HCoV-OC43 感染人类脑类器官的致病机制及治疗干预研究

新冠疫情后，冠状病毒引发的神经系统症状(如脑炎、脑雾)日益受到关注，但季节性冠状病毒(如 HCoV-OC43)对中枢神经系统(CNS)的感染特征和致病机制尚不明确，且缺乏针对性治疗药物。传统 2D 细胞培养和动物模型存在组织复杂性不足、物种差异大等局限，而人类脑类器官能复刻人脑发育特征和细胞异质性，为研究病毒神经嗜性提供了理想的体外模型。因此，建立 HCoV-OC43 感染的脑类器官模型，解析其致病机制并筛选有效药物，对防控冠状病毒神经并发症具有重要意义。

来自中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所的团队在《Journal of Biomedical Science》上发表了题为Human coronavirus OC43 infection in human cerebral organoids: novel insights on pathogenesis and potential therapeutic interventions的研究，利用人诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的人类脑类器官(HCOs)及血脑屏障(BBB)共培养模型，揭示 HCoV-OC43 主要靶向神经元和星形胶质细胞高效复制，通过 TNF 和 NF-κB 通路引发炎症与细胞死亡，破坏 BBB 功能;瑞德西韦(Remdesivir)和巴多索隆甲基(CDDO-Me)展现显著抗病毒及抗炎效果，为冠状病毒神经并发症提供致病机制参考和治疗候选。

实验方法

人类脑类器官(HCOs)制备：hiPSC 在 Vitronectin XF 包被的培养皿中扩增，经 STEMdiff 培养基诱导分化，第 5 天形成类胚体，第 7 天包埋于 Matrigel，持续培养 45 天至成熟，其包含神经元、星形胶质细胞等多种神经细胞类型。

病毒感染与复制检测：将 45 天龄 HCOs 分别感染 HCoV-OC43、HCoV-NL63 等 4 种季节性冠状病毒及寨卡病毒(ZIKV，阳性对照)，感染剂量为 100 TCID₅₀，培养后通过 RT-qPCR 检测病毒核酸、TCID₅₀测定病毒滴度，结合免疫荧光和透射电镜验证病毒感染与复制。

致病机制探究：通过 RNA 测序分析感染后 1、4、14 天 HCOs 的差异表达基因(DEGs)，富集 KEGG 通路;采用 RT-qPCR 检测炎症因子(TNF-α、IL-6 等)和凋亡相关基因(Caspase3、Fas 等)表达，TUNEL 染色检测细胞死亡。

药物筛选与评估：选取瑞德西韦(抗病毒)、CDDO-Me(抗炎，NRF2 激动剂)、NEC-1(坏死抑制剂)，设置不同浓度梯度处理感染后的 HCOs，检测病毒复制水平、炎症因子表达及细胞存活情况，验证药物效果。

BBB-HCOs 共培养模型建立与检测：将人脑微血管内皮细胞(HBEC)、星形胶质细胞和周细胞接种于 Transwell 构建 BBB 模型，与 HCOs 共培养;病毒分别从顶端(HBEC 侧)和基底(HCOs 侧)感染，通过 TEER 测定、FITC - 葡聚糖通透性检测、免疫荧光(Claudin-5)评估 BBB 完整性。

关键结果

图 1 HCoV-OC43 可在人类脑类器官中高效感染并复制

该图展示了 HCoV-OC43 的感染复制特征：(A)实验设计示意图;(B-C)感染后培养上清中，仅 HCoV-OC43 核酸拷贝数和病毒滴度随时间显著升高，第 5 天达峰值，其他季节性冠状病毒无明显复制;(D)HCOs 内 HCoV-OC43 核酸在 1、4、14 天持续增加;(E-F)免疫荧光检测到 HCoV-OC43 NP 蛋白表达，透射电镜观察到病毒颗粒和包涵体。结果证实，在测试的季节性冠状病毒中，HCoV-OC43 是唯一能在 HCOs 中高效复制的毒株。

图 2 HCoV-OC43 主要靶向人类脑类器官中的神经元和星形胶质细胞

该图明确了病毒的靶细胞类型：(A)免疫荧光显示，未成熟神经元标志物 TUJ1 阳性细胞与 NP 蛋白共定位;(B)成熟神经元标志物 MAP2 阳性细胞同样检测到 NP 蛋白，且病毒核衣壳蛋白沿神经元轴突分布，感染神经元的微管蛋白呈不连续点状分布;(C)星形胶质细胞标志物 GFAP 阳性细胞与 NP 蛋白共定位;(补充图 2)未观察到病毒与放射状胶质细胞标志物 SOX2 共定位。结果表明，HCoV-OC43 主要感染神经元(成熟 / 未成熟)和星形胶质细胞，且不形成合胞体。

图 3 HCoV-OC43 感染通过 TNF 和 NF-κB 通路引发转录组失调

该图通过 RNA 测序解析分子机制：(A)实验流程示意图;(B-C)感染后 DEGs 数量随时间增加，1、4、14 天分别为 572、6977、7422 个，其中 524 个为共有 DEGs;(D-E)上调 DEGs 富集于抗病毒反应、细胞死亡相关基因(如 IFITM10、ATG14)，下调 DEGs 富集于神经元功能、突触信号相关基因(如 DBX1、ICSF21);(F-G)KEGG 通路富集显示，TNF、NF-κB 等炎症通路显著激活，GABA 能突触、钙信号通路显著下调。结果揭示，HCoV-OC43 感染通过激活炎症通路、抑制神经功能相关通路导致脑类器官损伤。

图 4 HCoV-OC43 感染引发炎症反应和细胞凋亡

该图验证了感染后的病理损伤：(A)RT-qPCR 显示，感染后 TNF-α、IL-1β、IL-6 等炎症因子 mRNA 表达显著升高;(B)TUNEL 染色显示，感染后细胞死亡数量大幅增加，且未感染 NP 蛋白的细胞也出现死亡，提示存在非细胞自主性旁观者效应;(C)凋亡相关基因 Caspase3、Fas、Apaf1 mRNA 表达显著上调。结果证实，HCoV-OC43 感染可诱导 HCOs 产生强烈炎症反应和细胞凋亡。

图 5 瑞德西韦和 CDDO-Me 有效抑制 HCoV-OC43 在脑类器官中的复制

该图评估了药物的抗病毒效果：(A)药物实验设计示意图;(B)LDH 检测显示，测试浓度下药物对 HCOs 无细胞毒性;(C-E)RT-qPCR 和 TCID₅₀测定显示，瑞德西韦(剂量依赖性)和 CDDO-Me 单独或联合使用，均能显著降低培养上清和 HCOs 内的病毒核酸水平及病毒滴度，NEC-1 无抗病毒作用;(F)免疫荧光显示，两种药物处理后 NP 蛋白表达显著减弱。结果表明，瑞德西韦和 CDDO-Me 对 HCoV-OC43 具有显著抗病毒活性。

图 6 瑞德西韦和 CDDO-Me 减轻 HCoV-OC43 诱导的炎症和细胞凋亡

该图评估了药物的抗炎和抗凋亡效果：(A)RT-qPCR 显示，瑞德西韦和 CDDO-Me 处理后，TNF-α、IL-6 等炎症因子 mRNA 表达显著降低，NEC-1 无明显作用;(B)TUNEL 染色显示，两种药物处理后细胞死亡数量显著减少;(C)凋亡相关基因 Caspase3、Fas、Apaf1 mRNA 表达显著下调。结果证实，瑞德西韦和 CDDO-Me 能有效抑制病毒诱导的炎症反应和细胞凋亡。

图 7 HCoV-OC43 感染破坏血脑屏障(BBB)功能

该图揭示了病毒对 BBB 的影响：(A)BBB-HCOs 共培养模型感染示意图;(B)TEER 测定显示，病毒从顶端或基底感染后，BBB 的电阻值均显著下降;(C)FITC - 葡聚糖通透性检测显示，感染后 BBB 通透性升高，顶端感染组更显著;(D)病毒核酸检测显示，顶端感染组可在基底培养基中检测到病毒，基底感染组可在顶端培养基中检测到病毒;(E-F)透射电镜显示 BBB 细胞出现空泡样损伤，免疫荧光显示紧密连接蛋白 Claudin-5 表达紊乱。结果表明，HCoV-OC43 可感染 BBB 细胞，破坏其紧密连接，导致屏障功能受损。

全文总结

本文首次利用人类脑类器官和 BBB 共培养模型，系统解析了季节性冠状病毒 HCoV-OC43 的神经致病机制：该病毒可高效感染神经元和星形胶质细胞并复制，通过激活 TNF 和 NF-κB 信号通路引发强烈炎症反应，诱导细胞凋亡和神经功能损伤，同时可感染 BBB 内皮细胞、破坏紧密连接完整性，双向穿透血脑屏障。药物筛选发现，瑞德西韦(抗病毒)和 CDDO-Me(抗炎)不仅能有效抑制 HCoV-OC43 复制，还能减轻炎症反应和细胞死亡，展现出潜在治疗价值。该研究建立的体外模型为研究冠状病毒神经嗜性提供了可靠工具，揭示的致病机制为理解新冠病毒等 β 冠状病毒的神经并发症提供了参考，筛选的有效药物为临床治疗提供了候选方向，但仍存在局限性，如脑类器官缺乏免疫细胞、成熟度接近胎儿脑而非成人脑，未来需进一步优化模型并深入探究病毒突破 BBB 的分子机制。