肠道病毒D68感染在人类脊髓类器官中的菌株特异性趋向性及转录反应

《Frontiers in Microbiology》：Strain-specific tropism and transcriptional responses of enterovirus D68 infection in human spinal cord organoids

　　急性肌萎缩性脊髓炎（AFM）的致病机制涉及EV-D68病毒对中枢神经系统的感染。本研究通过单细胞RNA测序分析两种EV-D68株（B2: 18952，B3:23089）在人类脊髓 cord organoids（hSCOs）中的细胞嗜性差异，发现B2主要感染神经元，而B3偏好感染活跃的星形胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞（OPCs），并揭示病毒株特异性宿主转录组响应，为AFM机制提供新证据。

　　这项研究利用人类脊髓类器官（hSCOs）和单细胞RNA测序技术（scRNA-seq），深入探讨了EV-D68感染在脊髓中的细胞特异性靶向及宿主反应的差异。EV-D68是一种与急性弛缓性麻痹（AFM）密切相关的肠道病毒，这种疾病在儿童中较为常见，其特征是突发的肌肉无力和瘫痪。尽管大多数EV-D68感染是无症状或轻微的，但某些情况下，病毒会导致严重的神经症状，如AFM。因此，理解EV-D68如何影响神经系统，特别是其在脊髓中的感染机制，对于开发有效的治疗策略具有重要意义。

研究团队选取了两种与AFM爆发相关的EV-D68菌株：US/IL/14-18952（B2菌株）和US/MA/18-23089（B3菌株）。这两种菌株在基因序列上具有较高的相似性，但在感染脊髓类器官时表现出不同的细胞特异性偏好。通过scRNA-seq技术，研究人员能够对感染前后不同细胞类型的基因表达模式进行高分辨率分析，从而揭示病毒在不同细胞类型中的感染动态及其对宿主细胞的分子影响。

在24天龄的脊髓类器官中，研究人员发现其包含多种细胞类型，包括神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞前体细胞（OPCs）以及多能胶质前体细胞（mGPCs）。其中，星形胶质细胞和循环星形胶质细胞构成了最大的细胞群体（占比约54.3%），而神经元则占13.9%。此外，mGPCs在脊髓类器官中也占据重要比例（约20.1%），这可能与其在神经发育中的多向分化能力有关。通过将scRNA-seq数据与已知的脊髓细胞类型进行比对，研究人员能够更准确地识别这些细胞类型，并进一步分析它们在病毒感染中的反应。

研究发现，EV-D68菌株18952（B2）主要感染神经元，而菌株23089（B3）则更倾向于感染循环星形胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞。这种差异不仅体现在感染细胞的数量上，还体现在感染细胞的基因表达模式上。例如，18952（B2）感染的神经元中，与突触信号传导、轴突发育和神经递质相关通路的基因表达显著上调，这表明病毒可能直接作用于神经元，导致其功能受损或退化。相比之下，23089（B3）感染的循环星形胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞中，与DNA复制、细胞周期调控和RNA加工相关的通路被显著激活，这可能意味着病毒通过影响胶质细胞的增殖和功能，间接影响神经系统的稳定性。

进一步的分析显示，即使在未被感染的“旁观者”细胞中，两种菌株也引发了不同的转录反应。例如，23089（B3）感染导致的旁观者神经元和星形胶质细胞中，与细胞应激反应和蛋白质量控制相关的基因表达显著上调，这可能反映了病毒感染对胶质细胞功能的干扰，从而影响其对神经元的支持作用。相比之下，18952（B2）感染则在循环星形胶质细胞中引发了更广泛的基因表达变化，这可能意味着该菌株对胶质细胞的影响更为显著。

值得注意的是，研究并未观察到明显的先天免疫基因（如干扰素刺激基因，ISGs）的上调，这与EV-D68对宿主免疫系统的抑制能力一致。病毒可能通过切割先天免疫信号因子或其他机制，抑制宿主的免疫应答，从而避免被宿主免疫系统识别和清除。这一发现提示，EV-D68感染的病理机制可能不仅限于直接对神经元的损伤，还包括通过影响胶质细胞的生理状态，间接促进神经炎症或免疫反应的激活。

研究还指出，尽管两种菌株都具有感染神经元和胶质细胞的能力，但它们在感染动态和宿主反应上存在显著差异。这些差异可能与菌株所属的进化分支（clade）有关，即B2和B3分支之间的分子特性不同，可能影响其对宿主细胞的亲和力和感染效率。此外，这些差异也可能与临床表现相关，例如2018年AFM病例数显著高于2014年，这可能部分归因于菌株特异性的影响，但也可能与其他因素如其他肠道病毒的共同感染或检测技术的改进有关。

研究团队还提到，脊髓类器官模型在模拟病毒感染时存在一定的局限性。由于脊髓类器官处于发育早期，其细胞成熟度和生理状态可能与真实的人类脊髓存在差异。此外，由于感染细胞数量较少，某些稀有细胞类型（如少突胶质细胞）的分析受到限制。因此，未来的研究需要结合更成熟的脊髓类器官模型，并进一步探索病毒在不同发育阶段对细胞的影响。

尽管存在这些限制，该研究仍然提供了重要的见解。通过单细胞转录组分析，研究人员能够揭示EV-D68在脊髓中的感染动态，并识别出不同菌株对特定细胞类型的偏好。这些发现不仅有助于理解EV-D68与AFM之间的潜在联系，也为未来开发针对不同菌株的治疗策略提供了理论基础。此外，研究强调了单细胞技术在解析病毒与宿主细胞相互作用中的价值，尤其是在研究神经病毒的感染机制时，能够提供比传统批量分析更为精细的视角。

总之，这项研究揭示了EV-D68在脊髓中的细胞特异性感染模式，以及不同菌株对宿主细胞的转录反应差异。这些发现不仅加深了我们对EV-D68致病机制的理解，也为进一步探索病毒与神经系统之间的复杂关系提供了新的方向。未来的研究应结合更多临床数据和动物模型，以验证这些转录变化是否对应实际的病理改变，并探索如何通过干预宿主细胞反应来减轻病毒感染对神经系统的损害。