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类器官模型助力Nature:熊脱氧胆酸有望成新冠特效药或将终结新冠时代
点击次数:896 发布日期:2022-12-19  来源:“百趣医学Biotree”微信公众号

百趣代谢组学文献分享:2022年即将过去,随着疫苗的全面接种和三年以来“动态清零”的坚持,我们在应对新冠病毒如潮水般的攻击中取得了阶段性成果。虽然大家陆陆续续投入到正常的工作生活中,但是我们都知道新冠并未被“打败”,“战争”也并未过去。近日,Nature在线发表题为的“FXR inhibition may protect from SARS-CoV-2 infection by reducing ACE2”论文,表明熊脱氧胆酸或许有望成为新冠特效药。
 


这场新冠战役,人类或许迎来了真正的曙光!

接下来,百趣代谢组学小趣将这篇重磅新文,给大家做一个深入浅出的解读。

自从三年前新冠病毒首次被发现以来,因为其可怕的毒性以及强大的传播性,对人类公共安全带来了极大的威胁。目前为止除了疫苗之外,人类缺少更为有效的病毒防御策略,即便是疫苗也存在着病毒不断变异导致其防御能力降低的风险,以及婴幼儿和老人抵抗力弱,疫苗无法很好的发挥作用等问题,所以新冠的特效药研发一直是全世界科学家夜以继日研究的重点。

我们知道新冠病毒(SARS-CoV-2)入侵人体细胞的方式,主要是通过其刺突上的受体结合域与人体细胞表面的血管紧张素转化酶(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)相结合,进而穿透细胞膜进入人体细胞。
 


正所谓遇到问题,消灭问题,面对病毒的侵袭,人们第一时间想到的自然是消灭病毒,然而因为病毒结构简单,极易变异等特点,人类在消灭病毒的战争中从未真正消灭过病毒。所以我们不如换个思路,既然消灭不掉病毒,那就消灭掉病毒的入侵途径,只要病毒无法进入体内,那病毒到底有多少也就无所谓了。

本文就是运用这样的思路,找到了抑制ACE2靶点的关键药物—熊脱氧胆酸。

1.ACE2的表达需要依赖胆汁酸的调节

为了探索ACE2的表达机制,作者选择了体内ACE2表达量最高的胆管细胞构建体外模型,为了更好地模拟细胞在体内面对SARS-CoV-2感染更真实的反应,作者选用了类器官模型而非单纯的贴壁细胞模型。
 


图1. SARS-CoV-2侵入后相关基因在胆管细胞中的表达


实验发现,SARS-CoV-2主要攻击胆囊细胞,在胆管细胞类器官模型中发现,在鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid, CDCA)条件下,胆管细胞表面的ACE2会高表达。

2.胆汁酸通过FXR控制ACE2水平
因为CDCA是FXR的天然激动剂,因此CDCA很可能通过FXR调控ACE2的表达。作者针对FXR的表达定位,ACE2的表达量进行了实验分析。
 


图2. FXR调节ACE2表达


可以发现,FXR确实在各种胆管细胞的类器官中均有表达,并且使用FXR的抑制剂,如熊脱氧胆酸(ursodeoxycholic acid, UDCA)等处理后,ACE2确实受到FXR被抑制的影响而降低了表达量。

3.FXR在不同细胞中均可以调节ACE2
我们知道,新冠病毒主要攻击人的肺,肠等器官,如果上述调控机制能够在体内多个器官中均存在,将具有更重大的临床意义,正因如此,作者在肺、肠的类器官中做了衍生的研究。
 


图3. 不同细胞类器官中FXR调节ACE2的表达
 

研究发现在不产生细胞毒性的浓度下,无论是FXR的激动剂还是抑制剂(CDCA、UDCA)均会通过影响FXD的活性,而对肺、肠等类器官中的ACE2的表达量产生影响,表明FXR介导的ACE2表达很可能在多种器官中广泛存在。

4.FXR在体外对新冠病毒感染的调节作用

在证实了早已被广泛应用到临床中使用的药物:UDCA可以通过抑制FXR的信号传导进而降低ACE2的表达量这一现象后,让我们回到问题的关键,我们终究要解决的是SARS-CoV-2的感染问题,那调节了FXR是否就能降低SARS-CoV-2的感染作用呢?

作者将胆管细胞、呼吸道细胞和肠道细胞的类器官暴露于生理浓度的CDCA环境下,模拟体内FXR正常激活环境,并使用新冠患者鼻咽拭子分离出来的SARS-CoV-2进行感染处理。
 


图4. 各种类器官中SARS-CoV-2刺突蛋白表达情况


SARS-CoV-2在不同类器官上的免疫组化染色以及核酸表达量数据均表明,抑制FXR活性会显著降低SARS-CoV-2病毒的感染。

5.FXR对病毒感染调节的体内实验

紧接着体外模型的下一步,作者在仓鼠模型中开始了体内实验的验证。


图5. FXR抑制ACE2和SARS-CoV-2体内感染的研究


从图5b.c可以发现,经过UDCA治疗后的仓鼠鼻腔和肺组织中ACE2的表达量均显著降低。将UDCA治疗的仓鼠和对照组分别与SARS-CoV-2感染的仓鼠同笼,以评估UDCA治疗对SARS-CoV-2传染的防御作用,可以发现4天同笼处理之后,对照组所有6只仓鼠均罹患SARS-CoV-2(感染率100%),而UDCA治疗组的9只仓鼠则有6只幸免遇难,感染率仅33%(图5.e)。表明UDCA在体内实验中依然展现了显著的COVID19防御力。

6.FXR调节人体器官感染
在类器官模型和动物模型上都发现了可喜的结果,更振奋了作者的信心,作者进一步使用体外常温灌注(ex situ normothermic perfusion, ESNP)技术,研究肺器官在SARS-CoV-2感染下的反应。ESNP技术简单来说就是一套体外维生系统可以让器官在体外进行保存并保持生理活性[1]。本研究中将来自同一个供体的肺左右分开,置于相同条件的ESNP下,分别给予 2000 ng/ml的UDCA(相当于患者口服多次UDCA后达到的稳态血浆浓度)和等量的生理盐水。
 


图6.体外抑制FXR可降低ACE2水平和SARS-CoV-2感染
 

结果表明,UDCA处理后,能够减低肺实质、气管等组织部位中ACE2的表达量,并且能够降低SARS-CoV-2的感染。同样的在体外肝样本中也呈现了类似的结论。

7.UDCA可能会改善新冠肺炎的成果

鉴于UDCA良好的安全性,以及悠久的用药史,作者招募了志愿者实际测试了UDCA的治疗效果,志愿者进行了15mg/Kg/day的UDCA治疗,并在治疗前、治疗期间以及治疗后分别采集了志愿者的鼻黏膜上皮细胞(鼻黏膜上皮细胞是SARS-CoV-2感染的主要部位),实验发现UDCA显著降低了ACE2的转录水平,由下图可以清晰看到,UDCA干预当天志愿者鼻黏膜上皮细胞的ACE2水平就开始降低,并在干预期间始终保持着较低的水平。
 


图7. 鼻咽拭子采集的鼻上皮细胞ACE2水平的QPCR测量
 

作者通过分析COVID-Hep/SECURE肝脏登记研究数据同样发现,接受了UDCA治疗的患者表现出了更低的住院率、更低的重症率、更低的死亡率(存在可能的数据偏差)。

小趣总结

作者从类器官、动物模型、立体人体器官、志愿者组织和人群队列等一系列维度逐步发现验证了UDCA可以通过FXR,降低ACE2表达,进而阻碍SARS-CoV-2进入人体细胞,产生新冠防御作用。

非常值得注意的是,本文是以类器官模型为起点一步步发现UDCA的治疗作用,类器官技术是近年来生物医学领域最具突破性的前沿技术之一,在2013年就被SCIENCE杂志评为年度十大技术。类器官(Organoids)指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维(3D)培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。能够最大程度地模拟体内组织结构及功能并能够长期稳定传代培养。

相比传统的二维培养模型,类器官代表着一种能够概括整个生物体生理过程的创新技术,具有更接近生理细胞组成和行为的优势。而与动物模型相比,类器官模型的操作更简单,且在临床疾病研究方面,患者同源的类器官能更好地用于研究疾病发生和发展等机理。

百趣生物经过多次实验验证成功开发类器官代谢组学,助力疾病研究。

参考文献:
[1] Clavien P A, Dutkowski P, Mueller M, et al. Transplantation of a human liver following 3 days of ex situ normothermic preservation[J]. Nature Biotechnology, 2022: 1-7.

文献下载链接:
https://pan.baidu.com/s/1SzFrfrjsVe3yG1kIJ0NeTQ

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来源:上海百趣生物医学科技有限公司
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