腸道細菌與病毒的作用，揭示小兒腹瀉病原體防治新方法

　　相比于細菌，人類對于病毒感染治療防御措施少之又少，對于病毒感染類似于抗生素的有效治療方法還沒有被發現。細菌通常被認為對壓抑病毒感染沒有關系。但特定的病毒，比如噬菌體可以侵蝕細菌細胞。在機體被侵蝕的過程中，如果不孕育出抵抗機制，在漫長的進化過程中違背常理，或會被自然選擇排除，但我們對于細菌是如何抵抗病毒感染研究有限。

　　輪狀病毒（Rotavirus，RV）是一種非包膜的雙鏈RNA（dsRNA）病毒，仍然是全球范圍的主要病害，每年導致數十萬兒童出現危及生命的腹瀉，也是導致小兒及新生兒腹瀉的最主要病原體。RV 從口進入人體，主要感染腸胃上皮細胞，這些細胞存在于一個統稱為腸道微生物群的大型生態系統中。腸道微生物群可預防致病菌。例如，抗生素處理的宿主極易被細菌病原體侵殖和患病。這種侵殖阻力被認為反映了特定細菌家族防止特定類別的病原體的能力。然而，微生物群對腸道病毒感染的影響程度并不很清楚。

　　2019年10月10日，佐治亞州立大學Andrew T. Gewirtz教授團隊（一作為石振達博士）在Cell雜志上以長文形式發表了文章Segmented Filamentous Bacteria Prevent and Cure Rotavirus Infection，研究了腸道細菌微生物對輪狀病毒感染的影響。

　　Rag1-knockout（KO）小鼠，與患有嚴重免疫缺陷的人類一樣，它們一旦被RV感染，就會發展為慢性RV感染。在將Rag1-KO小鼠用于研究時，我們無意間發現了一株對RV感染具有高度抵抗力的Rag1-KO小鼠。我們猜想這些小鼠獲得了特定微生物群，這賦予了宿主RV的抗性。我們發現它們的RV抗性與固有淋巴細胞（ILC）無關，也不需要干擾素（IFN），它們對于控制大多數病毒至關重要。相反，這些小鼠對RV抗性是由分段絲狀細菌（segmented filamentous bacteria，SFB）介導的，這種細菌在防止或治愈RV感染的方向上改變了RV和宿主回腸，這暗示一種新的機制，通過這種機制，腸道微生物群可以改善健康。事實上，我們發現通過對富含SFB的腸道微生物群的移植，接受移植的小鼠達到了“百毒不侵”的狀態，對多種腸道病毒和細菌產生了抗性。

　　結 果

　　1. 可傳播的微生物保護免疫缺陷和有免疫能力的小鼠免受輪狀病毒感染

　　我們將RV-易感Rag1-KO小鼠稱為"JAX-RAG"，將上述抗RV的Rag1-KO小鼠稱為"GSU-RAG"。將JAX-RAG和GSU-RAG小鼠放在同一籠子或從GSU-RAG中移植出腸道微生物群，導致JAX-RAG小鼠獲得RV耐性。移植GSU-RAG腸道微生物到無菌（Germ free，GF） Rag1-KO小鼠中產生了對RV完全抗性，而接受JAX-RAG微生物群的GF Rag1-KO小鼠發展為慢性RV感染，說明移植的腸道菌群可以完全保護宿主，而并不需要宿主本身的菌群做出貢獻。此外，對具有慢性RV感染的JAX-RAG小鼠進行GSU-RAG腸道微生物群（而不是JAX-RAG的）移植，導致RV抗原釋放停止，表明慢性RV感染的治愈。哺乳期RAG幼崽與RV的感染導致水性腹瀉。RV 引起的腹瀉幾乎被 GSU-RAG 消除，但JAX-RAG 糞便不能做到。更多的是，免疫染色和PCR對回腸內RV基因組的定量證實沒有RV感染。

　　類似地，移植GSU-RAG腸道微生物到具有完善免疫系統的野生（WT）小鼠，使宿主獲得了對RV的抗性。在成年WT小鼠上，這種保護性與移植后RV感染的早晚有關。在移植GSU-RAG腸道微生物后兩日內對其進行RV感染，宿主會被完全保護，不會被感染；然而7日后進行感染，宿主只會被部分保護。在幼年WT小鼠（1周和3周）上，進行移植和RV感染，完全的RV保護性會產生，比如水樣腹瀉幾乎會被完全消失。

　　2. 探尋保護機制以及起關鍵抗病毒的微生物

　　我們嘗試了中和移植可能導致宿主產生的抗病毒因子，比如IL-22，IFN-，但抗病毒作用并未消失。我們還嘗試了探尋其他腸道免疫細胞對這個抗病毒現象的貢獻，通過運用固有淋巴細胞缺失的小鼠，以及探尋免疫細胞的數量變化，并且進行移植腸道免疫細胞，但這些實驗都表明，這些免疫因子和免疫細胞對于這個RV抗性的表現性貢獻有限，因此這種抗RV 感染的機制有別于常見抗病毒的機制。

　　固有淋巴細胞缺失（ILC）的小鼠，這株小鼠沒有T細胞、B細胞和NK細胞；粒細胞、巨噬細胞和突出細胞數量都有明顯減少。這樣在這株小鼠宿主體內剩余的免疫細胞，以及抗病毒的機制已經很有限了。我們研究了GSU-RAG微生物是否有能力在體外降低RV感染能力。結果令人振奮，從糞便中過濾出的腸道菌群可以在沒有免疫細胞的條件下減少RV感染，并且這種抗病毒作用不僅局限于RV，但延伸到其他病毒，包括VSV，IAV，和reo病毒都被不同程度的，在體內和體外，減少了毒力。

　　對腸道菌群進行體外混合抗生素處理，而不是混合抗真菌處理，這種抗RV的保護作用隨之消失，證明關鍵抗病毒微生物對抗生素敏感。隨后更具體的抗生素處理表明，關鍵抗病毒的微生物對卡那霉素耐受。通過對具有RV抵抗性的微生物群加熱、過濾和抗生素的處理，然后稀釋并移植到無細菌小鼠，最后進行微生物群落分析。這種方法表明，一株新的分段絲狀細菌（SFB）存在于被移植并且產生RV抵抗性的小鼠腸道內。這株SFB占被移植小鼠腸道細菌總量超過95%，并且它足以使小鼠對RV感染和相關腹瀉產生抗性。通過基因測序，RV感染測試，腸道切片染色，移植GSU-RAG混合腸道菌群和這株SFB可以造成相似的宿主表型，包括腸道上皮細胞增生，腸道基因表達的改變。這種腸上皮增生現在被認為和抗腸道病原微生物感染有密切關系。

　　總 結

　　輪狀病毒與多種微生物群共生在腸道上皮細胞，從而打開微生物影響 RV感染的可能。雖然清除RV通常需要適應性免疫，但我們無意間發現了抗RV免疫缺陷的小鼠，而通常來說清除病毒感染緊緊依賴于免疫系統，而免疫缺陷的宿主難于清除病毒感染，從而被病毒慢性感染，乃至終生被感染。我們假設，這種RV抗性反映了抵抗RV感染的微生物的存在。具體的是，這種RV抵抗性可通過共宿和糞便移植來傳播。這種保護作用與先前定義的RV阻抗因素無關，包括固有免疫細胞ILCs，干擾素、IL-17和IL-22。SFB在回腸的定植誘導宿主基因表達的變化，并加速上皮細胞周轉。含有SFB的糞便與RV共同孵育，降低了RV體外感染率，揭示了直接中和RV作用的可能。因此，獨立于免疫細胞，SFB提供保護某些腸道病毒感染和相關腹瀉病。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.028