呼吸道类器官模型在冠状病毒呼吸道感染研究中的应用综述

冠状病毒(如 SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV 及季节性冠状病毒)主要通过呼吸道感染人类，可引发从轻微呼吸道症状到重症肺炎的多样疾病。传统研究模型存在显著局限：永生细胞系虽支持病毒复制，但缺乏组织生理复杂性，易导致病毒基因组发生培养适应性突变;动物模型因物种差异难以完全模拟人类感染动力学和免疫应答，且存在伦理争议。人类呼吸道类器官作为三维体外模型，能精准再现呼吸道不同部位(鼻、气管、支气管、肺泡)的上皮结构和细胞组成，为研究冠状病毒与宿主的互作提供了生理相关平台，成为突破传统模型局限的关键工具。

来自荷兰伊拉斯姆斯医学中心的团队在《Current Opinion in Virology》期刊发表了题为“Human organoid models to study coronavirus infections of the respiratory tract”的综述。

核心内容如下：

呼吸道类器官的构建与特征：

细胞来源：主要包括成人呼吸道基底干细胞、诱导多能干细胞(iPSCs)，可分化为模拟鼻腔、气管、支气管、肺泡等不同部位的类器官，包含纤毛细胞、杯状细胞、基底细胞、肺泡 Ⅰ 型 /Ⅱ 型 pneumocytes 等关键细胞类型，忠实再现呼吸道上皮的细胞异质性;

分化方法：常用气液界面(ALI)培养、apical-in(顶端朝内腔)和 apical-out(顶端朝外)3D 培养、submerged(浸没式)培养等，其中 apical-out 模型因顶端表面直接暴露，无需切开即可进行病毒感染，更适合模拟体内感染过程。

在冠状病毒研究中的核心应用：

病毒分离与培养：可分离无法在传统细胞系中复制的临床毒株(如普通感冒冠状病毒)，避免病毒基因组在培养中发生适应性突变;

病毒嗜性与感染机制：揭示不同冠状病毒的感染偏好，如 SARS-CoV-2 主要感染纤毛细胞，依赖纤毛穿越黏液层增强感染，而 HCoV-229E 偏好鼻类器官;Omicron 变异株在鼻类器官中复制能力增强、肺泡类器官中减弱，解释其高 transmissibility 和低致病性特征;

抗病毒药物筛选与免疫应答：评估药物(如 TSPAN-8 阻断抗体)的抗病毒效果，模拟先天免疫反应(如炎症因子释放、干扰素通路激活)，并通过 apical-out 模型实现高通量中和抗体检测。

实验结果

图 1：呼吸道解剖结构及上皮细胞组成

内容：展示从鼻腔到肺泡的呼吸道解剖结构，标注各部位的上皮细胞组成 —— 鼻腔和气管上皮含基底细胞、纤毛细胞、杯状细胞(气管含更多黏膜腺细胞)，支气管上皮纤毛和分泌细胞占比更高，肺泡则由 AT1(气体交换)和 AT2(表面活性物质分泌)细胞构成，神经内分泌细胞散在分布作为肺内传感器。

图 2：基底细胞分化为呼吸道类器官的方法

内容：概述四种分化方法 ——ALI 培养(Transwell)、apical-in(顶端朝内腔)、apical-out(顶端朝外)、submerged 培养，标注各方法的细胞类型(如杯状细胞、纤毛细胞)及标志物(如杯状细胞的 MUC5AC)，其中 apical-out 模型便于病毒直接感染顶端表面，submerged 培养适合高通量实验。

图 3：呼吸道类器官在冠状病毒研究中的应用

内容：概括核心应用方向，包括病毒分离、嗜性分析、感染动力学研究、抗病毒药物测试、先天 / 适应性免疫评估，以及整合多种细胞类型构建生理相关模型，体现类器官在连接基础研究与临床转化中的桥梁作用。

全文总结

本综述系统阐述了呼吸道类器官在冠状病毒研究中的应用，其通过模拟呼吸道不同部位的细胞组成和生理结构，克服了传统细胞系和动物模型的局限，在病毒分离、嗜性分析、感染机制解析、药物筛选及免疫应答研究中展现出独特价值。当前需解决标准化培养方案、供体差异、免疫细胞整合不足等问题，未来通过优化模型复杂性(如引入血管和免疫细胞)、结合基因编辑技术及高通量系统，有望进一步推动冠状病毒 pathogenesis 研究和个性化医疗应用。