气管类器官在猪呼吸道冠状病毒感染的发病机制和天然免疫应答研究中的应用

大部分冠状病毒在体内主要感染于呼吸道或肠道并造成机体损伤，严重威胁人类和动物的健康。猪呼吸道冠状病毒（Porcine respiratory coronavirus，PRCoV）是猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）的自然性基因缺失变异株，与TGEV 基因组序列的同源性达96%，但其只对呼吸道具有嗜性，主要表现为非典型间质性肺炎或轻微的亚临床状态。因此，PRCoV是一种潜在的研究人类呼吸道冠状病毒的动物呼吸道冠状病毒模型。然而，缺乏能够模拟猪体内复杂气管上皮系统的可传代细胞模型是阻碍研究PRCoV感染发病机制的瓶颈。

近期发表于《Journal of Virology》的研究论文，报道了利用从猪气管基底干细胞培养建立的气管上皮类器官感染PRCoV。利用猪气管上皮类器官模型，证明气管类器官（Airway organoids，AOs）中的PRCoV感染强烈地诱导了早期I 型和III 型干扰素（IFN）反应，并上调了炎症基因的表达，包括模式识别受体（PRR）和促炎性细胞因子。该研究从仔猪气管上皮分离基底干细胞，建立了能够长期培养的猪三维气管上皮类器官（3DAOs），并能连续传代和冻存复苏。通过间接免疫荧光试验（IFA）和单细胞转录组测序（sc-RNA-seq）分析证实，建立的猪3DAOs 包含了气管上皮主要的3 种细胞类型：基底细胞、杯状细胞和纤毛细胞，重现了猪体内气管上皮多种细胞的复杂结构。该研究发现，三维（3D）和二维（2D）的AOs 均可以感染PRCoV。而与在AOs和肠道类器官中成功复制的TGEV 不同，PRCoV 仅在AOs 中可以更好地增殖，而不是在肠道类器官中。此外，AOs中的PRCoV感染诱导了强烈的早期I 型和III 型IFN 反应，并上调了炎症基因的表达，包括PRR和促炎细胞因子。

该研究建立了猪源气管基底上皮干细胞的长期培养的猪气管上皮类器官模型，重现了体内气管复杂的上皮细胞结构。并证实PRCoV 和TGEV 对3DAOs 和2DAOs 均易感，同时表明PRCoV 感染在AOs 中能够诱导强烈的IFN 和炎症反应，模拟了与体内PRCoV 感染相关的过程。冠状病毒受体的组织分布是冠状病毒感染发病机制的决定因素之一。PRCoV是TGEV 的天然突变体，其S 基因序列大量缺失。PRCoV 和TGEV 均利用APN 作为主要的受体进入细胞，而AOs sc-RNA-seq 结果表明，猪APN 主要在AOs 的非纤毛分泌细胞中表达，与病毒介导的3 种主要细胞类型中IFN-β 和炎性细胞因子的表达谱一致，表明PRCoV 在呼吸道上皮细胞中的细胞嗜性很大程度上取决于细胞表面APN 的丰度。同时，PRCoV 诱导显著的IFN 反应以及高IFN 敏感性可能导致PRCoV体内感染后的轻度临床症状。但是该项研究也存在着一定的局限性。其中之一，由于该系统中缺乏免疫细胞，因此无法探究气管上皮细胞和免疫细胞之间的相互作用。而通过将气管上皮类器官与从同一供体获得的免疫细胞共培养，将免疫细胞引入培养系统可能会加深对呼吸道冠状病毒感染发病机制的理解。此外，该系统不能排除研究结果中仅反映AOs的细胞组成或分化的可能性。总之，该研究建立了猪源气管上皮基底干细胞的猪3D 和2D 气管上皮类器官模型，其可以作为一种良好的PRCoV 感染模型，并为研究猪呼吸道感染提供有力的工具。