你能想象得到嗎？只需輕輕噴一噴，就能在鼻子內(nèi)“戴”上一層“口罩”。中國科學(xué)院過程工程研究所（以下簡稱過程工程所）的科研人員創(chuàng)制了一種“鼻內(nèi)口罩”，能夠?qū)崿F(xiàn)對病毒的攔截并讓病毒失活，可大大降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。研究顯示，在小鼠、人鼻腔數(shù)字模型、人呼吸道仿真模型驗(yàn)證中，“鼻內(nèi)口罩”均表現(xiàn)出顯著的防護(hù)效果。
什么是“鼻內(nèi)口罩”，其防護(hù)原理是什么，和普通口罩相比它有什么優(yōu)勢？科技日報(bào)記者就這些問題采訪了相關(guān)專家。
在鼻腔處設(shè)置一道“關(guān)卡”
氣溶膠是病毒性呼吸道傳染病的主要傳播方式。鑒于病毒氣溶膠可以通過鼻腔侵入人體，研究人員設(shè)想，是否可以在鼻腔處設(shè)置一道“關(guān)卡”或“護(hù)盾”，即涂上可以有效攔截病毒甚至滅活病毒的涂層？基于多年的生物劑型工程研究基礎(chǔ)，中國科學(xué)院院士、過程工程所研究員馬光輝和過程工程所研究員魏煒團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了“鼻內(nèi)口罩”。
實(shí)際上，“鼻內(nèi)口罩”是一種嵌合細(xì)胞囊泡的溫度敏感型凝膠。它由表面高表達(dá)病毒受體的微米級細(xì)胞囊泡，嵌合在攜帶正電荷的溫敏型水凝膠中構(gòu)成。在室溫狀態(tài)下，它呈現(xiàn)液態(tài)并可以噴霧的方式進(jìn)入鼻腔中。當(dāng)液態(tài)的“鼻內(nèi)口罩”進(jìn)入鼻腔后，在人體溫度的作用下，可以很快地由液態(tài)轉(zhuǎn)化為凝膠態(tài)，從而在鼻腔中形成一層凝膠防護(hù)層。
“該防護(hù)層能夠通過攔截和誘捕這兩種作用，阻止病毒氣溶膠進(jìn)入肺部，并且能夠使病毒氣溶膠中的病毒失去感染能力。”論文共同第一作者、過程工程所副研究員王雙說，當(dāng)病毒氣溶膠被吸入鼻腔時(shí)，該凝膠防護(hù)層中的正電荷凝膠能夠攔截并吸附帶負(fù)電荷的病毒氣溶膠顆粒，從而阻斷其向下游氣管及肺部的傳播；而嵌合在凝膠中的微米級細(xì)胞囊泡，能夠進(jìn)一步借助表面高表達(dá)的病毒受體，誘捕病毒進(jìn)入囊泡內(nèi)部使其失活，以此保護(hù)鼻腔上皮細(xì)胞不被病毒感染。上述兩種作用協(xié)同，可降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。
“在研究過程中，我們制備了多種不同濃度、不同配比的水凝膠。通過考察它們的噴霧性能、溫敏性能、氣溶膠吸附性能等，我們最后篩選出了一個(gè)多方面均有良好表現(xiàn)的凝膠配方。”論文共同第一作者、過程工程所博士生胡校銘說。
通過小鼠的病毒感染模型與病毒傳播模型實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，“鼻內(nèi)口罩”可以有效保護(hù)小鼠鼻腔和肺部免受病毒氣溶膠的感染。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還借助3D打印技術(shù)獲得了人體鼻腔實(shí)物模型，并將其與人肺類器官模塊（模擬肺組織）和氣流管道模塊（模擬呼吸氣流）連接，構(gòu)建了集成化的人呼吸道仿真模型。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)證明了“鼻內(nèi)口罩”能夠有效降低不同病毒氣溶膠對于肺類器官的感染率。
以內(nèi)化方式遮蔽病毒感染蛋白
與以往研究主要針對病毒感染不同，這項(xiàng)研究主要聚焦于病毒氣溶膠。“我們的研究提供了一種攔截病毒氣溶膠并誘捕病毒，從而阻止病毒氣溶膠感染的新思路。這為病毒氣溶膠防護(hù)領(lǐng)域添上了一塊新的拼圖。”王雙說。
在以往的研究中，科研人員主要利用納米級細(xì)胞囊泡，或者宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜修飾的納米顆粒作為病毒“誘餌”。這種病毒“誘餌”能夠借助其表面攜帶的病毒受體與病毒進(jìn)行結(jié)合。但由于其內(nèi)部尺寸太小或無內(nèi)部空間，因此它不能內(nèi)化病毒，僅能遮蔽病毒的一部分感染蛋白，導(dǎo)致病毒還有感染細(xì)胞的可能性。
王雙介紹，在本研究中，團(tuán)隊(duì)制備出微米級細(xì)胞囊泡作為病毒“誘餌”。它的內(nèi)部具有較大的空間，能夠通過內(nèi)化的方式遮蔽病毒的感染蛋白，大大降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。更為重要的是，微米級細(xì)胞囊泡表面的病毒受體完全來自病毒的宿主細(xì)胞，而病毒感染細(xì)胞的過程必須借助宿主細(xì)胞膜表面的病毒受體。因此，這種結(jié)合不會由于病毒發(fā)生突變而喪失。這也就意味著微米級細(xì)胞囊泡內(nèi)化病毒并使病毒失活的能力不會因?yàn)椴《咀儺惗В軌蜻m用于病毒的不同變異株。
這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地將計(jì)算流體力學(xué)—離散顆粒模擬（CFD-DPS）技術(shù)，與基于電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)的3D重構(gòu)技術(shù)運(yùn)用到病毒氣溶膠鼻內(nèi)防護(hù)領(lǐng)域的研究中。研究還首次構(gòu)建了人呼吸道仿真模型，來模擬真實(shí)人體在呼吸作用下吸入病毒氣溶膠的過程。同時(shí)，研究借助計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，從多角度為“鼻內(nèi)口罩”在人體上的適用性與有效性提供了有力證據(jù)。魏煒認(rèn)為，研究中所使用的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和人呼吸道仿真模型等創(chuàng)新模型，為病毒防護(hù)領(lǐng)域的研究者提供了一些新思路。
給特定人群帶來額外防護(hù)效果
相比普通口罩，“鼻內(nèi)口罩”具有一些明顯優(yōu)勢。胡校銘介紹，在使用部位上，普通口罩是佩戴在面部的；“鼻內(nèi)口罩”是施加在鼻腔內(nèi)部的。在防護(hù)機(jī)理上，普通口罩主要發(fā)揮物理阻隔作用，將病毒攔截在呼吸道以外，但不能使黏附在口罩上的病毒失活；“鼻內(nèi)口罩”不僅能夠攔截病毒，而且還能進(jìn)一步使被攔截的氣溶膠中的病毒失去感染能力，降低病毒感染細(xì)胞的可能性。在現(xiàn)實(shí)生活中，可以將“鼻內(nèi)口罩”與普通口罩聯(lián)合使用。普通口罩用以物理阻隔大部分病毒氣溶膠顆粒，而“鼻內(nèi)口罩”能夠進(jìn)一步將通過口罩縫隙吸入的病毒進(jìn)行攔截、捕獲并使其失活。
“必須強(qiáng)調(diào)的是，目前這項(xiàng)成果仍屬于臨床前研究階段，實(shí)際的臨床療效還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。”王雙說，如果“鼻內(nèi)口罩”的臨床療效驗(yàn)證很好，未來它的推廣能為哮喘患者等不適合或不習(xí)慣佩戴口罩的人提供一種額外的選擇，從而能夠提升公眾的防護(hù)意愿，降低病毒性呼吸道傳染病的發(fā)病率。
同時(shí)，“鼻內(nèi)口罩”與普通口罩聯(lián)用，還能為醫(yī)務(wù)人員等經(jīng)常出入高濃度病毒氣溶膠區(qū)域的人群提供額外防護(hù)，有望大幅降低病毒氣溶膠對他們造成的感染風(fēng)險(xiǎn)，為他們的健康提供額外保障。
更重要的是，鑒于該體系構(gòu)建的通用性、靈活性和安全性，未來在應(yīng)對新發(fā)病毒性呼吸道傳染病時(shí)，研究人員能夠利用基因編輯等手段，使已有的工程化細(xì)胞表達(dá)該病毒對應(yīng)的病毒受體。這樣就可快速制備出針對新發(fā)病毒氣溶膠的“鼻內(nèi)口罩”，以迅速響應(yīng)新發(fā)病毒性呼吸道傳染病，降低這些傳染病的傳播速率，減少其對公共衛(wèi)生安全的威脅。
你能想象得到嗎？只需輕輕噴一噴，就能在鼻子內(nèi)“戴”上一層“口罩”。中國科學(xué)院過程工程研究所（以下簡稱過程工程所）的科研人員創(chuàng)制了一種“鼻內(nèi)口罩”，能夠?qū)崿F(xiàn)對病毒的攔截并讓病毒失活，可大大降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。研究顯示，在小鼠、人鼻腔數(shù)字模型、人呼吸道仿真模型驗(yàn)證中，“鼻內(nèi)口罩”均表現(xiàn)出顯著的防護(hù)效果。
什么是“鼻內(nèi)口罩”，其防護(hù)原理是什么，和普通口罩相比它有什么優(yōu)勢？科技日報(bào)記者就這些問題采訪了相關(guān)專家。
在鼻腔處設(shè)置一道“關(guān)卡”
氣溶膠是病毒性呼吸道傳染病的主要傳播方式。鑒于病毒氣溶膠可以通過鼻腔侵入人體，研究人員設(shè)想，是否可以在鼻腔處設(shè)置一道“關(guān)卡”或“護(hù)盾”，即涂上可以有效攔截病毒甚至滅活病毒的涂層？基于多年的生物劑型工程研究基礎(chǔ)，中國科學(xué)院院士、過程工程所研究員馬光輝和過程工程所研究員魏煒團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了“鼻內(nèi)口罩”。
實(shí)際上，“鼻內(nèi)口罩”是一種嵌合細(xì)胞囊泡的溫度敏感型凝膠。它由表面高表達(dá)病毒受體的微米級細(xì)胞囊泡，嵌合在攜帶正電荷的溫敏型水凝膠中構(gòu)成。在室溫狀態(tài)下，它呈現(xiàn)液態(tài)并可以噴霧的方式進(jìn)入鼻腔中。當(dāng)液態(tài)的“鼻內(nèi)口罩”進(jìn)入鼻腔后，在人體溫度的作用下，可以很快地由液態(tài)轉(zhuǎn)化為凝膠態(tài)，從而在鼻腔中形成一層凝膠防護(hù)層。
“該防護(hù)層能夠通過攔截和誘捕這兩種作用，阻止病毒氣溶膠進(jìn)入肺部，并且能夠使病毒氣溶膠中的病毒失去感染能力。”論文共同第一作者、過程工程所副研究員王雙說，當(dāng)病毒氣溶膠被吸入鼻腔時(shí)，該凝膠防護(hù)層中的正電荷凝膠能夠攔截并吸附帶負(fù)電荷的病毒氣溶膠顆粒，從而阻斷其向下游氣管及肺部的傳播；而嵌合在凝膠中的微米級細(xì)胞囊泡，能夠進(jìn)一步借助表面高表達(dá)的病毒受體，誘捕病毒進(jìn)入囊泡內(nèi)部使其失活，以此保護(hù)鼻腔上皮細(xì)胞不被病毒感染。上述兩種作用協(xié)同，可降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。
“在研究過程中，我們制備了多種不同濃度、不同配比的水凝膠。通過考察它們的噴霧性能、溫敏性能、氣溶膠吸附性能等，我們最后篩選出了一個(gè)多方面均有良好表現(xiàn)的凝膠配方。”論文共同第一作者、過程工程所博士生胡校銘說。
通過小鼠的病毒感染模型與病毒傳播模型實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，“鼻內(nèi)口罩”可以有效保護(hù)小鼠鼻腔和肺部免受病毒氣溶膠的感染。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還借助3D打印技術(shù)獲得了人體鼻腔實(shí)物模型，并將其與人肺類器官模塊（模擬肺組織）和氣流管道模塊（模擬呼吸氣流）連接，構(gòu)建了集成化的人呼吸道仿真模型。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)證明了“鼻內(nèi)口罩”能夠有效降低不同病毒氣溶膠對于肺類器官的感染率。
以內(nèi)化方式遮蔽病毒感染蛋白
與以往研究主要針對病毒感染不同，這項(xiàng)研究主要聚焦于病毒氣溶膠。“我們的研究提供了一種攔截病毒氣溶膠并誘捕病毒，從而阻止病毒氣溶膠感染的新思路。這為病毒氣溶膠防護(hù)領(lǐng)域添上了一塊新的拼圖。”王雙說。
在以往的研究中，科研人員主要利用納米級細(xì)胞囊泡，或者宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜修飾的納米顆粒作為病毒“誘餌”。這種病毒“誘餌”能夠借助其表面攜帶的病毒受體與病毒進(jìn)行結(jié)合。但由于其內(nèi)部尺寸太小或無內(nèi)部空間，因此它不能內(nèi)化病毒，僅能遮蔽病毒的一部分感染蛋白，導(dǎo)致病毒還有感染細(xì)胞的可能性。
王雙介紹，在本研究中，團(tuán)隊(duì)制備出微米級細(xì)胞囊泡作為病毒“誘餌”。它的內(nèi)部具有較大的空間，能夠通過內(nèi)化的方式遮蔽病毒的感染蛋白，大大降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。更為重要的是，微米級細(xì)胞囊泡表面的病毒受體完全來自病毒的宿主細(xì)胞，而病毒感染細(xì)胞的過程必須借助宿主細(xì)胞膜表面的病毒受體。因此，這種結(jié)合不會由于病毒發(fā)生突變而喪失。這也就意味著微米級細(xì)胞囊泡內(nèi)化病毒并使病毒失活的能力不會因?yàn)椴《咀儺惗В軌蜻m用于病毒的不同變異株。
這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地將計(jì)算流體力學(xué)—離散顆粒模擬（CFD-DPS）技術(shù)，與基于電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)的3D重構(gòu)技術(shù)運(yùn)用到病毒氣溶膠鼻內(nèi)防護(hù)領(lǐng)域的研究中。研究還首次構(gòu)建了人呼吸道仿真模型，來模擬真實(shí)人體在呼吸作用下吸入病毒氣溶膠的過程。同時(shí)，研究借助計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，從多角度為“鼻內(nèi)口罩”在人體上的適用性與有效性提供了有力證據(jù)。魏煒認(rèn)為，研究中所使用的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和人呼吸道仿真模型等創(chuàng)新模型，為病毒防護(hù)領(lǐng)域的研究者提供了一些新思路。
給特定人群帶來額外防護(hù)效果
相比普通口罩，“鼻內(nèi)口罩”具有一些明顯優(yōu)勢。胡校銘介紹，在使用部位上，普通口罩是佩戴在面部的；“鼻內(nèi)口罩”是施加在鼻腔內(nèi)部的。在防護(hù)機(jī)理上，普通口罩主要發(fā)揮物理阻隔作用，將病毒攔截在呼吸道以外，但不能使黏附在口罩上的病毒失活；“鼻內(nèi)口罩”不僅能夠攔截病毒，而且還能進(jìn)一步使被攔截的氣溶膠中的病毒失去感染能力，降低病毒感染細(xì)胞的可能性。在現(xiàn)實(shí)生活中，可以將“鼻內(nèi)口罩”與普通口罩聯(lián)合使用。普通口罩用以物理阻隔大部分病毒氣溶膠顆粒，而“鼻內(nèi)口罩”能夠進(jìn)一步將通過口罩縫隙吸入的病毒進(jìn)行攔截、捕獲并使其失活。
“必須強(qiáng)調(diào)的是，目前這項(xiàng)成果仍屬于臨床前研究階段，實(shí)際的臨床療效還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。”王雙說，如果“鼻內(nèi)口罩”的臨床療效驗(yàn)證很好，未來它的推廣能為哮喘患者等不適合或不習(xí)慣佩戴口罩的人提供一種額外的選擇，從而能夠提升公眾的防護(hù)意愿，降低病毒性呼吸道傳染病的發(fā)病率。
同時(shí)，“鼻內(nèi)口罩”與普通口罩聯(lián)用，還能為醫(yī)務(wù)人員等經(jīng)常出入高濃度病毒氣溶膠區(qū)域的人群提供額外防護(hù)，有望大幅降低病毒氣溶膠對他們造成的感染風(fēng)險(xiǎn)，為他們的健康提供額外保障。
更重要的是，鑒于該體系構(gòu)建的通用性、靈活性和安全性，未來在應(yīng)對新發(fā)病毒性呼吸道傳染病時(shí)，研究人員能夠利用基因編輯等手段，使已有的工程化細(xì)胞表達(dá)該病毒對應(yīng)的病毒受體。這樣就可快速制備出針對新發(fā)病毒氣溶膠的“鼻內(nèi)口罩”，以迅速響應(yīng)新發(fā)病毒性呼吸道傳染病，降低這些傳染病的傳播速率，減少其對公共衛(wèi)生安全的威脅。
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