新冠病毒（SARS-CoV-2）引发的COVID-19大流行给全球公众带来了严重的健康危机。尽管接种mRNA疫苗能够显著降低COVID-19的感染率和死亡率，但SARS-CoV-2可不断发生突变，并通过增强其刺突蛋白（S蛋白）与人血管紧张素转换酶II（hACE2）受体的结合亲和力，来改变自身的毒力与传播性，这严重限制了目前疫苗的有效性。例如B.1.1.7（Alpha）、B.1.617.2（Delta）和B.1.1.529（Omicron）等一些变异毒株对BNT162b2或mRNA-1273疫苗诱导的体液免疫就表现出了较高的抗性。因此，开发更低成本、更高效率的预防策略用以抵抗SARS-CoV-2及其变种的感染、限制病毒的传播变得至关重要。
2024年3月12日，华南理工大学生物医学科学与工程学院王真真教授，温州医科大学医学院王晓杰教授，和美国哥伦比亚大学生物医学工程系程柯教授团队联合在Nature Communications发表了题为：Inhalation of ACE2-expressing lung exosomes provides prophylactic protection against SARS-CoV-2的研究论文。该论文证实了人肺球体细胞衍生的外泌体（LSC-Exo）高表达hACE2受体，能够有效中和SARS-CoV-2病毒及其变种，可作为一种预防病毒感染的保护吸入剂，保护小动物模型免受新冠病毒的感染。
SARS-CoV-2感染主要依赖其S蛋白与宿主细胞受体hACE2的结合，因此抑制这种相互作用是一种有效的治疗策略。例如开发的靶向S蛋白的单克隆抗体（mAbs）可识别新冠病毒，阻止其进入宿主细胞，具有良好的治疗效果；APEIRON Biologics开发的重组人ACE2蛋白（rhACE2）可以封闭新冠病毒的S蛋白，降低病毒对宿主细胞的黏附力和感染力，抑制新冠病毒进入细胞。然而，随着新冠病毒变异毒株的不断出现，已经观察到多种mAbs的中和活性降低，甚至对某些新变异毒株完全失去中和活性。此外，rhACE2在血清中稳定性差、易降解等缺点也极大地影响了其疗效。
人肺球体细胞（LSC）由I型和II型肺泡上皮细胞和间充质细胞组成，天然表达高水平的ACE2。由于外泌体携带着母体细胞的受体蛋白、microRNA和DNA，并具有良好的同源靶向能力。因此，该团队设想由LSC衍生的外泌体（LSC-Exo）会携带母细胞表面的hACE2受体，能有效地靶向肺组织、中和入侵的SARS-CoV-2病毒，因此可作为一种病毒预防保护吸入剂，保护宿主免受病毒感染（图1a）。
LSC-Exo的表征
团队首先通过免疫荧光成像（图1b）和免疫印迹（图1c）实验证实，相对于HEK293T细胞，LSC细胞表达更高水平的hACE2受体。透射电子显微镜（TEM）及纳米粒子追踪分析（NTA）实验结果表明LSC-Exo与HEK293T细胞衍生的外泌体（HEK-Exo）粒径大小相似（图1d和1e），但LSC-Exo的hACE2表达水平显著高于HEK-Exo（图1f和1g）。
图1. LSC-Exo的表征以及其表面的hACE2表达水平研究
LSC-Exo保护叙利亚仓鼠对抗SARS-CoV-2感染
随后，团队以叙利亚仓鼠为模型研究了吸入LSC-Exo预防SARS-CoV-2感染的效果，与HEK-Exo和PBS组相比，雾化吸入LSC-Exo可显著降低感染SARS-CoV-2病毒导致的体重减轻（图2a和2b），并减少口腔拭子（OS）和支气管肺泡灌洗液（BAL）中的病毒载量（图2c和2d）。原位RNA杂交分析（RNAscope）和免疫组织化学染色结果表明，LSC-Exo可有效降低仓鼠肺组织中的病毒RNA和SARS-N蛋白含量（图2e和2f）。对肺组织的进一步分析结果表明，相比于HEK-Exo组，LSC-Exo可有效降低新冠病毒诱导的肺泡细胞肿胀、炎症细胞浸润，抑制肺组织纤维化及保留肺泡上皮的完整结构（图2g-j）。此外，LSC-Exo还可降低仓鼠心脏、肝脏、脾脏、肾脏和淋巴结组织中的病毒gRNA和亚基因组RNA（sgRNA）的水平（图2k和2l）。
LSC-Exo减轻仓鼠感染SARS-CoV-2的机制
为了进一步研究LSC-Exo预防感染的机制，团队对仓鼠的肺组织进行了RNA-Seq分析。PCA和皮尔逊相关系数分析结果显示，吸入LSC-Exo组的仓鼠与健康仓鼠具有高度相似的转录组谱（图3a和3b），仅观察到415个差异表达基因（图3c）；同时，吸入LSC-Exo可有效恢复新冠病毒引起的基因上调（图3d），以及多种失衡的信号通路（图3e-j）。此外，该团队还发现新冠病毒主要通过氧化磷酸化途径破坏仓鼠肺组织的氧化还原平衡，并引起线粒体功能失调，而吸入LSC-Exo能有效降低肺组织异常的氧化磷酸化，恢复多种基因的正常表达水平，维持调节肺组织的氧化防御系统，从而更好的保护仓鼠抵御新冠病毒带来的损伤（图3k）。
综上所述，LSC-Exo表达高水平的hACE2，经雾化吸入可以在肺组织中有效中和SARS-CoV-2，阻断病毒与宿主细胞的相互作用，保护宿主免受感染。此外，LSC-Exo具有拦截多种SARS-CoV-2变异毒株进入宿主细胞的巨大潜力，且在体内表现出良好的安全性。因此，LSC-Exo有望作为一种广谱保护剂用于抵御现有和新出现的新冠变种病毒的感染。
