TEM：税光厚 / 黄勋 / Lam Sin Man应邀撰写新冠病毒靶向脂质载体影响神经系统的综述文章
2022年5月，中科脂典等单位研究人员在《Trends in Endocrinology and Metabolism》（IF: 12.0）上发表了题为“Neurological aspects of SARS-CoV-2 infection – Lipoproteins and exosomes as Trojan horses”的研究论文，系统讨论和提出了脂质载体，特别是SARS-CoV-2感染通过高密度脂蛋白（HDL）和外泌体损伤神经系统的特殊方式：“特洛伊木马病毒”入侵模式，并讨论了靶向脂质代谢治疗新冠及其后遗症的多种方案。
亮点概述：
越来越多的证据指向SARS-CoV-2感染的神经系统危害。
SARS-CoV-2可能通过利用内源性脂质载体（包括 HDL 和外泌体）进入大脑。
脂筏通过参与 HDL 和外泌体的产生和 BBB 迁移来介导 SARS-CoV-2 神经趋向性。
重新利用针对脂质代谢的现有药物可能有助于减轻COVID-19的疾病负担。
越来越多的证据记录了与 2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 感染相关的神经系统并发症。最新研究表明，冠状病毒对大脑的攻击是多方面的。在英国进行的一项全国性研究中，通过在线门户网站跟踪的大约62%的COVID-19患者表现出脑血管后遗症，以缺血性中风、精神状态改变和脑病为代表。另一项研究报告称，一群患有脑病的感染患者会升级为类似于多发性硬化症的严重形式，其特征是大脑和脊髓中的有害炎症和髓鞘形成丧失。在意大利、中国和美国进行的类似研究支持了COVID-19感染的神经系统后果，这些研究报告了COVID-19幸存者的症状包括抑郁、焦虑和睡眠困难。此外，COVID-19患者神经元和星形胶质细胞中的转录组谱类似于包括精神分裂症和抑郁症在内的神经系统疾病。对感染前和感染后个体的纵向检查显示，与未感染的对照组相比，整体大脑体积缩小，认知能力下降幅度更大。鉴于COVID-19大流行的规模，可以预见，数量惊人的COVID-19幸存者可能会面临感染导致的终生神经精神疾病后遗症。因此，深入研究控制SARS-COV-2感染对神经系统影响的分子机制非常重要。
病毒进入大脑通常采取从嗅粘膜开始的跨神经元传播途径，或涉及血脑屏障 (BBB)的血源性传播途径。嗅觉粘膜排列在鼻腔和大脑的边沿。由于嗅觉丧失是 COVID-19 的常见临床表现，嗅觉跨粘膜入侵是SARS-CoV-2进入中枢神经系统（CNS）的一种可能传播途径。然而，COVID-19 患者的尸检结果与病毒进入的嗅觉途径不一致。相反，人们注意到广泛的内皮功能障碍和额叶组织内皮中病毒颗粒的存在，这表明 SARS-CoV-2可能主要通过血源性传播途径进入神经系统。
血源性传播途径的跨细胞和细胞旁路
尽管越来越多的证据表明SARS-COV-2具有神经趋向性，但病毒如何准确地穿过大脑的不同细胞类型仍未完全清楚，特别是神经血管单元 (NVU) 的细胞，这些细胞构成了将脑实质与全身循环血液分开的物理屏障（图 1）。最近的一系列研究已经阐明了SARS-CoV-2的脑细胞趋向性。有研究指出，相对于其他神经元簇和祖细胞，血管紧张素转换酶2 (ACE2)在构成血-脑脊液屏障(BCSFB)的成熟脉络膜丛（ChP）细胞中显著表达。使用表达GFP和活病毒的SARS-CoV-2刺突假病毒粒子感染脑类器官，显示了SARS-CoV-2对ChP上皮细胞的普遍神经趋向性，特别是表达大量脂蛋白的亚群，而神经元对SARS-CoV-2感染的易感性最低。重要的是，SARS-CoV-2感染引发载脂蛋白A1 (APOA1)表达和感染细胞内大量脂质囊泡的形成，这表明病毒进入可促进脂质生成和脂蛋白分泌。
ChP 上皮细胞感染 SARS-CoV-2也会破坏细胞间紧密连接和整体屏障完整性。因此，ChPs的感染促进了病毒神经趋向性的跨细胞和细胞旁路模式。关于脑脊液中存在SARS-CoV-2 的报道相互矛盾，但一般来说，只是偶尔在脑脊液中检测到病毒物质。部分研究中神经细胞类型趋向性的差异可能与不同的病毒数量和暴露时间以及感染模型的固有差异有关。
图1. 大脑的天然屏障
SARS-CoV-2靶向宿主细胞的脂质代谢和分泌途径
血源性病毒入侵神经系统需要在破坏血脑屏障的同时，避开宿主的监视系统。值得注意的是，在不同组织中，无论是外周系统还是中枢神经系统，病毒倾向性的首选细胞类型主要是脂质分泌细胞。在中枢神经系统外，代表肺部主要感染部位的II型肺泡上皮细胞负责分泌主要由脂质组成的肺表面活性物质。在肠道中，经APOA1识别的分化的肠上皮细胞表现出ACE2的最高表达，容易被SARS-CoV-2感染。在中枢神经系统中，星形胶质细胞和ChP细胞是脑脊液中脂蛋白的主要细胞来源，它们在不同的研究中都被认为是病毒进入的对象。大量脂滴的积聚是SARS-CoV-2感染细胞的一个关键病理特征。SARS-CoV-2等阳性RNA病毒利用宿主细胞脂膜构建病毒复制细胞器。病毒篡夺宿主的脂质代谢，以最大化其复制过程（图2）。脂滴（LDs）是细胞内主要的中性脂质库，SARS-CoV-2以LDs为靶点，以维持其复制。
冠状病毒还利用宿主的分泌机制，确保成熟病毒粒子的有效生成、组装和输出，实现系统繁殖。事实上，对SARS-CoV-2相互作用体的宿主源病毒相互作用蛋白的检测发现了宿主分泌通路上的一些蛋白，特别是与维持内质网-高尔基稳态有关的蛋白。与正常的生物合成分泌途径不同，包括SARS-CoV-2在内的β-冠状病毒依赖脱酸溶酶体进行非常规转运(图2)。Rab7 GTPase竞争性抑制可调节多泡小体(MVBs)进入溶酶体，有效地阻断病毒转运，表明β-冠状病毒可能通过晚期核内体或MVBs进入溶酶体。鉴于MVBs作为外泌体前体，病毒内容物在细胞外释放之前存在于外泌体是合理的。
SARS-CoV-2对脂质分泌细胞的趋向性提示病毒可能利用脂蛋白和外泌体等不同形式的内源性脂质载体，在系统传播中实现免疫逃逸。
图2. SARS-CoV-2 靶向宿主细胞的脂滴和分泌机制
脂蛋白
从进化的角度来看，脂蛋白除了在脂质运输中的代谢作用外，还构成先天免疫的一个重要方面。在许多具有开放循环系统的无脊椎动物中，循环载脂蛋白是抵御病原入侵的第一道防线。因此，病毒已经进化出逃避、甚至利用脂蛋白介导的途径感染动物宿主的方式。在体循环中的脂蛋白中，只有HDLs能够穿过血脑屏障。事实上，脑毛细血管内皮细胞顶端表面存在小窝定位的 I 类清道夫受体 B 型 (SR-BI) 促进了HDL在BBB体外模型中从顶端到基底的转胞吞作用（图 3）。 关于 BCSFB，发现静脉注射到小鼠体内的荧光标记的人载脂蛋白-AI (Apo-AI) 定位于 ChP，随后在CSF中检测到，这表明循环 HDL 可能主要通过 BCSFB 转移进入CNS。因此，鉴于HDL能够通过HDL-胆固醇（HDL-C）和SARS-CoV-2 刺突蛋白 (SARS-CoV-2-S)之间的相互作用与SARS-CoV-2病毒颗粒结合，HDL横穿BBB内皮细胞和BSCFB上皮细胞的能力可能使这些天然屏障在循环HDLs存在的情况下易受SARS-CoV-2感染。
越来越多的证据表明，SARS-CoV-2 感染后内源性脂蛋白谱发生了大规模的重塑。与 SARS-CoV-2 感染相关的共同脂蛋白特征是脂蛋白相关胆固醇的降低，尤其是 HDLs；与低密度脂蛋白 (LDL) 和极低密度脂蛋白（VLDL）相关的 TAG 普遍增加。住院前或住院期间的低 HDL 和高 TAG 的血清特征强烈预测向严重 COVID-19 的转变。APOA1的降低也预示着 COVID-19 从轻度到重度的转变，这与随着疾病严重程度的增加，COVID-19 患者的APOA1和 HDL-C逐渐降低一致。
血浆HDL-C降低的神经学意义，特别是在COVID-19的急性期，值得进一步关注。低血浆HDL-C与老年阿尔兹海默病（AD）患者和中年认知正常个体的认知能力下降有关。相反，升高的 HDL-C 降低了迟发性AD的风险。在精神分裂症患者中观察到CSF和血清APOA1降低，在重度抑郁症患者中也记录到 HDL-C降低。HDLs对神经有益作用的机制细节尚未完全了解，但可能是由 HDLs脂质和/或蛋白质物质固有的抗炎和抗氧化特性介导的。血脂异常可能导致加重的神经后遗症，主要是由循环HDLs降低介导的，转化为胆固醇清除减弱和内皮细胞保护减弱，这对大脑的正常功能有害。
外泌体
外泌体和病毒在大小、结构以及细胞产生和被受体细胞摄取的机制方面具有共同的特征。重要的是，外泌体的脂质膜组成与病毒颗粒具有明显的相似性，特别是都富含脂筏脂质（胆固醇和鞘磷脂）。
通过内源性伪装来躲避宿主免疫监视的病毒货物，外泌体有助于免疫逃避并促进病毒在体循环中的传播。例如，外泌体表面的GD3神经节苷脂与T细胞的功能停滞有因果关系，从而产生有利于肿瘤进展的免疫抑制微环境。通过从 GD3 包被的外泌体中去除唾液酸基序消除了T细胞的功能抑制，这表明免疫抑制特性是由唾液酸化特异性赋予的。同样，单唾液酸-二己糖基神经节苷脂 (GM3s)，是唯一与 COVID-19 患者的 T 细胞和 CD4+ T 细胞计数呈负相关的血浆脂质。由于唾液酸上的负电荷与构成BBB的人脑微血管内皮细胞 (HBMEC) 中富含的 N-乙酰氨基葡萄糖之间的静电相互作用，纳米颗粒上增强的唾液酸化被证明可以促进BBB渗透。唾液酸修饰允许唾液酸化纳米颗粒在脑内的长期驻留可能归因于脑实质中的唾液酸受体。然而，在COVID-19外泌体中观察到的增强的唾液酸化是否是病毒或宿主驱动的仍有待确定。
唾液酸，特别是脂筏上的含唾液酸的神经节苷脂，被认为是辅助附着共受体，与脂筏定位的ACE2协同作用以促进SARS-CoV-2的细胞进入。除了唾液酸，外泌体膜上的其他脂质也可能促进SARS-CoV-2进入宿主细胞。例如，磷脂酰丝氨酸 (PS) 受体通过凋亡模拟促进SARS-CoV-2内化到宿主细胞的内体区室中，特别是在同源ACE2受体浓度较低的情况下。除脂质外，外泌体膜上的蛋白质也可能参与 SARS-CoV-2的识别和结合。分化簇 147 (CD 147) 以高亲和力直接与SARS-CoV-2-S的受体结合域结合，使其成为独立于ACE2的SARS-CoV-2进入的潜在替代受体。
外泌体还可以在运输中作用于远处部位，以改变受体组织和细胞的代谢状态，从而介导由病毒或宿主驱动的组织间串扰。从受感染的亲代细胞释放的外泌体保留了向远处器官和组织感染及引发代谢反应的生物学特性。SARS-CoV-2感染会导致外泌体成分发生剧烈变化，从而促进病毒结合，促进免疫逃避，并诱导全身炎症和凝血。其中一些修饰，例如CD147和早老素-1 (PS-1)的增加可能对大脑代谢和认知功能有害。病毒诱导的外泌体CD147和带有唾液酸的神经节苷脂的增加可以增强外泌体穿过BBB的迁移，从而促进病毒神经趋向性。事实上，许多研究表明，即使在没有病毒诱导的修饰的情况下，外泌体也具有通过跨细胞迁移穿过BBB的固有能力，并且当神经屏障的完整性在促炎作用下受到损害时，外泌体向大脑的迁移会进一步增强。因此，携带病毒物质和促炎蛋白的外泌体可以更容易地穿过受全身炎症伤害的 BBB，特别是在COVID-19的高炎症阶段，从而构成SARS-CoV-2神经趋向性的替代途径（图3）。
图3. SARS-CoV-2 神经趋向性的血源性途径
HDLs 和外泌体引起依赖于脂筏的神经效应
由于众多研究报道了各种病原体利用脂筏进入宿主，脂筏越来越多地被认为是病原体的膜入口。脂筏不仅是HDL和外泌体的内源性生成和神经趋向性机制的核心，而且还可以微调它们的组成和生物学特性，从而调节外泌体的神经效应。新生的HDLs在脂质组成（即富含胆固醇和SM）方面与脂筏具有显著的相似性，这表明新生的HDLs可能来源于质膜的筏状区域。同样，外泌体来源于富含胆固醇的 MVB。就趋向神经性而言，ACE2 和SR-BI都位于脂筏上。此外，ACE2和SR-BI均在内皮细胞上表达，并且SR-BI促进HDLs跨HBMECs单层的转胞吞作用。类似地，外泌体跨HBMECs的跨细胞迁移通过脂筏介导的内吞作用进行。脂筏脂质水平的提高增强了外泌体膜的各向异性（或降低了流动性），从而增强了PS-1在COVID-19的高炎症期在血浆外泌体上的定位，这与患者高炎症期血浆Aβ40肽水平的升高有关。因此，脂筏含量会改变外泌体的生物学特性，并可能增强它们通过BBB中的迁移，从而影响大脑代谢。
即使病毒没有真正穿过BBB并进入大脑，SARS-CoV-2也可以引发神经系统攻击。在COVID-19患者中观察到循环免疫细胞向大脑的病理浸润增加。外周循环中的全身性炎症可通过促炎继发机制使中枢神经系统不胜负荷。神经系统并发症可能是由于外周蛋白和脂质的病理性渗漏引起的，特别是对于天生能够穿过BBB的代谢物。一个说明性的例子是血浆溶血磷脂酰胆碱 (LPCs) 在严重程度越来越高的COVID-19患者中逐渐增加。LPCs对血管组织产生促炎作用，并能够通过 Mfsd2a转运蛋白穿过BBB。在 COVID-19 患者的循环中，补体级联的几种蛋白质也显著增加。虽然大多数补体蛋白通常不会穿过BBB，但当BBB受到全身炎症的损害时，它们可以通过血脑屏障进入神经系统，从而对大脑及其相关脉管系统造成附带损害。
药物再利用为减轻COVID-19造成的迅速扩大的疾病负担提供了一条快速通道。鉴于脂质在COVID-19发病机制中的广泛参与，评估用于治疗COVID-19及其神经系统后遗症的脂质靶向药物可能是有用的。虽然由SARS-CoV-2感染触发的上游途径可能与其他病毒不同，但导致不良后果的下游宿主代谢失调可能会集中在共同途径上。因此，靶向宿主脂质代谢代表了一种针对COVID-19和其他病毒感染的可行、长期的方法。由于SARS-CoV-2靶向宿主膜脂以进行细胞进入和复制，因此干扰膜脂稳态的抗病毒药物可能会阻止病毒感染。如蛇毒磷脂酶 A2 (PLA2) 表现出强大的杀病毒作用，这归因于它们对膜磷脂的脂解活性。目前正在进行非小细胞肺癌的II期试验的Bemcentinib可通过抑制PS受体阻止SARS-CoV-2细胞进入。针对脂肪酸和中性脂质生物合成的各种药理抑制剂，包括奥利司他、triacsin C和A922500，具有抑制感染宿主细胞内SARS-CoV-2复制的潜力。靶向为“脂质体特洛伊木马”提供燃料的脂筏的药物，如甘草酸，可诱导胆固醇依赖性破坏脂筏，也可能有用。一些他汀类药物，如瑞舒伐他汀和辛伐他汀，能够提高新冠病毒疾病患者的HDL-C，并缩短HDL-C降低的持续时间，可能有利于神经系统的预后。然而，关于2019冠状病毒疾病患者使用他汀类药物的结果的报告却相互矛盾。由于高密度脂蛋白还介导ACE2依赖性SARS-CoV-2进入，考虑到疾病进程，药物应用的精确时间可能对最大限度地发挥他汀类药物的潜在益处至关重要。
随着患有神经系统症状的COVID-19患者人数不断增加，必须开发更好的诊断工具，在出现神经系统症状的较早时间点来识别高危患者，以便留下更广泛的治疗干预的窗口。除了全身炎症的常规临床指标之外，组学驱动的技术在外周循环中提供了一系列额外的非侵入性代谢物标志物，可以更好地反映特定于CNS的损伤程度，这在疾病高炎症阶段尤其重要。为此，主要来自神经源的代谢物和脂质是传递大脑特异性畸变的有希望的候选者。鉴于在COVID-19治疗过程中 HDLs 减少对神经系统的影响，还值得研究HDLs减少的程度是否与幸存者的神经系统结果长期相关。关于脂蛋白和外泌体是否是完整的SARS-CoV-2病毒或外周循环中病毒物质的有效传递者的问题也仍然存在。如果对这些脂质颗粒的含量进行工程改造，可能会提供额外的方法来对抗病毒传播。例如，来自间充质干细胞的外泌体被提议作为治疗COVID-19的免疫调节剂。此外，恢复期血浆疗法可改善重症COVID-19患者的临床症状。鉴于从COVID-19的连续阶段分离的血浆外泌体引起的不同组成特征和生物学效应，来自“清除病毒”阶段的外泌体可能会为针对COVID-19的工程改造提供有用见解。
中科脂典技术总监Lam Sin Man 博士为本文的第一作者。这项工作得到了国家重点研发计划（2018YFA050900、2018YFA0800901）、国家自然科学基金（NSFC92057202、NSFC 91954207）以及安捷伦应用和核心技术大学研究项目的资助。
