空氣污染究竟是否會加重呼吸系統(tǒng)病毒感染?中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，答案是肯定的。

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員劉思金團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院微生物研究所(以下簡稱微生物所)研究員方敏等合作，發(fā)現(xiàn)大氣細(xì)顆粒物可以打破流感病毒本身在動物體內(nèi)散播的方式，像“特洛伊木馬”一樣將病毒運(yùn)送到細(xì)胞中，同時讓病毒更容易進(jìn)入肺臟深部，甚至進(jìn)入肝臟、脾臟和腎臟等肺外器官。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

“我們的研究詳細(xì)闡釋了空氣污染如何影響呼吸道感染，說明了空氣質(zhì)量管理和減少空氣污染的緊迫性。”論文共同通訊作者劉思金對《中國科學(xué)報》說。

誕生在校車上的合作

2020年9月的一天，環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任劉思金像往常一樣搭乘校車從研究所前往中國科學(xué)院大學(xué)雁棲湖校區(qū)給研究生上課。一個多小時的車程里，他喜歡和鄰座的老師、學(xué)生聊聊感興趣的研究。

這一次，劉思金遇到了方敏，交流中，他們找到了感興趣的話題——空氣污染與呼吸系統(tǒng)感染性疾病。

近年來，越來越多的研究表明，PM2.5等大氣顆粒物可以吸附攜帶多種病原微生物，但它們是否會增加人群患病的風(fēng)險以及相關(guān)機(jī)制并不清楚。

劉思金團(tuán)隊(duì)主要開展大氣細(xì)顆粒物暴露的健康危害研究，特別關(guān)注顆粒物誘發(fā)機(jī)體損傷效應(yīng)的過程和機(jī)制。而方敏團(tuán)隊(duì)主要從事病原微生物感染和免疫、病原與宿主互作的研究，在流感病毒的致病機(jī)理研究方面做了大量工作。兩個團(tuán)隊(duì)對大氣細(xì)顆粒物如何影響呼吸系統(tǒng)病毒感染這個長期未獲解答的跨學(xué)科問題十分感興趣。

兩人越聊越投機(jī)，路途中就達(dá)成了初步合作意向。

隨后，兩個團(tuán)隊(duì)合作申請了國家自然科學(xué)基金委的面上項(xiàng)目以及原創(chuàng)性探索項(xiàng)目。他們以流感病毒為對象，開始研究大氣細(xì)顆粒物和病毒感染之間的關(guān)系與機(jī)制。

“之所以選擇流感病毒，是因?yàn)樗窃斐珊粑到y(tǒng)感染的重要病原之一，并且可以在微生物所的生物安全二級實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作。我們也在小鼠流感病毒感染模型的建立方面積累了一些技術(shù)方法和實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。”論文共同通訊作者方敏對《中國科學(xué)報》說。

細(xì)顆粒化身“特洛伊木馬”

流行病學(xué)研究表明，當(dāng)空氣污染嚴(yán)重時，人類呼吸道病毒傳播似乎也會增強(qiáng)。空氣中細(xì)顆粒與病毒究竟如何協(xié)作?

合作團(tuán)隊(duì)選擇4種來源不同、組成不同的顆粒物驗(yàn)證其與病毒之間的相互作用。這包括大氣環(huán)境中采集的PM2.5、以二氧化硅為主要成分的粉塵顆粒、通過生物質(zhì)燃燒形成的生物炭顆粒以及由化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳黑顆粒。

“大氣中的病毒不是以純粹自由態(tài)存在的，它往往是有載體的。我們發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物就可以作為載體，它們像‘特洛伊木馬’一樣將病毒運(yùn)送到細(xì)胞中。”劉思金比喻說。

研究者發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物與病毒的相互作用在很大程度上依賴于其物理化學(xué)性質(zhì)。例如PM2.5比其他3種細(xì)顆粒物吸附的病毒要多得多，因?yàn)樗哂休^高的表面積和孔隙率等。生物炭的病毒載量緊隨其后。

那么，搭載在細(xì)顆粒物上的病毒是否具有感染能力呢?

研究者通過經(jīng)典的血凝素實(shí)驗(yàn)對細(xì)顆粒物與病毒的復(fù)合物進(jìn)行了檢驗(yàn)。“血凝素是流感病毒表面的一種糖蛋白，它能夠與多種禽類和哺乳動物紅細(xì)胞上的血凝素受體結(jié)合，引起紅細(xì)胞凝集。”方敏介紹，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物與病毒復(fù)合物的凝聚能力是純病毒的70%~90%，其活性在培養(yǎng)4小時后保持不變，這說明被吸附或者沉積在顆粒物上的病毒仍然具有較高的感染活性。

針對搭載“特洛伊木馬”的病毒被機(jī)體吸入后產(chǎn)生的損傷效應(yīng)，合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)所有細(xì)顆粒物都能在不同程度上增強(qiáng)病毒對細(xì)胞的感染能力并促進(jìn)病毒的出芽和釋放。更為重要的是，小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒物可以運(yùn)載病毒進(jìn)入肺臟深部，并且突破氣血屏障到達(dá)肝臟、脾臟和腎臟等肺外器官，導(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷效應(yīng)，比如全身性炎癥、局部組織損傷和體重減輕等。

“顆粒物的載體作用改變了流感病毒在呼吸道的分布，能運(yùn)載病毒到達(dá)肺外器官。因此，與單獨(dú)的病毒相比，復(fù)合體由于顆粒性質(zhì)更容易被細(xì)胞攝取，這個過程可以不依賴病毒特異性受體。另外，顆粒物可以通過脂筏促進(jìn)子代病毒出芽釋放，導(dǎo)致病毒的感染過程重排、加速。”方敏解釋說。

摸著石頭過河

《自然》對這項(xiàng)研究進(jìn)行了報道，認(rèn)為該研究“有助于解釋為什么空氣污染嚴(yán)重時流感病毒感染更加嚴(yán)重”。

“我們的研究為空氣污染對呼吸道感染的影響提供了詳細(xì)見解，表明了空氣質(zhì)量管理和進(jìn)一步減少空氣污染的緊迫性。”劉思金說。

劉思金課題組成員、論文第一作者董政告訴《中國科學(xué)報》，該研究從2020年9月開始到現(xiàn)在花費(fèi)了將近3年時間。由于研究中涉及環(huán)境化學(xué)、病毒學(xué)以及免疫學(xué)等跨學(xué)科知識和技術(shù)方法，很多實(shí)驗(yàn)思路和方法都需要“摸著石頭過河”、逐步建立。

“做研究有趣的地方在于攻克一個又一個難題后獲得的喜悅感。”董政說。

不過，研究人員表示，這項(xiàng)研究有一定的局限性，如實(shí)驗(yàn)室模擬與真實(shí)環(huán)境條件可能存在差別、實(shí)驗(yàn)動物與人體存在很大差別、單純動物實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論不能完全外推到人體等，接下來需要進(jìn)行深入探索。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adf2165