作者:姚易琪 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/3/23 10:24:22
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蝙蝠研究渐成潮流:能否帮助阻止大流行病?

 

流行病毒的传播让蝙蝠研究愈发“炙热”。

当地时间3月21日,《自然》(Nature)杂志以新闻特写的形式,发布题为“Bats play host to a horde of nasty viruses — can studying their immunity help stop pandemics?”(《蝙蝠是大量危险的病毒的宿主——研究它们的免疫力能否帮助阻止大流行病?》)的文章称,研究人员正在研究蝙蝠奇怪的免疫系统,希望有助于防止流行病毒的下一次暴发。

美国科罗拉多州立大学(Colorado State University)免疫学家Tony Schountz也表示:“在未来两三年内,蝙蝠病毒学和蝙蝠免疫学将取得一些巨大的进步。”

美国杜兰大学(Tulane University)的进化生态学家Hannah Frank说,很多科学家对此领域产生大量兴趣,“我对我们的现状感到非常兴奋”,但研究人员对蝙蝠跨物种免疫反应的研究越多,他们目前的结论就越模糊。“我们也将意识到这个问题有多复杂。”

进入蝙蝠洞

“这可能是我一生中最漫长的日子之一。”2020年5月的一个夜晚,西班牙国家研究委员会(CSIC)进化生物学博士Javier Juste来到西班牙的一座废弃水坝,他蹑手蹑脚地走进大坝的混凝土隧道,从它们的栖息地收集了两只中华菊头蝠(horseshoe bats)。

随后,他带着两只蝙蝠在荒芜的高速公路上疾驰,第二天一早就到达了马德里机场,在联邦快递仓库外,他和同事给两只蝙蝠实施安乐死,将其骨骼和器官切片,并挤压到六个标本管中,又将管子放在冷藏箱中以保持细胞存活。“这可能是我一生中最漫长的日子之一。”Javier Just说,他花了几个月的时间才获得这趟旅行的许可。

大约26小时后,样本到达美国西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine at Mount Sinai)细胞生物学家Thomas Zwaka的实验室。包裹的情况不妙,许多细胞已经死亡。以前从未处理过蝙蝠组织的Zwaka急忙从蝙蝠标本翼骨中提取骨髓,并从透明的橡胶翅膀上切下方形的皮肤组织。

2020年前后,新冠的大流行引发科学家对各种可能携带病毒动物的试验。然而,携带冠状病毒的蝙蝠在北美并不常见,但它们遍布欧洲。因此,在西班牙某生物站工作的Javier Juste决定将蝙蝠从西班牙的一个蝙蝠栖息地送到纽约市——当时世界上最严格的封控地之一,也是国际航班大规模停飞的地方。

借助这些标本,Zwaka团队提取出了诱导性多能干细胞(iPS cells),Zwaka说,这些细胞带领他的团队“进入了相当大的兔子洞”。此前已有相关研究借助诱导性多能干细胞,揭示了一些关于蝙蝠和病毒进化的密切联系。Zwaka与同事一起对这些细胞表达的RNA(核糖核酸)进行测序,发现了大量基本上是病毒片段的部分,其中许多片段是初代冠状病毒基因组。

研究人员还发现,蝙蝠的诱导性多能干细胞中的病毒基因表达比蝙蝠皮肤细胞、小鼠和人类多能细胞中的病毒基因表达更高且更多样化。更重要的是,蝙蝠的诱导性多能干细胞实际上利用病毒片段,制造了看起来像病毒的颗粒。

“结果意义非凡。”Zwaka说。当你制造蝙蝠干细胞时,你基本上“唤醒了你在基因组中发现的所有病毒化石”。这些细胞似乎系统地吸收了基因组中的病毒信息,“几乎像海绵一样”,然后表达出来。“这使得这些蝙蝠干细胞成为有利于病毒生长的环境。”Zwaka说。但蝙蝠与病毒共存的机制尚不清楚。“一种可能性是,基因插入物以某种方式保护蝙蝠免受病毒侵害,就像疫苗一样。”Zwaka表示。

研究人员计划一方面使用这些干细胞来生成肺、肠道和血液组织,另一方面,让这些病毒感染细胞。Zwaka希望利用这种组织更好地了解蝙蝠的免疫力,并最终“为人类健康制定策略”。团队其他人员正在研究通过蝙蝠干细胞开发的蝙蝠类器官,来回答类似的问题。

凉爽的基地

在地球另一处,蝙蝠研究也正开展。

两只圆溜溜、光滑的黑眼睛,细小的尖耳朵一动一动,毛茸茸的鼻子不时地皱皱,这是一只年轻的雄性长舌果蝠(Eonycteris spelaea),它扭动着,尖叫着,偶尔伸出粉红色的长舌头舔舐甜甜的饮料。

此雄性长舌果蝠属于新加坡一个研究性繁殖基地,这是亚洲第一个研究蝙蝠的繁殖基地,约饲养着140只长舌果蝠。它由杜克-新加坡国立大学医学院(Duke-NUS Medical School)的病毒学家王林发建立,旨在为研究蝙蝠生物学创造一个受控的环境。

“蝙蝠已经成为一个热门话题,”王林发说。对于花了几十年时间研究蝙蝠和传染病的王林发来说,研究蝙蝠让他产生更多思考。例如,构成蝙蝠免疫系统的细胞特征是什么,以及它们对感染的反应如何。现在蝙蝠正在繁殖,团队的研究可以更容易地重复。王林发团队与世界各地的十几个团队共享着这个蝙蝠基地。

长舌果蝠是一种宝贵的资源,研究人员小心谨慎地照料着它们。蝙蝠喜欢以25左右的数量群居在凉爽的黑暗处,它们喜欢新鲜切碎的甜瓜、木瓜和芒果、奶粉和香甜的花蜜状液体。对此,研究人员调整了蝙蝠的饮食和环境,在每个笼子的顶部都挂着一个装有“美食”粗麻布袋。在今年(2023年)晚些时候,当蝙蝠群搬到一个更大的笼子后,基地工作人员Randy Foo计划进一步引入更丰富的设备。

“基地给了我们想要的一切。”王林发说。他的办公室里摆满了多年来收集的纪念品——一个“蝙蝠侠”钥匙扣、一个蝙蝠印花的杯子、树脂包裹的蝙蝠标本、蝙蝠的框架图画。

2022年11月,王林发的团队首次发表了蝙蝠单细胞测序的结果。研究人员用蝙蝠呼肠孤病毒(Pteropine orthoreovirus)感染了长舌果蝠,这是一种在长舌果蝠中常见的病毒。在蝙蝠的肺细胞中,研究人员发现了许多熟悉的免疫细胞指纹,比如T细胞,以及一些不熟悉的细胞。

在研究基地,科学家们还研究了蝙蝠的基因组和动物宿主病毒的多样性。他们还利用蝙蝠的细胞开发了气道类器官——由干细胞组成的微型器官。目前相关实验集中在蝙蝠对感染的反应,它们的衰老过程以及它们在飞行过程中非常活跃的新陈代谢。

蝙蝠细胞和基因组

蝙蝠是“超级酷的动物”,Zwaka说。它们是唯一进化出飞行的哺乳动物,它们利用声波在黑暗中定位物体,它们体型很小,但寿命特别长,癌症发病率很低。

不过近几十年来,蝙蝠成为人们关注的焦点是因为它们能够携带丰富的病毒。某些蝙蝠,尤其是中华菊头蝠,可以容纳异常多样的冠状病毒,其中包括与新型冠状病毒密切相关的冠状病毒。一些蝙蝠物种还携带狂犬病、埃博拉等病毒。可以说,蝙蝠基因组中布满了病毒残留物。

是什么让它们能够忍受病毒而不出现感染迹象?

杜克-新加坡国立大学医学院传染病学专家Aaron T. Irving团队的相关研究表明,一些蝙蝠物种对入侵者设立了强大的第一道防线:即使没有外来威胁,它们也保持高水平的干扰素,这些干扰素会发出警报并坚持对抗病毒,比如迅速抑制病毒复制,使其失效。此外,蝙蝠还具有延伸的编码蛋白质的基因库,这些蛋白质会干扰病毒复制,或阻止病毒离开细胞,以便对病毒进行“围剿”。因为蝙蝠的细胞配备了一个有效系统来处理已被侵染的细胞成分,称为“自噬”,这种现象已被证明有助于清除人类细胞中的病毒。

此外,当病原体入侵时,蝙蝠通常不会产生过度的炎症反应,因为蝙蝠有几种方法来驯服炎症反应,例如抑制被称为炎症体的大分子蛋白的活性。Aaron T. Irving说,蝙蝠没有花费大量的精力来完全摆脱病毒,似乎容忍了病毒低水平的存在。“在蝙蝠和它们寄生的病原体之间有一种‘和平条’’。”澳大利亚伯内特研究所(Burnet Institute)的病毒学家 Joshua Hayward说。

现在,曾经的研究人员和该领域的新来者都将目光从研究蝙蝠迅速和无差别防御的先天免疫反应,转向其较慢的、更有针对性的适应性反应。“这种反应保留了关于病原体的信息,当它再次遇到它的敌人时就会立即行动。适应性免疫被限制在几个特定的细胞类型中,相较先天免疫反应,适应性免疫反应研究起来很麻烦。”Hannah Frank说。

除了细胞,对细胞生物学家来说,还有更重要的研究资源——基因组。在2020年之前,大约有十几个蝙蝠基因组研究,质量参差不齐。那一年,爱尔兰都柏林大学(University College Dublin)蝙蝠生物学家Emma Teeling和她的同事描述了第一个来自六种蝙蝠的高质量基因组,每个基因组都属于不同的蝙蝠,并且每个都清楚地标记了其蛋白质编码基因。

该项目是名为Bat1K的全球基因组联盟的一部分,Emma Teeling是创始人之一。该项目旨在为每个蝙蝠物种创建高质量的基因组。Teeling说,自新冠大流行以来,大家对蝙蝠的研究兴趣和投资资金激增,到目前为止,她们已经对大约80个蝙蝠基因组进行了测序。

高质量基因组的研究意义在于其可用性改变了蝙蝠免疫学领域。它促进了对RNA分子和蛋白质的大规模研究,并提供了一种对免疫细胞进行分类的方法,在某种程度上克服了蝙蝠缺乏单克隆抗体的困难。基因组将成为“许多研究的基础”,德国柏林夏里特医院(Charité – Universit?tsmedizin Berlin)的病毒学家Marcel Müller说。

也有其他科学家正在使用RNA测序来比较蝙蝠和人类细胞。例如,法国巴斯德研究所(Institute Pasteur)的病毒学家Nolwenn Jouvenet正在将这种技术与CRISPR基因编辑相结合,并利用不同种类蝙蝠的细胞系,研究蝙蝠细胞和人类细胞天然免疫反应的差异。Jouvenet希望最终能确定负责控制病毒复制的基因。

除了蝙蝠自身系统,环境也会影响病毒传播。澳大利亚新南威尔士大学(The University of New South Wales)的生物与环境学家Peggy Eby还在研究蝙蝠的免疫反应与其生态之间的联系,以更好地了解它们何时何地传播病毒,以及传播给其他动物的风险。此研究聚焦于解释环境因素对蝙蝠的影响,以及这是否会增加病毒传染的风险。

有限的工具

蝙蝠研究不断展开,但阻碍也显而易见。比如,研究人员可用的工具非常有限。

新加坡研究基地的建立和维护成本很高,与标准实验室小鼠相比,蝙蝠的怀孕时间更长,幼崽更少。且在超过1450种蝙蝠中,只有少数几种会在世界各地的研究基地繁殖,包括新加坡的长舌果蝠(Eonycteris spelaea)、美国的牙买加果蝠(Artibeus jamaicensis)、德国的埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus)和加拿大的大棕蝠(Eptesicus fuscus),但没有一个基地以冠状病毒宿主的菊头蝠属(Rhinolophus)为主。“人们尝试过但失败了。”可能是因为研究人员对它们的栖息偏好不够了解。Aaron T. Irving说。

如果诱捕野生蝙蝠呢?那会存在后续挑战,因为蝙蝠细胞很难在细胞培养皿中繁殖。

如果使用用于其他实验动物的工具包呢?蝙蝠缺乏单克隆抗体,而免疫学家正是用它来标记免疫细胞和蛋白质的,研究小鼠和人体组织的免疫学家已经“完全被这些工具宠坏了”,Thomas Zwaka说。

缺乏工具意味着研究人员仍然没有清楚地了解“蝙蝠免疫系统的基本结构”,中国科学院武汉病毒研究所研究员周鹏说。

但是,老牌研究人员多年的工作和新来者的涌入正促使新工具产生,包括高质量的基因组和实验室制造的蝙蝠组织。未来十年将看到一些令人兴奋的见解,Emma Teeling说,“出现新发现的唯一原因就是产生了新一代工具。”

最新的研究也正在填补蝙蝠免疫反应生物学机制的细节,比如鉴定蝙蝠可能独有的细胞类型。研究人员还在揭示蝙蝠耐受病毒感染的各种方式,这可以帮助确定是否存在“一种适用于所有蝙蝠和所有病毒的全球机制”,美国蒙大拿州立大学(Montana State University)的粘膜免疫学家Diane Bimczok说,他已经加入了蝙蝠研究的潮流。

Hannah Frank说,很多科学家都对此领域产生了大量兴趣,她从美国国立卫生研究院(NIH)获得了研究蝙蝠免疫学的资助。“我对我们的现状感到非常兴奋,”Frank说。不过她同时强调,研究人员对蝙蝠跨物种免疫反应的研究越多,他们目前的结论就越模糊,“我们也将意识到这个问题有多复杂。”

参考文献:

1 https://www.nature.com/articles/d41586-023-00791-x

2 https://www.nature.com/articles/s41586-020-03128-0

3 https://www.mdpi.com/1999-4915/10/4/185

4 https://www.nature.com/articles/s41586-020-03128-0

5 https://www.nature.com/articles/s41586-022-05506-2

6 https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2557682/v1 

7 https://doi.org/10.1101/2023.02.13.528205 

8 https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(22)00549-0?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1074761322005490%3Fshowall%3Dtrue

9 https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00041-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867423000417%3Fshowall%3Dtrue

 
 
 
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