新型冠状病毒（SARS-CoV-2）感染引起的疾病（COVID-19）已对全球公共卫生构成重大威胁。值得注意的是，COVID-19患者常见肝功能异常，一项对我国1099例COVID-19患者的临床研究发现约20%的患者ALT（ alanine aminotransferase，谷丙转氨酶）和AST（aspartate aminotransferase，天门冬氨酸氨基转移酶）升高，约10%的患者TBIL（total bilirubin，总胆红素）升高，特别是重度患者肝损伤的发生率明显高于非重度患者，提示患者发生了不同程度的肝损伤【1】。然而，关于COVID-19患者肝损伤是由肝内病毒感染直接引起还是由细胞因子风暴等系统原因间接引起尚不清楚。且目前对SARS-CoV-2致病机制的研究主要依赖于生物信息学分析、临床特征分析、动物模型以及珍贵的遗体解剖报告，尚缺乏人体组织感染模型。
2020年4月17日，复旦大学赵冰、张荣、林鑫华，中国医学科学院梁俊波，合作在Protein & Cell上发表了题为Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids的研究论文【2】。该研究建立了人源类器官的SARS-CoV-2感染模型，并研究其组织损伤机制。证明SARS-CoV-2可以感染胆管上皮细胞，并下调胆管组织中细胞紧密连接及胆汁酸转运相关基因的表达，为新冠病毒细胞嗜性、致病机制研究和后续药物研发提供重要工具，并提示胆管功能紊乱可能是部分新型冠状病毒感染者肝脏损伤的直接诱因。
研究者通过单细胞表达谱测序发现长期培养的肝脏（胆管）类器官保存了新冠病毒受体ACE2和感染辅助蛋白TMPRSS2双阳性的胆管上皮细胞类群（下图），提示人肝脏胆管类器官可以模拟ACE2及TMPRSS2（2020年2月28日，德国莱布尼茨灵长类研究所团队在Cell上发表论文，在细胞水平上确认了SARS-CoV-2感染细胞的受体是ACE2，且感染过程和SARS-CoV相似，并依赖于丝氨酸蛋白酶TMPRSS2）共同介导的SARS-CoV-2感染。
对类器官的SARS-CoV-2感染实验显示，感染24小时后SARS-CoV-2核衣壳蛋白（N protein）在类器官部分胆管细胞中呈阳性，显示病毒已经成功侵染并复制，受感染的胆管细胞还会经膜融合形成合胞体（下图）。qRT-PCR分析显示感染后24小时类器官内的病毒载量显著增加，表明人胆管上皮细胞是SARS-CoV-2的易感宿主，并可支持病毒的活跃复制。虽然病毒可感染的细胞比例较低，但通过对感染前后胆管类器官的转录组分析后发现病毒感染导致三百多个基因表达水平的显著改变。GO富集分析显示感染后参与调控细胞死亡的相关基因变化明显，其中几个重要的凋亡相关基因CARD8、STK4等表达显著上调，提示感染可诱发胆管细胞凋亡。
在体内胆管的主要功能是将肝实质细胞分泌的胆汁酸转运到胆管腔内排出，胆管细胞之间的紧密连接维持了胆管上皮的屏障功能，对胆汁酸的收集和排泄至关重要。研究者发现SARS-CoV-2感染降低了类器官中Claudin1等紧密连接相关基因的表达，提示胆管细胞的屏障功能可能被破坏。更重要的是，两个主要的胆汁酸转运蛋白，顶端钠离子/胆汁酸转运体(ASBT)和囊性纤维化跨膜电导调节(CFTR)的基因表达在SARS-CoV-2感染后显著下调。这些数据支持SARS-CoV-2感染可以通过下调胆管细胞中紧密连接形成和胆汁酸运输关键基因的表达水平，损伤胆管组织屏障和胆汁酸运输功能。提出COVID-19患者肝内病毒感染诱发胆管功能紊乱和胆汁积淤，进而导致肝脏损伤的可能性。
该研究于2020年3月17日在预印本网站bioRxiv上发布，是COVID-19疫情暴发之后利用人源类器官研究SARS-CoV-2感染和致病机制的首次报道。除了肝脏之外，其他重要脏器(肺、肠和肾等)的类器官培养技术也日渐成熟，广泛利用人源类器官研究SARS-CoV-2在多脏器中的病毒嗜性、复制动态以及先天免疫应答值得期待。相比于复杂动物模型，类器官病毒感染模型进行的新型抗病毒药物药效和毒性评价将更加直接和便捷。
据悉，复旦大学生命科学学院研究员赵冰、博士后倪超和中国医学科学院基础医学研究所博士研究生高然为共同第一作者，赵冰、梁俊波、张荣、林鑫华为共同通讯作者，中国医学科学院基础医学研究所王晓月研究员和复旦大学基础医学院袁正宏教授为高级作者。本项工作依托复旦大学遗传工程国家重点实验室类器官研究中心开展，该中心现拥有GMP屏障400平方米，配备高通量类器官培养及表型分析设备，并积累了国际领先的技术实力。通过与复旦大学附属医院合作，已建立肠、肝、肺、子宫内膜等正常组织类器官和肿瘤类器官种质资源库。复旦大学新冠科研攻关团队和生物安全三级实验室为本项工作提供重要技术指导与支持。
原文链接：
http://doi.org/10.1007/s13238-020-00718-6