新冠肺炎与肠道微生物之间的“秘密”

供稿人：程伟整理编辑：谢许茵

新冠肺炎是一种由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的呼吸道疾病，目前正在全球范围内流行，其致病率和死亡率高，人类生命与日常生活都受到了极大威胁，由此导致的全球经济下行进一步引发广泛的社会动荡。鉴于相关疫苗仍处在临床研发阶段，目前最为有效的防疫措施是切断传播途径与提高终端宿主免疫力。综合目前形势判断，这必将是一场持久战，因此加强个人防护与提高人体免疫力是关键。

在提高人体免疫力方面，加强运动锻炼、注重饮食营养健康与保证充足睡眠等都是经济实惠且最为有效的途径。经研究表明，这些方式都能影响肠道微生态平衡和肠道健康维持等过程。此外，已有大量研究证实，肠道微生物群的紊乱或失衡必然导致肠道局部或远端靶组织病变，甚至全身性疾病的发生，由此推断肠道微生物与人体健康状态休戚相关。据报道，超过60%的新冠肺炎患者报告有胃肠道症状，如腹泻、恶心和呕吐，并且有胃肠道症状的患者总体上症状更为严重，因此我们更加有理由相信新冠肺炎与肠道微生物之间潜藏着不为人知的“秘密”，了解二者在不同发病阶段的相互关系及其潜在的互作路径将为我们预防与辅助治疗新冠肺炎提供理论依据与现实参考。

01

新冠肺炎与肠道微生物

经研究发现，新冠肺炎的发生与发展以及继发性细菌感染等过程都与肠道菌群存在显著关联。在国家卫健委发布的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案》中也明确提出，使用肠道微生态调节剂，维持肠道微生态平衡，预防继发细菌感染，是帮助患者早日康复的有效措施。

西湖大学郑钜圣、郭天南与中山大学陈裕明合作研究了SARS-CoV-2在不同人群之间易感性差异的潜在机制，发现一组炎症标志物既与肠道菌群紧密联系，又同重症新冠肺炎密切相关，这揭示了肠道菌群特征与健康人群对新冠肺炎易感的关联性，并表明肠道菌群可能是正常人易患重症新冠肺炎的潜在因素。更有价值的是，该研究发现的核心肠道菌群特征和相关代谢产物可能作为预防易感人群的潜在靶标，也可以作为新冠肺炎治疗药物开发的新靶点。李兰娟院士团队近期开展了一项新型冠状病毒肺炎（COVID-19）患者肠道菌群丰度变化与疾病严重性关系的研究，发现COVID-19患者存在不同程度的肠道微生态失衡，即COVID-19患者体内的乳酸杆菌、双歧杆菌以及与产丁酸相关且具有抗炎作用的厌氧菌（普拉梭菌、酪酸梭菌、柔嫩梭菌、直肠真杆菌）丰度显著降低，但条件性致病菌（肠球菌和肠杆菌等）丰度有所增加，而且在73.7%患者中肠球菌与肠杆菌的比值（Ec/E）相对增加，Ec/E比值明显升高的危重型患者预后较差，这些都提示肠道菌群变化是可用于诊断的生物标志物，Ec/E比值有望用于不良预后的预警。除此之外，来自香港中文大学医学院SiewC.NG教授及其团队探究了肠道微生物对感染SARS-CoV-2的易感性和感染严重程度（中/重度感染）的作用，发现个体的肠道菌群结构可能会影响宿主对SARS-CoV-2感染的敏感性和反应，而且肠道菌群失调与粪便中SARS-CoV-2病毒含量和新冠肺炎病情严重程度存在相关性，这进一步为新冠肺炎会导致长期肠道菌群失调提供证据，并提示改善肠道菌群可能成为新冠肺炎预防与治疗的一条新途径。

此外，医院团队近期在Gut发表通讯文章，报道了一例新冠病毒感染者初期的持续性腹泻症状，提示病毒感染相关的腹泻可能是部分患者的首发症状，以及该病毒可能通过粪口途径进行入侵和传播。医院团队近期在Gastroenterology发表研究，表明SARS-CoV-2可感染胃肠道并能持续至呼吸道转阴后，这为粪口传播途径再添新证据。河北胃肠病研究所与医院团队研究了新冠病毒的宿主结合受体ACE2在胃肠道中的表达分布情况，并对3个新型冠状病毒（-nCoV）临床研究报告进行对比分析，发现腹泻发生率在不同报告中有明显差异，因此认为患者的腹泻发生情况可能被低估了。根据以上研究结果与临床发现，我们完全有理由相信SARS-CoV-2在新冠肺炎发生发展过程中确实与肠道菌群存在“互动”，而且这种互动作用不仅表现为肺炎与腹泻双临床症状，更体现在人群易感性差异和病情严重程度等方面，这些成果为人类从改善肠道健康角度出发预防与治疗新冠肺炎提供有力支撑。事实上，以上这些发现均是关联性研究的结果；然而，在新冠肺炎发生与发展以及预后的不同阶段，新型冠状病毒与肠道菌群之间“互动”的物质条件与结构基础是什么，可能是科研工作者更感兴趣的地方。

02

肠-肺轴调控通路

经大量研究发现，肠道微生物对宿主生命代谢的调节作用不仅局限于肠道，更能依赖其代谢产物等作用于远端靶组织，甚至与远端不同组织器官形成双向调控通路，例如：肠-肝轴、肠-脑轴、肠-肺轴等。因此，肠道菌群紊乱或失衡会导致肠道或远端组织器官发生疾病，相反地，某些组织器官病变也能影响肠道菌群的组成结构等特征。基于这种双向干预的现象与人群中肠道菌群结构特征统计研究以及对相关数据集的分析，已有科学家提出“肠型”的概念，按照肠型对肠道菌群结构分类具有潜在的临床意义——首先，在诊断上有助于判别个体的疾病状态；其次，可作人体特定状态的风险或易感指标；第三，可作为预后恢复的生物标记物；最后，不同肠型可影响异质性物质代谢，从而产生不同的药物代谢动力学、药物代谢动态差异。上述新冠肺炎与肠道菌群的关联性研究发现不仅佐证了肠道分型的临床指导意义，更进一步证实了肠-肺轴调控路径的存在。

实际上，先前已有研究报道肠肺轴的存在及其双向调控作用。肠道菌群失调与肺部疾病和呼吸道感染有关。例如，肠道中双歧杆菌属细菌的减少和梭菌属细菌的增加与生命早期哮喘有关；利用小鼠模型研究表明，使用抗生素干预肠道菌群组成结构可以影响肺部疾病和过敏性炎症，而且使用新霉素清除敏感的肠道细菌会增加肺部对流感病毒的易感性；高达50%的IBD患者（已知肠道微生物群的组成发生变化）存在肺功能下降的情况。与之相反，肺部菌群的变化也会影响肠道菌群的组成。例如，呼吸道流感病毒感染会增加小鼠肠道中肠杆菌科细菌，而减少乳酸杆菌和乳球菌的数量；给小鼠肺部急性灌注脂多糖会导致肺部菌群失调，同时也会引起肠道菌群紊乱。由此可见，肠与肺之间存在复杂相互作用，影响着彼此的平衡稳态。结合新冠肺炎与肠道菌群的相关性研究发现，我们完全有理由相信肠肺轴正是新型冠状病毒与肠道菌群之间“互动”的结构基础。

图1.肠-肺轴循环通路（图片来源于网络）

Benjamin等人（年）总结相关研究发现，“肠-肺轴”之间的主要通讯途径包括以下三种：首先，肠道细菌的可溶性微生物组分和代谢物的循环运输能影响肺部免疫反应，例如：脂多糖（LPS）、短链脂肪酸（SCFAs）与脱氨基酪氨酸（DAT）均可通过不同途径以直接或间接方式影响肺部的免疫反应，如合胞病毒（RSV）是一种常见的引起呼吸道疾病的病原，最新小鼠实验研究发现，肠道菌群及其代谢产物——短链脂肪酸能够促进小鼠免疫应答，保护小鼠抵抗RSV的感染，降低炎症的发生；其次，“肠-肺轴”的通讯机制也可能涉及免疫细胞通过循环从肠到呼吸道的直接迁移，比如：ILC2s,ILC3s和TH17细胞；最后，肠道可通过循环中发现的宿主源性炎症介质影响肺部的反应，如年在PNAS上的一篇文章报道，通过实验证明，肺部感染流感病毒A的小鼠，其肠道菌群能够影响到小鼠机体分泌促炎细胞因子（前白细胞介素(IL)-1β以及前IL-18因子），这些因子对小鼠机体清除流感病毒起到了关键的作用。的确，这些都是肠道菌群对肺部的单向通讯作用，结合健康肺中存在含量相对较低（每克组织中仅含有10^3-10^5个细菌）的微生物群及其变化确实能影响肠道菌群组成结构等，我们不难推测肺部菌群或许同样能依赖这三种途径反向作用于肠道菌群。因此，正是参与这些互作途径的代谢物、炎症因子与免疫细胞等为新型冠状病毒与肠道菌群在肠肺轴之间互动提供物质条件。此外，我们知道新型冠状病毒不仅能感染肺部，也能作用于肠道，这与新型冠状病毒的受体蛋白血管紧张素转化酶2（ACE2）在肺部和肠道（十二指肠、结肠、直肠等）均有表达有关；有趣的是，相关研究发现，新冠病毒在hACE2小鼠胃内接种也会引起感染并导致肺部病理改变，这为新冠病毒的感染和传播提供了一个新的思路，同时更进一步证实肠肺轴双向调控路径的存在。

图2.肠-肺轴物质交换与信号通讯（JennyMj?sberg,AnnaRao.）

在具备“互动”的结构基础与物质条件的前提下，新型冠状病毒与肺部和肠道的菌群究竟如何相互作用和远距离通讯，最终造成新冠肺炎的发生发展以及死亡或预后损伤等都值得深入研究，这势必需要制备专门应用于探索新型冠状病毒致病机理的人源化动物模型。

03

人源化动物模型的开发与研究应用

目前，我们已知ACE2是人类新型冠状病毒的受体蛋白基因，因此可针对不同品系的小鼠，利用复制缺陷型腺病毒（Ad5-hACE2）瞬转表达或基因工程（CRISPR/Cas9与Cre/floxp等）方法进行人源化编辑替换，继而进行攻毒试验研究以及疫苗安全性有效性评价。当然，为了提高病毒载量与攻毒效果以及研究相关免疫因子对新冠肺炎的调节作用，我们可以在免疫缺陷小鼠基础上瞬时表达人源化ACE2蛋白或敲入人源化ACE2基因，例如，利用Ad5-hACE2分别转导IFNAR-/-、STAT1-/-、IFN-γ-/-C57BL/6小鼠以及B6.cg-Tg(CAG-hACE2)Acemut1（Ace2基因敲除的人源化ACE2转基因小鼠）、B6.cg-Tg(CAG-hACE2)（人源化ACE2转基因小鼠）。

此外，在以上这些新冠肺炎感染模型小鼠的基础上，我们可以利用不同方法进一步合并其它基础疾病，充分模拟这类人群的感染发病等情况，为新冠肺炎相关研究以及疫苗开发等提供模型条件。钟南山院士团队发布全国多例新冠肺炎患者分析、医院团队分析例患者数据、同医院团医院51例危重患者,均证实新冠患者致死率与合并基础疾病风险及中重度、危重的病死率密切相关。近名患者合并有基础疾病，占到患者整体的25.1%。最常见的是高血压，患者占比达到整体的16.9%，其次是糖尿病，此外还包括了心血管疾病、COPD、癌症、慢性肾病、乙肝和免疫缺陷病等，名患者存在两种以上的基础疾病。其中，高血压与糖尿病等疾病都与肠道菌群的失衡与紊乱相关，甚至部分疾病与肠道菌群的因果关系已被证实并发现功能性菌群或菌株。结合前面我们提到，肠道菌群特征分别与健康人群对新冠肺炎易感性和新冠肺炎患者病情严重程度显著相关，以及肠道与肺脏中的菌群之间存在“通讯”路径，这些提示我们合并基础疾病患者可能正是由于肺部与肠道菌群的紊乱或失衡导致自身免疫力低下而更易感染新冠肺炎，并且中重度、危重的病死率较正常人高。因此，构建这类模型，并将其进行无菌化，将更有利于研究新型冠状病毒同肺脏和肠道中菌群的互作，更有利于在疫苗尚未开发完成前对这类人群进行辅助治疗药物安全性有效性的评价与筛选，充分避免用药不当造成的病情恶化、预后损伤与死亡等。

除了新冠肺炎外，人类许多病毒感染性疾病的研究与疫苗评价等都离不开特定小鼠模型，尤其是人源化小鼠模型。因此，我相信，随着人源化小鼠模型——致病因素（肿瘤等）人源化、肠道微生物人源化以及免疫系统人源化等单重或多重人源化小鼠模型不断开发完善，临床前许多人类疾病研究的结果与结论将会更加准确可靠，为临床研究提供更加安全有效的信息，最终助力攻克许多人类疾病。

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