Cell：肠道菌对轮状病毒感染的防治，详解小儿秋季腹泻的个体差异及潜在疗法

导读

10月10日，《Cell》刊发了题为《Segmented Filamentous Bacteria Prevent and Cure Rotavirus Infection（分段丝状细菌对轮状病毒感染的预防和治疗）》的新研究，指明一种叫做分段丝状细菌的肠道菌在轮状病毒感染中扮演着重要角色，并解释了轮状病毒在某些人群中引发严重致死性疾病的分子机制，或有助于开发轮状病毒感染的治疗和预防性新策略。

该研究的主要发现包括：

1. 某些小鼠群体对轮状病毒感染能产生自发抗性；
2. 粪便微生物移植可以转移对轮状病毒感染的这种抗性；
3. 抗性源于分段丝状细菌，它介导了对轮状病毒感染的保护作用；

4. 分段丝状细菌能够增加上皮细胞周转，从而起到阻碍轮状病毒感染及相关腹泻的作用。

研究名称：Segmented Filamentous Bacteria Prevent and Cure Rotavirus Infection

期刊：Cell

发表时间：2019年10月10日

IF：36.216

doi:10.1016/j.cell.2019.09.02

入秋以来，天气转凉，不少人都出现了腹泻、流感、呕吐等症状。尤其是专攻5岁以下婴幼儿的“轮状病毒腹泻”，已经迎来了10月-11月高发季节。

根据世界卫生组织统计，每年约有 450000 名 5 岁以下儿童死于疫苗可预防的轮状病毒感染；是导致世界各地儿童发生严重腹泻病的最常见原因。

目前，国际上有售且已通过世卫组织资格预审的两种口服、活性、减毒轮状病毒疫苗为Rotarix（源于人类轮状病毒的一个常见菌群）和RotaTeq（再分类牛-人轮状病毒）；这两种疫苗均被认为可以高效预防严重的胃肠道疾病。其中，RotaTeq已于2018年进入中国市场；在中国的三期临床试验显示，该疫苗对重度轮状病毒急性胃肠炎的预防效果高达90%。

不过，知几未来研究院今天要分享的给大家的轮状病毒防治法并不是洗手或者是疫苗，而是肠道菌。

日前，美国佐治亚州立大学Andrew T. Gewirtz课题组在10月10日的《Cell》上发表了题为《Segmented Filamentous Bacteria Prevent and Cure Rotavirus Infection（分段丝状细菌对轮状病毒感染的预防和治疗）》一文，指明肠道菌群能够对轮状病毒感染及相关腹泻起到保护作用，且这种作用独立于免疫细胞；通过移植富含分段丝状细菌（Segmented Filamentous Bacteria,sfb）的肠道微生物群甚至能够让小鼠达到“百毒不侵”的状态，对多种肠道病毒产生抗性。

意外的发现

说起来，这一研究结果完全是偶然所得。

研究人员在培育Rag1-KO型小鼠时，发现某些小鼠天然地对轮状病毒感染拥有完全的抵抗力（即GSU-RAG小鼠）；而其他Rag1-KO小鼠由于患有严重的免疫缺陷，一旦被轮状病毒感染，都发展成了慢性轮状病毒感染，且患病情况与饲养方法无关（即JAX-RAG小鼠）。

研究人员推测，可能是某些微生物群赋予了GSU-RAG小鼠这种独特的抵抗力；并在随后的粪菌移植试验中验证了这一猜想——接受了来自GSU-RAG小鼠的粪菌微生物后的幼鼠，在轮状病毒感染后腹泻时间从7天缩短到2天或4天。

微生物传递能够保护免疫缺陷小鼠不受轮状病毒感染。图G-H为粪菌移植后，幼鼠在被轮状病毒感染前6天和1天时的腹泻发生率，图I为接种后5周的轮状病毒抗原荧光镜检结果

值得注意的是，这种保护作用与年龄有一定的关系。

将GSU-RAG小鼠的的肠道微生物移植到具有完善免疫系统的野生（WT）成年小鼠，然后在移植后的两天内用轮状病毒感染小鼠，小鼠可获得完全保护，不会被感染；但在7日后进行感染，小鼠只能获得部分保护。

而对于3周大的幼鼠来说，在粪菌移植后2-7天内感染轮状病毒，都能够提供完全的保护作用，水样腹泻甚至能够几乎消失。接种后14天血清抗rv抗体测定结果也显示，没有出现轮状病毒抗体相关的轮状病毒脱落，这也进一步证明了未脱落轮状病毒抗原的小鼠从未被病毒感染。

两个矛盾的结果

进一步试验中，研究人员探索了在T和/或B淋巴细胞的缺失的情况下，GSU-RAG菌能否保护Rag1-KO小鼠免受轮状病毒感染。

结果显示，两种用GSU- RAG粪便移植的小鼠都能抵抗轮状病毒感染。表明GSU-RAG粪便中的微生物对轮状病毒感染的保护作用，是独立于体液免疫和细胞免疫之外的。

但在解密这种调节通路时，一个例外也出现了——小鼠的中性粒细胞数量实际上并没有随着粪菌移植而变化。

不仅如此，将GSU-RAG的粪便移植到JAX-RAG小鼠体内既不能增加IL-22的表达，也不能升高IL-18水平，及IL-18与IL-22的协同作用。

换句话说，这种对轮状病毒的抗性并不是我们所熟知的与固有淋巴细胞（ILC）有关，甚至都不需要干扰素（IFN）参与。

GSU-RAG菌群可直接与病毒相互作用，降低感染性

难道是GSU-RAG小鼠的粪便能够直接作用于病毒，“秒杀”轮状病毒？带着这个有些“套路之外”的猜测，研究人员做了更多的试验。

例如，在恒河猴轮状病毒（rhesus RV ,RRV）感染性试验中；GSU-RAG小鼠的粪便中的微生物同样也展现了惊人的保护效果。

不止如此，在没有免疫细胞的条件下，GSU-RAG小鼠的粪便在对重组囊性口炎病毒（vesicular stomatitis virus,VSV）、甲型流感病毒（influenza A virus）同样能起到保护作用，具有广泛的抗病病毒活性。

幕后英雄SFB菌

通过分析，研究人员发现这种保护作用与GSU-RAG小鼠的肠道中一种叫做分段丝状细菌（segmented filamentous bacteria,SFB）的微生物有关，又称Candidatus arthromitus。

试验中共分离出了两种，SFB-G和SFB-P，前者的保护作用强于后者。占到了被移植受体菌群的95%，对抗生素卡那霉素耐受。

GSU-RAG菌群和SFB-G对肠上皮细胞的增殖和脱落的影响。红色箭头所指为绒毛长度，黑色箭头所指为隐窝长度

它们都能直接降低肠道病毒的载量，同时，还可以通过促进上皮细胞增殖/更替相关的基因表达，影响肠细胞的迁移和脱落，进而影响病毒通过率，改变宿主的病毒抗性。

并且，这种抗性还能够通过菌移植传递给受体，让受体包括肠道上皮细胞增生、肠道基因表达在内的表型都和宿主变得相似。

但该研究并没有对分段丝状细菌对轮状病毒的预防机制作出阐明，尽管这种预防作用已经在本试验中观察到。研究人员推测有两种可能，一是借由分段丝状细菌对轮状病毒与上皮细胞结合的表面成分的抑制作用实现；二是通过类似于IL-22的机制赋予轮状病毒抗性。但都需要进一步证据。

虽然该研究结果尚不能立即应用于人类治疗，但对于帮助理解轮状病毒感染的倾向性仍有所帮助，同时，还提供了一种潜在的机制来解释不同人群对肠道病毒感染的易感性差异，以及未来开发抑制和治疗病毒感染的新型策略。

此外，该研究还特别提到了分段丝状细菌是中国婴儿中肠道菌群中的常见组成部分，而这可能是中国轮状病毒疫苗接种率不高、但整体疾病负担却并不严重的原因之一。