研究人員正在實驗室中培育微型器官，以研究新型冠狀病毒如何蹂躪身體。在這些類器官中進行的研究揭示了該病毒在侵入器官方面的多功能性，從肺部到肝臟、腎臟和腸道。研究人員還在這些微型組織中試驗藥物，以觀察這些療法是否可能成為治療人類的候選藥物。
醫生從住院患者和屍檢中瞭解到，SARS-CoV-2 會對器官產生破壞性影響。但尚不清楚其中一些損害是直接由病毒引起的，還是由感染的繼發性併發症引起的。多個研究小組正在使用類器官研究來顯示病毒在體內傳播的位置、感染的細胞以及造成的損害。
德國美因茨約翰內斯·古騰堡大學的細胞生物學家托馬斯·埃弗特說：“類器官的優點在於它們類似於組織的真實形態。”
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病毒學家通常使用細胞系或在培養皿中培養的動物細胞來研究病毒。但研究人員表示，這些方法不能很好地模擬 SARS-CoV-2 感染，因為它們不能模仿體內發生的情況。
西班牙巴塞羅那加泰羅尼亞生物工程研究所的幹細胞生物學家努里亞·蒙特塞拉特說，類器官更好地展示了 SARS-CoV-2 對人體組織的作用。蒙特塞拉特說，它們可以生長到包含多種細胞型別，並在數週內呈現原始器官的形狀。它們也比動物模型便宜，並且避免了 它們引起的倫理問題。
但荷蘭鹿特丹伊拉斯姆斯醫療中心的病毒學家巴特·哈格曼斯說，在類器官中研究 SARS-CoV-2 具有侷限性，因為它們不能反映體內器官之間發生的串擾，這意味著研究結果仍需要在動物模型和臨床研究中得到驗證。
吸入
來自類器官的關鍵見解之一是 SARS-CoV-2 對呼吸系統細胞的作用，從上呼吸道到肺部。
日本京都大學的幹細胞生物學家高山和雄及其同事開發了支氣管類器官，該類器官具有四種不同的細胞型別，由來自支氣管外層或上皮的冷凍細胞製成。當他的團隊用 SARS-CoV-2 感染類器官時，他們發現該病毒主要針對上皮中補充細胞的幹細胞，即基底細胞，但不容易進入保護性分泌性“棒狀細胞”。該團隊已在 bioRxiv 上釋出了他們的工作，現在計劃研究病毒是否可以從基底細胞傳播到其他細胞。
病毒可以從上呼吸道進入肺部並導致呼吸衰竭，這是 COVID-19 的嚴重併發症。紐約市威爾康奈爾醫學院的幹細胞生物學家陳水冰使用培養皿中的微型肺部，表明一些細胞在感染後會死亡，並且該病毒會誘導產生稱為趨化因子和細胞因子的蛋白質，從而引發大規模免疫反應。許多患有嚴重 COVID-19 的人會出現一種稱為細胞因子風暴的免疫反應，這種反應 可能是致命的。
但同樣在 bioRxiv 上釋出了她的研究結果的陳水冰表示，肺細胞在患者體內死亡的原因仍然是個謎——無論是病毒造成的損害、自我誘導的破壞，還是被免疫細胞吞噬。陳水冰說：“我們知道細胞會死亡，但我們不知道是如何死亡的。”她建立類器官的方法與高山的方法不同。她沒有使用成人細胞來建立類器官，而是使用了可以發育成體內任何細胞型別的多能幹細胞。陳水冰說，以這種方式生長的類器官可以包含更多細胞型別，但最終結果不太成熟，因此可能無法代表成人組織。她現在正在培養帶有免疫細胞的肺類器官。
血液湧入
SARS-CoV-2 可以從肺部擴散到其他器官，但在蒙特塞拉特及其同事於 5 月在《細胞》雜誌上發表一項研究之前，研究人員不確定病毒究竟是如何傳播的。在類器官（也由多能幹細胞製成）的實驗中，他們表明 SARS-CoV-2 可以感染內皮細胞（血管內壁細胞），從而使病毒顆粒洩漏到血液中並在全身迴圈。加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學的基因工程師、該研究的共同主要作者約瑟夫·彭寧格說，COVID-19 患者血管受損的病理報告也支援這一假設。
彭寧格和蒙特塞拉特說，類器官研究表明，一旦進入血液，病毒可以直接感染包括腎臟在內的多個器官。儘管病毒感染了腎臟類器官，並且一些細胞死亡，但研究人員不確定這是否是某些患者觀察到的腎功能障礙的直接原因。
另一項關於肝臟類器官的研究發現，該病毒可以感染並殺死有助於膽汁產生的細胞，即膽管細胞。中國上海復旦大學的細胞生物學家趙冰說，許多研究人員認為，在 COVID-19 患者中看到的肝損傷是由過度活躍的免疫反應或藥物副作用引起的。他的研究結果發表在《蛋白質與細胞》雜誌上。趙冰說，他的工作“表明該病毒可以直接攻擊肝組織，從而導致肝損傷”。
根據一項使用腸道類器官進行的《科學》雜誌研究，該病毒還可以在排列在小腸和大腸中的細胞（稱為腸細胞）中複製。
開發了腸道類器官的哈格曼斯說，儘管這些發現具有啟發意義，但使用類器官研究病毒與宿主之間的相互作用仍處於起步階段。他說：“現在說它們有多重要還為時過早。”研究人員表示，需要更復雜的類器官系統來更好地瞭解病毒如何與人體的免疫系統相互作用以造成損害。
彭寧格說：“我們現在相當確信，引起 COVID-19 的病毒可以感染肺部以外的組織，並對疾病產生重大影響。”但他表示，更嚴重的後果，如腎臟和心臟損傷，可能是病毒感染和過度免疫反應共同作用的結果。
藥物測試平臺
科學家們還在研究是否可以使用類器官來模擬藥物在體內的反應。他們希望類器官可以用於測試潛在的 COVID-19 療法，其中一些療法已經在沒有在細胞和動物模型中進行廣泛測試的情況下匆忙進入臨床試驗。
陳水冰說：“臨床試驗是根據先前對其他冠狀病毒的瞭解而設計的，並且在沒有在模型系統中進行仔細評估的情況下啟動的。”“結果，其中許多都失敗了。”
陳水冰篩選了美國食品和藥物管理局批准用於治療其他疾病的約 1200 種藥物，發現癌症藥物伊馬替尼可以抑制肺類器官中的 SARS-CoV-2。此後，已啟動了幾項該藥物作為 COVID-19 治療方法的人體臨床試驗。
其他研究小組也在類器官中測試現有藥物對冠狀病毒的療效，並取得了一些成功。哈格曼斯說：“我們只有在這個過程結束時才能知道這些系統在測試藥物療效方面的預測價值。”“這是一個長期過程。”
本文經許可轉載，並於 2020 年 6 月 22 日首次發表。