类器官：助力奥密克戎研究的新武器

撰文：南方类器官

来源：干细胞者说

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公元2021年11月9日，科学家们首次从南非的一个病例样本中检测到一种新冠病毒B.1.1.529变异株，WHO将其定义为第五种“关切变异株”。新冠病毒家族继阿尔法、贝塔、伽马和德尔塔之后，诞生了一位新成员。是的，它就是奥密克戎。

奥密克戎的到来，引起了人们极度的恐慌。究竟是怎样的小恶魔让人类闻风丧胆呢？比起它的长辈，奥密克戎有着更高的传染率和触发HIV的技能，更可怕的是它很可能还有应对疫苗的躲避技能！

当然，人类也不是吃素的，经过惨痛的经验总结，发现奥密克戎具有上呼吸道感染、病情较轻、感染年轻化等特征。正所谓“知己知彼，百战百胜”！接下来，就让我们一起进入卧底奥密克戎之旅吧！

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为什么奥密克戎会攻击上呼吸道

通过研究奥密克戎外表，我们发现在N端结构域和受体结合域有20多个取代基，在S2中也有6个独特的突变，这意味着它拥有很多入侵的武器。

已有的情报告诉我们，病毒主要以两种方式感染细胞。一种是通过胞吞进机体后，与暗桩ACE2（血管紧张素转化酶2）汇合，对过暗号（内在化反应）后通过胞吞进入细胞，在蛋白酶介导的S蛋白的帮助下，膜融合释放出自己的RNA大军；另一种是直接膜融合混入宿主细胞，不过也需要表面S蛋白与ACE2受体结合，同时还需要辅助结合因子帮忙伪装。

而最有名的辅助结合因子就是TMPRSS2！

SARS CoV-2已知的两种细胞进入途径

卧底第一步，我们发现奥密克戎与ACE2更加亲近。自然下呼吸道高表达的TMPRSS2对它就没有太大的吸引力了，反而低表达TMPRSS2的上呼吸道容易受到攻击。

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奥密克戎入侵人体细胞的方式

人类通过建立类器官模型（下呼吸道、胆囊）和使用常用细胞系模拟研究对象，发现在高表达TMPRSS2的细胞中，奥密克戎检出率较低，而在高表达ACE2的细胞中，奥米克戎的检出率与家族其他成员没有明显的差异。这一发现提示：TMPRSS2可能在奥密克戎中作为辅助结合因子的作用变得相当有限。

最可能的解释是：其一，奥密克戎缺乏多碱基切割位点，所以没有在细胞中被切割，而是被TMPRSS2或核内体中的组织蛋白酶在靶细胞表面切割，降低了刺突切割效率，损害TMPRSS2介导的胞膜融合路径来促进胞吞作用；其二，可能因为基本氨基酸突变，导致病毒表面S蛋白总电荷的增加，对低PH诱导的构象改变更加敏感，从而有利于利用上气道低PH环境通过胞吞进入宿主细胞。

类器官入口检测感染示意图

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奥密克戎感染力强的秘密

掌握了更多线索后，人类趁机顺藤摸瓜，利用生物层干涉法测定了人ACE2受体与奥密克戎毒株、武汉毒株和德尔塔毒株亲和力的差异，结果奥密克戎的对ACE2的结合亲和力增强约3倍。为什么会这样呢？

原来啊，已突变的氨基酸能够与ACE2上的残基结合引入额外的静电相互作用，也有的突变氨基酸能够与ACE2形成氢键，所以尽管也有突变氨基酸会抑制奥米克戎与ACE2结合，但总体上突变的受体结合域上的氨基酸增加了奥米克戎对ACE2的亲和力。

真是万万没想到啊，我们内部居然还会出现“内鬼”！

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奥密克戎的致病力怎么样？

降低对TMPRSS2的依赖性，不仅意味着好发感染的部位发生了改变，而且还意味着毒株致病力的下降。奥密克戎更加喜欢感染上呼吸道，这使得奥密克戎更加类似于常见的上呼吸道病毒感染性疾病——病毒性感冒。它对于重要脏器侵袭的减少，奥密克戎重症患者自然也少。

虽然奥密克戎致病力下降了，但是它造成的伤害仍然不容小觑。人类决定探清它的底细，通过在半固态介质系统培养被毒株感染的细胞研究发现，与前辈德尔塔相比，奥密克戎斑块尺寸更小，较小的病灶可以归因于病毒进入细胞方式的改变。在体内较小的病灶可能意味着良好的预后，这帮助解释了为什么奥米克戎的重症患者很少。

德尔塔和奥米克戎活病毒形成的感染灶

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为何接种疫苗很难拦住奥密克戎

奥密克戎逃避了接种疫苗产生的多克隆中和抗体。面对这种情况，人类当然不能袖手旁观，通过研究发现，相比前辈德尔塔，奥密克戎更厉害，无论是单独或联合使用单抗，都对它无效。这可能是由于突变的氨基酸阻碍了单抗与奥密克戎的结合所致的。理论上，奥米克戎中突变的氨基酸（K417N, E484A, S477N和Q493R）可以排除与单抗（REGN10933）的结合，而突变的G446S则与单抗（REGN10987）的结合相冲突。因此，奥密克戎受体结合域和S三聚体的结合减弱以及抗体中和作用损失一致。

此外，有研究表明病毒表面S蛋白若出现K417N、E484A或N501Y突变，很可能提示病毒免疫逃逸能力增强，奥密克戎刚刚出现的时候之所以被预测具有高致病性和高感染率，就是因为在奥密克戎上检测到这三种氨基酸突变的存在。

难道我们就拿它没办法了？答案是否定的。奥密克戎还有一个对手，那就是RNA聚合酶抑制药物。相关药物能通过抑制RNA聚合酶阻止病毒逆转录和自我复制的过程，让病毒难以自我复制和繁殖。所以，RNA聚合酶抑制药物还是可以和德尔塔和奥密克戎抗衡的。

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如何对抗奥密克戎

当然有啦！接种第三针疫苗能够有效降低感染患者的易感性和重症率。

为了探究疫苗诱导的多克隆中和抗体能否对付奥密克戎，聪明的人类将40个接种两针疫苗的血清样本与 PV（假型病毒）粒子混合前，进行血清滴定。结果表明：与德尔塔相比，第二剂后奥密克戎的中和作用损失10倍以上，而如果使用第三剂疫苗进行增强的话，对所有变种均能观察到中和作用显著增加。

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研究意义

研究发现：第二针疫苗诱导的中和抗体对奥密克戎中和作用有限，武器杀伤力可以通过接种第三针疫苗大大增强。这对于宣传第三次疫苗接种工作而言至关重要，所以看完了快点去打第三针疫苗吧！

• 研究发现临床常用的单抗对小恶魔不太管用，但通过RNA聚合酶抑制剂对奥米克戎效果显著，为临床药物治疗提供了新的指向。
• 研究解释了奥密克戎和前辈们在临床表现上的不同，表现为上呼吸道感染、能够逃避免疫反应以及重症感染少等的原因。
• 研究发现奥密克戎和前辈们在致病机制也不太一样，虽然在入侵细胞的时候，依然把ACE2作为重要的受体分子，但不再依赖TMPRSS2作为重要辅助分子且其可能受到ACE2水平不同影响，这意味新冠变异速度非常快，绝对不能掉以轻心。

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小小结语

人类从刺突介导的免疫逃避、ACE2结合的相互作用和决定组织取向的细胞进入途径等方面探讨了奥密克戎的生物学特性，通过使用类器官模型和多种培养检验技术，揭示了在细胞偏好上的差异，这受到很多限制：

• 首先，尽管使用的是原代人体组织，但体外培养系统和人体内还是有差异的；
• 其次，TMPRRS2的水平可能影响ACE2，特别是TMPRSS2与ACE2的裂解有关，具体效应大小受到ACE2表达的影响；
• 最后，特异性蛋白酶抑制剂除了抑制细胞组织蛋白酶外，还可能抑制病毒蛋白酶，这可能影响观察到的结果的准确性。

在本研究中，类器官充当了一个再现原始组织形态特征的体外培养模型，用于在实验样本量不足的情况下，扩增培养以获取足够高质量样本的目的。尽管类器官目前相关技术还未成熟，相关标准尚未制定颁布，但是已经能够在科研中逐步应用研究，并取得了较好的成果，获得了世界各地科学家的认可。

相信，在不远的未来，类器官技术将能够成为新一代成熟的体外培养模型，更多地造福人类的健康！

参考文献：

[1]Altered TMPRSS2 usage by SARS-CoV-2 Omicron impacts tropism and fusogenicity [J]. Nature.

南方类器官