SARS-CoV-2刺突蛋白S2亚基诱导肺表面活性物质抑制的生物物理机制研究

本研究聚焦SARS-CoV-2感染引发的急性呼吸窘迫综合征（ARDS）中肺表面活性物质功能障碍的分子机制。通过采用约束滴式表面张力测定与原子力显微镜联用技术，团队发现病毒刺突蛋白S2亚基（而非S1）能够显著破坏天然肺表面活性物质的动态表面活性并引发单层膜结构域融合，揭示了S2亚基是导致表面活性抑制的关键效应分子。该发现为COVID-19相关ARDS的表面活性剂替代疗法提供了重要理论依据。

　　

在COVID-19大流行的阴影下，科学家们一直在探索新冠病毒如何导致严重的肺部疾病。特别是急性呼吸窘迫综合征（ARDS）——这种危及生命的并发症已成为COVID-19患者死亡的主要原因之一。肺表面活性物质（pulmonary surfactant）作为一种覆盖在肺泡表面的复杂脂蛋白混合物，其正常功能对维持肺部机械稳定性和气体交换至关重要。然而，当SARS-CoV-2病毒入侵肺部时，它是否会直接破坏这种生命必需的表面活性物质？这个问题一直悬而未解。

传统的观点认为，SARS-CoV-2主要通过感染肺泡II型上皮细胞间接影响表面活性物质的生成。但这些细胞正是生产和分泌表面活性物质的主力军。病毒利用其表面的刺突蛋白（Spike protein）——一把由S1和S2两个亚基组成的"分子钥匙"——撬开人体细胞的大门。S1亚基负责识别并结合宿主细胞表面的ACE2受体，而S2亚基则介导病毒与细胞膜的融合过程。研究人员敏锐地意识到：既然这些蛋白亚基能够与细胞膜相互作用，那么它们是否也会干扰肺泡表面的表面活性物质薄膜呢？

为了解答这个关键问题，来自夏威夷大学马诺阿分校的研究团队开展了一项精巧的生物物理学研究。他们假设S1和S2亚基可能以不同的方式与肺表面活性物质相互作用，从而导致不同程度的表面活性抑制。这项研究最近发表在《Biophysical Journal》上，为理解COVID-19相关肺损伤提供了新的视角。

研究团队采用约束滴式表面张力测定（constrained drop surfactometry, CDS）和原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）联用技术，系统分析了重组S1和S2蛋白对牛源天然肺表面活性物质的影响。CDS用于评估表面活性物质的动态表面活性，而AFM则用于观察表面活性单层膜的纳米级结构变化。

表面张力动力学研究显示，S2亚基能够显著破坏表面活性物质降低表面张力的能力。在CDS实验中，添加S2蛋白的表面活性物质表现出表面张力最低值升高和表面吸附速率降低，这表明S2亚基直接损害了表面活性物质的力学性能。相比之下，S1亚基对表面活性功能的影响微乎其微。

AFM成像结果更为直观地揭示了S2亚基的破坏机制。表面活性单层膜通常由离散的液相分离域组成，这些结构域对表面活性功能至关重要。研究发现S2亚基能够诱导这些结构域发生融合，形成更大的聚集区域，从而破坏表面活性单层膜的均匀性和稳定性。这种膜结构的变化与表面活性功能的丧失直接相关。

分子机制层面，研究人员认为S2亚基的膜融合功能可能是其破坏表面活性膜的关键。S2亚基含有融合肽（fusion peptide）区域，该区域在病毒入侵过程中介导病毒与宿主细胞的膜融合。类似的机制可能也使S2亚基能够与表面活性脂质膜相互作用，扰乱其正常结构。

这项研究的发现具有重要意义。首先，它首次证实了SARS-CoV-2病毒蛋白能够直接与肺表面活性物质相互作用，并揭示了S2亚基是导致表面活性抑制的主要效应分子。这一发现补充了当前对COVID-19肺损伤机制的理解，表明除了通过感染肺泡II型上皮细胞间接影响表面活性物质合成外，病毒蛋白还能直接破坏已有的表面活性物质功能。

其次，研究结果为改进COVID-19相关ARDS的治疗策略提供了新思路。表面活性剂替代疗法已被用于治疗新生儿呼吸窘迫综合征，但其在成人ARDS中的应用效果不一。本研究提示，针对S2介导的表面活性抑制机制，可能有助于优化表面活性剂替代疗法在COVID-19患者中的应用。例如，开发能够中和S2蛋白活性的制剂，或设计更能抵抗病毒蛋白干扰的合成表面活性剂。

最后，研究所采用的多尺度生物物理学方法——结合宏观表面张力测量和纳米级结构观察——为研究病原体与宿主界面相互作用提供了范例。这种方法可扩展到研究其他呼吸道病毒如何影响肺表面活性物质，为未来应对新发呼吸道传染病提供技术储备。

研究人员在讨论中指出，虽然本研究使用了重组蛋白而非完整病毒，但这种方法能够精确解析特定病毒组分的作用，避免了活病毒实验的生物安全限制。他们同时强调，在真实的感染环境中，病毒与表面活性物质的相互作用可能更为复杂，涉及多种病毒组分和宿主因子的共同参与。

总之，这项研究揭示了SARS-CoV-2S2亚基在破坏肺表面活性功能中的关键作用，为理解COVID-19肺损伤机制提供了新的生物物理学见解。这些发现不仅增进了我们对病毒-宿主相互作用的基本认识，也可能为开发更有效的ARDS治疗策略指明方向。随着科学家们继续解密新冠病毒的致病机制，每一项这样的研究都是我们对抗这场全球健康危机的重要武器。