空气污染化身“特洛伊木马”

空气污染究竟是否会加重呼吸系统病毒感染?中国科学家发现，答案是肯定的。

中国科学院生态环境研究中心研究员刘思金团队与中国科学院微生物研究所(以下简称微生物所)研究员方敏等合作，发现大气细颗粒物可以打破流感病毒本身在动物体内散播的方式，像“特洛伊木马”一样将病毒运送到细胞中，同时让病毒更容易进入肺脏深部，甚至进入肝脏、脾脏和肾脏等肺外器官。相关研究近日发表于《科学进展》。

“我们的研究详细阐释了空气污染如何影响呼吸道感染，说明了空气质量管理和减少空气污染的紧迫性。”论文共同通讯作者刘思金对《中国科学报》说。

诞生在校车上的合作

2020年9月的一天，环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任刘思金像往常一样搭乘校车从研究所前往中国科学院大学雁栖湖校区给研究生上课。一个多小时的车程里，他喜欢和邻座的老师、学生聊聊感兴趣的研究。

这一次，刘思金遇到了方敏，交流中，他们找到了感兴趣的话题——空气污染与呼吸系统感染性疾病。

近年来，越来越多的研究表明，PM2.5等大气颗粒物可以吸附携带多种病原微生物，但它们是否会增加人群患病的风险以及相关机制并不清楚。

刘思金团队主要开展大气细颗粒物暴露的健康危害研究，特别关注颗粒物诱发机体损伤效应的过程和机制。而方敏团队主要从事病原微生物感染和免疫、病原与宿主互作的研究，在流感病毒的致病机理研究方面做了大量工作。两个团队对大气细颗粒物如何影响呼吸系统病毒感染这个长期未获解答的跨学科问题十分感兴趣。

两人越聊越投机，路途中就达成了初步合作意向。

随后，两个团队合作申请了国家自然科学基金委的面上项目以及原创性探索项目。他们以流感病毒为对象，开始研究大气细颗粒物和病毒感染之间的关系与机制。

“之所以选择流感病毒，是因为它是造成呼吸系统感染的重要病原之一，并且可以在微生物所的生物安全二级实验室进行操作。我们也在小鼠流感病毒感染模型的建立方面积累了一些技术方法和实操经验。”论文共同通讯作者方敏对《中国科学报》说。

细颗粒化身“特洛伊木马”

流行病学研究表明，当空气污染严重时，人类呼吸道病毒传播似乎也会增强。空气中细颗粒与病毒究竟如何协作?

合作团队选择4种来源不同、组成不同的颗粒物验证其与病毒之间的相互作用。这包括大气环境中采集的PM2.5、以二氧化硅为主要成分的粉尘颗粒、通过生物质燃烧形成的生物炭颗粒以及由化石燃料燃烧产生的碳黑颗粒。

“大气中的病毒不是以纯粹自由态存在的，它往往是有载体的。我们发现，细颗粒物就可以作为载体，它们像‘特洛伊木马’一样将病毒运送到细胞中。”刘思金比喻说。

研究者发现，细颗粒物与病毒的相互作用在很大程度上依赖于其物理化学性质。例如PM2.5比其他3种细颗粒物吸附的病毒要多得多，因为它具有较高的表面积和孔隙率等。生物炭的病毒载量紧随其后。

那么，搭载在细颗粒物上的病毒是否具有感染能力呢?

研究者通过经典的血凝素实验对细颗粒物与病毒的复合物进行了检验。“血凝素是流感病毒表面的一种糖蛋白，它能够与多种禽类和哺乳动物红细胞上的血凝素受体结合，引起红细胞凝集。”方敏介绍，研究发现细颗粒物与病毒复合物的凝聚能力是纯病毒的70%~90%，其活性在培养4小时后保持不变，这说明被吸附或者沉积在颗粒物上的病毒仍然具有较高的感染活性。

针对搭载“特洛伊木马”的病毒被机体吸入后产生的损伤效应，合作团队发现所有细颗粒物都能在不同程度上增强病毒对细胞的感染能力并促进病毒的出芽和释放。更为重要的是，小鼠实验发现颗粒物可以运载病毒进入肺脏深部，并且突破气血屏障到达肝脏、脾脏和肾脏等肺外器官，导致更严重的损伤效应，比如全身性炎症、局部组织损伤和体重减轻等。

“颗粒物的载体作用改变了流感病毒在呼吸道的分布，能运载病毒到达肺外器官。因此，与单独的病毒相比，复合体由于颗粒性质更容易被细胞摄取，这个过程可以不依赖病毒特异性受体。另外，颗粒物可以通过脂筏促进子代病毒出芽释放，导致病毒的感染过程重排、加速。”方敏解释说。

摸着石头过河

《自然》对这项研究进行了报道，认为该研究“有助于解释为什么空气污染严重时流感病毒感染更加严重”。

“我们的研究为空气污染对呼吸道感染的影响提供了详细见解，表明了空气质量管理和进一步减少空气污染的紧迫性。”刘思金说。

刘思金课题组成员、论文第一作者董政告诉《中国科学报》，该研究从2020年9月开始到现在花费了将近3年时间。由于研究中涉及环境化学、病毒学以及免疫学等跨学科知识和技术方法，很多实验思路和方法都需要“摸着石头过河”、逐步建立。

“做研究有趣的地方在于攻克一个又一个难题后获得的喜悦感。”董政说。

不过，研究人员表示，这项研究有一定的局限性，如实验室模拟与真实环境条件可能存在差别、实验动物与人体存在很大差别、单纯动物实验得到的结论不能完全外推到人体等，接下来需要进行深入探索。

相关论文信息：

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