楊浩，鄔永琳，榮星喻，嚴(yán)雨晨，汪慧菁，牛辰，趙超

1. 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教育部/衛(wèi)健委/醫(yī)科院醫(yī)學(xué)分子病毒學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032； 2. 國(guó)家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心(復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院)，上海 200040； 3. 上海健康醫(yī)學(xué)院神經(jīng)精神藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，上海 201318

2020年1月24日，國(guó)內(nèi)報(bào)告了一種新的冠狀病毒 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)，并將其引起的疾病稱為2019冠狀病毒病(coronavirus disease 2019，COVID-19)。通過系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2屬于β冠狀病毒屬，該屬包括從人、蝙蝠及其他野生動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的已知冠狀病毒，如嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)[1]。序列分析發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2與2003年的SARS-CoV保持約80%的核苷酸同一性[2]；SARS-CoV-2刺突(spike，S)蛋白氨基酸結(jié)構(gòu)與SARS-CoV的比較分析表明，它們都使用人血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin converting enzyme 2，ACE2)作為受體感染靶細(xì)胞。此2種病毒均引起相似的肺部損傷和臨床表現(xiàn)，推測(cè)兩者的發(fā)病機(jī)制存在共性。因此，本文通過分析已經(jīng)公開報(bào)道的COVID-19與SARS發(fā)病特點(diǎn)做簡(jiǎn)要對(duì)比，結(jié)合它們均利用ACE2作為受體的共性，從腸道菌群角度再認(rèn)識(shí)并分析可能的致病機(jī)制，為加速研發(fā)重型肺炎預(yù)測(cè)指標(biāo)提供一種可能的新思路。

1 SARS與COVID-19的致病特點(diǎn)

急性肺損傷(acute lung injury, ALI)及其更嚴(yán)重的急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)可能由創(chuàng)傷、休克等致傷因素直接和間接引起[3]。其表現(xiàn)為一種彌漫性肺泡上皮細(xì)胞、肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷和以炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)為主的通透性增加的綜合征。2003年春季流行的SARS-CoV感染表現(xiàn)出廣泛的臨床癥狀。由于其主要侵犯呼吸道，故以發(fā)熱、呼吸困難、咳嗽為主要臨床癥狀，導(dǎo)致ALI甚至ARDS致使患者死亡[4, 5]；而近期發(fā)表的一項(xiàng)描述性研究顯示，99例SARS-CoV-2肺炎患者中的17%患者最終發(fā)展為ARDS[6]。

在影響SARS-CoV-2感染嚴(yán)重程度的因素中，年齡被認(rèn)為是最典型的因素之一。目前報(bào)道數(shù)據(jù)顯示，SARS-CoV-2的易感性及COVID-19嚴(yán)重程度與患者年齡相關(guān)，患者平均年齡為50～60歲，且重型常集中于伴有基礎(chǔ)疾病的老年患者。與此相同，當(dāng)患者年齡>50歲時(shí)，SARS-CoV與中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV)感染嚴(yán)重程度及病死率增加[2, 6-7]。在一項(xiàng)非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物的SARS-CoV相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)[8]，盡管病毒復(fù)制水平相似，但SARS-CoV感染的老年獼猴比年輕成年獼猴表現(xiàn)出更嚴(yán)重的病理狀態(tài)，炎性相關(guān)基因差異表達(dá)增加。而使用Ⅰ型干擾素(type I interferon)對(duì)老年獼猴進(jìn)行治療時(shí)，雖然不會(huì)影響肺組織中病毒復(fù)制，但可以減少促炎基因的表達(dá)并減輕病理學(xué)表現(xiàn)。據(jù)此推斷，疾病的最終結(jié)果取決于機(jī)體對(duì)“抗病毒”和“促炎”途徑的相對(duì)“偏倚”，而衰老顯然會(huì)影響機(jī)體對(duì)該“偏倚”的平衡，從而產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。雖然影響免疫反應(yīng)的因素很多，但隨年齡增長(zhǎng)而引起與衰老相關(guān)的免疫失調(diào)在老年相關(guān)疾病中發(fā)揮重要作用。衰老相關(guān)的免疫失調(diào)包括淋巴細(xì)胞對(duì)絲裂原的增殖反應(yīng)降低、NK細(xì)胞活性降低、胸腺退化、T細(xì)胞數(shù)量減少及應(yīng)答降低，以及促炎性細(xì)胞因子持續(xù)處于高水平，這可能有助于解釋老年人對(duì)疾病的高度敏感性[9]。與年齡相關(guān)的慢性炎癥起源和驅(qū)動(dòng)因素尚不完全清楚，但越來越多的證據(jù)表明與年齡相關(guān)的腸道菌群在促炎反應(yīng)中發(fā)揮作用[10]。值得注意的是，在SARS及 COVID-19患者中均存在腹瀉癥狀[4, 6-7]，由此導(dǎo)致的腸道菌群變化可能在整個(gè)病理生理過程中起作用。

2 ACE2和腸道菌群參與SARS致病機(jī)制

作為該類病毒的受體，ACE2是否參與病毒的致病機(jī)制值得關(guān)注。ACE2與ACE均為一種鋅金屬肽酶，不同的是ACE2能將血管緊張素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ, Ang Ⅱ)裂解為Ang 1～7，并表現(xiàn)出抗腎素-緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system，RAS)的作用[11]。在人體內(nèi)，ACE2主要在心臟、腎臟和睪丸組織中高表達(dá)[12]，肺、小腸中也均有表達(dá)[13-14]。值得一提的是，在ARDS中ACE2起到關(guān)鍵的保護(hù)作用[15]。

腸道中，ACE2以非RAS依賴的方式調(diào)節(jié)腸道氨基酸穩(wěn)態(tài)、抗菌肽的表達(dá)和腸道微生態(tài)。ACE2對(duì)小腸上皮細(xì)胞的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B0AT1的表達(dá)是必需的，飲食中的色氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)吸收需依賴B0AT1，而色氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)可激活mTOR通路，使得抗菌肽的分泌增加，維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而降低腸道對(duì)炎癥的易感性[14]。同時(shí)，色氨酸已被證明在哺乳動(dòng)物中發(fā)揮抗炎作用，低色氨酸飲食的小鼠更容易發(fā)生化學(xué)誘導(dǎo)的炎癥[16]。

有意思的是，當(dāng)SARS-CoV感染后，可發(fā)現(xiàn)SARS-CoV S蛋白與ACE2結(jié)合導(dǎo)致細(xì)胞ACE2下調(diào)，而ACE2為肺水腫及ARDS嚴(yán)重程度的負(fù)性調(diào)控因子，因此SARS-CoV S蛋白的這種下調(diào)ACE2的機(jī)制可加劇肺部疾病的嚴(yán)重程度[13]。但在SARS-CoV感染的腸上皮細(xì)胞中是否存在這種AEC2下調(diào)機(jī)制，使得色氨酸吸收受阻、機(jī)體的促炎反應(yīng)增加、肺部炎癥反應(yīng)加劇，仍未得到較好的驗(yàn)證。

對(duì)6例SARS致死病例進(jìn)行的組織細(xì)胞原位雜交研究發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)胞內(nèi)病毒復(fù)制活躍，但并非存在嚴(yán)重的炎性病變[17]。盡管腸道內(nèi)的病變程度較低，但由于腸上皮細(xì)胞的功能紊亂，可增加腸道對(duì)脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的通透性及腸道菌群的易位[18]，這可能是SARS相關(guān)性腹瀉的病理生理機(jī)制。而這些均有可能導(dǎo)致潛在的全身系統(tǒng)性免疫激活效應(yīng)，進(jìn)一步加重肺部疾病的惡化。

3 腸道菌群通過腸-肺軸參與肺損傷致病機(jī)制

腸道菌群與免疫系統(tǒng)相互作用以影響疾病的發(fā)生與發(fā)展。越來越多的證據(jù)表明胃腸道與呼吸系統(tǒng)之間存在密切關(guān)系，腸-肺軸(gut-lung axis)在研究腸道菌群與肺部疾病相互關(guān)系中有著重要的作用。腸道菌群對(duì)于維持T細(xì)胞亞群至關(guān)重要，而T細(xì)胞亞群對(duì)于調(diào)節(jié)全身免疫反應(yīng)的方向和強(qiáng)度舉足輕重。此外腸道菌群可利用營(yíng)養(yǎng)因子合成的代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，促進(jìn)免疫細(xì)胞的募集及成熟[19]。有趣的是，小鼠腸內(nèi)抗生素治療降低菌群豐度后可減少其對(duì)呼吸道流感病毒感染的免疫反應(yīng)，促使肺中病毒高復(fù)制[20]，而這種受到抑制的免疫反應(yīng)可通過大腸內(nèi)接種Toll樣受體激動(dòng)劑﹝包括LPS、CpG、poly(I∶C)﹞得到改善。此外，研究發(fā)現(xiàn)糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation, FMT)可重建腸道菌群的結(jié)構(gòu)，增加細(xì)菌群落的基因豐度，下調(diào)TGF-β1/ Smads / ERK通路抑制免疫炎癥，減少體內(nèi)炎性標(biāo)志物的產(chǎn)生和釋放，進(jìn)而減少ALI模型大鼠肺泡上皮的損傷[21]。同時(shí)越來越多的研究表明腸道功能障礙可導(dǎo)致細(xì)菌和內(nèi)毒素易位，引起敗血癥，最終導(dǎo)致肺損傷，這些均為引發(fā)ALI/ARDS的重要因素[21-23]。最新JAMA雜志報(bào)道，SARS-CoV-2感染病例中，死亡病例組中發(fā)病7～9 d開始出現(xiàn)中性粒細(xì)胞升高(高于6×109/L)，提示患者體內(nèi)高炎癥狀態(tài)產(chǎn)生[7]。而菌群紊亂是短時(shí)間導(dǎo)致高炎癥狀態(tài)的重要誘因之一。

4 結(jié)語

一篇預(yù)發(fā)表于medRxiv上的文章提示，SARS-CoV-2存在消化道感染的可能[24]，這預(yù)示著腸道菌群因素在該病的發(fā)病中可能起著一定的作用。同時(shí)，老年人的腸道菌群通常具有細(xì)菌多樣性減少、優(yōu)勢(shì)菌種改變、有益微生物減少及兼性厭氧菌增加等特征，所有這些都表明與衰老相關(guān)的微生物變化具有潛在加重肺損害的影響。同時(shí)，微生物群組成的變化可能與老年人的免疫衰老和促炎反應(yīng)有關(guān)[16]，也可能與不同年齡患者被病毒感染后的預(yù)后存在相關(guān)性。值得注意的是，腸道內(nèi)的ACE2在維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)和氨基酸穩(wěn)態(tài)中起重要作用，并間接地影響機(jī)體免疫功能。成年患者與老年患者腸道內(nèi)的ACE2表達(dá)存在何種差異？這種差異是否與SARS-CoV-2感染的預(yù)后呈相關(guān)性？以及腸道菌群在重型或輕型患者的疾病轉(zhuǎn)歸中扮演何種角色？仍需要進(jìn)一步的研究進(jìn)行闡釋。