丑而有用！蝙蝠类器官模型为人畜共患病毒供高质量的病理生理模型

蝙蝠是人畜共患病病原体的重要宿主，但用于全面探索宿主-病原体相互作用和评估溢出风险的合适模型系统仍然有限。

韩国基础科学研究所Yong Ki Choi团队开发了一系列跨越5个物种和4种器官类型的蝙蝠类器官模型。

这种多物种、多器官类器官组为研究呼吸道、肾脏和肠道人畜共患病病毒提供了强大的病理生理学模型。

文章介绍

题目：Diverse bat organoids provide pathophysiological models for zoonotic viruses

期刊：Science

影响因子：44.7

发表日期：2025年5月

#1

研究背景

Background

世界卫生组织将人畜共患病定义为任何从脊椎动物自然传播给人类的疾病或感染。据估计，大约75%的人类新发或新出现的传染病起源于人畜共患疾病。

蝙蝠是几种动物感染病毒的重要哺乳动物宿主。病原体的传播过程的中间宿主有助于弥合蝙蝠和人类之间的生态和分子差距。随着气候变化和人类对野生动物栖息地的持续侵占，将蝙蝠和人类隔开的自然生态屏障正在减少，增加了病毒溢出的风险。

目前研究蝙蝠传播的病毒的生理模型有限。通过宏基因组研究鉴定的大多数蝙蝠病毒尚未被分离出来，主要是因为缺乏合适的蝙蝠模型系统来培养这些病毒。

大多数现有的代表蝙蝠气道和胃肠道上皮的类器官模型都是从热带果蝠中获得的。这些区域和物种的特殊性限制了它们在全球人畜共患病研究中的适用性。

#2

研究方法

Methods

该研究通过蝙蝠建立了多物种、多器官的类器官模型。类器官收集，包括气管、肺、肾和小肠，为蝙蝠上皮组织生理特征的实验研究提供了途径，但也可以作为病毒组监测和病原体分离以及药物测试的平台。

#3

关键研究结果

Results

1、蝙蝠类器官多物种和组织类型的建立

首先收集野生捕获的蝙蝠，获取组织样本，使用已建立的方法生成多种类器官（气道、肺泡、肾、小肠类器官），并成功地在体外维持类器官和原代细胞至少6个月（图1A）。

图1 多物种，多器官蝙蝠类器官的建立和表征，用于蝙蝠病毒组的生物库和同步监测。

2、类器官的细胞多样性和上皮组织组成的表征

使用纤毛细胞（Ac-Tub）、杯状细胞（MUC5AC）、基底干细胞（KRT5）、和上皮细胞连接完整性（β-Catenin）评估蝙蝠呼吸类器官重现复杂成分的准确性（图1B-C）。还从不同蝙蝠物种中获得了不同数量的类器官类型（即富含纤毛细胞或富含基底细胞）（图1C）。

图1 多物种，多器官蝙蝠类器官的建立和表征，用于蝙蝠病毒组的生物库和同步监测。

单细胞RNA测序（scRNA-DNAseq）结果表明，R. ferrumequinum和E. serotinus气管类器官证实了细胞多样性（图1D），这通过单细胞类器官免疫组织化学分析证实（图1C）。免疫组织化学分析结果表明，在已建立的气管类器官中MUC5AC+杯状细胞是稀缺的（图1C）。

图1 多物种，多器官蝙蝠类器官的建立和表征，用于蝙蝠病毒组的生物库和同步监测。

还在支气管肺泡类器官中检测支气管标记物以及肺泡上皮II型（SFTPC）和I型（AQP5）标记物。这显示了支气管和肺泡上皮的多样化混合，反映了远端肺的复杂细胞结构 (图1B-E)。R. ferrumequinum支气管肺泡类器官的scRNA-seq也显示类似的结果（图1F）。

图1 多物种，多器官蝙蝠类器官的建立和表征，用于蝙蝠病毒组的生物库和同步监测。

在肾类器官中，观察到存在指示不同肾细胞段的关键细胞标志物，使用Ac-Tub表示沿肾小管和导管上皮的单纤毛细胞，LTL表示近端小管，CDH-1表示远端小管和收集管，AQP3表示收集管，Ki-67表示增殖肾祖细胞。

肾类器官以不同比例表达这些标记物（图1B-G），通过scRNA-seq在R. ferrumequinum肾类器官中进一步验证了这一点(图1H)，并表明肾上皮的复杂组成可以在类器官中复制。

图1 多物种，多器官蝙蝠类器官的建立和表征，用于蝙蝠病毒组的生物库和同步监测。

3、呼吸道类器官对SARS-CoV-2和MERS-CoV的不同敏感性

将蝙蝠呼吸类器官暴露在致病性人类冠状病毒SARS-CoV-2和MERS-CoV中，以研究这些病毒在Rhinolophidae和Vespertilionidae家族中的物种特异性。

尽管表达了ACE2 RNA，而且根据计算预测，R. ferrumequinum、M. aurascens和E. sertinus ACE2与SARS-CoV-2受体结合域（RBD）具有相对较高的结合亲和力（图2C），但没有一种呼吸类器官支持活跃的SARS-CoV-2复制（图2A-B）。

图2 多物种蝙蝠呼吸器官差异支持人畜共患病病毒的复制。

如果使用慢病毒系统异位表达人TMPRSS2，则E. sertinus和R. ferrumequinum的支气管肺泡类器官可能被SARS-CoV-2感染（图2D）。这证实了SARS-CoV-2在Rhinolophus中的物种特异性。

MERS-CoV在R. ferrumequinum、M. aurascens和E. sertinus的呼吸类器官中表现出强大的复制能力，但在P. abramus和H. alaschanicus的呼吸类器官中却没有（图2E-F）。这些物种特异性模式与E. sertinus类器官中MERS-CoV受体DPP4的高表达水平相关（图2G）。

图2 多物种蝙蝠呼吸器官差异支持人畜共患病病毒的复制。

4、蝙蝠呼吸道类器官对A型禽流感病毒的高敏感性

用人类H1N1(CA04)、禽类H5N1和蝙蝠衍生的H9N2 IAV攻击蝙蝠的呼吸类器官。除了P. abramus的支气管肺泡类器官，所有测试的类器官对所有甲型流感病毒株都表现出相当的敏感性（图2H-K）。

这种对IAV的广泛敏感性与α-2,3和α-2,6唾液酸的共染色相关（图2H），它们分别是禽流感和人类流感病毒受体。

图2 多物种蝙蝠呼吸器官差异支持人畜共患病病毒的复制。

5、病毒感染时干扰素刺激基因在蝙蝠呼吸器官中的表达

为了研究病毒感染对干扰素刺激基因（ISG）的诱导作用，在接种了MERS-CoV或IAV（人H1N1 CA04）的R.ferrumequinum的气管和支气管肺泡类器官进行了RNA-seq。两种病毒都刺激ISG表达（图2L-Q）。

图2 多物种蝙蝠呼吸器官差异支持人畜共患病病毒的复制。

6、对流感病毒和正汉坦病毒的器官特异性敏感性

将类器官暴露在具有代表性的呼吸道（流感病毒）和肾脏（正汉坦病毒）病毒中，以评估蝙蝠类器官平台是否能够差异化地支持组织特异性病毒。首先用人类甲型流感病毒H1N1（CA04）或甲型禽流感病毒H5N1（假型，Δ401）攻击来自M. aurascens的类器官。这两种病毒在呼吸道和肾脏类器官中都能有效复制，在小肠类器官中也能适度复制（图3A-C）。

图3 多器官蝙蝠类器官显示出器官特异性感染动力学。

来自R. ferrumequinum和E. sertinus的肾类器官对正汉坦病毒（SEOV）敏感，表现出核碎裂和上皮完整性破坏，表明细胞病变作用（图3D-E）。

SEOV感染后，R. ferrumequinum肾类器官中ISG的表达增加（图3F-G），表明保留了先天免疫反应。来自E. sertinus和H. alaschanicus的气管、支气管肺泡、肾脏和小肠类器官的进一步研究表明，SEOV在肾类器官中复制最有效（图3H-I）。

图3 多器官蝙蝠类器官显示出器官特异性感染动力学。

7、蝙蝠传播的哺乳动物正呼肠孤病毒和副粘病毒的分离和表征

接下来探索使用类器官平台分离迄今未知的蝙蝠病毒的可能性。将富集的蝙蝠哺乳动物正呼肠孤病毒（MRV）分离株接种到同源类器官中。气管、肾脏和肠类器官均支持蝙蝠MRV生长（图4A）。

空斑形成活性检测证明了从气管类器官产生了功能性病毒体（图4A-B）。总RNA测序表明可能来自四种不同MRV株系（图4C）。来自不同蝙蝠物种的所有气管类器官都支持MRV复制（图4D-E）。

图4 使用多物种和多器官蝙蝠类器官平台分离和鉴定新型蝙蝠传播哺乳动物正呼肠孤病毒和副粘病毒。

蝙蝠分离的MRV成功地诱导了R. ferrumequinum和E. serotinus的气管类器官中的ISG（图4F-G)。MRV诱导的ISG是不同的，与MERS-CoV感染相比，XAF1、IFI27、USP18、BST2、OAS1、MX1和ISG15表达更高，与IAV感染相比，SIGLEC1、IL1RL1和CD74表达更高 (图4H-I)。

总RNA测序显示，分离的副粘病毒是Shaan病毒B16-B140（ShaV）的最近亲属。使用类器官平台表征ShaV-CMV类副粘病毒。ShaV-类副粘病毒在气管和小肠蝙蝠类器官中复制最有效，这与ShaV对肠和呼吸道上皮细胞的嗜性一致（图4J-M）。

ShaV-类副粘病毒诱导了一个I型和II型ISG亚群，其特征在于R. ferrumequinum肠类器官中的IFIT1、IFI27、ISG15、OAS1、OAS2、MX1、ZBP1、XAF1、USP18和CCL5（图4N-O）。

为了评估用于抗病毒治疗快速测试的蝙蝠类器官平台，将3D蝙蝠类器官铺板在基质胶包被的96孔板上，将其调整为2D模式。2D系统有效地再现了在3D类器官中观察到的物种特异性MERS-CoV复制（图2E-F），并且在评估瑞德西韦, 莫诺拉韦和/或利巴韦林的抗病毒效果方面优于Vero E6细胞（图4P）。

此外，瑞德西韦有效地抑制了蝙蝠MRV分离物在蝙蝠气管类器官中的复制，但在Vero E6细胞中没有（图4Q）。

图4 使用多物种和多器官蝙蝠类器官平台分离和鉴定新型蝙蝠传播哺乳动物正呼肠孤病毒和副粘病毒。

结论

该研究成功地开发和测试了一个多物种和多器官的类器官平台。该平台可用于调查对人类健康构成严重威胁的人畜共患病毒的行为。

这些类器官支持几种人畜共患病毒的生长，已经成功地从蝙蝠粪便样本中分离并鉴定了蝙蝠传播的哺乳动物正呼肠孤病毒和副粘病毒，突出了类器官在研究病毒-宿主跨多器官系统相互作用方面的实用性。

该类器官平台还允许对一系列蝙蝠传播的病毒进行同时监测和快速药物功效测试。

参考文献

Kim H, Heo SY, Kim YI, Park D; Monford Paul Abishek N1; Hwang S, Lee YK, Jang H, Ahn JW, Ha J, Park S, Ji HY, Kim S, Choi I, Kwon W, Kim J, Kim K, Gil J, Jeong B, Lazarte JCD, Rollon R, Choi JH, Kim EH, Jang SG, Kim HK, Jeon BY, Kayali G, Webby RJ, Koo BK, Choi YK. Diverse bat organoids provide pathophysiological models for zoonotic viruses. Science. 2025 May 15;388(6748):756-762. doi: 10.1126/science.adt1438.