宮浩陽,吳佳鑫,楊曉鈺,解偉純,王雪瑩,李佳璇,2,姜艷平,2,崔 文,2,李一經(jīng),2,唐麗杰,2*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150030;2.農(nóng)業(yè)部動(dòng)物疫病病原生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站,哈爾濱 150030)

人和動(dòng)物腸道寄居有數(shù)以億計(jì)的微生物,種類多達(dá)500～1 000種,包括細(xì)菌、病毒、古生菌和真菌,其中絕大多數(shù)是細(xì)菌,這些腸道微生物與宿主互利共生,共同組建了腸道的微生態(tài)系統(tǒng)[1]。人和動(dòng)物腸道微生物的作用主要有:參與胃腸道中物質(zhì)的分解及轉(zhuǎn)化,促進(jìn)免疫系統(tǒng)的成熟和免疫功能的發(fā)揮以及保護(hù)機(jī)體免受病原的感染。例如,腸道菌群中的益生菌具有維持胃腸道健康,并且對急性腹瀉、便秘和抗生素相關(guān)腹瀉具有積極的調(diào)節(jié)作用[2]。機(jī)體腸道菌群最初的來源是母體,隨著機(jī)體的不斷發(fā)育腸道中的菌群逐漸趨于穩(wěn)定,但也會(huì)存在個(gè)體間的差異。腸道菌群易受外界環(huán)境等因素影響造成菌群失調(diào),導(dǎo)致相關(guān)疾病的發(fā)生。隨著人類的社會(huì)活動(dòng)的增加,病毒感染對于全球的公共衛(wèi)生事業(yè)也造成了巨大的威脅,相關(guān)病原體包括嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)、人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)、脊髓灰質(zhì)炎病毒、輪狀病毒、流感病毒、諾如病毒等,這些病毒能夠?qū)θ撕蛣?dòng)物的健康以及經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。不同機(jī)體對病毒入侵的耐受性與其腸道菌群組成有著密切的聯(lián)系,腸道菌對病毒的抑制作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:腸道菌群可以維持腸黏膜屏障;腸道菌群與病原產(chǎn)生直接作用,可以抑制病原體的感染;腸道菌群通過對機(jī)體免疫系統(tǒng)的影響以干擾病毒感染宿主;通過腸道菌群代謝物或產(chǎn)生有益物質(zhì)起到抗病毒作用。本文對腸道菌群抗病毒感染機(jī)制進(jìn)行綜述,以期為預(yù)防和治療病毒性疾病提供參考。

1 腸道菌群對腸黏膜屏障的調(diào)控

胃腸道黏膜屏障是宿主內(nèi)部與外界直接溝通的“門戶”,在宿主免疫調(diào)節(jié)、營養(yǎng)代謝和抵御病原菌的侵入等方面發(fā)揮著積極的作用。當(dāng)皮膚和黏膜屏障無法阻擋病毒入侵,進(jìn)入宿主體內(nèi)入侵宿主細(xì)胞時(shí),宿主細(xì)胞的遺傳系統(tǒng)就會(huì)成為病毒進(jìn)行自我復(fù)制的工具,而后進(jìn)行組裝,最終產(chǎn)生致病作用[3]。

腸道上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cells, IECs)是動(dòng)物機(jī)體與外界溝通的媒介,其能夠在機(jī)體免疫系統(tǒng)和外部環(huán)境之間構(gòu)建一個(gè)抵御病原微生物入侵的物理屏障,正因?yàn)橛羞@個(gè)屏障,機(jī)體才能井然有序的與外界進(jìn)行物質(zhì)交換,IECs的完整性和功能性至關(guān)重要,尤其決定著營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收,并且可以阻止病原微生物等有害物質(zhì)入侵。腸黏膜屏障功能的發(fā)揮離不開緊密連接蛋白的作用,緊密連接蛋白主要由咬合蛋白(occludin)、閉合蛋白(claudins)、閉鎖小帶蛋白(zonula occludens, ZOs)組成[4],這三種蛋白決定著腸上皮細(xì)胞的通透性和選擇性,并且共同維系著上皮屏障功能的發(fā)揮[5]。所謂“腸漏”,就是緊密連接蛋白受損或者其表達(dá)及定位發(fā)生改變,從而損害這種由緊密連接蛋白組成的物理屏障,就可能會(huì)出現(xiàn)“腸漏”[6]。當(dāng)出現(xiàn)“腸漏”時(shí),上皮細(xì)胞對小分子物質(zhì)的通透性增加,如果這些外界的物質(zhì)滲透到固有層,就會(huì)誘發(fā)炎癥性腸病、腸易激綜合征和乳糜瀉等,這些病理狀態(tài)導(dǎo)致持續(xù)的炎癥和組織損傷[7]。腸道菌通過對上皮細(xì)胞緊密連接蛋白的表達(dá)或定位產(chǎn)生影響來增強(qiáng)腸黏膜屏障[8],通過調(diào)節(jié)IRF3和NF-κB信號(hào)通路來維持緊密連接蛋白功能,起到增強(qiáng)腸黏膜功能的作用(圖1A)。例如,鼠李糖乳酪桿菌GG(Lactobacillusrhamnosus,LGG)可以改善由輪狀病毒(rotavirus,RV)感染引起的仔豬腹瀉情況,提高空腸絨毛及空腸絨毛和隱窩深度比、空腸總超氧化物歧化酶活力,增強(qiáng)空腸的抗氧化能力,此外,還可以提高腸道中IL-4和分泌型IgA(secretory IgA,sIgA)以及閉鎖小帶蛋白-1(zonula occludens-1,ZO-1) 、occludin、黏蛋白1(mucin-1)和黏蛋白4(mucin-4)的表達(dá)水平。因此,LGG可能通過維護(hù)空腸黏膜屏障功能來緩解RV感染引起的腹瀉,其機(jī)制可能是通過活化Akt(也稱蛋白激酶B,protein kinase B)從而抑制IL-38α、TNF-α以及MPK-1誘導(dǎo)的腸上皮細(xì)胞凋亡;LGG的代謝產(chǎn)物色氨酸可以激活孕烷X受體(pregnane X receptor,PXR)和芳烴受體,而PXR可以通過抑制N端蛋白激酶( c-Jun N-terminal kinase,JNK)的磷酸化來促進(jìn)緊密連接蛋白表達(dá)[9-11]。當(dāng)給由葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎小鼠服用尼氏大腸桿菌(EscherichiacoliNissle,EcN)后并且分離小腸上皮細(xì)胞,觀察ZO-1和ZO-2的基因和蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)現(xiàn),與對照組相比EcN能夠上調(diào)小鼠腸上皮細(xì)胞中的ZO-1表達(dá),可見EcN可以通過上調(diào)ZO-1的mRNA的表達(dá)來維持黏膜的通透性,以緩解結(jié)腸炎引起的腸黏膜損傷[12]。Madsen等[13]的研究表明,當(dāng)給IL-10基因缺陷小鼠口服復(fù)合益生菌VSL#3時(shí)發(fā)現(xiàn),可以恢復(fù)小鼠因基因缺陷而受損的結(jié)腸屏障功能,維持上皮細(xì)胞的完整性。Thoreux等[14]在給小鼠感染RV后服用干酪乳桿菌發(fā)現(xiàn)可以減輕腹瀉程度,腸組織中的RV載量明顯降低,表明益生菌可以減輕病毒對腸道的損傷。Freitas等[15]發(fā)現(xiàn)擬桿菌屬的多形擬桿菌可以和干酪乳桿菌DN114001生成一種可溶性復(fù)合物,這種復(fù)合物可以通過對細(xì)胞糖基化模式的位點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)來保護(hù)感染RV的腸上皮細(xì)胞。

A. 腸道菌或其代謝產(chǎn)物維護(hù)緊密連接蛋白以及代謝物屏蔽病毒受體;B. 腸道菌與病毒相互作用抑制感染;C. 腸道菌屏蔽病毒受體;D. 腸道菌調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)抑制病毒感染;E. 腸道菌修飾細(xì)胞表面多糖抑制病毒感染;F. 腸道菌或其代謝物抑制病毒復(fù)制A. Intestinal bacteria or their metabolites maintain tight junction proteins and metabolites shield virus receptors; B. The interaction between intestinal bacteria and virus inhibits infection; C. Intestinal bacteria screen virus receptors; D. Intestinal bacteria regulate immune system and inhibit virus infection; E. Intestinal bacteria modify cell surface polysaccharides to inhibit virus infection; F. Intestinal bacteria or their metabolites inhibit virus replication.圖1 腸道菌群抗病毒機(jī)制Fig.1 Antivirus mechanism of intestinal microflora

腸黏液層是覆蓋在腸上皮細(xì)胞上的一層黏性液體,能夠?qū)θ肭值牟≡⑸锲鸬胶芎玫牡钟饔?是除腸上皮細(xì)胞外的另一屏障[16]。腸黏液層的黏液主要由杯狀細(xì)胞分泌,其主要成分為黏蛋白,分為分泌型和跨膜型兩種黏蛋白,前者主要負(fù)責(zé)黏液層的形成,后者的功能尚不清楚。腸道菌能夠通過對黏蛋白表達(dá)的調(diào)節(jié)而影響?zhàn)ひ簩悠琳?進(jìn)而間接影響機(jī)體的免疫系統(tǒng)。Engevik等[17]發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌可調(diào)節(jié)黏液合成,并通過刺激杯狀細(xì)胞自噬來上調(diào)MUC2的分泌。Rokana等[18]的研究表明益生菌可與腸細(xì)胞表面的TLR4結(jié)合,通過MyD88途徑刺激NF-κB產(chǎn)生,從而上調(diào)MUC2的表達(dá)。

2 腸道菌可以直接與病毒相互作用來抑制病毒感染

有些腸道菌可以通過阻止病毒與宿主細(xì)胞吸附的方式來保護(hù)機(jī)體,從而減輕病毒對機(jī)體的侵害。其機(jī)制是腸道菌可以通過競爭病毒的結(jié)合位點(diǎn)的方法來阻斷病毒吸附。腸道菌還可通過立體位阻或者增加細(xì)胞間節(jié)點(diǎn)的屏蔽作用的方式來阻止病毒對細(xì)胞的吸附作用。

豬流感病毒(swine influenza virus,SIV)可以直接被糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)NCIMB10415株捕獲,與對照組相比,糞腸球菌處理組的病毒滴度降了約2個(gè)數(shù)量級,且細(xì)菌沉淀物中可檢測到大量的病毒粒子,證明了糞腸球菌對SIV具有直接捕獲的作用(圖1B)[19]?？莶菅堪麠U菌(Bacillussubtilis)是一種具有良好的抗病毒和免疫調(diào)節(jié)作用的益生菌。目前的研究證明,BacillussubtilisOKB105通過競爭進(jìn)入受體來抑制傳染性胃腸炎病毒(TGEV)進(jìn)入豬腸道上皮細(xì)胞系(IPEC-J2)(圖1C)[20]。但是腸道菌與病毒的直接作用也存在著特異性,例如,格氏乳桿菌(Lactobacillusgasseri)CMUL57株可以捕獲有囊膜的單純皰疹病毒2型(herpes simplex virus type 2,HSV-2),但對無囊膜的柯薩奇病毒(Coxsackie virus,CV)的入侵沒有保護(hù)作用[21]。

另外,Varyukhina等[22]證明了類桿菌和干酪乳桿菌可以修飾細(xì)胞表面的糖蛋白,從而介導(dǎo)RV結(jié)合,發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌及其無細(xì)胞上清液在體外通過阻斷半乳糖化來修飾HT-29細(xì)胞表面的多糖,以增加半乳糖水平和減少RV感染(圖1E)。因此,可將細(xì)胞表面多糖的細(xì)菌修飾作為治療RV感染的一種方法。這一機(jī)制也可能是鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)對RV感染具有保護(hù)作用的基礎(chǔ)。有研究表明,對患有RV感染相關(guān)性腹瀉的兒童使用上述細(xì)菌顯著縮短了腹瀉持續(xù)時(shí)間,并減少了長期腹瀉病例。因此,細(xì)菌和病毒的相互作用可以阻止或者減輕病毒對機(jī)體的感染,但是其具體機(jī)制需要更深入地研究[23]。

除上述機(jī)制以外,目前已發(fā)現(xiàn)多種腸道細(xì)菌表達(dá)組織血型抗原(histo-blood group antigens, HBGA)樣物質(zhì),HBGA樣物質(zhì)是許多病毒的受體,如諾沃克病毒和輪狀病毒。先前的研究表明,細(xì)菌病毒通過類HBGA物質(zhì)結(jié)合促進(jìn)病毒入侵[24]。在體外對人諾如病毒(human norovirus,HNoV)替代物(P-顆粒)的相關(guān)研究表明,HBGA與特定病毒的結(jié)合在不同情況下既是病毒感染的抑制者,也是病毒感染的促進(jìn)者[25]。當(dāng)HBGA在陰溝腸桿菌定殖的豬中表達(dá)時(shí),感染性被抑制,阻斷了病毒粒子的附著。試驗(yàn)表明,表達(dá)HBGA的益生菌可以通過上述類似的機(jī)制來減輕病毒感染[26]。EcN和人輪狀病毒(human rotavirus, HRV)[27]也可能通過細(xì)菌病毒的相互作用使病毒對細(xì)胞的附著產(chǎn)生抑制作用,HRV的細(xì)胞附著和HRV脫落也明顯減少。因?yàn)镋cN主要與VP4相互作用,VP4是HRV的主要病毒吸附蛋白。此外,在P-顆粒和HNoV替代物上的試驗(yàn)也表明,在某些情況下,特定的微生物區(qū)系可能通過與病毒粒子結(jié)合來抑制HNoV的入侵。

3 腸道菌調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)抑制病毒感染

腸道菌群中的益生菌對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)尤為重要,當(dāng)病毒穿過皮膚和黏膜屏障感染機(jī)體細(xì)胞后,機(jī)體主要通過免疫系統(tǒng)來抵抗并清除病毒,以防進(jìn)一步對宿主造成傷害。益生菌可以刺激機(jī)體的免疫系統(tǒng),通過免疫反應(yīng)來調(diào)節(jié)因病毒感染而引起的過度炎癥反應(yīng)和免疫紊亂現(xiàn)象,從而起到抗病毒的作用[28]。

3.1 腸道菌對天然免疫的調(diào)節(jié)

一般來說,胃腸道中的淋巴組織和免疫細(xì)胞數(shù)量比身體其他部位的總和還要多。黏膜免疫系統(tǒng)又稱黏膜相關(guān)淋巴組織(mucosa associated lymphoid tissue, MALTS),主要由免疫組織、細(xì)胞和分子組成,黏膜與外部環(huán)境直接相連,參與復(fù)雜的免疫反應(yīng)[29]。各種免疫細(xì)胞參與先天免疫反應(yīng),自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell, NK)是天然免疫的關(guān)鍵成員,在識(shí)別和殺傷靶細(xì)胞以及對免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。NK細(xì)胞的激活和增殖能有效地抑制病毒復(fù)制。根據(jù)Matsusaki等[30]的研究,植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum) 06CC2降低小鼠大腦中乳酸對HSV-1的產(chǎn)量。L.plantarum06CC2通過增加派爾集合淋巴結(jié)(Peyer patch)中IL-12和IFN-γ的mRNA表達(dá)量進(jìn)而增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)活性。IL-12和IFN-γ能有效激活NK細(xì)胞和巨噬細(xì)胞,巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞相互協(xié)作以清除病毒。

模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor, PRR)在微生物和宿主之間具有廣泛的相互作用。PRRs是宿主細(xì)胞識(shí)別病原體的特殊分子,截至目前,發(fā)現(xiàn)的PRRs主要包括Toll樣受體(TLRs)、核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域(NOD)樣受體(NLRs)、維甲酸誘導(dǎo)樣受體(RLRs)、C型凝集素受體(CLRs)、黑色素瘤缺失的AIM2樣受體(ALRs)和環(huán)狀GMP-AMP合成酶(CGAs)。TLRs的成員可以識(shí)別廣泛的病原體,如細(xì)菌、病毒和真菌。Aoki-Yoshida等[31]的試驗(yàn)表明,鼠李糖乳桿菌能夠通過TLR3信號(hào)通路治療RV感染引起的腹瀉。木質(zhì)乳桿菌(LigilactobacillusLG)、唾液乳桿菌(Lactobacillussalivary)FFIG35和FFIG58也通過激活TLR3信號(hào)通路展現(xiàn)出抗病毒作用[32]。TLR3主要識(shí)別內(nèi)體中的核酸,TLR3的激活增加了IFN-I的表達(dá)。除了激活TLR3,益生菌還可以激活其他PRR。例如,嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)可以通過誘導(dǎo)小鼠樹突狀細(xì)胞(DC)中病毒免疫防御基因的表達(dá)來增強(qiáng)抗病毒效果[33]。病毒誘導(dǎo)的免疫防御基因的表達(dá)依賴于TLR2通路的激活,此外,L.plantarum可通過NLR(NOD2)和TLR(TLR2)途徑抑制小鼠的肺炎病毒(pneumonia virus of mice, PVM)感染[34]。NOD2和TLR2都介導(dǎo)了重要的先天性免疫反應(yīng),以抑制病毒感染。多項(xiàng)研究表明,益生菌混合物也具有免疫調(diào)節(jié)活性,益生菌混合物(Helveticus R0052、雙歧桿菌R0033和雙歧桿菌R0071)可以顯著下調(diào)IL-6、IL-8和IL-1β等促炎細(xì)胞因子的表達(dá),上調(diào)TLR3、絲裂原活化蛋白激酶和NF-κB的表達(dá)[35]。L.salivary可通過調(diào)節(jié)TLR2、HMGB1、p-p65/p65、NLRP3、Caspase-1蛋白表達(dá)緩解雞毒支原體(Mycoplasmagallisepticum,MG)感染肉雞肺部炎性損傷[36]。此外,L.plantarum、W.cibaria和L.Sakei可以通過激活TLRs和NF-κB通路來調(diào)節(jié)IECS中Poly(I:C)誘導(dǎo)的先天抗病毒免疫反應(yīng)(圖1D)[8]。NF-κB信號(hào)通路與促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生有關(guān),在病毒感染期間激活NF-κB信號(hào)通路可以增加促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的功能。

干擾素是抗病毒免疫和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的重要媒介[37]。Steed等[38]在腸道菌代謝物脫氨基酪氨酸通過刺激細(xì)胞產(chǎn)生IFN-I抗流感病毒感染的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),酪酸梭狀芽胞桿菌通過降解黃酮類物質(zhì),產(chǎn)生脫氨基酪氨酸進(jìn)而上調(diào)IFN-I信號(hào)通路和ISG的表達(dá),從而增強(qiáng)天然免疫反應(yīng);Schaupp等[39]發(fā)現(xiàn)腸道菌群能夠促使?jié){細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生IFN-I。此外,L.Plantarum通過在早期誘導(dǎo)大量的IFN-β和在晚期激活JAK-STAT1通路而在IPEC-J2細(xì)胞中發(fā)揮抗TGEV的作用,并且激活的JAK-STAT1通路還可以使一些抗病毒蛋白的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)增加[40]。

3.2 腸道菌對獲得性免疫的調(diào)節(jié)

病毒的清除并不僅局限于宿主的先天性免疫,還和獲得性免疫反應(yīng)有著重要關(guān)系。越來越多的證據(jù)表明,益生菌可以通過刺激適應(yīng)性免疫反應(yīng)來保護(hù)宿主免受病毒感染。Karaffova等[41]的研究中,羅伊乳桿菌(Lactobacillusreuteri)顯著降低了糞便、回腸和腸系膜淋巴結(jié)(mesenteric lymph nodes, MLN)中的PCV2病毒載量,并增加了回腸中的IgA的含量。IgA是黏膜免疫系統(tǒng)的主要組成部分,廣泛分布于宿主黏膜組織的黏膜分泌物中,可抑制病毒與上皮細(xì)胞的黏附,減緩病毒復(fù)制,在免疫屏障中發(fā)揮重要作用。越來越多的證據(jù)表明,不僅活的益生菌,而且熱滅活的益生菌也具有免疫調(diào)節(jié)作用。例如,熱滅活菌L.CaseiDK128通過誘導(dǎo)病毒特異性抗體,通過鼻腔治療,對乙型流感病毒(influenza virus,IFV)感染具有廣泛的保護(hù)作用[42]。而且,sIgA可與病毒特異性結(jié)合,抗體捕獲的病毒可被吞噬細(xì)胞吞噬破壞。

4 腸道菌群代謝物抑制病毒感染

機(jī)體需要腸道菌群提供重要的生物酶來實(shí)現(xiàn)將攝入的食物轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì),將未消化的大分子物質(zhì)進(jìn)行厭氧發(fā)酵,轉(zhuǎn)化為可被吸收且數(shù)量龐大的小分子物質(zhì)。腸道菌群代謝物抑制病毒感染的方式主要是通過調(diào)節(jié)腸黏膜屏障和宿主的天然免疫體系來實(shí)現(xiàn)的。腸道菌群可以通過產(chǎn)生的短鏈脂肪酸、色氨酸代謝物、細(xì)菌素、胞外多糖等代謝物實(shí)現(xiàn)對腸道病毒或非腸道感染病毒的抑制。

4.1 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)具有豐富的生物學(xué)功能,可促進(jìn)機(jī)體免疫細(xì)胞分化成熟、參與機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)、維持機(jī)體菌群平衡、抑制或殺滅有害菌生長繁殖、促進(jìn)有益菌生長、促進(jìn)胃腸道消化與吸收、調(diào)節(jié)機(jī)體糖脂代謝。人體內(nèi)的絕大部分SCFAs都是腸道菌群發(fā)酵腸道內(nèi)容物而來,其中含量較多的為乙酸、丙酸、丁酸。當(dāng)給哺乳小鼠連續(xù)口服丙酸后,通過增加ERK1、MAPK的表達(dá)來增強(qiáng)ZO-1、Claudin-1、Claudin-8的表達(dá),以促進(jìn)結(jié)腸上皮屏障功能的發(fā)揮(圖1A)[43]。在仔豬日糧中添加丁酸可減輕斷奶仔豬的腹瀉情況,降低腸上皮細(xì)胞的通透性,其機(jī)制是以GPR109A依賴性方式上調(diào)結(jié)腸中Claudin-1、Occludin、ZO-2,起到維持腸上皮屏障的作用[44]。SCFAs被認(rèn)為是腸道微生物群和免疫系統(tǒng)之間交流的介質(zhì)。主要通過G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCRs)的激活以及組蛋白去乙?；?histone deacelylase,HDAC)的抑制來調(diào)節(jié)T細(xì)胞的功能[45]。GPCRs發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)的受體主要包括GPR41、GPR42、GPR43。SCFA通過激活GPR41和抑制HDAC來促進(jìn)CD4+T細(xì)胞和ILCs產(chǎn)生IL-22,以維持腸道穩(wěn)態(tài)[46]。研究表明,腸道菌代謝物乳酸和丙酮酸通過誘導(dǎo)CX3CR1+細(xì)胞中的GPR31誘導(dǎo)樹突突起,有助于增強(qiáng)腸黏膜免疫反應(yīng)[47]。SCFAs作為能量物質(zhì),可通過抑制NLRP3炎癥小體和自噬,刺激腸道屏障的形成以保護(hù)腸道屏障免受LPS的破壞[48]。楊曉煉[49]的研究顯示,布勞特菌(Blautia)代謝產(chǎn)生的乙酸能夠通過IRF3、IFNAR通路上調(diào)IFN-I,從而抑制腦心肌炎病毒(encephalomyocarditis virus, EMCV)感染。

4.2 色氨酸代謝物

色氨酸(tryptophan,Trp)又稱β-吲哚基丙氨酸,它是人體必需氨基酸之一。腸道菌群將食物中的Trp轉(zhuǎn)化為吲哚乙酸(IAA)、吲哚-3-乙醛(IAAld)、吲哚硫酸(ISA)、吲哚-3-醛(IAld)、吲哚-丙烯酸(IA)等吲哚衍生物和色胺[50],上述大部分的吲哚衍生物都是芳香烴受體激動(dòng)劑。羅伊氏乳桿菌代謝色氨酸產(chǎn)生的吲哚衍生物能夠激活CD4+T中的AhR,并且下調(diào)Thpok基因家族,分化成為CD4+CD8αα+雙陽上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞(DP ILE),因此,羅伊氏乳桿菌和含色氨酸的食物一同服用可將上皮內(nèi)CD4+T細(xì)胞重新編程為免疫調(diào)節(jié)T細(xì)胞。上述的其它吲哚衍生物可能也有這樣的效果[51]。

色氨酸羥化酶可將色氨酸催化生成5-羥色氨酸,再經(jīng)脫羧酶轉(zhuǎn)化為5-羥色胺。5-羥色胺能夠在結(jié)腸上皮中特異表達(dá),并能誘導(dǎo)色胺的生物學(xué)功能,其中就包括對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)[52]。研究發(fā)現(xiàn),小檗堿能影響腸道屏障功能,其機(jī)制是通過調(diào)節(jié)腸道菌群相關(guān)的色氨酸代謝物來激活A(yù)hR,能夠改善由DSS引起的結(jié)腸炎,維護(hù)腸道屏障功能[53]。如果腸道中5-羥色胺的過度生成也會(huì)擾亂腸道免疫系統(tǒng)平衡,影響上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞水平、CD4+/CD8+T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞增殖以及sIgA和細(xì)胞因子的分泌[54-57]。

雖然腸道菌群對于一些疾病的治療確實(shí)展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢,但在一些特定條件下,對機(jī)體有益的腸道菌也會(huì)變成機(jī)會(huì)性致病菌[58]。此外,高濕高溫環(huán)境會(huì)降低腸道屏障功能,影響色氨酸代謝和AhR/IL-22信號(hào)通路,NOD2、NF-κB、pIgR等相關(guān)基因表達(dá)增加,導(dǎo)致腸道附近相關(guān)炎癥因子增多,局部炎癥加重,腸道通透性增加,如果繼續(xù)使用腸道菌則會(huì)導(dǎo)致疾病滯留,病程延長[59]。

4.3 細(xì)菌素

細(xì)菌素是腸道菌產(chǎn)生的蛋白類代謝物,具有抗腫瘤、抗菌、抗病毒、抗生物膜功能的抗菌肽[60]。腸球菌產(chǎn)生的腸菌素B被證明可以抑制流感病毒(H1N1和H3N2亞型)在犬腎細(xì)胞中的細(xì)胞病變效應(yīng)[61]。據(jù)推測,細(xì)菌素可能導(dǎo)致病毒顆粒聚集,通過與宿主細(xì)胞受體結(jié)合或抑制病毒復(fù)制周期中的關(guān)鍵步驟來阻斷病毒顆粒(圖1F)[62]。

乳酸菌的細(xì)菌素抗病毒研究已成熱點(diǎn)。在德氏乳桿菌中分離提純出的細(xì)菌素能夠顯著抑制H7N7和H7N1亞型流感毒株感染,這種作用機(jī)制可能是細(xì)菌素抑制了病毒復(fù)制中的關(guān)鍵步驟[63]。SARS-CoV-2,俗稱新冠病毒,是近幾年傳染性最強(qiáng)、危害程度最大的病毒,它的入侵細(xì)胞機(jī)制是通過其表面的刺突蛋白(spike glycoprotein, S蛋白)與宿主細(xì)胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)受體識(shí)別結(jié)合入侵機(jī)體上呼吸道細(xì)胞,通過軟件模擬發(fā)現(xiàn),S蛋白結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞受體結(jié)合區(qū)(receptor binding domain, RBD)能夠被植物乳桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素屏蔽(如BN、plantaricin D、plantaricin W等),從而阻止SARS-CoV-2的感染(圖1F)[64]。

近幾年,越來越多的細(xì)菌素抗病毒機(jī)制被發(fā)掘,這對預(yù)防和治療病毒性感染又開拓出一個(gè)新的方向,像細(xì)菌素這種綠色、健康、安全、易于取得的抗病毒物質(zhì)有望被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和養(yǎng)殖業(yè)中。

4.4 胞外多糖

胞外多糖(exopolysaccharides, EPS)是由益生菌產(chǎn)生的單糖或寡糖的重復(fù)單元[65],具有多種不同的化學(xué)成分和性質(zhì),因其免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗病毒作用而被廣泛的研究[66]。腸球菌屬(Enterococcus)產(chǎn)生的EPS具有免疫調(diào)節(jié)活性,Sharma和Ghosh[67]證實(shí)了MG6 EPS具有促進(jìn)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生一氧化氮(NO)、TNF-α、IL-6和IL-β的免疫活性。此外糞腸球菌在TLR-2、IL-10水平和吞噬活性方面也表現(xiàn)出良好的免疫活性[68]。Huang等[69]的研究證實(shí)L.PlantarumEPS(LPE)可通過下調(diào)IL-1β、IL-6、IL-8、MCP-1炎癥因子的轉(zhuǎn)錄水平以降低豬流行性腹瀉病毒(PEDV)感染所致的炎癥反應(yīng)。

4.5 其它代謝物

除上述4種代謝物外,腸道菌代謝的乳酸(lactic acid,LA)、外膜囊泡(outer membrane vesicles, OMV)或胞外囊泡(extracellular vesicle, EV)對病毒的入侵均有抑制作用。

在陰道黏膜中起保護(hù)作用的腸道菌以乳桿菌屬為主。乳桿菌釋放的代謝物對人類免疫缺陷病毒(HIV)具有抗病毒作用,LA是乳酸桿菌在陰道黏膜中產(chǎn)生的主要抗病毒因子[70]。產(chǎn)乳酸菌抗HIV感染機(jī)制可能是多方面的,首先LA可能與病毒結(jié)合并影響病毒的功能,從而限制病毒入侵細(xì)胞。其次,LA可能會(huì)破壞病毒包膜并裂解包膜病毒的病毒粒子以實(shí)現(xiàn)抗病毒作用[71]。腸道菌可以分泌含細(xì)菌DNA的OMV通過血液循環(huán)輸送到遠(yuǎn)端宿主細(xì)胞來激活cGAS-STING-IFN-I軸,從而促進(jìn)DNA病毒和RNA病毒的清除,細(xì)菌可通過這一途徑介導(dǎo)全身IFN-I的啟動(dòng),研究人員已從小鼠糞便中分離出載有厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門和放線菌門的OMV[72]。腸道菌群也可通過血液循環(huán)、肝腸循環(huán)等將其組分或代謝產(chǎn)物運(yùn)送到非腸道的其他部位,形成“腸-肺軸、腸-肝軸、腸-腎軸、腸-腦軸、腸-心軸”,以調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)[73-74]。卷曲乳桿菌(L.crispatusBC3和L.crispatusBC12)能夠通過產(chǎn)生EV保護(hù)人類宮頸陰道和扁桃體組織免受HIV-1的吸附和入侵[75]。

5 展 望

本文綜述了腸道菌群抵抗病毒感染的最新研究進(jìn)展以及腸道菌群干擾病毒感染的最常見機(jī)制,無論是直接與病毒作用還是通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)間接阻止病毒感染,不可否認(rèn)腸道菌群以其綠色、安全、成本低的優(yōu)勢有望成為抗病毒治療的靶點(diǎn)。然而,腸道微生物區(qū)系與病毒相互作用的具體機(jī)制還需要進(jìn)一步研究,如腸道菌群抑制病毒感染是否在病毒增殖周期的其他幾個(gè)階段,如穿入、脫殼、生物合成、組裝及釋放等過程發(fā)揮作用,還亟待深入解析。近年來,隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是高通量測序技術(shù)的成熟,將單細(xì)胞測序與空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于抗病毒機(jī)制的研究,將有望深入闡釋腸道菌群的抗病毒機(jī)制,將為腸道菌和腸道菌群移植作為促進(jìn)機(jī)體健康的預(yù)防和治療手段,提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。