魏炜研究员/马光辉院士《自然·通讯》：鼻内面罩，保护呼吸道免受病毒气雾剂侵害！

许多传染病的传播依赖于气溶胶传播到呼吸道。在这里，中科院过程所魏炜研究员、马光辉院士和中国科学院大学王利民设计了一种鼻内面罩，由带正电荷的热敏水凝胶和具有特定病毒受体的细胞衍生的微型囊泡组成。研究表明，带正电荷的水凝胶拦截带负电荷的病毒气溶胶，而囊泡上的病毒受体则介导病毒的捕获以使其失活。研究证明，当展示匹配的病毒受体时，鼻内面罩可以保护小鼠的鼻腔和肺部免受严重急性呼吸综合征冠状病毒2或甲型流感病毒的侵害。利用人体鼻腔的计算机断层扫描图像，进一步对解剖学上精确的人体鼻腔进行计算流体动力学模拟和三维打印，将其与人体肺类器官连接起来，生成人体呼吸道模型。模拟和实验结果都支持鼻内面罩对人类的适用性，因为由不同变异株引起的病毒呼吸道感染的可能性大大降低。该研究以题为“Hydrogels with tunable mechanical plasticity regulate endothelial cell outgrowth in vasculogenesis and angiogenesis”的论文发表在《Nature Communications》上。

该研究设计了一种鼻内面罩，它由一种带正电荷的不可逆温敏水凝胶组成，并将工程细胞来源的微泡(MV)引入其中。这些MV含有已知的特定病毒受体，这些病毒在水泡表面过度表达。由此得到的“MV@GEL”可在常温下喷入鼻腔，在体温下迅速从液体状态转变为凝胶状态，有利于延长在鼻壁上的滞留时间。带正电的水凝胶可以截获存在于气流中的带负电的病毒气溶胶，而囊泡上的受体可以与从病毒气溶胶释放到MV@Gel的病毒相互作用，随后介导病毒被困以进行灭活。通过使用小鼠模型，证明了MV@GEL系统可以为鼻腔和下游肺部提供强有力的保护，防止病毒气溶胶感染。此外，还证实了MV@Gel对不同变异血清型病毒气溶胶的有效保护作用，显示了其在人类中的极大适用性。针对不同病毒突变/血清型的广泛保护、用于匹配不同类型病毒的灵活的受体工程以及翻译潜力的独特优点支持了该研究中的鼻罩作为一种有前途的防护方式来改善大流行中的公共卫生。

图1.MV@GEL作为鼻内面罩拦截病毒气溶胶和捕获病毒的示意图和实验设计

【MV的制备和表征】

受宿主细胞中受体介导的病毒感染的启发，研究使用病毒受体作为病毒诱饵，并且大多数病毒的大小范围从60纳米到140纳米，该研究设想细胞衍生的囊泡具有丰富的病毒受体和大空腔可能有利于病毒截留。由于MV中缺乏细胞器、DNA等，被包埋的病毒将无法在囊泡内复制，从而排除了感染宿主细胞的可能性。为此，该研究最初为SARS-CoV-2 (aMV)制备了展示过表达血管紧张素转换酶2 (ACE2)的MV。有了这些aMV，该研究测试了aMV是否按照设计用于与 SARS-CoV-2相互作用并捕获SARS-CoV-2，结果表明SPV和膜上ACE2之间存在有利的相互作用。随着时间的推移，SPV信号在aMV的表面和内部都很明显，暗示发生了捕获。aMV的突出性能独立于SARSCoV-2突变的独特优点。这一优点可归因于SARS-CoV-2与MV表面的ACE2 蛋白自然结合，而MV表面的ACE2蛋白不受病毒突变的影响。值得注意的是，即使将aMV在4℃下保存3个月，也没有观察到细胞保护作用的变化，表明其具有良好的长期储存稳定性。

图2. ACE2高表达的MV的制备及其对SARS-CoV-2假病毒(SPV)的捕获作用

【壳聚糖/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备】

在细胞紧密连接和细胞毒性方面，该研究选择了一种在各方面都表现出良好性能的壳聚糖凝胶配方(12 mg/ml壳聚糖，200 mg/ml β-甘油磷酸钠，GEL)。然后，将GEL与aMV混合生成aMV@GEL。

与GEL相比，aMV@GEL在多孔结构、热敏胶凝、喷雾特性等性能方面保持了许多相似的特征。此外，在经历喷雾诱导的剪切速率后，嵌入GEL中的aMV的完整性和体外抗病毒功效并未受到影响，为鼻腔喷雾后发挥包埋功能铺平了道路。

为了评估拦截病毒气溶胶的能力，该研究利用能够产生粒径分布为1-10μm的气溶胶的气溶胶发生器并设计了体外实验。结果支持了GEL和aMV@GEL的优异拦截能力。接下来，该研究测试了拦截后病毒是否可以从病毒气溶胶中释放出来。结果表明释放的SPV被aMV捕获排除体外底层宿主细胞和体内鼻腔底层上皮细胞病毒感染的可能性。

图3.壳聚糖/β-甘油磷酸钠水凝胶的表征及保护效果

【aMV@GEL的体内分布及其对SPV气溶胶的保护作用】

受到aMV@GEL在体外强大性能的鼓舞，该研究接下来进行了一系列体内实验。首先，评估了 aMV@GEL对小鼠基本呼吸功能的影响。检测到aMV@GEL给药前后呼吸频率、潮气量和通气量没有显着差异。此外，证实了多次aMV@GEL给药的安全性。值得注意的是，aMV和aMV@GEL均未进入大脑，排除了鼻内给药后aMV从嗅神经进入大脑的可能性。最后，使用转基因小鼠模型测试了体内保护性能，该模型先前已被证明在鼻腔和肺部表达人类ACE243。相比之下，GEL组中，鼻腔出现大面积感染信号，但肺部出现小面积感染信号，表明GEL可以拦截鼻腔内的病毒气溶胶，但对灭活病毒无能为力。通过将aMV和GEL结合，aMV@GEL组的鼻腔和肺部均未出现感染的GFP信号，这应归因于GEL的病毒气溶胶拦截和aMV在鼻腔内的病毒灭活。

图4.鼻内给药后aMV@GEL的分布及其对SPV气溶胶的体内保护作用

【sMV@GEL的制备及其对甲型流感的性能】

受到aMV@GEL抵御SPV及其变种的卓越能力的启发，该研究接下来探讨了这种使用鼻内面罩的通用方法是否适用于另一种气溶胶传播的病毒。该研究利用H1N1病毒作为测试平台，策略是产生MV来捕获H1N1病毒，该策略基于增强囊泡膜上的唾液酸(SA)水平。

花青3N-羟基琥珀酰亚胺酯(Cy3)缀合的黑接骨木凝集素(SNL，一种与SA特异性结合的凝集素)在ST-293T细胞而不是WT-293细胞的表面上表现出强烈的结合，证明SA在细胞膜上成功过表达。用细胞松弛素B处理细胞后，观察到细胞表面预期的MV形成，将其分离以可重复的方式生成sMV。在通过实验证实sMV可以捕获H1N1-CA07后，该研究用经典宿主细胞进行了经典噬菌斑测定。结果表明sMV@GEL对于另一种典型H1N1血清型的适用性。证明sMV在体外按照设计发挥作用后，该研究继续制备sMV@GEL并测试其体内保护性能。实验结果支持了sMV@GEL具有有效阻断病毒气溶胶宿主间传播的能力。

图5. sMV@GEL凝胶的制备及其对H1N1-CA07气溶胶的保护作用

【人体鼻腔内MV@GEL性能的预测】

该研究的体外和体内结果清楚地表明，小鼠鼻腔中存在的aMV@GEL和sMV@GEL层可以通过拦截病毒气溶胶和捕获病毒来防御SPV气溶胶或H1N1病毒气溶胶。此外，考虑到病毒气溶胶感染过程的已知物理复杂性以及小鼠和人类之间的解剖学差异，该研究进行了计算机模拟来评估MV@GEL的预期性能。在无保护的情况下，呼出的病毒气溶胶完全保留在整个鼻腔内。一个呼吸周期后，在未防护的情况下，呼出的病毒气溶胶有23.6%残留在鼻腔内，导致鼻部感染的可能性增加。更重要的是，呼出的病毒气溶胶大部分被排放到大气中，可能导致病毒气溶胶的二次传播。然而，当使用MV@GEL时，在呼吸结束时几乎没有病毒气溶胶流出到大气中。请注意，该研究将上述模拟扩展到儿童的3D数字模型，并观察到非常相似的结果，显示了保护儿童免受病毒气溶胶感染的适用性。

图6.利用计算流体力学-离散粒子模拟预测人体数字鼻腔中MV@GEL对病毒气溶胶的截留

【建立HRT综合模型并确认sMV@GEL的保护作用】

尽管该研究的模拟提供了一系列证据支持将MV@GEL材料应用于人体鼻腔以提供针对病毒气溶胶的保护的好处，但仍然想在人体相关实验中证实这一结果。为此，该研究利用3D打印技术和上述成人志愿者的CT数据，制作了一个逼真的人体鼻器作为“鼻模块”。同时，该研究还从肺癌患者的癌旁组织中制备了肺类器官作为“肺模块”，其细胞类型、细胞组织和功能与肺组织相似，可用于评估多种肺部感染情况。该模型的结果提供了强有力的人类相关证据，证明了MV@GEL可以有效防止病毒气溶胶感染。

图7. 使用人体呼吸道模型确认sMV@GEL对H1N1病毒气溶胶的保护作用

【小结】

该研究证明通过MV@GEL系统，热敏且带正电的水凝胶可以很容易地应用于鼻腔并拦截带负电的病毒气溶胶；嵌入水凝胶中的带有病毒受体的MV可以在鼻腔中保留8小时，并有效捕获从气溶胶中释放的病毒。利用小鼠模型、CFD模拟和集成HRT模型，证明了MV@GEL系统的应用大大降低了呼吸道病毒感染的可能性。这种“鼻内口罩”的概念可以满足普通人群日常生活中针对病毒气溶胶的防护要求，并且可以为一些不方便佩戴口罩的个体(例如哮喘患者)提供有效的保护。此外，针对医生和护士等高危人群，我们的鼻内面罩还可以与口罩结合使用，以进一步降低含有威胁病毒的气溶胶(例如SARS-CoV-2)的感染风险、H1N1和SARS。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44134-w