“鼻內(nèi)口罩”有望加固抵御病毒防線

◎本報記者 陸成寬

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險。研究顯示，在小鼠、人鼻腔數(shù)字模型、人呼吸道仿真模型驗證中，“鼻內(nèi)口罩”均表現(xiàn)出顯著的防護效果。

什么是“鼻內(nèi)口罩”，其防護原理是什么，和普通口罩相比它有什么優(yōu)勢?科技日報記者就這些問題采訪了相關專家。

在鼻腔處設置一道“關卡”

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，研究人員設想，是否可以在鼻腔處設置一道“關卡”或“護盾”，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，中國科學院院士、過程工程所研究員馬光輝和過程工程所研究員魏煒團隊創(chuàng)制了“鼻內(nèi)口罩”。

實際上，“鼻內(nèi)口罩”是一種嵌合細胞囊泡的溫度敏感型凝膠。它由表面高表達病毒受體的微米級細胞囊泡，嵌合在攜帶正電荷的溫敏型水凝膠中構成。在室溫狀態(tài)下，它呈現(xiàn)液態(tài)并可以噴霧的方式進入鼻腔中。當液態(tài)的“鼻內(nèi)口罩”進入鼻腔后，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層。

“該防護層能夠通過攔截和誘捕這兩種作用，阻止病毒氣溶膠進入肺部，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，當病毒氣溶膠被吸入鼻腔時，該凝膠防護層中的正電荷凝膠能夠攔截并吸附帶負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胞囊泡，能夠進一步借助表面高表達的病毒受體，誘捕病毒進入囊泡內(nèi)部使其失活，以此保護鼻腔上皮細胞不被病毒感染。上述兩種作用協(xié)同，可降低病毒感染的風險。

“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驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，“鼻內(nèi)口罩”可以有效保護小鼠鼻腔和肺部免受病毒氣溶膠的感染。

此外，研究團隊還借助3D打印技術獲得了人體鼻腔實物模型，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，構建了集成化的人呼吸道仿真模型。在此基礎上，團隊證明了“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領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胞囊泡，或者宿主細胞的細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行結合。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，導致病毒還有感染細胞的可能性。

王雙介紹，在本研究中，團隊制備出微米級細胞囊泡作為病毒“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險。更為重要的是，微米級細胞囊泡表面的病毒受體完全來自病毒的宿主細胞，而病毒感染細胞的過程必須借助宿主細胞膜表面的病毒受體。因此，這種結合不會由于病毒發(fā)生突變而喪失。這也就意味著微米級細胞囊泡內(nèi)化病毒并使病毒失活的能力不會因為病毒變異而失效，能夠適用于病毒的不同變異株。

這項研究創(chuàng)新性地將計算流體力學—離散顆粒模擬(CFD-DPS)技術，與基于電子計算機斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)的3D重構技術運用到病毒氣溶膠鼻內(nèi)防護領域的研究中。研究還首次構建了人呼吸道仿真模型，來模擬真實人體在呼吸作用下吸入病毒氣溶膠的過程。同時，研究借助計算機模擬與實驗驗證相結合的方式，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)。魏煒認為，研究中所使用的計算機模擬技術和人呼吸道仿真模型等創(chuàng)新模型，為病毒防護領域的研究者提供了一些新思路。

給特定人群帶來額外防護效果

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。在防護機理上，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，降低病毒感染細胞的可能性。在現(xiàn)實生活中，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”能夠進一步將通過口罩縫隙吸入的病毒進行攔截、捕獲并使其失活。

“必須強調(diào)的是，目前這項成果仍屬于臨床前研究階段，實際的臨床療效還有待進一步驗證。”王雙說，如果“鼻內(nèi)口罩”的臨床療效驗證很好，未來它的推廣能為哮喘患者等不適合或不習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意愿，降低病毒性呼吸道傳染病的發(fā)病率。

同時，“鼻內(nèi)口罩”與普通口罩聯(lián)用，還能為醫(yī)務人員等經(jīng)常出入高濃度病毒氣溶膠區(qū)域的人群提供額外防護，有望大幅降低病毒氣溶膠對他們造成的感染風險，為他們的健康提供額外保障。

更重要的是，鑒于該體系構建的通用性、靈活性和安全性，未來在應對新發(fā)病毒性呼吸道傳染病時，研究人員能夠利用基因編輯等手段，使已有的工程化細胞表達該病毒對應的病毒受體。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。