新冠疫情以来，有部分病例报告了包括头痛、嗅觉丧失、老年痴呆、意识混乱、癫痫和脑病变在内的神经系统症状。此前一项对武汉214名住院COVID-19患者的研究中，36.4%的患者有神经学表现，在严重感染患者中比例更高，占到45.5%。
香港大学李嘉诚医学院袁国勇教授等人也在关注这一问题。8月4日，自然出版集团旗下、中科院主管的权威期刊《细胞研究》（Cell Research）在线发表了来自香港大学、中科院深圳先进技术研究院、暨南大学等团队的一篇文章，题为“SARS-CoV-2 infects human neural progenitor cells and brain organoids”，除袁国勇之外，该研究通讯作者还包括香港大学李嘉诚医学院的Hin Chu和中科院深圳先进技术研究院的黄建东。
在中国武汉市对214例住院的COVID-19患者进行的研究表明，神经系统症状发现在36.4％的患者中。在法国，一项研究报告了84.5％（49/58）的COVID-19患者入院时的神经系统检查结果。法国的一项研究报告了84.5%(49/58)的住院COVID-19患者出现神经系统症状。值得重视的是，德国最近的一项研究则表明，在36.4%(8/22)的死亡COVID-19病例中，可以在脑活检中检测到SARS-CoV-2 RNA，这强调了人脑中存在病毒感染的可能性。
迄今为止，在人类中枢神经系统（CNS）中没有SARS-CoV-2感染的直接实验证据。最近，研究人员证明了SARS-CoV-2可以在神经元起源的细胞中感染和复制。根据这一发现，表明SARS-CoV-2可以感染和破坏仓鼠的嗅觉感觉神经元。此外ACE2在大脑中被广泛检测到，并且高度集中在黑质、中颞回和扣带回皮层等多个位置。综合以上，人脑可能是SARS-CoV-2感染的肺外靶标。
为了探讨在生理相关模型中，SARS-CoV-2直接攻击中枢神经系统，研究人员评估了诱导多能干细胞（iPSC）衍生的神经元祖细胞（hNPC），神经球和脑类器官中的SARS-CoV-2感染。
我们首先评估了ACE2和关键冠状病毒进入相关蛋白酶在hNPCs中的表达。我们的数据提示在hNPCs中很容易检测到ACE2、TMPRSS2、组织蛋白酶L和弗林蛋白酶。
SARS-CoV-2感染hNPC，神经球和脑器官
a. 用10个MOI SARS-CoV-2或SARS-CoV攻击hNPC。b.用qRT-PCR方法检测SARS-CoV-2接种后神经球上清中病毒RNA的含量。c.72hpi下的SARS-CoV-2或模拟接种神经球的共焦图像。d. 72hpi下的SARS-CoV-2接种的神经球的透射电子显微镜图像。e. 35天的大脑类器官特征 f.SARS-CoV-2感染的脑类器官的代表性图像 g.在0、24、48和72 hpi收集病毒上清液样品。i. SARS-CoV-2-N和TUJ1免疫染色法检测SARS-CoV-2-N和TUJ1的典型人脑器官图像
该研究以SARS-CoV作为对照，对iPSC衍生的hNPC进行了感染试验。有趣的是, 我们的数据表明，SARS-CoV-2而不是SARS-CoV，可以在hNPCs中复制(图1a)。此外，研究人员量化了感染SARS-CoV-2的hNPCs的细胞活力。在72和120hpi时，SARS-CoV-2感染显著降低了hNPCs的存活率(图1a)。
与SARS-CoV-2在受感染的hNPC中诱导的实质性细胞毒性相反，SARS-CoV-2感染并没有显著上调感染hNPCs的干扰素和促炎症反应。
接下来，我们用SARS-CoV-2感染3D神经球，在0、24、48和72 hpi从感染的神经球中收获上清液样品进行病毒复制。我们发现SARS-CoV-2的RNA聚合酶（RdRp）的拷贝数以时间依赖性方式显着增加。
同时，对SARS-CoV-2感染的神经球进行冷冻切片和染色，SARS-CoV-2核衣壳蛋白在感染的神经球中很容易检测到，但在模拟感染的神经球中没有检测到阳性信号。
此外，在双膜结构的液泡中检测到大量的病毒颗粒，这可能代表了病毒颗粒的形成位置。这些发现表明神经球对SARS-CoV-2的感染是被允许的，并支持了病毒的高效复制。
SARS-CoV-2是否可以感染3D人脑器官？使用先前描述生成iPSC衍生的人脑器官。35日龄的脑器质呈现自组织的内部形态，NESTIN染色显示出脑内有活跃的增殖性npc。总的来说，这样的类器官系统可以模拟脑神经。为了研究大脑类器官是否允许SARS-CoV-2感染，研究人员让SARS-CoV-2对35天的iPSC的类脑器官进行攻击。
结果表明，在72 hpi的感染样本中检测到广泛的SARS-CoV-2抗原，表明SARS-CoV-2直接感染了脑器官。经过检查发现，SARS-CoV-2-N信号在大脑类器官的外围区域或更深区域。另外，在SARS-CoV-2感染的区域中容易检测到细胞之间的融合。
同时，研究人员分析了受感染的类脑器官的上清液样本，以评估SARS-CoV-2病毒粒子的释放。结果表明，SARS-CoV-2RDRP基因拷贝数随时间增加，意味感染脑组织的子代病毒颗粒的活跃情况。
这也说明了iPSC衍生的hNPCs对SARS-CoV-2感染是有响应的，但对SARS-CoV感染没有看到响应。在被感染SARS-CoV-2的神经球和脑器质中检测到病毒表达和病毒颗粒，说明SARS-CoV-2可以有效地感染人脑。这一发现突显了病毒直接参与COVID-19患者神经系统症状的可能性。这一结果表明了人脑类器官的易感性。
虽然，神经元祖细胞（neuronal progenitor cells）对SARS-CoV-2的耐受性研究中还不清楚。但是，目前已经证明了SARS-CoV-2也可以针对神经元祖细胞群感染。
2015年出现的寨卡病毒也被公认是针对人脑中的神经元祖细胞，导致胎儿出现小头畸形和严重的发育缺陷以及成人的其他神经系统异常。研究团队强调，应密切监测中枢神经系统中SARS-CoV-2感染的慢性或长期后果。
参考资料：
Bao-Zhong Zhang,et al.SARS-CoV-2 infects human neural progenitor cells and brain organoids.Cell Research.DOI: 10.1038/s41422-020-0390-x
