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隊與中國科學(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”一樣將病毒運送到細胞中，同時讓病毒更容易進入肺臟深部，甚至進入肝臟、脾臟和腎臟等肺外器官。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)進展》。

“我們的研究詳細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)國家重點實驗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)機制并不清楚。

劉思金團隊主要開展大氣細顆粒物暴露的健康危害研究，特別關(guān)注顆粒物誘發(fā)機體損傷效應(yīng)的過程和機制。而方敏團隊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理研究方面做了大量工作。兩個團隊對大氣細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，路途中就達成了初步合作意向。

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

“之所以選擇流感病毒，是因為它是造成呼吸系統(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驗室進行操作。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)方法和實操經(jīng)驗。”論文共同通訊作者方敏對《中國科學(xué)報》說。

細顆?；?ldquo;特洛伊木馬”

流行病學(xué)研究表明，當空氣污染嚴重時，人類呼吸道病毒傳播似乎也會增強?？諝庵屑氼w粒與病毒究竟如何協(xié)作?

合作團隊選擇4種來源不同、組成不同的顆粒物驗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)，細顆粒物就可以作為載體，它們像‘特洛伊木馬’一樣將病毒運送到細胞中。”劉思金比喻說。

研究者發(fā)現(xiàn)，細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種細顆粒物吸附的病毒要多得多，因為它具有較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)典的血凝素實驗對細顆粒物與病毒的復(fù)合物進行了檢驗。“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胞上的血凝素受體結(jié)合，引起紅細胞凝集。”方敏介紹，研究發(fā)現(xiàn)細顆粒物與病毒復(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”的病毒被機體吸入后產(chǎn)生的損傷效應(yīng)，合作團隊發(fā)現(xiàn)所有細顆粒物都能在不同程度上增強病毒對細胞的感染能力并促進病毒的出芽和釋放。更為重要的是，小鼠實驗發(fā)現(xiàn)顆粒物可以運載病毒進入肺臟深部，并且突破氣血屏障到達肝臟、脾臟和腎臟等肺外器官，導(dǎo)致更嚴重的損傷效應(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，能運載病毒到達肺外器官。因此，與單獨的病毒相比，復(fù)合體由于顆粒性質(zhì)更容易被細胞攝取，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》對這項研究進行了報道，認為該研究“有助于解釋為什么空氣污染嚴重時流感病毒感染更加嚴重”。

“我們的研究為空氣污染對呼吸道感染的影響提供了詳細見解，表明了空氣質(zhì)量管理和進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，很多實驗思路和方法都需要“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，這項研究有一定的局限性，如實驗室模擬與真實環(huán)境條件可能存在差別、實驗動物與人體存在很大差別、單純動物實驗得到的結(jié)論不能完全外推到人體等，接下來需要進行深入探索。

相關(guān)論文信息：

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