今年5月21日，石正丽老师团队针对新冠病毒的病理再次发表文章“Pathogenesis of SARS-CoV-2 in transgenic mice expressing human angiotensinconverting enzyme 2 ”。

在本次研究中，石老师团队开发了表达人源ACE2（hACE2）的转基因小鼠模型。

共聚焦显微镜成像表明：模型小鼠被新冠病毒感染后，肺部、脑部细胞发生了细胞病变，而转染空白载体的对照小鼠没有发现细胞病变。另外，宏观上该小鼠模型的感染、发病表现与临床表现高度一致。

因此，石正丽老师团队开发的这个小鼠模型在临床疫苗开发、药物研制方面都具有非常高的应用价值。

图2：未感染小鼠细胞、受感染小鼠肺细胞和脑细胞病变情况（A~C）; 未感染小鼠细胞、受感染小鼠肺细胞和脑细胞病毒侵染情况（D~F）

（蓝色标记细胞核，红色标记新冠病毒的核衣壳蛋白。）

OLYMPUS激光扫描共聚焦显微镜FV1200拍摄

在大洋彼岸的美国，前沿的科研工作者同样在进行针对新冠病毒的攻坚研究。

5月26日，北卡罗莱纳大学（UNC）Ralph S. Baric和Richard C. Boucher带领团队在Cell杂志上发表了文章“SARS-CoV-2 Reverse Genetics Reveals a Variable Infection Gradient in the Respiratory Tract”。

本次研究通过显微成像确认了病毒感染程度和ACE2表达量成正相关，同时病毒感染主要发生在上呼吸道，以鼻上皮细胞感染量最多。

图3：鼻上皮细胞、大气道上皮细胞、小气道上皮细胞、I，II型肺细胞新冠病毒滴度情况

（绿色标记GFP重组新型冠状病毒）

OLYMPUS激光扫描共聚焦显微镜FV3000RS拍摄

另外，该团队还对新冠病毒感染病逝者肺部进行了切片观察。

通过使用奥林巴斯全拨片扫描系统VS120，采集到了大量受感染肺部的病理图片。数据显示在宏观水平上，感染表现为块状、相互独立且具有一定扩展性。RNA原位杂交，免疫组化和荧光染色成像均展现感染发生在能接触空气的浅层上皮内，以纤毛细胞感染最多。

图4：感染新冠病毒死者肺部病理学切片（A）。H&E染色切片全局（i）；RNA原位杂交-对照（ii）；RNA原位杂交-新冠病毒感染（iii）；图iii局部放大（iv）。气道近端表面的浅层上皮内的纤毛细胞被感染（B）。

（B(ii)：红色标记新型冠状病毒，绿色标记纤毛细胞微管蛋白，蓝色标记细胞核。）

由OLYMPUS全玻片扫描系统VS120，OLYMPUS激光扫描共聚焦显微镜FV3000RS拍摄

Ralph S. Baric和Richard C. Boucher团队的研究表明鼻腔是感染最严重的区域，并通过气体流动加重呼吸系统更深处，如支气管、肺部的感染。

因此，本次研究的数据支持了广泛使用口罩来防止气溶胶，大液滴和/或机械暴露于鼻道的重要意义。

近二十年，全球已经发生了三次由冠状病毒感染导致的大流行事件。每次疾病大流行的发生都对当地的经济、居民生活甚至地缘政治产生重大的影响。进一步深入冠状病毒的研究甚至攻克类似流行病越来越显得迫在眉睫。

纵观人类历史，从几个世纪前令人闻风丧胆的大瘟疫、黑死病，到近代的天花、结核病，人类的历史何尝不是与流行疾病抗争的历史。人类在每一次灾难之后都会迎来一次新的发展。

奥林巴斯作为掌握众多自主核心技术的光学仪器/医疗器械厂商，肩负着制造顶级的仪器，解决科学家超前的科研需求的社会责任。在可见的未来，奥林巴斯将继续走在生命科学光学成像的最前沿，为广大科研工作者提供强有力的支持。

参考资料：

Centers of Disease Control and Prevention https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/cases-updates/cases-in-us.html

World Health Organization https://covid19.who.int/

Zhou, Peng, et al. "A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin." Nature 579.7798 (2020): 270-273.

Hou, Yixuan J., et al. "SARS-CoV-2 Reverse Genetics Reveals a Variable Infection Gradient in the Respiratory Tract." Cell (2020).

Jiang, Ren-Di, et al. "Pathogenesis of SARS-CoV-2 in transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2." Cell (2020).

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