国人综述 |浙大&苏大（IF：18）： COVID-19患者的微生物群变化——潜在机制和治疗干预

编译：微科盟小木，编辑：微科盟小编、江舜尧。

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导读  

2019冠状病毒病(COVID-19)全球大流行目前正在进行，其由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)引起。很大一部分COVID-19患者表现出腹泻、恶心、呕吐等胃肠道症状。此外，呼吸道和胃肠道是人类微生物群的主要栖息地和SARS-CoV-2感染的靶点，因为它们高水平表达血管紧张素转换酶2(ACE2)和跨膜丝氨酸蛋白酶2(TMPRSS2)。越来越多的证据表明，COVID-19和急性期后COVID-19综合征(PACS)患者的微生物群发生了显著改变。微生物群是各种人类疾病的强大免疫调节因子，如糖尿病、肥胖、癌症、溃疡性结肠炎、克罗恩病和某些病毒感染。本综述探讨了宿主微生物群与COVID-19之间的临床相关性。微生物群衍生的代谢物或成分是影响宿主免疫的微生物-宿主相互作用的主要介质。因此，我们讨论了微生物群衍生的代谢物或成分调节宿主对SARS-CoV-2感染的免疫反应的潜在机制。最后，我们回顾并讨论了针对COVID-19和PACS的多种可能的基于微生物群的预防和治疗策略，包括粪便微生物群移植(FMT)、益生菌、益生元、微生物衍生代谢物和工程共生菌。这种治疗策略可以调节宿主微生物群并减轻病毒引起的炎症。

论文ID 

原名：Alterations in microbiota of patients with COVID-19: potential mechanisms and therapeutic interventions

译名：COVID-19患者的微生物群变化：潜在机制和治疗干预

期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy

IF：18.187

发表时间：2022.4

通讯作者：张龙＆周芳芳

通讯作者单位：浙江大学生命科学研究院&苏州大学生物医学研究院

DOI号：10.1038/s41392-022-00986-0

综述目录

1 前言

2 微生物群和COVID-19

2.1 呼吸道和胃肠道是人体内微生物的主要栖息地和SARS-CoV-2感染的靶点

2.2 COVID-19的胃肠道和呼吸道症状将微生物群与SARS-CoV-2感染联系起来

2.3 COVID-19患者的微生物群生态平衡受到干扰

2.4 肠道生态失调与PACS相关

3 微生物群在COVID-19中的潜在作用

3.1 微生物群可能导致COVID-19患者的细胞因子风暴

3.2 肠道共生菌衍生的代谢物和成分通过肠-肺轴调节肺抗病毒免疫反应

3.2.1 SARS-CoV-2感染早期阶段的宿主防御

3.2.2 抗炎作用

4 靶向微生物群作为COVID-19预防和治疗的辅助手段

5 结论和观点

主要内容

1 前言

人体微生物群中的细菌细胞比人体组织细胞多10倍，比人体基因多100倍。这些细菌栖息在人体的所有表面，包括胃肠道和呼吸道。人体选择性地允许某些细菌在其上定居，并为它们提供合适的栖息地。微生物群在人体内外具有多种重要功能，例如分解难消化的碳水化合物和蛋白质、营养物质的消化吸收、维生素生物合成以及宿主免疫诱导、指导和功能等。微生物群影响人类健康并与多种疾病有关。

由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)引起的2019冠状病毒病(COVID-19)全球大流行已对公共卫生和全球经济构成严重威胁。COVID-19患者表现出发热、乏力、胸部X光片异常、咳嗽、气短等呼吸道感染症状。此外，很大一部分COVID-19患者还表现出腹泻、恶心或呕吐、厌食、腹痛等胃肠道症状(图1)。来自临床研究的证据表明，住院COVID-19患者的呼吸道和胃肠道微生物群稳态被破坏。SARS-CoV-2可能使患者更易发生呼吸道和胃肠道继发性病原体感染，这些是COVID-19发病和死亡的主要原因。因此，微生物群可能在SARS-CoV-2感染中发挥重要作用。

本文就微生物群与COVID-19之间的临床相关性和免疫学机制进行综述。我们还探索了多种靶向微生物群的干预措施，这些干预措施基于微生物群与COVID-19之间的免疫相互作用，并可以优化抗SARS-CoV-2疗法。

图1 COVID-19相关的呼吸道和胃肠道症状。COVID-19患者表现出呼吸急促、咳嗽或咽痛、鼻塞或流鼻涕、肺炎、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、恶心或呕吐、腹泻、腹痛等多种呼吸道和胃肠道症状。

2 微生物群和COVID-19

2.1 呼吸道和胃肠道是人体内微生物的主要栖息地和SARS-CoV-2感染的靶点

SARS-CoV-2是COVID-19的病原体，它是β冠状病毒属(Betacoronavirus)的一种单链阳性RNA病毒。它编码膜(M)、核衣壳(N)、刺突(S)和包膜(E)结构蛋白和多种非结构蛋白。SARS-CoV-2需要S蛋白才能穿透宿主细胞。在病毒体上，S蛋白是由S1和S2亚基组成的同源三聚体。前者结合宿主血管紧张素转换酶-2(ACE2)，后者介导膜融合。该病毒劫持宿主细胞表面的蛋白酶，如跨膜丝氨酸蛋白酶2(TMPRSS2)，后者反过来激活病毒S蛋白，裂解ACE2受体，并促进病毒与宿主细胞膜结合。除了ACE2和TMPRSS2介导的入侵外，SARS-Cov-2还可以利用宿主细胞的吞噬或内吞功能入侵某些免疫细胞类型，如巨噬细胞。ACE2和TMPRSS2在呼吸道和胃肠道中强烈表达。后者与外部环境通讯，是SARS-CoV-2入侵的主要靶标(图2)。此外，这两个器官系统都含有大量微生物种群。

气体交换是呼吸道的主要功能。为了有效地进行气体交换，成人呼吸道的表面积大约是皮肤的40倍。然而，这种组织表面也提供了许多适合微生物的栖息地。高细菌密度(103-106 U-1)出现在健康的上呼吸道，包括鼻腔、鼻咽和口咽。相比之下，肺部的细菌密度略低(~102 U-1)。健康的上呼吸道通常由葡萄球菌(Staphylococcus)、丙酸杆菌(Propionibacterium)、纤毛菌属(Leptotrichia)、罗氏菌属(Rothia)、Dolosigranulum、嗜血杆菌属(Haemophilus)、莫拉菌(Moraxella)、韦荣球菌属(Veillonella)和棒状杆菌(Corynebacterium)组成。韦荣球菌、梭杆菌(Fusobacterium)和嗜血杆菌是健康肺部的主要菌属。普雷沃氏菌(Prevotella)和链球菌(Streptococcus)均见于上呼吸道和肺部。先前研究的证据表明，呼吸道中的共生细菌有助于防止病原体在粘膜表面建立感染和传播。这种现象被称为“定殖抗性”。因此，呼吸道微生物群可能有助于预防SARS-CoV-2感染。微生物群通过阻止SARS-CoV-2在粘膜表面定殖，可在一定程度上抑制病毒感染。

呼吸道飞沫和污染物传播可能是SARS-CoV-2的主要传播方式。然而，最近的一项研究表明，SARS-CoV-2也可能通过粪口途径传播。由于ACE2和TMPRSS2在胃肠道中高表达，SARS-CoV-2也以肠道为靶点。多项研究报告称，来自COVID-19患者的粪便样本对SARS-CoV-2病毒RNA呈阳性。内镜检查发现这些患者有结肠损伤。因此，SARS-CoV-2可以感染胃肠道。在中国进行的一项基于人群的研究显示，53%的COVID-19患者的粪便样本中检测到病毒RNA。对COVID-19患者进行活检发现胃、十二指肠和直肠中出现SARS-CoV-2蛋白外壳。因此，SARS-CoV-2及其近亲SARS-CoV都可以感染肠道。肠道微生物群比呼吸道微生物群更丰富多样。少数研究证实，肠道微生物群有助于调节肠道免疫稳态和病原体感染。因此，肠道细菌可能对宿主对SARS-CoV-2感染的免疫反应至关重要。

图2 人类微生物群的主要栖息地：呼吸道和胃肠道是SARS-CoV-2感染的靶标。SARS-CoV-2受体ACE2和TMPRSS2主要在为微生物提供许多适宜栖息地的呼吸道和胃肠道中表达。图右侧列出了呼吸道和胃肠道不同部位的代表性菌群。

2.2 COVID-19的胃肠道和呼吸道症状将微生物群与SARS-CoV-2感染联系起来

COVID-19的病程为潜伏期、症状期、高炎症期和消退期。潜伏期通常为1-14天，但多数情况下为3-7天。约97.5%的COVID-19患者在感染后14天内出现症状，其中只有2.5%无症状。COVID-19的临床表现变化很大，但通常包括呼吸短促(5380%)、咳痰(34.3%)、干咳(60 86%)和喉咙痛(13.9%)。

多项临床研究报告称，11-39%的COVID-19患者有胃肠道症状，包括恶心、呕吐、腹泻和腹痛(图1)。在智利进行的一项研究报告称，在7016名COVID-19患者中，11%表现出胃肠道症状。Jin等人报道称，在中国浙江的651名COVID-19患者中，8.6%出现腹泻，4.15%出现恶心或呕吐。胃肠道症状与住院风险相对较高和/或疾病严重程度较高有关。在重症和/或危重患者中，疾病进展并引起急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、败血症、继发性病原体肺炎和终末期器官衰竭等并发症。由于微生物群维持着呼吸道和胃肠道的稳态和健康，上述COVID-19相关症状可能将微生物群与SARS-CoV-2感染联系在一起。

2.3 COVID-19患者的微生物群生态平衡受到干扰

新出现的证据表明，COVID-19患者呼吸道和胃肠道的微生物群发生了显著变化。中国广东省的一项早期研究显示，COVID-19患者呼吸道微生物群的α-多样性降低，机会性致病菌丰度升高。研究人员在所有COVID-19重症患者中检测到30.8%(4/13)同时感染了鼻病毒B、人类α疱疹病毒1和人类正肺病毒，但未在任何轻度病例中检测到。COVID-19危重患者的主要呼吸道微生物类群包括洋葱伯克霍尔德菌复合体(Burkholderia cepacia complex，BCC)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和/或Mycoplasma spp.。在所有COVID-19重症病例中，23.1%(3/13)的临床痰液和/或鼻分泌物培养证实存在BCC和Staphylococcus epidermidis。在一名COVID-19危重患者中，存在时间依赖性的继发性新洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderia cenocepacia)感染和多种毒力基因的表达，这可能加速了疾病进展并加速了最终死亡。中国上海华山医院的一项研究报告称，在62例COVID-19和125例非COVID-19肺炎病例中，前者中有47%的病例检测到潜在致病菌，58%的病原体是呼吸道病毒。最近的一项研究表明，呼吸道微生物群与COVID-19疾病严重程度之间存在关联。一些潜在的混杂因素导致了COVID-19微生物群的改变。这些包括在重症监护病房(ICU)的时间、抗生素使用和氧气支持类型。作者整合了微生物组测序、病毒载量测定和免疫分析，并确定了COVID-19患者中与相对较高水平的促炎标志物相关的特定口腔细菌。

此外，还对COVID-19患者的肠道生态失调进行了研究。一项对15名在香港住院的COVID-19患者进行的鸟枪法宏基因组分析显示，他们的粪便微生物群缺乏有益的共生菌，而机会性致病菌丰富。研究人员发现，与健康个体的肠道微生物群相比，COVID-19患者的肠道微生物群中抗炎细菌毛螺菌科(Lachnospiraceae)、Roseburia、真杆菌属(Eubacterium)和普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium prausnitzii)的丰度较低。COVID-19患者的粪便中富含可引起菌血症的机会性致病菌，如哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、肠球菌(Enterococcus)、粘性放线菌(Actinomyces viscosus)和Bacteroides nordii。即使在SARS-CoV-2感染被清除或痊愈后，肠道生态失调仍然存在。肠道真菌和病毒群构成肠道微生物群的一部分，在应对SARS-CoV-2感染时也会发生改变。另一项研究发现，COVID-19患者粪便中白色念珠菌(Candida albicans)、耳念珠菌(C. auris)和黄曲霉(Aspergillus flavus)等机会性真菌病原体的比例相对增加。既往研究表明，上述真菌病原体与肺炎和其他呼吸道感染有关。因此，肠道真菌生态失调可能是COVID-19患者并发真菌感染和/或继发性真菌感染的原因之一。最近从COVID-19患者的呼吸道分泌物和气管吸出物中分离出了曲霉菌(Aspergillus)合并感染。

肠道病毒群帮助调节肠道免疫稳态。最近的一项研究使用深度鸟枪法测序来调查COVID-19患者粪便病毒群的相对变化。COVID-19患者粪便中真核DNA病毒比例升高(11/19)，原核DNA病毒(特别是噬菌体)比例下降(18/26)，这可能与SARS-CoV-2感染有关。粪便中真核病毒的丰度可能会增加，以利用可能因SARS-CoV-2感染而发生的宿主免疫功能障碍。对肠道病毒功能改变的分析显示，在COVID-19患者中，应激、炎症和毒性反应相对增加，包括精氨酸抑制因子、溶血素通道蛋白、DNA聚合酶IV的表达和DNA修复。

上述研究有助于阐明微生物群与SARS-CoV2感染之间的关系，从而揭示可能的降低住院COVID-19患者疾病严重程度的肠道微生物群干预措施。

2.4 肠道生态失调与PACS相关

急性期后COVID-19综合征(PACS)的特点是发病后出现长期并发症和/或持续症状。PACS的症状可能包括呼吸(咳嗽、咳痰、鼻塞/流鼻涕和呼吸短促)、神经精神(头痛、头晕、味觉丧失、嗅觉丧失、焦虑、注意力难以集中、失眠、抑郁、记忆力差和视力模糊)、胃肠道(恶心、腹泻、腹部和上腹部疼痛)、皮肤(脱发)，肌肉骨骼(关节痛和肌肉痛)，还可能包括疲劳。PACS出现的潜在原因尚不清楚。最近的一项研究表明，肠道生态失调可能在PACS中发挥重要作用。收集了68名COVID-19患者的粪便样本，其中50例(73.5%)在首次确诊COVID-19后6个月出现PACS。粪便或呼吸道病毒载量与PACS发展之间无显著相关性。然而，为期6个月的随访表明，PACS患者和非PACS患者的肠道微生物群存在差异。6个月时，非PACS患者的肠道微生物群与健康对照组相当，而PACS患者的肠道微生物群与健康对照组有显著差异。此外，PACS患者的细菌多样性和丰富度低于健康个体。相反，上述参数在非PACS患者与健康对照之间无显著差异。在PACS患者中，与健康对照组相比，有28种和14种肠道细菌分别减少和增加。作者研究了6个月时肠道微生物组组成与各种PACS症状之间的关系。R包MaAsLin2(https://github.com/biobakery/MaAsLin2)揭示了不同PACS症状与不同肠道微生物群模式有关。81种细菌与不同的PACS类别相关，其中许多类群与至少两种持续性症状相关。

作者还调查了入院时的肠道微生物群状况是否会影响PACS的发展。入院时对粪便样本的分析显示，PACS患者和非PACS患者的细菌簇明显不同。与PACS患者相比，非PACS-COVID-19的患者肠道细菌组合物富含19种细菌，以双歧杆菌、Brautia和拟杆菌为特征。PACS患者的肠道细菌多样性和丰富度明显低于健康对照组。Blautia wexlerae和长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)等13种细菌在6个月时与PACS呈负相关。因此，这些物种可能在SARS-CoV-2感染恢复过程中发挥保护作用。相反，Actinomyces sp S6 Spd3、Actinomyces johnsonii和Atopobium parvulum与PACS呈正相关。作者还报道称，某些细菌种类，如Ruminococcus gnavus、Clostridium innocuum和Erysipelatoclostridium ramosum在入院至6个月随访期间仍存在差异，并与一些PACS症状相关。

综上所述，上述研究结果表明，患者入院时的肠道微生物群组成可能反映了患者对长期COVID-19并发症的易感性。由于数百万人在当前的COVID-19大流行期间受到感染，上述研究的发现强烈表明，肠道微生物群调节可以促进从COVID-19中及时恢复并降低急性PACS发展的风险。

图3 COVID-19患者肺部微生物群失调导致细胞因子风暴和继发性病原体感染的潜在机制。SARS-CoV-2感染破坏肺部微生物群生态平衡。机会性致病菌丰度的增加可能会加剧肺部细胞因子风暴，导致COVID-19患者继发性病原体感染。入侵机会性致病菌释放的病原体相关分子模式(PAMPs)可通过模式识别受体(PRR)(包括Toll样受体(TLRs)、RIG-I样受体(RLRs)和NOD样受体(NLRs))被宿主先天淋巴细胞(如巨噬细胞和树突状细胞)识别。它们通过NF-κB信号传导诱导促炎因子的表达，通过IRF3信号传导诱导干扰素表达，通过JAK/STAT信号传导诱导大量干扰素刺激基因(ISGs)的表达。过量的细胞因子可能会加重COVID-19症状。

3 微生物群在COVID-19中的潜在作用

3.1 微生物群可能导致COVID-19患者的细胞因子风暴

炎症是一种保护性免疫反应，有助于清除感染源。然而，慢性或过度的炎症可导致自身免疫损伤。在新冠肺炎大流行的早期阶段，在部分COVID-19患者中观察到炎性细胞因子风暴。细胞因子风暴也被称为炎症因子风暴或系统性炎症反应综合征(SIRS)。免疫细胞过度激活释放大量细胞内炎症因子，包括IL-6、IL-1β、TNF-α、IFN和补体蛋白。因此，免疫细胞对病原体和受感染细胞发起风暴式自杀攻击，对健康细胞和组织造成附带损害，增加血管通透性并扰乱循环。SARS-CoV-2感染引起炎症因子风暴的潜在机制可分为以下三类：①SARS-CoV-2通过结合细胞表面受体ACE2和TMPRSS2侵入表皮细胞，劫持宿主细胞并进行自我复制。在上皮细胞产生并释放大量病毒后，先天淋巴细胞(如巨噬细胞和树突状细胞(DC))通过模式识别受体(PRRs)，如Toll样受体(TLRs)、RIG-I样受体(RLRs)和NOD样受体(NLRs)，识别并结合病毒病原体相关分子模式(PAMPs)。这些PRRs诱导促炎因子、IFN和大量IFN刺激基因(ISGs)的表达(图3)。②SARS-CoV-2感染杀死的细胞释放多种危险相关分子模式(DAMPs)，激活RLRs和NLRs，进而促进各种促炎症因子的表达。③SARS-CoV-2感染通过减少益生菌的比例和增加机会性致病菌的丰度来破坏呼吸道和胃肠道微生物群的生态平衡。它会损害呼吸道和胃肠道上皮细胞粘膜层，还会破坏表皮细胞之间的紧密连接(TJs)(图4)。这些重要的物理屏障可防止机会性致病菌入侵。如果没有它们，机会性致病菌可能会进入循环并引起全身炎症和感染。钠依赖性中性氨基酸转运蛋白B0AT1或SLC6A19也可能与SARS-CoV-2感染破坏上述物理屏障和/或体内稳态有关。B0AT1也是ACE2的分子伴侣。ACE2是小鼠肠上皮细胞管腔表面B0AT1表达所必需的。B0AT1介导肠上皮细胞管腔表面摄取中性氨基酸。B0AT1底物(如色氨酸和谷氨酰胺)可激活抗菌肽的释放，促进TJ的形成，下调淋巴促炎细胞因子，并通过mTOR信号传导调节黏膜细胞自噬。由于ACE2是B0AT1分子伴侣，在SARS-CoV-2感染期间这两种分子可能共同内化，细胞膜表面B0AT1的净含量可能会减少，最近的一项研究证实了这一假设。采用冷冻电子显微镜观察ACE2-B0AT1复合物以及另一个涉及SARS-CoV-2受体结合域(RBD)的复合物的超微结构。分析发现ACE2-B0AT1复合物以异源二聚体的形式存在，SARS-CoV-2刺突蛋白(S1)可能与其相互作用。SARS-CoV-2诱导的肠上皮细胞管腔表面B0AT1下调可能导致微生物群失调，进而促进病原体入侵，最终促进细胞因子风暴和COVID-19恶化。

图4 COVID-19患者肠道微生物群失调导致细胞因子风暴和继发性病原体感染的潜在机制。肠道微生物群也被SARS-CoV-2感染破坏，这可能引发细胞因子风暴和继发性病原体感染。B0AT1介导肠上皮细胞管腔表面对中性氨基酸的摄取。B0AT1也是ACE2分子伴侣。B0AT1底物(如色氨酸和谷氨酰胺)可激活抗菌肽的释放，促进紧密连接(TJ)的形成，下调淋巴促炎细胞因子，并通过mTOR信号传导调节黏膜细胞自噬。由于ACE2是B0AT1分子伴侣，ACE2相关的B0AT1可能在SARS-CoV-2感染期间内化，降低细胞膜上的B0AT1，促进肠道机会性致病菌入侵，促进细胞因子风暴，加重COVID-19。

3.2 肠道共生菌衍生的代谢物和成分通过肠-肺轴调节肺抗病毒免疫反应

肠道微生物群代谢物是作为肠道微生物代谢的中间产物或终产物产生的小分子，其来源于膳食底物的细菌代谢或直接来源于细菌本身。肠道微生物衍生的代谢物是影响宿主免疫的肠道微生物-宿主相互作用的主要介质。因此，我们将讨论肠道微生物衍生代谢物调节宿主对SARS-CoV-2感染的免疫反应的潜在机制。

3.2.1 SARS-CoV-2感染早期阶段的宿主防御

粘膜相关不变T细胞(MAIT)构成进化上保守的T细胞亚群，其先天功能类似于先天自然杀伤T细胞(iNKT)，主要位于脾脏、淋巴结和肝脏，但它们也可能栖息在屏障组织中，如肺、皮肤和肠道。它们通过限制性主要组织相容性复合体(MHC)相关蛋白-1(MR1)介导的对肠道微生物群产生的核黄素衍生物的识别对病原体作出反应，如动物双歧杆菌(Bifidobacterium animalis)、Bacteroides thetaiotaomicron、干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)和阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)。这些微生物衍生的信号影响MAIT细胞生物学的所有阶段，包括胸腺内发育、外周扩张和器官功能。在组织中，MAIT细胞整合多种信号并显示与防御传染性病原体相关的效应功能。最近的一项研究表明，MAIT细胞高度参与宿主对COVID-19的免疫反应。在SARS-CoV-2感染的早期阶段，MAIT细胞参与呼吸道的局部和全身免疫反应。它们通过促炎信号从血液进入呼吸道，并迅速促进对SARS-CoV-2感染的先天免疫反应(图5)。

脱氨基酪氨酸(DAT)是一种从类黄酮中提取的细菌代谢物。最近有研究表明，DAT通过启动I型干扰素(IFN)信号放大环来保护宿主免受流感感染。作者使用含有多种I型IFN反应元件的报告细胞系筛选了84个微生物相关代谢物文库，发现DAT显著影响IFN信号传导。流感感染后给药DAT的小鼠死亡率降低、病毒基因表达降低以及呼吸道中凋亡细胞比例降低。作者分析了抗生素治疗小鼠粪便和血清DAT含量的变化，并证实它们的肠道微生物群产生了这种化合物。研究人员还报道称，人类肠道细菌Clostridium orbiscindens将类黄酮降解为DAT。肠道微生物衍生成分，如脂多糖(LPS)也有助于保护肺部免受病毒感染。Schaupp等人的最新证据表明，微生物衍生成分需要在稳态下对树突状细胞(DCs)进行编程，以便它们快速响应病原体并启动针对病原体的免疫反应。另一项研究表明，肺部基质细胞中肠道微生物群驱动的强直IFN信号可以保护宿主免受流感病毒感染。SARS-CoV-2和流感病毒在许多方面相似。因此，肠道微生物群衍生的代谢物和成分可能有助于抑制早期SARS-CoV-2感染。

图5 在SARS-CoV-2感染的早期阶段，肠道共生菌代谢物或成分可能通过肠-肺轴促进肺部抗病毒免疫反应。肠道微生物，如动物双歧杆菌(Bifidobacterium animalis)、Bacteroides thetaiotaomicron、干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)和阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)产生核黄素衍生物，通过限制性主要组织相容性复合体(MHC)相关蛋白1(MR1)介导的识别激活粘膜相关不变T细胞(MAIT)。在SARS-CoV-2感染早期，激活的肠道MAIT细胞可能通过肠-肺轴参与肺部抗病毒免疫反应。肠道细菌Clostridium orbiscindens产生的脱氨基酪氨酸(DAT)可通过启动I型干扰素(IFN)信号放大环来保护宿主免受病毒感染。微生物群衍生成分需要在稳态期间对DCs进行编程，使其能够快速启动对病原体的免疫反应。肠道微生物衍生的代谢产物和成分可能在抑制早期SARS-CoV-2感染中发挥重要作用。

3.2.2 抗炎作用

由SARS-CoV-2感染引起的促炎细胞因子风暴与严重疾病和高死亡率有关。抑制或减弱促炎细胞因子风暴的药物已用于COVID-19重症或危重症患者的临床治疗。Siltuximab是一种靶向IL-6R的单克隆抗体。大量研究表明，各种微生物代谢物可抑制炎症。因此，在本节中，我们将讨论这些物质抑制COVID-19相关炎症的假定机制(图6)。

短链脂肪酸(SCFAs)由不同的细菌群产生，其中包括乙酸(50-70%;由许多细菌类群形成)，丙酸(10-20%;由拟杆菌门和某些厚壁菌门合成)和丁酸(10-40%;由少数梭菌产生)。SCFAs影响肠道以及与外周循环和身体远端部位相关的免疫反应。Kim等人最近的一项研究发现，微生物群产生的SCFAs可增强B细胞代谢和基因表达，并支持最佳的稳态和病原特异性抗体反应。SCFAs对肠道和全身组织中的B细胞具有这些作用。因此，来自肠道微生物群的SCFAs可能会促进B细胞中抗SARS-CoV-2抗体的产生，并抑制COVID-19的发展。另一项研究显示，COVID-19患者的肠道微生物组即使在疾病消退后也出现SCFA能力受损。因此，COVID-19感染的严重程度可能与肠道微生物群代谢持续受损有直接联系。

SCFAs还通过调节各种免疫细胞来抑制炎症。丁酸通过上调精氨酸酶1 (ARG1)并最终下调TNF、Nos2、IL-6和IL-12b来促进M2样巨噬细胞极化和抗炎活性。调节性T细胞(Treg细胞)由具有显著免疫抑制作用的T细胞亚群组成，具有表达Foxp3、CD25和CD4的能力。Treg细胞分泌的多种抗炎细胞因子可抑制自身炎症反应，防止病理性免疫反应引起组织损伤。Treg细胞功能缺陷或缺失可能导致炎症性疾病。丁酸盐可通过抑制组蛋白去乙酰化酶或增加初始T细胞中Foxp3启动子的转录来促进初始T细胞向Treg细胞分化。丙酸激活Treg细胞上的GPR43，促进其增殖。其他微生物衍生的代谢物和成分也调节Treg细胞。

婴儿双歧杆菌(Bifidobacterium infantis)衍生的维生素A或视黄酸(RA)上调DCs中编码视网膜脱氢酶2的Aldh1a2。表达Aldh1a2的DCs产生高水平的RA，该物质与转化生长因子-β (TGF-β)协同作用促进初始T细胞向FOXP3+ Treg细胞分化。肠道共生脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)的荚膜成分多糖A(PSA)可通过自噬相关蛋白ATG16L1和核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2 (NOD2)依赖的自噬途径转运到固有层。FOXP3+ Treg细胞上的Toll样受体2 (TLR2)识别PSA信号，进而诱导FOXP3+ Treg细胞增殖、IL-10的产生和抗炎状态。两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)产生的细胞表面β-葡聚糖/半乳聚糖(CSGG)多糖可促进Foxp3+ Treg细胞的生成。视黄酸受体相关孤儿受体γt (RORγt；一种核激素受体)可诱导促炎辅助性T细胞17(TH17)分化。最近的研究表明，某些肠道共生菌如幽门螺杆菌(Helicobacter spp.)和Clostridium ramosum可诱导Foxp3+ Treg细胞中RORγt的表达。RORγt+ Foxp3+ Treg细胞下调TH1-、TH2-和TH17细胞型免疫反应。

各种肠道共生菌衍生的代谢物和成分，如维生素、碳水化合物、氨基酸衍生物和糖脂，已被证明通过不同的机制调节多种宿主免疫细胞亚群。肠道共生菌的免疫调节作用是设计和应用SARS-CoV-2预防和治疗药物的潜在靶点。

图6 肠道微生物群衍生的代谢物和成分进行抗炎免疫调节。从左到右：肠道共生脆弱拟杆菌的多糖A (PSA)荚膜成分可以通过自噬相关蛋白ATG16L1和核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2 (NOD2)依赖的自噬途径转运到肠道固有层。PSA信号促进OXP3+ Treg细胞增殖和IL-10的产生，并诱导抗炎状态。来自肠道共生婴儿双歧杆菌的维生素A或视黄酸(RA)上调DCs中编码视网膜脱氢酶2的Aldh1a2。表达Aldh1a2的DCs产生高水平的RA，与转化生长因子-β (TGF-β)协同促进初始T细胞向FOXP3+ Treg细胞分化，并抑制SARS-CoV-2感染引起的炎症。肠道微生物群可产生乙酸、丙酸和丁酸短链脂肪酸(SCFAs)，以抑制SARS-CoV-2感染引起的炎症。丁酸盐通过上调精氨酸酶1(ARG1)、抑制肿瘤坏死因子(TNF)生成、下调Nos2、IL6和IL12b来促进M2样巨噬细胞极化和抗炎活性。丁酸盐抑制组蛋白去乙酰化酶，增加初始T细胞中Foxp3启动子和相关增强子位点的转录，促进初始T细胞向Treg细胞分化。丙酸激活Treg细胞上的GPR43，从而促进其增殖。乙酸促进B细胞中抗SARS-CoV-2抗体的产生，从而抑制SARS-CoV-2感染。微生物成员诱导CX3CR1+巨噬细胞，抑制辅助性T细胞1(TH1)并促进Treg细胞反应。两歧双歧杆菌产生的细胞表面β-葡聚糖/半乳聚糖(CSGG)多糖可诱导FOXP3+ Treg细胞生成，并抑制SARS-CoV-2感染引起的炎症反应。肠道共生菌(如Helicobacter spp.和Clostridium ramosum)诱导FOXP3+ Treg细胞表达RORγt，从而抑制TH1、TH2和TH17细胞型炎症反应。

4 靶向微生物群作为COVID-19预防和治疗的辅助手段

肠道微生物群对免疫调节至关重要。因此，基于微生物群的疗法，如粪便微生物群移植(FMT)、益生菌和益生元已被用于各种人类疾病的临床治疗，如糖尿病、肥胖、癌症、溃疡性结肠炎、克罗恩病和某些病毒感染。最近的研究已经操纵肠道微生物群来治疗COVID-19及其并发症。在本节中，我们回顾和讨论了可能的基于微生物群的COVID-19疗法(图7)。

图7 潜在的基于微生物群的COVID-19疗法包括粪便微生物群移植(FMT)、益生菌和益生元、工程共生菌和微生物衍生代谢物。

在FMT中，将来自健康供体的粪便材料的体外培养或纯化获得的复杂微生物群接种到患者的肠道中。FMT已证明对结肠炎、糖尿病和复发性艰难梭菌感染有效。最近，一项注册临床试验(ClinicalTrials.gov Identifier No.NCT04824222)试图验证FMT作为免疫调节风险降低剂在与细胞因子风暴和炎症升级相关的COVID-19疾病进展中的有效性。对照组给予标准药物治疗，实验组也以30-50剂量、双盖、抗胃、肠溶释放冷冻60克胶囊的形式口服口服FMT。主要的结局指标是安全试验组在给药后30天内的不良事件发生率。另一个结局指标是研究组和对照组中需要升级非侵入性氧气治疗方式的患者百分比，如增加FiO2、实施高流量鼻插管氧疗(HFNOT)、持续气道正压(CPAP)或侵入性通气、呼吸机、和/或在ICU住院治疗，对应于COVID-19表现状态量表上的5-7级疾病恶化，该试验仍在进行中。然而，考虑到肠道微生物群在免疫调节中的重要作用，我们认为FMT是抑制COVID-19引起的细胞因子风暴和炎症的一种可能的治疗选择。

补充微生物群靶向底物(益生元)，如特定膳食纤维和/或直接转移一种或几种特定有益菌群(益生菌)，是调节肠道微生物群的有前景的COVID-19治疗方法。与FMT相比，益生菌和/或益生元治疗相对更安全、更容易制备和管理。中国国家卫生健康委员会建议对重症COVID-19患者临床使用益生菌，以恢复和维持肠道菌群平衡，预防继发性感染。事实上，许多临床试验正在验证益生菌和/或益生元在缩短COVID-19持续时间和症状方面的有效性(表1)。一项临床试验(ClinicalTrials.gov Identifier NCT05043376)正在调查益生菌唾液链球菌(Streptococcus salivarius)K12(BLIS K12)在COVID-19住院患者中的疗效。一项II期随机临床试验(ClinicalTrials.gov Identifier NCT05175833)的研究人员正在评估BLIS K12和短乳杆菌(Lactobacillus brevis)CD2在预防重症COVID-19患者继发细菌性肺炎方面的疗效。杜克大学医院的另一项随机试验(ClinicalTrials.gov Identifier No. NCT04399252)正在评估益生菌鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)GG在家庭接触中预防COVID-19传播和症状发展方面的功效。上述临床试验均未公布结果，但已有经验证明某些益生菌菌株对其他冠状病毒具有抗病毒活性。因此，益生菌有可能用于COVID-19的预防和/或辅助治疗。

合成生物学和基因操作的进步正在促进和实现基于COVID-19治疗需求的微生物设计。我们现在可以设计共生细菌，使其具有所需功能、产生所需代谢物以及靶向宿主中正确位置的能力。乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)菌株经过工程改造，可表达和分泌抗炎细胞因子IL-10来治疗结肠炎。该菌株的生物安全性通过使其需要外源性胸腺嘧啶核苷才能存活和产生IL-10来保证。SARS-CoV-2感染引起的细胞因子风暴与COVID-19的严重程度和死亡率密切相关。因此，设计和应用类似的工程菌株以在肺部产生抗炎代谢物并抑制促炎风暴，可能会成为一种有前景的COVID-19疗法，但该技术的安全性和有效性尚需进一步的临床研究来验证。直接补充有益微生物衍生的代谢物(如SCFAs)也有望用于COVID-19治疗。

来自干预研究和动物模型的新证据表明，微生物群在疫苗接种的抗体反应中起着至关重要的作用。例如，抗生素治疗小鼠和无菌小鼠对季节性流感疫苗的抗体反应降低。因此，除COVID-19治疗外，考虑到微生物群是调节疫苗接种免疫反应的重要因素，微生物群靶向干预是优化COVID-19疫苗有效性的一种有希望的方式。然而，就目前而言，评估微生物群对COVID-19疫苗免疫反应的影响的研究相对较少，需要在这方面做进一步的工作。

表1 评估益生菌或益生元治疗COVID-19疗效的临床试验实例。

5 结论和观点

与COVID-19初期相关的症状包括干咳、呼吸短促、呕吐和腹泻。呼吸道和胃肠道是人体微生物群的主要栖息地，也是SARS-CoV-2感染的靶点，因为它们高水平表达ACE2和TMPRSS2。越来越多的证据表明，COVID-19期间这些微生物群的大量扰动与疾病严重程度、死亡率和PACS有关。微生物群是影响人类健康和疾病的重要免疫调节因子。因此，靶向操纵微生物群是预防和治疗COVID-19和PACS的一种有前景的策略。许多临床试验正在评估益生菌辅助治疗以及其他基于微生物群的疗法的疗效，但这些临床试验的结果尚未公布。需要更多的临床数据来验证基于微生物群的疗法对COVID-19或PACS患者的安全性和有效性。

SARS-CoV-2的Omicron变种最近在全球迅速传播。值得注意的是，Omicron变种不是单一菌株，而是进化成三个谱系: BA.1、BA.2和BA.3。BA.1曾经是世界上最广泛流行的毒株，但BA.2被认为比BA.1更具传播性，并且BA.2在丹麦、尼泊尔和菲律宾等几个国家逐渐取代BA.1。BA.3的传播能力非常有限，病例很少，最多几百例。某些研究提出，Omicron变种可以逃避感染和疫苗接种诱导的抗体，并加剧现有的公共卫生风险。相比之下，其他研究表明，与野生型SARS-CoV-2相比，与Omicron变种相关的住院率相对较低。然而，就其对宿主微生物群改变的相对影响而言，Omicron和野生型菌株之间的差异尚不清楚。未来的研究可能有助于开发针对Omicron变种感染的基于微生物群的疗法。

不仅各种内在宿主因素(如年龄、性别、遗传和合并症)，而且外在因素(如农村与城市位置、地理位置、季节和毒素)已被证明会影响微生物群的组成。此外，微生物群的组成在个体和人群之间差异很大，在SARS-CoV-2症状方面也存在很大差异。病例可从无症状到急性肺炎不等。然而，关于微生物群组成与冠状病毒易感性之间的关系的数据很少。因此，明确SARSCoV-2易感性与微生物群组成之间的关系可能有助于设计和部署针对新型SARS-CoV-2毒株的预防和治疗措施。很明显，微生物群与宿主对包括COVID-19在内的各种疾病的免疫反应密切相关。尽管如此，基于微生物群的疗法是否会影响COVID-19的预后仍有待确定。鉴于COVID-19大流行在世界某些地区仍然很严重，这一研究重点应得到优先重视。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41392-022-00986-0

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