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呼吸道病毒感染期间的肠道菌群失调会增加肺炎球菌的双重感染风险

时间:2020-03-12 15:28来源:菌情观察室 作者:菌情观察室 浏览次数:
    虽然广泛的疫苗接种和抗病毒药物治疗,甲型流感病毒感染的发生率和死亡率仍然很高。流感感染还可能导致毁灭性的大流行,比如1918年的流感大流行导致了5000万人死亡。甲型流感病毒感染后可发生严重的细菌感染,大大增加流感的发病率和死亡率。肺炎链球菌是1918年和2009年流感大流行中最常见的细菌。

    甲型流感病毒感染会破坏肺屏障的完整性,抑制先天性的抗菌免疫,从而促进肺部局部细菌的生长和扩散。这种无法控制细菌感染的能力与先天免疫细胞的数量和/或功能的改变有关,包括肺泡巨噬细胞、常规树突状细胞、中性粒细胞和非常规T细胞。由于肠肺轴在疾病中的重要性,甲型流感病毒感染期间肠道菌群的紊乱也可能促进了细菌的双重感染。

    胃肠道是一个复杂而高度多样化的微生物生态系统。肠道菌群与宿主之间的相互作用使得免疫稳态得以建立和维持。肠道共生微生物对宿主免疫反应的影响并不局限于肠道,比如肠道屏障功能和肠道稳态,也可以延伸至全身各处和远端的黏膜部位,比如肺。肠道菌群调节稳态免疫细胞的数量和功能的机制取决于微生物相关分子模式、微生物代谢物及其与祖细胞和成熟免疫细胞的相互作用。健康的肠道菌群在宿主抵御呼吸道感染方面起着关键作用,包括甲型流感病毒和肺炎链球菌。

    病理状态,比如感染和慢性炎症或代谢紊乱,可以改变肠道菌群的多样性和组成,导致菌群失调。肠道菌群的变化可以影响疾病的结果,甚至是在一些远端的器官。一些研究表明,急性呼吸道感染会破坏肠道菌群的平衡。比如,H1N1和H5N1甲型流感病毒的严重感染与肠道菌群的改变有关。肠道菌群的这种改变与继发性肠道感染的易感性增强有关。

    近日,发表在《Cell Reports》杂志上的一项研究发现,甲型流感病毒感染导致的肠道菌群失调可以通过改变短链脂肪酸的产生而增加肺部肺炎球菌双重感染的风险。

    主要结果

    亚致死的流感病毒感染可以短暂地改变肠道菌群的组成和功能

    人感染H7N9以及小鼠感染H1N1和H5N1后,肠道菌群的组成会发生改变。这一研究证实并扩展了这一发现,包括H3N2和H1N1亚型。

    H3N2甲型流感病毒感染后7天,小鼠的肠道菌群发生了显著的变化,这种改变只是暂时的,总体上在感染后14天时恢复到基础水平。感染7天后,肠道菌群组成在门水平上没有明显差异。在拟杆菌门中,拟杆菌目S24-7科的相对丰度减少,而副拟杆菌属和Odoribacter菌属的丰度明显增加。在厚壁菌门中,梭菌目、瘤胃球菌科、Mogibacteriacecea科以及粪球菌属、罗斯氏菌属、Defluvittalea菌属、Dorea菌属、瘤胃球菌属和Gemmiger菌属的相对丰度增加;相比之下,毛螺菌科以及Dehalobacterium菌属和乳杆菌属的相对丰度较低。最后,在变形菌门中,α-变形菌纲和γ-变形菌纲的比例增加,而β-变形菌纲的比例减少。在病毒感染的小鼠肠道中并没有检测到病毒的基因组,因此,肠道菌群失调不是由于病毒在肠道的复制或病毒RNA被动运输到肠道组织所导致的。同样,H1N1流感病毒感染也会导致类似的肠道菌群变化。因此,亚致死性的流感病毒感染可导致短暂的肠道菌群失调。

    肠道菌群的改变也会改变其功能,比如代谢活性。短链脂肪酸是肠道细菌发酵短链脂肪酸产生的,具有免疫调节的作用。H3N2感染后7天,盲肠中的总短链脂肪酸浓度比未感染的小鼠明显更低,乙酸、丙酸和丁酸的浓度均更低。这可能是由于产短链脂肪酸的细菌丰度降低造成的,包括毛螺菌科、乳杆菌科和双歧杆菌科的细菌,它们含有许多能够将复杂碳水化合物发酵产生短链脂肪酸的细菌物种。感染后14天,盲肠短链脂肪酸的水平恢复到基础水平。同样,感染H1N1后也有类似的变化。众所周知,肠道内产生的短链脂肪酸可以进入身体循环,然后产生远端生物学效应,特别是乙酸。流感感染也导致血液中短链脂肪酸浓度降低。因此,流感感染7天时改变了肠道菌群的代谢,并影响了肠道局部和全身的短链脂肪酸浓度。

    流感病毒感染后的肠道菌群改变可以增加呼吸道细菌感染的易感性

    通过持续性的释放可溶性因子,比如短链脂肪酸,肠道菌群可以远距离调节肺部的免疫功能。健康的肠道菌群可以增强对肺部肺炎球菌感染的抵抗力。用广谱性抗生素处理小鼠,破坏其肠道菌群,然后在小鼠鼻内感染肺炎链球菌,结果发现与拥有健康菌群的小鼠相比,经抗生素处理的小鼠在其肺部显示出更大的细菌负荷。口服从健康小鼠收集的肠道细菌可以恢复细菌的清除率。因此,肠道菌群来源的信号的短暂中止可能改变肺部对细菌感染的早期防御。

    那么,由于流感病毒感染导致的菌群改变是否会损害肺部的抗细菌防御呢?研究人员将H3N2流感病毒感染的小鼠的肠道菌群移植到经抗生素处理的小鼠体内时,小鼠肺部的肺炎链球菌计数也明显更高。同时,流感病毒感染的小鼠肠道菌群也增强了肺部的细菌扩散,脾脏中细菌数量也增加了。同样,感染H1N1的小鼠的肠道菌群也可以导致肺部肺炎球菌感染的易感性增强。因此,甲型流感病毒感染后的菌群变化导致肺部反应的改变是流感病毒感染的一个普遍后果,与病毒的亚型无关。在流感感染期间,肠道菌群平衡的紊乱增强了呼吸道细菌感染的易感性。

    流感病毒感染导致的肠道菌群改变减少了乙酸的产生,这是呼吸道细菌感染易感性增加的原因

    流感病毒感染导致的肠道菌群改变会减少短链脂肪酸的产生,那么肺部细菌感染易感性的增加是否与短链脂肪酸的产生减少有关呢?

    经抗生素处理的小鼠的盲肠短链脂肪酸浓度远低于拥有健康菌群的小鼠,重新定植健康的菌群部分恢复了短链脂肪酸的水平。当给小鼠定植流感病毒感染的小鼠肠道细菌时,短链脂肪酸的浓度也显著降低,特别是乙酸。

    研究人员重点关注了降低最明显的乙酸,当给定植流感病毒感染的肠道细菌的小鼠补充乙酸时,肺部肺炎链球菌的数量减少,细菌从肺部向全身的扩散也减少,因此补充乙酸恢复了肺部抗肺炎链球菌的防御。因此,肠道菌群发酵产生的短链脂肪酸在流感病毒感染后的肺部抗菌反应中发挥重要作用。

    限制食物摄入(模拟流感)会改变肠道菌群和肺部对细菌感染的防御

    食物摄入量和饮食组成能够迅速改变肠道菌群的结构和功能。食欲不振是流感病毒感染的一个重要特征,导致食物摄入量减少,而食物摄入量的快速减少会改变肠道菌群的组成和代谢活性。

    在这一研究中,流感病毒感染后第4-11天,小鼠的食物摄入量确实降低了,在第7天时降低最多,达到85%。为了测试流感病毒感染导致的肠道菌群失调是否是由于食物摄入量的减少,研究人员限制了未感染小鼠的食物摄入,而且与流感感染的小鼠食物摄入量的减少相对应。这些小鼠与流感病毒感染的小鼠一样,体重减轻了,肠道菌群也发生了类似的变化,结肠短链脂肪酸的浓度也明显减少。由于食物限制,可获得的膳食纤维和复杂碳水化合物的减少可能会影响肠道共生菌之间的竞争,从而损害产短链脂肪酸的细菌的利益,并使利用宿主黏液作为能量来源的细菌受益。

    食物限制的小鼠在感染肺炎链球菌后,肺部和脾脏中的细菌数量也显著增加了。粪菌移植实验表明,这种易感性的增加至少在部分程度上是由于肠道菌群的改变。

    那么,食物限制的小鼠中乙酸产生的减少是否增强了肺炎链球菌感染的易感性呢?确实,补充乙酸可以显著降低肺部细菌的数量。总之,模拟流感感染后食物摄入量的减少改变了肠道菌群的组成和代谢活性,增加了呼吸道细菌感染的易感性。虽然不能完全排除其它机制的存在,包括全身或局部炎症因子(比如干扰素),但是由于食欲降低导致营养状态的改变在肠道菌群的组成和功能失调方面发挥着关键作用,流感感染期间食物摄入的减少可能导致肠道菌群失调和改变肺部对细菌感染的防御。

    流感病毒感染后的肠道菌群影响肺部巨噬细胞的杀菌活性,这可以通过补充乙酸得以恢复

    那么,流感感染导致的肠道菌群失调是如何破坏宿主肺部防御的呢?肺泡巨噬细胞、常规树突状细胞、中性粒细胞、恒定自然杀伤性T细胞和γδT细胞在肺炎球菌的早期清除中发挥直接或间接作用。给小鼠定植流感感染后的肠道细菌或正常的肠道细菌,肺部这些细胞的数量没有表现出差异。吞噬作用是控制肺炎链球菌的一个重要的早期事件,流感感染后的肠道菌群改变也没有改变肺泡巨噬细胞的吞噬活性。然而,肺泡巨噬细胞的杀菌能力发生了改变,也就是说,流感病毒感染后,肠道菌群的改变虽然不会影响肺泡巨噬细胞对肺炎链球菌的吞噬活性,但是使它们不能有效地杀死肺炎链球菌。

    那么,补充乙酸是否可以逆转肺泡巨噬细胞杀菌活性的改变呢?补充乙酸对肺泡巨噬细胞的吞噬活性没有影响,但是增强了其杀菌活性。当通过清除体内的巨噬细胞后,乙酸的保护作用就被破坏了。乙酸似乎可以直接作用于巨噬细胞,因为在体外通过使用乙酸预处理巨噬细胞可以增强其对肺炎球菌的杀菌作用。

    总之,流感感染导致的肠道菌群失调会通过影响肺泡巨噬细胞的杀菌功能从而降低肺炎球菌的清除,这种影响可以通过补充乙酸得以恢复。

    流感期间补充乙酸可以防止致命性的细菌双重感染

    给流感感染的小鼠直接补充乙酸,第7天时再次感染肺炎链球菌。乙酸的补充显著降低了肺部的细菌负荷,减少了双重感染小鼠肺部细菌向全身的扩散。与单独使用乙酸相比,乙酸、丙酸和丁酸联合使用并没有进一步增强其抵抗力。值得注意的是,乙酸的这种保护作用与肠道菌群组成的主要变化无关。肺组织病理学分析发现,补充乙酸的小鼠肺炎症状较轻,包括血管周围炎性浸润。

    那么,乙酸对细菌负荷和肺部病理的积极作用是否可以延伸到改善发病率和死亡率呢?虽然乙酸对因流感感染导致的体重下降没有影响,但它有利于继发性肺炎球菌感染后体重恢复。最值得注意的是,在流感感染过程中补充乙酸可以有效地提高了双重感染小鼠的存活率。

    那么,乙酸是如何改善双重感染小鼠的疾病结局的呢?

    病毒诱导的上皮屏障功能改变可导致细菌的双重感染。补充乙酸对肺部病毒载量没有影响,对肺屏障功能相关基因表达无影响。同样,乙酸也不能影响干扰素诱导基因和抗病毒介质的表达。因此,乙酸不会作用于病毒复制及其相关的上皮功能障碍。

    乙酸的有益作用可能依赖于免疫细胞的抗菌功能。乙酸不能改变巨噬细胞、常规树突状细胞、中性粒细胞、产IFN-γ的恒定自然杀伤性T细胞和产IL-17A的γδT细胞的数量。然而,通过清除巨噬细胞会破坏乙酸的有益作用。总的来说,流感感染期间乙酸的产生减少会增加继发性细菌感染的易感性,补充乙酸足以改善疾病结局,部分是通过巨噬细胞的杀菌活性来实现的。

    外源性补充短链脂肪酸受体FFAR2激动剂可以预防流感后继发性细菌感染

    乙酸可以通过G蛋白偶联受体FFAR2和FFAR3发挥作用。补充乙酸不能显著降低FFAR2基因敲除的双感染小鼠的细菌负荷。值得注意的是,肺泡巨噬细胞表达FFAR2的转录本,而FFAR3的mRNA表达则低得多。为了研究局部激活FFAR2对流感后细菌双重感染的潜在影响,小鼠经鼻腔给药一种选择性FFAR2激动剂。肺炎球菌感染之前,FFAR2的药理学激活导致肺部细菌负担和向血液的扩散显著减少。相比之下,选择性的FFAR3激动剂不能提供任何保护。

    因此,FFAR2激动剂在流感感染后细菌双重感染中提供了与乙酸相同的保护作用,乙酸可能以FFAR2受体依赖的方式来发挥保护作用。

    结论

    继发性细菌感染常常使病毒性呼吸道感染复杂化。大量研究表明,肠道菌群的改变在各种慢性疾病的发病机制中发挥作用。亚致死性病毒感染可以短暂改变肠道菌群的组成和代谢活性,这些变化部分归因于食物摄入量的减少。而肠道菌群的这些改变会损害肺部对肺炎球菌感染的防御,增加继发性肺部细菌感染的易感性。

    从机理上讲,这可能是由于肠道菌群的改变导致短链脂肪酸的产生减少。肠道短链脂肪酸可以远端影响肺部的免疫反应,并可调节疾病结果,包括哮喘反应以及呼吸道病毒和细菌感染。短链脂肪酸,特别是乙酸的减少,会影响肺泡巨噬细胞的杀菌活性。补充乙酸可以以短链脂肪酸受体FFAR2依赖的方式减少流感感染小鼠局部和全身的细菌负荷,这有助于减少肺部病理学和提高双重感染小鼠的存活率。

    调节肠道菌群可能是限制流感感染后肺部细菌双重感染的一个重要方式。以往的研究发现,预防性补充富含膳食纤维的食物可以预防流感感染,降低病毒载量和病理学,这与双歧杆菌属和拟杆菌属细菌丰度增加和短链脂肪酸的水平增加有关,特别是丁酸。丁酸通过增强CD8+ T细胞活性来减少病毒复制,从而减少流感感染。预防性补充可发酵性膳食纤维,通过保护产短链脂肪酸的细菌,可以在流感期间维持肠道内环境平衡和增强肺部的防御。某些益生菌,比如产短链脂肪酸的双歧杆菌和乳酸杆菌也具有类似的效果。

    呼吸道病毒感染期间,肠道菌群也将不可避免的受到暂时的影响,这一影响在很大程度上决定了病毒感染后的严重程度。在如今全球流行的新冠肺炎疫情中,肠道微生态的问题也受到了关注,李兰娟院士提出通过微生态制剂调节肠道菌群平衡来降低继发性细菌感染的风险。在未来,通过利用肠道菌群来控制流感感染的策略可能有助于控制病毒性疾病和细菌双重感染,从而降低流感感染的严重程度和死亡风险。

    参考文献:Sencio, V., et al. (2020). “Gut Dysbiosis during InfluenzaContributes to Pulmonary Pneumococcal Superinfection through AlteredShort-Chain Fatty Acid Production” Cell Reports 30: 2934–2947.


 
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