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专家采访

新冠肺炎|从单细胞水平分析“无症状”患者成因和“粪-口传播”感染机制

【2020-02-05】
       新冠病毒(Wuhan 2019-nCoV)的爆发让所有人都揪着心,大阅哥希望在政府和我们每一个人的共同努力之下,尽快扑灭疫情之火,让社会秩序恢复正常。也向医务工作者等每一位在抗击疫情背后做出贡献的人表达深深的感谢和崇高的敬意!

       此次 2019-nCoV与SARS-CoV具有较高同源性,但传染力更强,这也是疫情防控的一个重要难题。目前,我们已经知道了2019-nCoV病毒的主要传播方式是飞沫传播和接触传播,且在粪便样本中检测到了病毒的RNA,推断“粪-口传播”是潜在的途径。武汉病毒所石正丽教授的研究已证实2019-nCoV通过和SARS-CoV相同的受体入侵人体——血管紧张素转换酶2 (ACE2)[1],此受体的表达和分布决定了病毒感染的途径。因此,深入了解2019-nCoV介导传染人的传播途径,并作出科学假设和验证,对于疾病防控,制定治疗策略都有着十分重要的意义。
       近几年单细胞测序的飞速发展,让我们可以深入到单个细胞的水平探究基因的表达。如今我们可以利用如此强大的工具去助力新冠病毒的研究,更加细致地探究病毒受体在潜在感染组织不同细胞中的表达情况。下面我们就一起来看两篇利用单细胞测序技术探究新冠病毒感染传播途径的研究。

绕过呼吸道,直接攻击肺部,II型肺泡细胞很可能为2019-nCoV感染靶细胞
       2020年1月26日,同济大学附属东方医院的左为团队在 bioRxiv 上发表文章,其团队基于公开的数据库,分析单细胞测序数据,研究了共计43000多个肺组织细胞[2]



       研究结果表明,ACE2受体在肺内一小群II型肺泡上皮细胞(AT2)上集中表达,且这类AT2细胞占所有AT2细胞数量的1%左右。更重要的是,此类AT2细胞除了表达病毒ACE2受体之外,还显示出其他20余个与病毒复制和传播密切相关的基因的高表达,说明此类细胞具有高度可能性是2019-nCov感染的靶细胞。
       总体来看,表达ACE2的肺细胞占到了所有肺细胞的0.64%,其中80%以上都集中表达于II型肺泡细胞。肺部其他细胞类型,例如I型肺泡、支气管上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和巨噬细胞中ACE2表达较低。


ACE2受体在不同肺泡细胞类型中的表达情况

讨论
       此研究利用单细胞测序的技术细致深入地分析了2019-nCoV的靶细胞,虽然ACE2只在极少数AT2肺细胞中表达,但此类“易感”细胞又为病毒的辅助传播起到“帮助”与“促进”作用,其中的机制还有待深入探讨。
       同时,该研究还部分解释了为什么在本次疫情当中,很多确诊患者没有明显的症状,甚至有个别患者无症状,但肺部CT却已出现病灶的现象。其原因可能是病毒进入人体后直接侵染了表达病毒受体的肺泡细胞,而肺泡细胞中少有神经组织,因此病人不怎么咳嗽。但值得注意的是,2019-nCoV与SARS-CoV攻击的是同一受体,而SARS的症状显然更加严重,这其中的原因可能是2019-nCoV由于基因序列差异导致功能有别于SARS-CoV,从而激活的炎症反应类型与其不同,这也可能是一些2019-nCoV感染者无明显发烧症状的原因。当然,不排除在ACE2受体外,2019-nCoV可能还存在有其他共受体,而这其中的机制需要进一步研究。

警惕“粪-口传播”,消化道或是2019-nCov 潜在感染的新途径
       2020年1月31日,上海第二军医大学附属长征医院徐沪济团队等在 bioRxiv发表文章。其团队依然基于公开的数据库,对肺部和消化道中的不同组织细胞进行了单细胞层面的分析[3]



       在此研究中,作者对除肺组织外的消化道中不同组织的4个基因集进行单细胞转录组分析,分别为食管的87,947个细胞,胃部29,678个细胞,回肠50,286个细胞和直肠的47,442个细胞。


消化系统不同组织的细胞亚型分类图

       研究结果显示,ACE2在胃组织中的所有细胞类型中表达量都较低,在食管的上皮细胞(主要为upper and stratified epithelial cells)中高表达。在回肠和小肠中,吸收性上皮细胞和肠上皮细胞中高度表达ACE2,但是在回肠中的吸收性上皮细胞祖细胞和直肠中的未成熟肠上皮细胞中表达量低。

讨论
       前几日,深圳市第三人民医院表示,在某些新型冠状病毒感染的肺炎确诊患者的粪便中检测出2019-nCoV核酸阳性,虽然还没有明确是否有病毒颗粒的存在,很这一发现提示了我们在粪便中可能有活病毒存在。虽然“粪-口传播”是否为2019—nCoV传播新途径还有待进一步论证,但此篇研究的结果为2019-nCoV潜在消化道感染机制提供了理论依据。

说在最后

       上述两篇研究中,单细胞测序发挥了他强大的功能,从单个细胞水平探究了2019-nCoV在肺部与消化道组织中不同细胞类型表达病毒受体的情况,揭示了病毒传播途径的潜在分子机制。由于采用的是公共数据库中的数据,且样本和细胞数量有限,因此结果还需更多的工作来完善证实,但大阅哥也相信,随着更多的深入研究,一定可以将新冠病毒的感染传播途径查个“水落石出”!
       新冠病毒来势凶猛,国家和政府采取了很多科学的防治措施,我们每一个人也一定都要做好个人防护,保护自己,保护家人。




参考文献:
[1] Zhou, Peng, et al. "Discovery of a novel coronavirus associated with the recent pneumonia outbreak in humans and its potential bat origin." bioRxiv (2020).
[2] Zhao, Yu, et al. "Single-cell RNA expression profiling of ACE2, the putative receptor of Wuhan 2019-nCov." bioRxiv (2020).

[3] Zhang,Hao, et al.”The digestive system is a potential route of 2019-nCov infection: a bioinformatics analysis based on single-cell transcriptomes.” bioRxiv (2020).


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