從腸道菌群角度再認識血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2在嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2致病機制中的潛在作用

楊浩，鄔永琳，榮星喻，嚴雨晨，汪慧菁，牛辰，趙超

1. 復旦大學上海醫(yī)學院基礎(chǔ)醫(yī)學院教育部/衛(wèi)健委/醫(yī)科院醫(yī)學分子病毒學重點實驗室，上海 200032； 2. 國家老年疾病臨床醫(yī)學研究中心(復旦大學附屬華山醫(yī)院)，上海 200040； 3. 上海健康醫(yī)學院神經(jīng)精神藥理學實驗室，上海 201318

2020年1月24日，國內(nèi)報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、蝙蝠及其他野生動物中發(fā)現(xiàn)的已知冠狀病毒，如嚴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)作為受體感染靶細胞。此2種病毒均引起相似的肺部損傷和臨床表現(xiàn)，推測兩者的發(fā)病機制存在共性。因此，本文通過分析已經(jīng)公開報道的COVID-19與SARS發(fā)病特點做簡要對比，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識并分析可能的致病機制，為加速研發(fā)重型肺炎預(yù)測指標提供一種可能的新思路。

1 SARS與COVID-19的致病特點

急性肺損傷(acute lung injury, ALI)及其更嚴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胞、肺泡毛細血管內(nèi)皮細胞損傷和以炎癥細胞浸潤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，導致ALI甚至ARDS致使患者死亡[4, 5]；而近期發(fā)表的一項描述性研究顯示，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感染嚴重程度的因素中，年齡被認為是最典型的因素之一。目前報道數(shù)據(jù)顯示，SARS-CoV-2的易感性及COVID-19嚴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，當患者年齡>50歲時，SARS-CoV與中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV)感染嚴重程度及病死率增加[2, 6-7]。在一項非人類靈長類動物的SARS-CoV相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)[8]，盡管病毒復制水平相似，但SARS-CoV感染的老年獼猴比年輕成年獼猴表現(xiàn)出更嚴重的病理狀態(tài)，炎性相關(guān)基因差異表達增加。而使用Ⅰ型干擾素(type I interferon)對老年獼猴進行治療時，雖然不會影響肺組織中病毒復制，但可以減少促炎基因的表達并減輕病理學表現(xiàn)。據(jù)此推斷，疾病的最終結(jié)果取決于機體對“抗病毒”和“促炎”途徑的相對“偏倚”，而衰老顯然會影響機體對該“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)包括淋巴細胞對絲裂原的增殖反應(yīng)降低、NK細胞活性降低、胸腺退化、T細胞數(shù)量減少及應(yīng)答降低，以及促炎性細胞因子持續(xù)處于高水平，這可能有助于解釋老年人對疾病的高度敏感性[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]，由此導致的腸道菌群變化可能在整個病理生理過程中起作用。

2 ACE2和腸道菌群參與SARS致病機制

作為該類病毒的受體，ACE2是否參與病毒的致病機制值得關(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[12]，肺、小腸中也均有表達[13-14]。值得一提的是，在ARDS中ACE2起到關(guān)鍵的保護作用[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)、抗菌肽的表達和腸道微生態(tài)。ACE2對小腸上皮細胞的中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白B0AT1的表達是必需的，飲食中的色氨酸轉(zhuǎn)運吸收需依賴B0AT1，而色氨酸轉(zhuǎn)運可激活mTOR通路，使得抗菌肽的分泌增加，維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，進而降低腸道對炎癥的易感性[14]。同時，色氨酸已被證明在哺乳動物中發(fā)揮抗炎作用，低色氨酸飲食的小鼠更容易發(fā)生化學誘導的炎癥[16]。

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

對6例SARS致死病例進行的組織細胞原位雜交研究發(fā)現(xiàn)，腸道細胞內(nèi)病毒復制活躍，但并非存在嚴重的炎性病變[17]。盡管腸道內(nèi)的病變程度較低，但由于腸上皮細胞的功能紊亂，可增加腸道對脂多糖(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制。而這些均有可能導致潛在的全身系統(tǒng)性免疫激活效應(yīng)，進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。腸道菌群對于維持T細胞亞群至關(guān)重要，而T細胞亞群對于調(diào)節(jié)全身免疫反應(yīng)的方向和強度舉足輕重。此外腸道菌群可利用營養(yǎng)因子合成的代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，促進免疫細胞的募集及成熟[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呼吸道流感病毒感染的免疫反應(yīng)，促使肺中病毒高復制[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)炎性標志物的產(chǎn)生和釋放，進而減少ALI模型大鼠肺泡上皮的損傷[21]。同時越來越多的研究表明腸道功能障礙可導致細菌和內(nèi)毒素易位，引起敗血癥，最終導致肺損傷，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]。而菌群紊亂是短時間導致高炎癥狀態(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，老年人的腸道菌群通常具有細菌多樣性減少、優(yōu)勢菌種改變、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，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，并間接地影響機體免疫功能。成年患者與老年患者腸道內(nèi)的ACE2表達存在何種差異？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？仍需要進一步的研究進行闡釋。