人冠状病毒OC43感染人脑类器官的发病机制新见解及潜在治疗干预策略

《Journal of Biomedical Science》：Human coronavirus OC43 infection in human cerebral organoids: novel insights on pathogenesis and potential therapeutic interventions

本研究针对人冠状病毒（HCoVs）感染引发中枢神经系统（CNS）并发症的临床问题，利用人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的三维人脑类器官（HCOs）模型，首次系统揭示了季节性冠状病毒HCoV-OC43在神经系统的感染特性。研究发现HCoV-OC43可高效感染神经元和星形胶质细胞，通过激活TNF和NF-κB信号通路诱发炎症反应，并证实抗病毒药物瑞德西韦（Remdesivir）和抗氧化剂甲基巴多索隆（CDDO-Me）能有效抑制病毒复制并缓解神经炎症。该研究为探索冠状病毒相关神经系统疾病的致病机制和药物筛选提供了创新平台。

　　

当COVID-19大流行席卷全球时，医学界注意到一个令人担忧的现象：除了典型的呼吸道症状，越来越多的患者出现神经系统表现，从脑炎、脊髓炎到长期COVID相关的"脑雾"、抑郁和失眠等。实际上，人类冠状病毒（HCoVs）引起神经系统并发症并非新发现，早在COVID-19之前，季节性冠状病毒如HCoV-OC43就已被报道与脑炎病例相关。然而，由于缺乏合适的人类生理模型，冠状病毒感染中枢神经系统（CNS）的具体机制和有效治疗策略一直不甚明确。

传统上，对病毒神经致病性的研究主要依赖二维细胞培养和动物模型，但这些模型存在明显局限性。二维培养缺乏组织结构和细胞复杂性，而动物模型与人类在神经结构和功能上存在显著差异。因此，开发能够更好模拟人脑生理环境的研究模型成为当务之急。

在这项发表于《Journal of Biomedical Science》的研究中，Liu等研究人员采用了一种创新策略——利用人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的人脑类器官（HCOs）来探索冠状病毒的神经侵袭机制。这种类器官模型能在三维空间中模拟人脑发育和功能，包含多种细胞类型和结构，为研究病毒-宿主相互作用提供了更接近生理条件的平台。

研究人员重点关注了β-属冠状病毒HCoV-OC43，它与SARS-CoV-2同属一类，且已有临床证据表明其与神经系统疾病相关。通过这一前沿模型，团队揭示了HCoV-OC43感染人脑的详细机制，并筛选出有潜力的治疗候选药物，为理解冠状病毒引起的神经系统并发症开辟了新途径。

关键技术方法概述

研究团队通过hiPSC定向分化为45天龄的HCOs，建立了包含血脑屏障（BBB）的共培养模型。采用四种季节性冠状病毒（HCoV-OC43、HCoV-NL63、HCoV-229E和HCoV-HKU1）和寨卡病毒（ZIKV）作为对照感染HCOs。通过RT-qPCR、病毒滴定（TCID₅₀）、免疫荧光、透射电镜和RNA测序等多种技术分析病毒感染特性。利用LDH法和TUNEL法评估细胞活性和凋亡情况，并测试了瑞德西韦、Necrostatin-1（NEC-1）和巴多索隆甲基（CDDO-Me）的药效。

HCoV-OC43可在HCOs中有效复制，主要靶向神经元和星形胶质细胞

研究发现，在四种季节性冠状病毒中，只有HCoV-OC43能在HCOs中有效复制。感染后，病毒RNA在细胞培养上清液中逐渐增加，第5天达到峰值；细胞内病毒RNA水平在感染后1、4和14天（dpi）持续上升。透射电镜观察到了典型的冠状病毒颗粒形态，免疫荧光检测到了病毒核衣壳蛋白（NP）的表达。

进一步细胞类型定位分析显示，HCoV-OC43主要感染TUJ1⁺的未成熟神经元和MAP2⁺的成熟神经元，以及GFAP⁺的星形胶质细胞。有趣的是，病毒NP蛋白沿神经元轴突分布，且感染神经元中的微管蛋白呈现不连续点状分布，提示病毒可能影响神经元内部结构。与SARS-CoV-2不同，HCoV-OC43感染后未观察到合胞体形成。

HCoV-OC43感染诱导转录组失调，可能激活TNF和NF-κB信号通路

RNA测序分析揭示了HCoV-OC43感染引起的显著转录组变化。差异表达基因（DEGs）数量随感染时间增加而上升：1 dpi时572个，4 dpi时6,977个，14 dpi时7,422个。其中524个DEGs在三个时间点共同存在。

上调基因主要富集在抗病毒反应（如IFITM10、DNAJB1）、细胞增殖与周期（如ERRFI1、PIGW）、细胞死亡（如ATG14、MBD2）和神经发育（如GREM1、HLA-A）等相关通路。下调基因则与神经元功能（如DBX1、CSPG5）、突触功能（如ICSF21、KNDC1）和神经退行性疾病（如SLC27A3、AGER）相关。

KEGG通路分析显示，炎症、信号传导以及病毒蛋白与细胞因子受体相互作用通路显著激活，而GABA能突触和钙信号通路则被抑制。这些结果表明HCoV-OC43感染通过NOD、TNF和NF-κB信号通路激活炎症反应，导致细胞死亡、神经元和突触功能受损。

HCoV-OC43感染激活炎症反应并诱导细胞凋亡

实验证实，HCoV-OC43感染后，促炎细胞因子TNF-α、MCP-1、IL-1β、IL-6、IL-8和IL-12的mRNA表达水平显著升高。TUNEL检测显示感染导致细胞死亡增加，且发现未感染病毒（NP阴性）的细胞也出现死亡，表明病毒存在间接的"旁观者效应"。同时，凋亡相关基因caspase 3、Fas和Apaf1的表达也显著上调。

瑞德西韦和CDDO-Me有效抑制HCoV-OC43感染及炎症反应和细胞凋亡

药效评估显示，瑞德西韦和CDDO-Me能有效抑制HCOs中HCoV-OC43的复制，降低病毒RNA水平和病毒滴度。免疫荧光证实了这两种药物的抗病毒效果。同时，它们还能降低促炎细胞因子的表达水平，减少细胞死亡和凋亡相关基因的表达。而NEC-1单独使用对病毒复制和炎症反应无显著影响。

HCoV-OC43诱导血脑屏障损伤

研究还建立了BBB-HCOs共培养模型，模拟体内血脑屏障环境。发现无论从顶端（HBECs侧）还是基底侧（HCOs侧）感染HCoV-OC43，都会导致跨上皮电阻（TEER）值下降和FITC-葡聚糖通透性增加，表明病毒感染破坏了血脑屏障完整性。病毒能从感染侧穿越到对侧培养基中，电子显微镜观察显示感染导致BBB细胞结构损伤，出现空泡样变。免疫荧光显示感染导致HBECs紧密连接蛋白claudin-5丢失，并形成合胞体样结构。

研究结论与意义

本研究首次在hiPSC衍生的人脑类器官模型中证实了季节性冠状病毒HCoV-OC43具有神经侵袭性，能够有效感染神经元和星形胶质细胞并进行复制。感染通过激活TNF和NF-κB信号通路引发炎症反应，导致细胞死亡和神经功能损伤。重要的是，研究发现抗病毒药物瑞德西韦和抗氧化抗炎药物CDDO-Me不仅能抑制病毒复制，还能减轻炎症反应和细胞死亡。

此外，研究证实HCoV-OC43能够感染血脑屏障内皮细胞，破坏屏障完整性，这为解释病毒如何进入中枢神经系统提供了机制依据。由于HCoV-OC43与SARS-CoV-2同属β-冠状病毒属，且具有相似的细胞嗜性，该模型也可作为研究SARS-CoV-2神经系统并发症的替代平台。

这项研究的创新之处在于建立了更接近人体生理状态的研究模型，为探索冠状病毒相关神经系统疾病的致病机制和药物筛选提供了有力工具。尽管类器官模型仍存在缺乏免疫细胞和成熟度有限的局限性，但它无疑推动了病毒神经致病机制研究向更精准、更临床相关的方向迈进。未来，基于此平台的深入研究有望为预防和治疗冠状病毒引起的神经系统并发症开辟新的药物研发途径。