大连李景南教授：肠道微生态调控在病毒感染性

在人体胃肠道中，大量细菌、病毒、真菌及少量的古细菌和原虫构成了复杂的微生物群落，即肠道微生态。肠道微生态与宿主之间相互作用、互利共生，维持动态平衡。肠道微生态平衡的破坏是众多疾病发生发展的关键环节之一。由于方法学的限制，目前对肠道微生态的研究主要集中于肠道细菌群，而对于肠道病毒群在肠道微生态平衡中的作用，以及病毒感染性疾病发生时与肠道细菌群之间的相互作用及相关机制尚未阐明。近来的临床实践发现益生菌制剂在冠状病毒等病毒性肺炎的治疗中有较好的辅助作用。现对肠道微生态的两个重要构成组分——肠道细菌群和病毒群之间的相互作用机制进行综述，旨在探讨肠道微生态调控在病毒感染性疾病治疗中的作用和相关机制。

以往对肠道病毒的研究主要集中于作为病原体感染机体的病毒，近来随着高通量测序技术的发展，人们开始认识到肠道病毒群的存在。据估计，正常粪便中病毒颗粒物的含量至少为10⁸~10⁹/g。根据宿主不同，肠道病毒组学主要由感染机体细胞的病毒、感染肠道细菌等微生物的病毒（噬菌体）及已整合到宿主基因组的内源性逆转录病毒元件组成，其中复杂多样的噬菌体占据绝大部分。目前针对肠道病毒群的研究多以噬菌体为主。有学者估计，噬菌体在肠道中的丰度是原核生物的近10倍，提示噬菌体在肠道微生态中占据重要地位。目前已知的肠道噬菌体主要包括有尾的双链DNA噬菌体（Caudovirales）和无尾的单链DNA噬菌体（Microviridae）[5]。纵向宏基因组学分析揭示了成人肠道病毒群的个体特异性、高时间稳定性以及与细菌微生物组的相关性，提示肠道病毒群很可能像细菌群一样在机体健康和疾病中发挥重要作用。目前认为，肠道病毒群-细菌群-机体之间相互作用，共同调控机体的表型。

噬菌体是肠道病毒的主要成员，在调节肠道菌群的丰度和多样性方面发挥关键作用。幼年时期肠道噬菌体与菌群之间存在Lotka-Volterra动力学关系（又称捕食者-猎物动力学），即细菌（猎物）丰度升高后，毒性噬菌体（捕食者）丰度随之升高，并感染细菌导致细菌丰度下降，为其他有竞争关系的细菌提供生态空间。该过程反复循环，对肠道菌群多样性的形成和维持有重要意义，也为早期干预肠道微生物群落的形成提供了理论依据。到成年阶段，噬菌体和菌群之间的动态平衡逐渐趋于稳定。Arms-race动力学（ARD）可解释此时二者之间的关系，即细菌进化以逃避噬菌体的感染，噬菌体也不断发展出新的感染策略，最终选择出感染力强的噬菌体和具有广泛抗感染表型的细菌，导致细菌多样性有所降低。ARD受细菌防御策略成本的限制，故认为该过程并不会消除特定的微生物，噬菌体和菌群得以维持动态平衡。另外，噬菌体在细菌之间转染的同时，可为细菌提供一些与毒素、多糖和碳水化合物代谢以及耐药性等相关基因，从而调节细菌的毒力、代谢功能和耐药性等。深入探索噬菌体对肠道菌群的调节作用有助于实现对肠道微生态平衡的"跨界"调控。

大量研究表明，肠道病毒感染可导致肠道菌群组成结构的变化。轮状病毒、诺如病毒和星状病毒等常见的病毒性腹泻患者中，肠道菌群的多样性显著减低，并以拟杆菌、双歧杆菌和乳杆菌等有益菌丰度减少，而厚壁菌门如肠球菌、链球菌、梭状芽孢杆菌等条件致病菌丰度增加为主要特征，该现象在儿童中尤为普遍。病毒感染性腹泻导致菌群失调的机制尚未阐明。一方面，肠道菌群的改变与腹泻严重程度有一定相关性，故认为腹泻导致肠道常驻菌大量丢失是菌群失调的原因之一；另一方面，鉴于不同类型的病毒所致菌群改变的类型有所不同，因此考虑病毒对细菌的作用机制也在其中发挥作用。

关于小鼠肠道感染脊髓灰质炎病毒、鼠乳腺肿瘤病毒（MMTV）、轮状病毒和诺如病毒的动物实验均发现，抗生素处理肠道菌群后，病毒毒力及复制水平均显著降低，提示肠道菌群对肠道病毒感染具有明显促进作用。肠道菌群促进肠道病毒感染的机制包括直接作用和间接作用两个方面。一方面，肠道细菌可通过其表面的脂多糖或其他多糖与病毒颗粒直接结合，增加其稳定性和对靶细胞的黏附作用；另一方面，肠道菌群还可通过调节宿主免疫反应的间接机制促进病毒感染。研究发现，MMTV与细菌脂多糖结合形成感染复合物后可激活树突状细胞的TLR4受体，诱导其分泌IL-6，后者进一步刺激B细胞分泌IL-10，从而诱导免疫耐受，促进自身感染；在轮状病毒感染的小鼠实验中，肠道菌群的存在能显著抑制感染后期特异性抗体的产生；诺如病毒感染的小鼠实验则提示，肠道菌群可通过抑制干扰素（IFN）λ信号通路诱导免疫耐受。

同时，也有研究报道了肠道菌群对肠道病毒感染的抵抗作用，该现象多与特定的细菌或其代谢产物有关。例如，健康成人体内抗诺如病毒抗体滴度与疣微菌和粪杆菌属丰度呈负相关，提示疣微菌和粪杆菌属可能有助于抵抗诺如病毒感染。动物实验揭示了特定细菌抵抗病毒感染的免疫和非免疫机制。小鼠芽孢杆菌属的代谢产物多聚谷氨酸（γ-PGA）充当非经典TLR4配体诱导IFNβ信号通路，乳酸菌属通过未知途径诱导IFNβ和IFNγ信号通路，均起到增强宿主抗病毒免疫的作用，从而抵抗诺如病毒感染。大肠杆菌Nissle可直接与病毒颗粒结合抑制其黏附于肠上皮细胞，通过非免疫机制有效抑制轮状病毒感染。回肠定植的分节丝状菌预防轮状病毒感染的机制也独立于免疫系统，可能与直接中和病毒及促进上皮细胞更新有关。

综合以上，我们认为肠道菌群微环境为肠道病毒感染提供了助力，但是其中某些菌属、菌种或特定的代谢产物则有助于抵抗病毒感染，进一步探索其中机制可为调控菌群治疗肠道病毒感染提供更多理论依据。

临床发现肠道外病毒感染的患者常有腹部不适、腹泻等胃肠道症状，包括最近的2019新型冠状病毒（2019-nCoV）感染。初步研究发现该过程涉及肠道菌群紊乱。呼吸道合胞病毒、流感病毒等肺部感染均可导致肠道菌群多样性减低，其中拟杆菌等有益菌丰度增加，而厚壁菌门丰度减少。研究表明，流感病毒可通过介导宿主免疫反应重塑肠道菌群的组成，Ⅰ型干扰素和Ⅱ型干扰素均参与其中。此外，呼吸道合胞病毒和流感病毒感染时，伴随着结肠黏蛋白Muc5ac水平显著增加，后者可作为拟杆菌属的能量来源，故推测肠道菌群的变化可能与黏液增多有关。另一方面，肠道菌群可通过介导免疫反应抵抗肠道外病毒感染。干扰素介导的固有免疫是病毒感染早期机体抗病毒的主要机制。在流感病毒感染小鼠实验中，肠道中梭状芽孢杆菌的代谢产物去氨酪氨酸可通过Ⅰ型干扰素受体和其下游分子STAT1介导增强Ⅰ型干扰素信号通路，促进Ⅰ型干扰素的产生，增强宿主抗病毒免疫。在病毒感染后期，适应性免疫应答发挥重要作用。研究发现，肠道菌群参与诱导流感病毒特异性CD4⁺和CD8⁺T细胞和抗体的产生，该过程可能由肠道Toll样受体（TLR）介导。进一步抗菌药物处理肠道菌群发现，对新霉素敏感的肠道细菌（革兰阳性菌）是诱导对流感病毒产生细胞毒性T细胞（CTL）反应的主要细菌。

在重型及危重型病毒，尤其是冠状病毒包括严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）、中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）和2019-nCoV感染的患者中，免疫系统过度激活引起的细胞因子风暴（又称炎症风暴）是导致全身炎症反应、多器官功能衰竭的主要病理机制。已知细胞因子风暴也会攻击肠黏膜屏障，导致肠黏膜炎症及肠屏障功能破坏，后者势必会影响肠道微生态的平衡，而肠道菌群紊乱进一步加剧肠屏障功能的破坏，导致肠道细菌移位进入循环系统，造成二次炎症打击，如此恶性循环使得细胞因子风暴级联增强。因此，通过调控肠道菌群来平衡免疫炎症或可成为遏制病毒感染过程中细胞因子风暴的有效途径。另一方面，研究已证实，血管紧张素转化酶2（ACE2）是SARS-CoV和2019-nCoV的受体，冠状病毒通过刺突蛋白与ACE2结合后经过胞吞与膜融合过程进入宿主细胞，其结果是ACE2表达下降。ACE2的表达下降使血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）水平增加、肾素-血管紧张素系统（RAS）活性增强，成为SARS-CoV和2019-nCoV感染患者急性肺衰竭的发病机制。最近研究发现ACE2在肠道中也有表达，且ACE2还有独立于RAS系统之外的其他功能，即肠道上皮ACE2对中性氨基酸转运蛋白B0AT1的正常表达至关重要。B0AT1是机体吸收色氨酸的主要转运蛋白，而色氨酸可通过mTOR途径调节抗菌肽的分泌，进而影响肠道菌群的组成和肠黏膜的炎症易感性。因此，ACE2被认为是肠道氨基酸稳态、肠道菌群、机体固有免疫以及肠道炎症易感性的关键调控因子。可以推测，冠状病毒感染后的肠道菌群紊乱很可能与肠道ACE2表达下调有关，但尚需相关研究证实。

众所周知，绝大多数病毒感染缺乏有效的抗病毒药物，最终靠机体免疫系统清除。鉴于以上病毒与肠道菌群的相互作用关系，通过调控肠道微生态来抵抗病毒感染有望成为病毒感染性疾病治疗的一种理想策略。目前，调节肠道菌群的主要手段是补充肠道微生态制剂（益生菌、益生元和合生元），粪菌移植也已在部分医疗机构开展。此外，借助噬菌体干预肠道菌群的形成和组成结构可能会是将来调控肠道菌群的新思路之一。

临床上，益生菌在肠道病毒感染性疾病的治疗中已显示出良好效果，并被广泛采用，特别是在病程的早期。枯草杆菌二联活菌、乳杆菌以及布拉酵母菌等均可明显缩短儿童病毒感染性腹泻的病程，减少住院天数。目前已知其作用机制多与直接抑制病毒、调节肠道菌群紊乱、产生抗病毒物质及增强机体免疫反应有关，而进一步探索其抗病毒的分子机制有助于将来实现针对不同病毒感染的肠道菌群精准调控。

目前益生菌在肠道外病毒感染性疾病治疗中的临床应用尚处于探索阶段。研究认为，在呼吸道病毒感染中，口服益生菌主要通过调节免疫系统发挥间接抗病毒作用。益生菌被肠道上皮细胞或抗原呈递细胞TLR识别后，可诱导干扰素信号通路表达、调节细胞因子的表达模式，而该过程与特定菌株有关。例如，鼠李糖乳杆菌Lc705诱导Ⅰ型干扰素依赖性基因激活，嗜乳酸杆菌NCEM和嗜乳酸杆菌X37诱导病毒防御因子（IFNβ、IL-12、IL-10）的表达。大型临床试验已初步显示出益生菌在降低呼吸道病毒感染风险和缩短病程持续时间方面的积极作用。一项纳入13个RCT、3720例各年龄段研究对象的Meta分析显示，益生菌能降低急性上呼吸道感染的发生风险和病程持续时间，但该研究证据水平较低。针对H7N9病毒导致的流感治疗中，枯草杆菌二联活菌、酪酸梭菌通过改善肠道菌群的多样性，抑制大肠杆菌等致病菌的过度生长，有助于症状的改善。益生菌对于呼吸道病毒感染的有益作用已是不言而喻，如何靶向并放大益生菌的抗病毒作用以充分发挥其临床价值尚需进一步研究。

基于前期研究所提供的大量理论依据，近来对于2019-nCoV等冠状病毒相关肺炎也提出了益生菌治疗。其依据至少包括以下几方面：（1）通过补充益生菌重建肠道微生态平衡，避免肠道菌群紊乱继发细菌感染；（2）保护肠黏膜屏障功能，避免细菌移位导致的二次炎症风暴；（3）调节免疫反应，协助恢复免疫系统平衡，抑制炎症风暴。例如，乳杆菌DK119菌株可通过调节Th1细胞和Th2细胞反应，促进抗病毒细胞因子（IL-12和IFNγ）的产生，抑制促炎因子（IL-4、IL-6和TNFα）的产生，从而抑制过激的免疫反应。另外，固有免疫细胞表达各种模式识别受体TLR，可接受内源性和外源性信号的刺激，因此成为细胞因子风暴发生机制的核心，而持续的TLR激活是细胞因子风暴发生的关键。正常状态下，机体可通过负反馈调节及TLR耐受阻止细胞因子风暴的产生。但在系统性炎症状态下，机体可产生对重复TLR信号刺激的反应能力，从而形成细胞因子风暴。这种反应能力的形成竟依赖于肠道菌群对骨髓生成的调节作用，即肠道菌群通过引发髓样祖细胞中的JAK信号来增强炎症诱导的骨髓生成，从而促进机体对体内重复TLR信号的反应，促进细胞因子风暴的发生。该发现提示，通过调控肠道菌群来抑制这种对TLR刺激反应能力增强的骨髓生成，或许是阻止细胞因子风暴形成的新思路。

总之，肠道微生态与全身各系统均有千丝万缕的联系，肠道微生态平衡对机体健康至关重要。通过改变菌群构成调控肠道微生态不仅对肠道病毒感染性疾病有治疗作用，同时对机体其他部位的病毒感染也有潜在治疗价值。今后应重视益生菌对抗病毒感染的作用机制的研究，以充分发掘肠道微生态调控在病毒感染性疾病中的治疗潜力。

参考文献（略）

本文刊于：中华内科杂志,2020,59 (06): 477-480.

作者：张娣 李景南  北京协和医院消化内科

转自：中华内科杂志