肠芯片可以在体外有效地研究人类肠道的冠状病毒感染和测试潜在的治疗方法

我们大多数人都熟悉COVID-19的标志性症状，如味觉或嗅觉丧失和呼吸困难，但60%的感染SARS-CoV-2的患者还报告了恶心、腹泻和胃痛等胃肠道症状。

肠道感染表达了高水平的ACE2受体蛋白(SARS-CoV-2用来进入细胞)，与更严重的COVID-19病例相关，但病毒和肠道组织之间的确切相互作用很难在人类患者中进行研究。动物模型虽然有用，但不能完全反映人体器官对病原体感染的反应。

为了解决这个问题，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一组科学家和波士顿Wyss的其他几个合作组织使用了该研究所此前开发的人类肠道芯片，在更有效地模拟人类肠道的环境中研究冠状病毒感染和潜在的治疗方法而不是在培养皿中培养的细胞。

他们用一种名为NL63的冠状病毒感染肠芯片，这种冠状病毒会导致普通感冒，像SARS-CoV-2一样，使用ACE2受体进入细胞，然后测试各种被提议用于治疗SARS-CoV-2感染的药物的效果。

科学家们发现，一种名为nafamostat的药物减少了感染，而用于治疗COVID-19患者的瑞德西韦(remdesivir)没有减少感染，实际上损害了肠道组织。这种新的临床前模型，可以用来识别药物，可以针对与普通感冒和SARS-CoV-2病毒感染相关的胃肠道症状。

有毒的治疗

“肠道芯片”和USB记忆棒差不多大，由透明、柔韧的聚合物制成，其中有两条平行通道:一条由人体血管细胞排列，另一条由人体肠道细胞排列。两个通道之间有一层可渗透膜，确保细胞可以交换分子信使，这些物质可以通过肠道进入血液，模拟消化过程。肠芯片中的组织被反复拉伸和释放，以重现胃肠道肌肉收缩引起的有节奏的运动。

除了ACE2，另一种被称为TMPRSS2的膜蛋白也被认为与冠状病毒感染有关。

研究小组将冠状病毒NL63引入肠道细胞排列的通道，观察了发生的情况。肠芯片显示出感染的迹象:肠道细胞层变得“渗漏”，因为它们之间的连接被病毒破坏了。为了治愈这种感染，研究人员将一种短效抗凝药物nafamostat注入血管细胞通道。与往常一样，nafamostat在感染24小时后显著减少了肠芯片中的病毒数量，尽管它没有恢复细胞之间连接的完整性。

该团队随后使用瑞德西韦进行了相同的实验。令他们惊讶的是，他们发现瑞德西韦并没有减少肠芯片中的病毒数量，而且它还破坏了血管通道中的细胞，导致它们几乎完全脱离通道壁。

“我们很惊讶，瑞德西韦对肠芯片中的血管组织显示出如此明显的毒性，”Wyss研究所的高级研究科学家、共同第一作者吉里贾·戈雅尔说。“瑞德西韦的临床试验此前曾报道过胃肠道症状，而这个模型现在为我们了解这些症状的潜在原因提供了一个窗口。它还可以帮助我们更好地了解其他类似药物的疗效和毒性。”

更完整的人类肠道健康图

在确定了他们的肠芯片可以成功模拟病毒、药物和肠道之间的相互作用后，团队测试了多种其他口服药物，包括托瑞米芬、奈非那韦、氯法齐明和非诺贝特，所有这些药物都被证明可以抑制SARS-CoV-2和其他病毒的体外感染。其中，只有托瑞米芬在降低NL63病毒载量方面显示出与那莫司他相似的效果。

由于免疫系统通过炎症反应与病原体和药物相互作用，研究人员随后将一种被称为外周血单个核细胞(PBMCs)的人类免疫细胞混合物引入肠芯片的血管通道来研究这一过程。他们发现，在被NL63感染的芯片中，与未感染的芯片相比，有更多的pbmc附着在血管壁上，从而导致血管细胞受损。他们还观察到NL63感染引起多种炎症细胞因子的分泌，这些细胞因子向身体发出信号，使免疫细胞聚集到感染部位。

在引入病毒和PBMCs之前用nafamostat预处理肠芯片确实减少了一些细胞因子的分泌，但它没有减轻血管损伤，也没有完全抑制炎症反应。然而，Nafamostat预处理确实增加了一种名为Lipocalin-2的抗菌蛋白的产生，这意味着这种类型的蛋白可能在细胞对冠状病毒感染的反应中发挥作用。