吸烟导致的慢性阻塞性肺病（COPD）等呼吸道疾病是全球健康的重要威胁。尽管N-乙酰半胱氨酸（NAC）作为临床常用药物，其抗氧化和黏液溶解作用已被认可，但它如何精准对抗尼古丁的毒性却一直是未解之谜。近期，清华大学团队在《Advanced Science》发表重磅研究，利用患者来源的气道类器官模型，首次揭示了NAC通过“拦截”尼古丁与受体结合的全新机制，为治疗吸烟相关疾病提供了新靶点！
传统细胞模型难以复现气道的复杂结构和功能，在本文中，研究人员从人支气管组织来源的上皮细胞构建气道类器官，支气管组织来源的上皮细胞在体外长时间培养后可以自组织成三维（3D）支气管球，支气管球的长期培养促进了纤毛的发育，再现了气道的跳动功能，并产生了类器官的运动。
1. 多细胞类器官构建：利用患者支气管组织，培养出包含纤毛细胞、杯状细胞、基底细胞等多种气道细胞的三维类器官，完美模拟真实气道的结构和功能（图1）。
2. 纤毛运动实时监测：开发算法动态追踪纤毛摆动频率，发现尼古丁暴露仅3小时即可显著抑制纤毛运动，且这一损伤早于细胞凋亡（图2），成为早期毒性标志。
3. “由外向内”极性：类器官的纤毛朝外排列，直接暴露于环境刺激，更贴近人体气道对烟雾的响应模式。

1. NAC 抵消尼古丁诱导的纤毛损伤
为了模拟真实场景中的吸烟和NAC治疗，使用气溶胶NAC治疗后，在ALI设置中将气道类器官暴露于香烟烟雾的气相中。研究结果表明，NAC治疗可以挽救尼古丁诱导的气道类器官纤毛功能障碍(图3)。不同时间点NAC治疗组的纤毛跳动频率均高于尼古丁组(图3)。这表明NAC对尼古丁暴露后的纤毛功能有保护作用。综上所述，这些结果表明NAC通过改善纤毛功能有效地对抗尼古丁引起的损伤。

图3  NAC可以防止尼古丁引起的纤毛功能障碍

2. NAC抵消尼古丁诱导的纤毛损伤的机制

NAC具有通过清除自由基、减少炎症因子释放，缓解氧化应激损伤。但本研究发现，尼古丁暴露并未显著增加类器官内的活性氧（ROS），提示存在其他机制（图4）。

接下来，研究人员研究了NAC对尼古丁诱导的气道类器官纤毛功能障碍保护作用的机制。作者发现，尼古丁受体在气道类器官中的表达和功能。NAChRα5主要富集在气道类器官的纤毛中，而nAChRα7在纤毛细胞的顶膜中比在纤毛部分更为突出（图5）。进一步结果显示，尼古丁和NAC的结合方向或角度不同（图6）。根据计算机对接模拟，尼古丁和NAC的其他潜在结合位点也不同（图6）。这些结果表明，NAC并不直接与尼古丁竞争尼古丁受体。接着研究人员又研究了NAC和尼古丁之间的直接相互作用。根据分子相互作用过程中热力学参数和吸收光谱的变化可知，NAC能有效地与尼古丁结合(图7)。而且，NAC与尼古丁结合可以消除尼古丁与nAChR的结合能力，从而防止尼古丁诱导的纤毛功能障碍(图7)。在nAChR功能被阿地芬宁抑制的气道类器官中，NAC治疗无法预防尼古丁诱导的纤毛跳动功能障碍（图8）。这些发现表明，NAC的保护作用是通过nAChR的作用介导的。

图7  NAC干扰尼古丁与尼古丁受体的结合

总结
这项研究用人原代组织构建出气道类器官，不仅揭示了NAC的隐藏机制，更展示了类器官模型在毒理学和药物筛选中的强大潜力。未来，基于受体靶点的干预策略或将为亿万吸烟者及COPD患者带来福音——让每一口呼吸，重获畅快！