临床级可溶性人ACE2对SARS-CoV-2感染的抑制作用

据报道,世界多个地区新出现和再次出现的人畜共患疾病的发病率正在增加,新出现的传染病爆发对人类健康构成威胁,例如2003年出现的严重畸形呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)。2019年12月,新型冠状病毒(SARS-CoV-2)跨越物种屏障感染人类,并在人与人之间有限传播,导致全球新冠肺炎爆发。这种病毒引起的COVID-19具有流感样症状,引发从轻微疾病到严重的肺损伤和多器官衰竭,最终导致死亡。世卫组织已宣布,COVID-19是一种全球大流行性的公共卫生紧急事件。SARS-CoV-2的流行不仅给公共卫生带来巨大负担,而且对社会和全球经济产生了显著影响。

SARS-CoV-2与SARS-CoV有诸多相似之处。系统发育分析显示SARS-CoV-2属于β冠状病毒属B系。SARS-CoV-2的受体结合域(RBD)与SARS-CoV的相似,提示可能存在共同的宿主细胞受体。ACE2被鉴定为SARS-CoV的功能性受体,过表达人源ACE2导致小鼠感染SARS-CoV的病情更严重【1】,将SARS-CoV的spike蛋白注入小鼠体内可降低ACE2的表达水平,加重肺损伤【2】。因此,ACE2既是SARS-CoV进入细胞的受体,又能保护肺免受损伤。Cryo-EM结构显示SARS-CoV-2的spike蛋白直接结合到ACE2,且两者的结合亲和力更高。细胞培养时加入可溶性ACE2-Ig或非特异性蛋白酶抑制剂——camostat mesylate能抑制携带SARS-CoV-2 spike蛋白的假病毒感染,且高剂量的camostat mesylate(100ug/ml)能部分抑制SARS-CoV-2生长【3】。那么可溶性ACE2是否能够抑制SARS-CoV-2感染?

近日,来自西班牙的Nuria Montserrat、瑞典的Ali Mirazimi和澳大利亚的Josef Penning团队在Cell上以pre-proof形式发表了文章Inhibition of SARS-CoV-2 infections in engineered human tissues using clinical-grade soluble human ACE2,报道了临床级人源重组可溶性ACE2(hrsACE2)能够显著降低SARS-CoV-2的生长,并揭示出人血管类器官和肾脏类器官易受SARS-CoV-2感染,而hrsACE2能在感染早期显著抑制感染的发生。

研究团队首先从瑞典一名确诊为COVID-19的患者鼻咽样本中分离出SARS-CoV-2病毒,并在Vero E6细胞中培养。电子显微镜显示SARS-CoV-2分离物呈现冠状形状,系统发育分析表明该病毒属于clad A3病毒。考虑到ACE2是SARS-CoV-2的受体,且hrsACE2已经经历过临床I期和II期测试,所以临床级hrsACE2是否能干扰SARS-CoV-2感染?向Vero-E6细胞培养液中同时加入SARS-CoV-2病毒和hrsACE2,1 h后去除hrsACE2和SARS-CoV-2,感染发生15 h后检测细胞内病毒滴度。结果显示hrsACE2显著抑制SARS-CoV-2感染,且抑制效果与病毒浓度和hrsACE2剂量有关。然而,鼠源重组可溶性ACE2(mrsACE2)不能抑制感染。Vero-E6细胞培养液加入hrsACE2或mrsACE2与SARS-CoV-2共培养15 h,发现hrsACE2能显著减少病毒感染,而mrsACE2没有效果,且hrsACE2和mrsACE2对细胞没有毒性。这些结果表明hrsACE2在体外显著减少SARS-CoV-2感染。

SARS-CoV-2感染的主要部位是肺部,进而传播到其他组织如肾脏和肠道。疾病发展过程中产生病毒血症,该病毒大小为80-100nm,这表明SARS-CoV-2必须先感染血管,然后在感染局部组织。为了验证这个假说,研究人员从诱导多能干细胞构建人毛细血管类器官,并利用SARS-CoV-2进行感染。SARS-CoV-2暴露的3到6天,血管类器官中病毒RNA增加,SARS-CoV-2进行活跃性复制。上清液能够有效感染Vero E6细胞,即感染的毛细血管类器官产生子代病毒。添加hrsACE2显著减少人血管类器官的病毒感染,且没有毒性副作用。

肾小管中ACE2高表达,且尿液中检测到SARS-CoV-2病毒,那么SARS-CoV-2能否直接感染人肾小管细胞?研究人员从人胚胎干细胞中构建了具有肾小管样细胞的肾类器官,且肾类器官中ACE2的表达模式与肾组织类似。SARS-CoV-2能够在肾类器官中复制,上清液高效感染Vero E6细胞,添加hrsACE2显著减少SARS-CoV-2的感染。

总之,文章证明临床级可溶性人ACE2有效抑制SARS-CoV-2在Vero E6、人血管类器官和人肾脏类器官的感染,或将有助于控制SARS-CoV-2感染。但研究具有局限性。研究聚焦于感染早期,无法预测hrsACE2对病情后期的作用;肺是COVID-19的主要靶点器官,文章缺乏对肺类器官的研究;肾素-血管紧张素系统(RAS)是一个易受外部过程调控的复杂信号网络,而研究系统没有考虑RAS过程。

原文链接:https://www.cell.com/pb-assets/products/coronavirus/CELL_CELL-D-20-00739.pdf
1. Yang, X.H., Deng, W., Tong, Z., Liu, Y.X., Zhang, L.F., Zhu, H., Gao, H., Huang, L., Liu, Y.L., Ma, C.M., et al. (2007). Mice transgenic for human angiotensin-converting enzyme 2 provide a model for SARS coronavirus infection. Comp Med 57, 450-459.
2. Imai, Y., Kuba, K., Rao, S., Huan, Y., Guo, F., Guan, B., Yang, P., Sarao, R., Wada, T., Leong-Poi, H., et al. (2005). Angiotensin-converting enzyme 2 protects from severe acute lung failure. Nature 436, 112- 116.
3. Hoffmann, M., Kleine-Weber, H., Schroeder, S., Kruger, N., Herrler, T., Erichsen, S., Schiergens, T.S., Herrler, G., Wu, N.H., Nitsche, A., et al. (2020). SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell.
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