由 Arjit Vijey Jeyachandran、Joseph Ignatius Irudayam、Swati Dubey 等共同完成，来自美国加州大学洛杉矶分校、雪松-西奈医疗中心、希望之城贝克曼研究所、韦恩州立大学等多个机构的研究团队，在 PLOS Pathogens 期刊上于2025年8月26日发表了一项关于汉坦病毒细胞嗜性与抗病毒候选药物的重要研究。该研究的题目为《新旧世界汉坦病毒的差异性嗜性影响毒力及宿主导向抗病毒候选药物的开发》。
学术背景
本研究的科学领域属于病毒学、感染病学与宿主-病原体相互作用研究。汉坦病毒是一类主要通过啮齿类动物传播、可导致人类严重出血热（如肾综合征出血热，HFRS）或汉坦病毒心肺综合征（HCPS/HPS）的致命性人畜共患病原体。根据地理起源与亲缘关系，主要分为“旧世界”病毒（如汉坦病毒，HTNV）和“新世界”病毒（如安第斯病毒，ANDV 和辛诺柏病毒，SNV）。尽管多数汉坦病毒主要经动物宿主传播，但新世界的安第斯病毒已证实具有人际传播能力，使其成为潜在的重大公共卫生威胁。目前，全球范围内尚无广泛可用的有效抗病毒药物或预防性疫苗获批用于汉坦病毒感染。
面对这一挑战，该研究的发起源于几个关键背景认知：首先，缺乏在学术型高防护生物安全四级（BSL-4）实验室条件下对新旧世界汉坦病毒进行系统比较的模型和资源，阻碍了对病毒致病机制的深入理解。其次，虽然已知汉坦病毒主要感染内皮细胞，但其对肺、心、脑等其他关键组织细胞的感染潜能（即“细胞嗜性”）尚不完全清楚，尤其是不同病毒株之间的差异性。最后，开发针对宿主因子而非病毒本身靶点的“宿主导向”抗病毒策略，被认为是应对包括ANDV在内的潜在大流行病毒的有效途径。
因此，本研究旨在建立先进的人类体外细胞模型，系统评估旧世界（HTNV）与新世界（ANDV， SNV）汉坦病毒在多种人体原代细胞及诱导多能干细胞（hiPSC）衍生细胞类型中的感染性、复制动态、宿主转录及代谢反应差异，并利用所建立的模型筛选和评估有潜力的宿主导向抗病毒候选化合物，为理解病毒致病机制和开发新疗法提供关键平台与数据。
详细研究流程
本研究设计了一个多层次、多角度的综合性研究流程，核心包括四个主要阶段：细胞模型建立与病毒表征、细胞嗜性与复制动态评估、宿主转录组学与脂质组学分析、以及抗病毒药物筛选与药理转录组学评估。
第一阶段：细胞模型建立与病毒准备。 研究团队构建了一系列先进的人体细胞模型系统，包括：1）原代细胞：人肺主动脉内皮细胞，用于模拟血管内皮感染。2）癌细胞系：人肺腺癌细胞系（Calu-3），用于研究肺上皮细胞感染。3）干细胞衍生细胞：从人诱导多能干细胞分化的心肌细胞（hiPSC-CMs）和星形胶质细胞（hiPSC-astrocytes），分别模拟心脏和大脑关键细胞类型的感染。4）三维器官模型：人远端肺三维类器官，用于更真实地模拟肺泡结构并评估病毒感染。这些模型涵盖了病毒可能导致病理改变的主要靶器官（肺、心、脑）。使用的病毒为旧世界的HTNV（Fojnica株）和新世界的ANDV（Chile-9717869株）与SNV（SNV-77734株），均在Vero E6细胞中扩增以确保一致的病毒制备。通过TCID50测定和病毒特异性RT-qPCR确认了病毒的滴度和复制能力。
第二阶段：细胞嗜性与复制动态评估。 使用上述所有细胞模型，分别以低感染复数（MOI=0.1或0.01）感染三种汉坦病毒。在感染后不同时间点（如6、24、48小时，对于长期感染研究则持续至21天），通过以下实验收集数据：1）RT-qPCR：使用病毒株特异性引物定量病毒基因组RNA，评估病毒复制水平。2）免疫荧光分析：使用针对SNV核衣壳蛋白的多克隆抗体（该抗体与ANDV和HTNV有交叉反应）检测病毒抗原在细胞内的表达，直观显示感染细胞的比例与定位。3）Western Blot：检测病毒糖蛋白（GP）或核衣壳蛋白（N）的表达，以及宿主免疫信号分子（如磷酸化STAT1）的变化，验证感染并初步探索宿主反应。4）细胞计数：在长期感染实验中，监测病毒感染对细胞生长和存活的影响。此阶段旨在系统性描绘三种病毒在不同细胞类型中的感染效率差异和复制动力学特征。
第三阶段：宿主转录组学与脂质组学分析。 为了深入理解病毒感染的分子后果，对感染48小时的细胞进行了批量RNA测序。样本涵盖Calu-3细胞、hiPSC-CMs和hiPSC-astrocytes。分析流程包括：数据标准化、主成分分析（PCA）、差异表达基因（DEGs）鉴定（使用严格的统计阈值，如padj ≤ 0.01，log2FC ≥1）、基因集富集分析以及Reactome通路分析。此外，鉴于脂质代谢在病毒感染中常扮演重要角色，研究特别对ANDV和SNV感染的Calu-3细胞进行了脂质组学分析，使用质谱技术定量检测胆固醇酯、甘油三酯、磷脂等脂质代谢物的变化。结合转录组数据，聚焦于胆固醇合成通路的基因表达变化。为了验证脂质代谢变化的功能意义，还进行了功能干预实验，如在细胞培养基中外源添加胆固醇或抗病毒代谢物25-羟基胆固醇，并观察其对ANDV感染的影响。这一阶段旨在揭示病毒感染引发的宿主细胞全局转录重编程和关键代谢通路扰动。
第四阶段：抗病毒药物筛选与药理转录组学评估。 鉴于ANDV的广谱感染性和人际传播潜力，研究团队以其为靶标，在Calu-3细胞模型上建立了药物筛选平台。筛选的化合物包括：已知抗病毒生物制剂（干扰素β， IFN-β）、STING通路激动剂（diABZI， cAIMP）、核苷类似物（法匹拉韦 Favipiravir， 6-氮杂尿苷 6-aza）以及具有抗氧化特性的植物来源化合物（水飞蓟素 Silymarin， 尿石素B Urolithin B）。筛选流程为：细胞先经候选药物预处理24小时，然后进行ANDV感染（MOI=0.1），感染后48小时收集样本。通过RT-qPCR和Western Blot评估药物对病毒复制的抑制效果，并通过细胞活力实验确认所选药物浓度无细胞毒性。对于显示出抑制活性的化合物，进一步对药物处理后的感染细胞进行RNA测序，即“药理转录组学”分析。通过与未处理感染细胞和未感染对照细胞的转录组比较，评估药物在抑制病毒的同时对宿主转录组的影响，区分出那些既能有效抑制病毒又对宿主转录干扰最小的理想候选药物。
主要研究结果
研究获得了一系列层次分明且相互关联的结果，清晰地揭示了新旧世界汉坦病毒的差异性及其分子机制。
1. 病毒展现出差异化的细胞嗜性谱。 在评估的所有细胞类型中，ANDV显示出最广泛的嗜性，能够有效感染肺内皮细胞、肺上皮细胞（Calu-3和远端肺类器官）、心肌细胞（hiPSC-CMs）以及星形胶质细胞（hiPSC-astrocytes）。其复制动力学快，在肺上皮细胞中48小时复制水平最高。相比之下，SNV的嗜性较窄，主要在肺内皮细胞中表现出稳健的复制，而在肺上皮细胞中复制水平很低，在心肌细胞和星形胶质细胞中几乎检测不到感染。HTNV的嗜性介于两者之间，能稳健地感染肺内皮细胞、心肌细胞和星形胶质细胞，但在肺上皮细胞中的初始复制较慢；不过，长期感染实验（21天）显示，HTNV和SNV最终都能在Calu-3细胞中建立持续性的慢性感染，并影响细胞生长。这些结果首次在系统化的人体细胞模型上全面描绘了三种重要汉坦病毒的细胞感染谱。
2. 宿主转录反应揭示了病毒特异性致病模式。 转录组分析为上述嗜性差异提供了分子解释。PCA分析显示，感染不同病毒的样本转录谱明显区分，其中两种新世界病毒（ANDV和SNV）的反应更为相似，而与旧世界HTNV的反应差异较大。在所有细胞类型中，ANDV感染诱导了最广泛的宿主基因表达变化，上调基因数量远超HTNV和SNV。通路富集分析显示：在肺上皮细胞中，三种病毒均能上调OAS抗病毒反应、I型干扰素（IFN-α/β）信号等固有免疫通路。然而，ANDV独特地强烈上调了多种白细胞介素信号、TLR级联反应、细胞死亡、坏死等炎症和损伤相关通路，提示其可能引起更强烈的组织炎症和损伤。在星形胶质细胞和心肌细胞中，HTNV和SNV感染引起的转录变化很小，而ANDV感染则在这些细胞中显著激活了免疫和炎症通路。这些数据表明，ANDV不仅感染范围更广，而且可能触发更强烈的致病性宿主反应。
3. ANDV感染特异性破坏胆固醇代谢通路。 转录组和脂质组学的整合分析发现了一个关键现象：ANDV（而非SNV）感染显著下调了肺上皮细胞中胆固醇合成通路的关键基因（如FDPS， MVD等）。脂质组学证实，ANDV感染的细胞中胆固醇酯、甘油三酯和甘油二酯水平显著降低，而溶血磷脂酰胆碱（LPC）和溶血磷脂酰乙醇胺（LPE）水平升高。功能实验证实了这种代谢扰动的重要性：外源性添加胆固醇能显著增强ANDV的感染，而添加其下游的抗病毒代谢物25-羟基胆固醇则能抑制感染。这表明，宿主细胞可能通过下调胆固醇合成作为一种限制病毒复制的防御反应（因为ANDV的进入和复制需要胆固醇），但这种代谢紊乱也可能导致细胞膜稳定性下降、功能受损，从而加剧病理损伤。
4. 宿主导向抗病毒化合物的发现与机制评估。 药物筛选结果显示，IFN-β、STING激动剂、法匹拉韦、6-氮杂尿苷、水飞蓟素和尿石素B在非细胞毒性剂量下均能有效抑制ANDV在肺上皮细胞中的复制。药理转录组学分析进一步提供了深入的机制见解：虽然所有有效药物都抑制了ANDV感染相关的炎症和细胞死亡通路，但它们在调节宿主转录组方面的“足迹”不同。尿石素B和法匹拉韦在有效抑制病毒的同时，引起的宿主基因表达变化最少，显示出良好的特异性。尤其是尿石素B，还能帮助恢复ANDV感染所抑制的胆固醇合成通路相关基因的表达。相比之下，6-氮杂尿苷虽然也能抑制病毒，但引起了最大规模的宿主转录组扰动，暗示其可能带来更多潜在的脱靶效应或副作用。这一分析为优先推进候选药物进入临床前研究提供了重要的安全性和机制性依据。
研究结论与意义
本研究得出了几个核心结论：首先，新旧世界汉坦病毒在人体细胞中具有显著差异的细胞嗜性，其中安第斯病毒（ANDV）具有最广泛的感染能力，涵盖肺、心、脑的关键细胞类型。其次，这种广泛的嗜性伴随着强烈的宿主转录重编程，ANDV感染特别诱导了强烈的炎症反应、细胞损伤信号和独特的胆固醇代谢抑制。第三，研究建立的人体细胞和类器官模型能够有效模拟这些差异，是研究汉坦病毒致病机制和筛选药物的有力工具。第四，通过该平台筛选出多个有潜力的宿主导向抗病毒化合物，其中尿石素B和法匹拉韦因其高效低扰的特性成为前景广阔的候选药物。
本研究的科学价值在于，首次在系统化的人类细胞模型上对新旧世界汉坦病毒进行了全面的比较研究，揭示了病毒嗜性、宿主反应和代谢扰动的关键差异，为理解不同汉坦病毒（尤其是具有人际传播能力的ANDV）的致病机制提供了新的分子框架。其应用价值尤为突出：所开发的高级细胞模型弥补了因BSL-4设施稀缺而难以进行体内研究的短板，为抗病毒药物和疫苗的研发提供了至关重要的体外评估平台。筛选出的候选药物，特别是那些能恢复宿主代谢稳态的化合物，为开发针对汉坦病毒（及其他可能共享类似宿主依赖机制的病毒）的新型疗法指明了方向，对于应对潜在的汉坦病毒疫情具有重要意义。
研究亮点
本研究的突出亮点体现在以下几个方面：1. 模型创新性：综合利用了原代内皮细胞、hiPSC衍生的心肌细胞/星形胶质细胞以及三维肺类器官，构建了一个多层次、高生理相关性的“人体模拟”系统，极大地提升了体外研究的预测价值。2. 研究系统性：从病毒嗜性表征到深入的转录组、脂质组学分析，再到药理转录组学评估，形成了一个完整的研究闭环，逻辑严谨，数据相互印证。3. 发现重要性：首次在ANDV感染中系统报道了胆固醇合成通路的特异性抑制，并阐明了其“宿主防御-潜在致病”的双重性，为理解汉坦病毒病理生理提供了新视角。4. 转化应用潜力：不仅筛选出了活性化合物，更通过药理转录组学进行了初步的“安全性”和“特异性”筛选，为候选药物的优先排序和后续开发提供了宝贵数据，显著加速了从基础研究发现到潜在治疗方案的转化进程。5. 关注焦点前瞻性：研究重点聚焦于具有人际传播潜力的ANDV，并关注其在心肺细胞中的感染，这对于风险评估和针对高危人群（如心肺基础疾病患者）的防控策略制定具有直接的指导意义。