類器官模型助力Nature：熊脫氧膽酸有望成新冠特效藥或?qū)⒔K結(jié)新冠時代

百趣代謝組學(xué)文獻分享：2022年即將過去，隨著疫苗的全面接種和三年以來“動態(tài)清零”的堅持，我們在應(yīng)對新冠病毒如潮水般的攻擊中取得了階段性成果。雖然大家陸陸續(xù)續(xù)投入到正常的工作生活中，但是我們都知道新冠并未被“打敗”，“戰(zhàn)爭”也并未過去。近日，Nature在線發(fā)表題為的“FXR inhibition may protect from SARS-CoV-2 infection by reducing ACE2”論文，表明熊脫氧膽酸或許有望成為新冠特效藥。
 

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這場新冠戰(zhàn)役，人類或許迎來了真正的曙光！

接下來，百趣代謝組學(xué)小趣將這篇重磅新文，給大家做一個深入淺出的解讀。

自從三年前新冠病毒首次被發(fā)現(xiàn)以來，因為其可怕的毒性以及強大的傳播性，對人類公共安全帶來了極大的威脅。目前為止除了疫苗之外，人類缺少更為有效的病毒防御策略，即便是疫苗也存在著病毒不斷變異導(dǎo)致其防御能力降低的風(fēng)險，以及嬰幼兒和老人抵抗力弱，疫苗無法很好的發(fā)揮作用等問題，所以新冠的特效藥研發(fā)一直是全世界科學(xué)家夜以繼日研究的重點。

我們知道新冠病毒(SARS-CoV-2)入侵人體細胞的方式，主要是通過其刺突上的受體結(jié)合域與人體細胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)相結(jié)合，進而穿透細胞膜進入人體細胞。
 

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正所謂遇到問題，消滅問題，面對病毒的侵襲，人們第一時間想到的自然是消滅病毒，然而因為病毒結(jié)構(gòu)簡單，極易變異等特點，人類在消滅病毒的戰(zhàn)爭中從未真正消滅過病毒。所以我們不如換個思路，既然消滅不掉病毒，那就消滅掉病毒的入侵途徑，只要病毒無法進入體內(nèi)，那病毒到底有多少也就無所謂了。

本文就是運用這樣的思路，找到了抑制ACE2靶點的關(guān)鍵藥物—熊脫氧膽酸。

1.ACE2的表達需要依賴膽汁酸的調(diào)節(jié)

為了探索ACE2的表達機制，作者選擇了體內(nèi)ACE2表達量最高的膽管細胞構(gòu)建體外模型，為了更好地模擬細胞在體內(nèi)面對SARS-CoV-2感染更真實的反應(yīng)，作者選用了類器官模型而非單純的貼壁細胞模型。
 

圖1. SARS-CoV-2侵入后相關(guān)基因在膽管細胞中的表達

實驗發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2主要攻擊膽囊細胞，在膽管細胞類器官模型中發(fā)現(xiàn)，在鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid, CDCA)條件下，膽管細胞表面的ACE2會高表達。

2.膽汁酸通過FXR控制ACE2水平
因為CDCA是FXR的天然激動劑，因此CDCA很可能通過FXR調(diào)控ACE2的表達。作者針對FXR的表達定位，ACE2的表達量進行了實驗分析。
 

圖2. FXR調(diào)節(jié)ACE2表達

可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR確實在各種膽管細胞的類器官中均有表達，并且使用FXR的抑制劑，如熊脫氧膽酸(ursodeoxycholic acid, UDCA)等處理后，ACE2確實受到FXR被抑制的影響而降低了表達量。

3.FXR在不同細胞中均可以調(diào)節(jié)ACE2
我們知道，新冠病毒主要攻擊人的肺，腸等器官，如果上述調(diào)控機制能夠在體內(nèi)多個器官中均存在，將具有更重大的臨床意義，正因如此，作者在肺、腸的類器官中做了衍生的研究。
 

圖3. 不同細胞類器官中FXR調(diào)節(jié)ACE2的表達
 

研究發(fā)現(xiàn)在不產(chǎn)生細胞毒性的濃度下，無論是FXR的激動劑還是抑制劑(CDCA、UDCA)均會通過影響FXD的活性，而對肺、腸等類器官中的ACE2的表達量產(chǎn)生影響，表明FXR介導(dǎo)的ACE2表達很可能在多種器官中廣泛存在。

4.FXR在體外對新冠病毒感染的調(diào)節(jié)作用
在證實了早已被廣泛應(yīng)用到臨床中使用的藥物：UDCA可以通過抑制FXR的信號傳導(dǎo)進而降低ACE2的表達量這一現(xiàn)象后，讓我們回到問題的關(guān)鍵，我們終究要解決的是SARS-CoV-2的感染問題，那調(diào)節(jié)了FXR是否就能降低SARS-CoV-2的感染作用呢？

作者將膽管細胞、呼吸道細胞和腸道細胞的類器官暴露于生理濃度的CDCA環(huán)境下，模擬體內(nèi)FXR正常激活環(huán)境，并使用新冠患者鼻咽拭子分離出來的SARS-CoV-2進行感染處理。
 

圖4. 各種類器官中SARS-CoV-2刺突蛋白表達情況

SARS-CoV-2在不同類器官上的免疫組化染色以及核酸表達量數(shù)據(jù)均表明，抑制FXR活性會顯著降低SARS-CoV-2病毒的感染。

5.FXR對病毒感染調(diào)節(jié)的體內(nèi)實驗

緊接著體外模型的下一步，作者在倉鼠模型中開始了體內(nèi)實驗的驗證。

圖5. FXR抑制ACE2和SARS-CoV-2體內(nèi)感染的研究

從圖5b.c可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過UDCA治療后的倉鼠鼻腔和肺組織中ACE2的表達量均顯著降低。將UDCA治療的倉鼠和對照組分別與SARS-CoV-2感染的倉鼠同籠，以評估UDCA治療對SARS-CoV-2傳染的防御作用，可以發(fā)現(xiàn)4天同籠處理之后，對照組所有6只倉鼠均罹患SARS-CoV-2（感染率100%），而UDCA治療組的9只倉鼠則有6只幸免遇難，感染率僅33%（圖5.e）。表明UDCA在體內(nèi)實驗中依然展現(xiàn)了顯著的COVID19防御力。

6.FXR調(diào)節(jié)人體器官感染
在類器官模型和動物模型上都發(fā)現(xiàn)了可喜的結(jié)果，更振奮了作者的信心，作者進一步使用體外常溫灌注(ex situ normothermic perfusion, ESNP)技術(shù)，研究肺器官在SARS-CoV-2感染下的反應(yīng)。ESNP技術(shù)簡單來說就是一套體外維生系統(tǒng)可以讓器官在體外進行保存并保持生理活性[1]。本研究中將來自同一個供體的肺左右分開，置于相同條件的ESNP下，分別給予 2000 ng/ml的UDCA（相當于患者口服多次UDCA后達到的穩(wěn)態(tài)血漿濃度）和等量的生理鹽水。
 

圖6.體外抑制FXR可降低ACE2水平和SARS-CoV-2感染
 

結(jié)果表明，UDCA處理后，能夠減低肺實質(zhì)、氣管等組織部位中ACE2的表達量，并且能夠降低SARS-CoV-2的感染。同樣的在體外肝樣本中也呈現(xiàn)了類似的結(jié)論。

7.UDCA可能會改善新冠肺炎的成果
鑒于UDCA良好的安全性，以及悠久的用藥史，作者招募了志愿者實際測試了UDCA的治療效果，志愿者進行了15mg/Kg/day的UDCA治療，并在治療前、治療期間以及治療后分別采集了志愿者的鼻黏膜上皮細胞（鼻黏膜上皮細胞是SARS-CoV-2感染的主要部位），實驗發(fā)現(xiàn)UDCA顯著降低了ACE2的轉(zhuǎn)錄水平，由下圖可以清晰看到，UDCA干預(yù)當天志愿者鼻黏膜上皮細胞的ACE2水平就開始降低，并在干預(yù)期間始終保持著較低的水平。
 

圖7. 鼻咽拭子采集的鼻上皮細胞ACE2水平的QPCR測量
 

作者通過分析COVID-Hep/SECURE肝臟登記研究數(shù)據(jù)同樣發(fā)現(xiàn)，接受了UDCA治療的患者表現(xiàn)出了更低的住院率、更低的重癥率、更低的死亡率（存在可能的數(shù)據(jù)偏差）。

小趣總結(jié)
作者從類器官、動物模型、立體人體器官、志愿者組織和人群隊列等一系列維度逐步發(fā)現(xiàn)驗證了UDCA可以通過FXR，降低ACE2表達，進而阻礙SARS-CoV-2進入人體細胞，產(chǎn)生新冠防御作用。

非常值得注意的是，本文是以類器官模型為起點一步步發(fā)現(xiàn)UDCA的治療作用，類器官技術(shù)是近年來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最具突破性的前沿技術(shù)之一，在2013年就被SCIENCE雜志評為年度十大技術(shù)。類器官(Organoids)指利用成體干細胞或多能干細胞進行體外三維（3D）培養(yǎng)而形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的組織類似物。能夠最大程度地模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)及功能并能夠長期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)。

相比傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)模型，類器官代表著一種能夠概括整個生物體生理過程的創(chuàng)新技術(shù)，具有更接近生理細胞組成和行為的優(yōu)勢。而與動物模型相比，類器官模型的操作更簡單，且在臨床疾病研究方面，患者同源的類器官能更好地用于研究疾病發(fā)生和發(fā)展等機理。

百趣生物經(jīng)過多次實驗驗證成功開發(fā)類器官代謝組學(xué)，助力疾病研究。

參考文獻：
[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.

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