从肠道菌群角度再认识血管紧张素转换酶2在严重急性呼吸综合征冠状病毒2致病机制中的潜在作用

杨浩，邬永琳，荣星喻，严雨晨，汪慧菁，牛辰，赵超

1. 复旦大学上海医学院基础医学院教育部/卫健委/医科院医学分子病毒学重点实验室，上海 200032； 2. 国家老年疾病临床医学研究中心(复旦大学附属华山医院)，上海 200040； 3. 上海健康医学院神经精神药理学实验室，上海 201318

2020年1月24日，国内报告了一种新的冠状病毒 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)，并将其引起的疾病称为2019冠状病毒病(coronavirus disease 2019，COVID-19)。通过系统发育分析发现，SARS-CoV-2属于β冠状病毒属，该属包括从人、蝙蝠及其他野生动物中发现的已知冠状病毒，如严重急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)[1]。序列分析发现，SARS-CoV-2与2003年的SARS-CoV保持约80%的核苷酸同一性[2]；SARS-CoV-2刺突(spike，S)蛋白氨基酸结构与SARS-CoV的比较分析表明，它们都使用人血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2，ACE2)作为受体感染靶细胞。此2种病毒均引起相似的肺部损伤和临床表现，推测两者的发病机制存在共性。因此，本文通过分析已经公开报道的COVID-19与SARS发病特点做简要对比，结合它们均利用ACE2作为受体的共性，从肠道菌群角度再认识并分析可能的致病机制，为加速研发重型肺炎预测指标提供一种可能的新思路。

1 SARS与COVID-19的致病特点

急性肺损伤(acute lung injury, ALI)及其更严重的急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)可能由创伤、休克等致伤因素直接和间接引起[3]。其表现为一种弥漫性肺泡上皮细胞、肺泡毛细血管内皮细胞损伤和以炎症细胞浸润为主的通透性增加的综合征。2003年春季流行的SARS-CoV感染表现出广泛的临床症状。由于其主要侵犯呼吸道，故以发热、呼吸困难、咳嗽为主要临床症状，导致ALI甚至ARDS致使患者死亡[4, 5]；而近期发表的一项描述性研究显示，99例SARS-CoV-2肺炎患者中的17%患者最终发展为ARDS[6]。

在影响SARS-CoV-2感染严重程度的因素中，年龄被认为是最典型的因素之一。目前报道数据显示，SARS-CoV-2的易感性及COVID-19严重程度与患者年龄相关，患者平均年龄为50～60岁，且重型常集中于伴有基础疾病的老年患者。与此相同，当患者年龄>50岁时，SARS-CoV与中东呼吸综合征冠状病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV)感染严重程度及病死率增加[2, 6-7]。在一项非人类灵长类动物的SARS-CoV相关研究中发现[8]，尽管病毒复制水平相似，但SARS-CoV感染的老年猕猴比年轻成年猕猴表现出更严重的病理状态，炎性相关基因差异表达增加。而使用Ⅰ型干扰素(type I interferon)对老年猕猴进行治疗时，虽然不会影响肺组织中病毒复制，但可以减少促炎基因的表达并减轻病理学表现。据此推断，疾病的最终结果取决于机体对“抗病毒”和“促炎”途径的相对“偏倚”，而衰老显然会影响机体对该“偏倚”的平衡，从而产生不一样的结果。虽然影响免疫反应的因素很多，但随年龄增长而引起与衰老相关的免疫失调在老年相关疾病中发挥重要作用。衰老相关的免疫失调包括淋巴细胞对丝裂原的增殖反应降低、NK细胞活性降低、胸腺退化、T细胞数量减少及应答降低，以及促炎性细胞因子持续处于高水平，这可能有助于解释老年人对疾病的高度敏感性[9]。与年龄相关的慢性炎症起源和驱动因素尚不完全清楚，但越来越多的证据表明与年龄相关的肠道菌群在促炎反应中发挥作用[10]。值得注意的是，在SARS及 COVID-19患者中均存在腹泻症状[4, 6-7]，由此导致的肠道菌群变化可能在整个病理生理过程中起作用。

2 ACE2和肠道菌群参与SARS致病机制

作为该类病毒的受体，ACE2是否参与病毒的致病机制值得关注。ACE2与ACE均为一种锌金属肽酶，不同的是ACE2能将血管紧张素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ, Ang Ⅱ)裂解为Ang 1～7，并表现出抗肾素-紧张素系统(renin-angiotensin system，RAS)的作用[11]。在人体内，ACE2主要在心脏、肾脏和睾丸组织中高表达[12]，肺、小肠中也均有表达[13-14]。值得一提的是，在ARDS中ACE2起到关键的保护作用[15]。

肠道中，ACE2以非RAS依赖的方式调节肠道氨基酸稳态、抗菌肽的表达和肠道微生态。ACE2对小肠上皮细胞的中性氨基酸转运蛋白B0AT1的表达是必需的，饮食中的色氨酸转运吸收需依赖B0AT1，而色氨酸转运可激活mTOR通路，使得抗菌肽的分泌增加，维持肠道菌群的稳态，进而降低肠道对炎症的易感性[14]。同时，色氨酸已被证明在哺乳动物中发挥抗炎作用，低色氨酸饮食的小鼠更容易发生化学诱导的炎症[16]。

有意思的是，当SARS-CoV感染后，可发现SARS-CoV S蛋白与ACE2结合导致细胞ACE2下调，而ACE2为肺水肿及ARDS严重程度的负性调控因子，因此SARS-CoV S蛋白的这种下调ACE2的机制可加剧肺部疾病的严重程度[13]。但在SARS-CoV感染的肠上皮细胞中是否存在这种AEC2下调机制，使得色氨酸吸收受阻、机体的促炎反应增加、肺部炎症反应加剧，仍未得到较好的验证。

对6例SARS致死病例进行的组织细胞原位杂交研究发现，肠道细胞内病毒复制活跃，但并非存在严重的炎性病变[17]。尽管肠道内的病变程度较低，但由于肠上皮细胞的功能紊乱，可增加肠道对脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的通透性及肠道菌群的易位[18]，这可能是SARS相关性腹泻的病理生理机制。而这些均有可能导致潜在的全身系统性免疫激活效应，进一步加重肺部疾病的恶化。

3 肠道菌群通过肠-肺轴参与肺损伤致病机制

肠道菌群与免疫系统相互作用以影响疾病的发生与发展。越来越多的证据表明胃肠道与呼吸系统之间存在密切关系，肠-肺轴(gut-lung axis)在研究肠道菌群与肺部疾病相互关系中有着重要的作用。肠道菌群对于维持T细胞亚群至关重要，而T细胞亚群对于调节全身免疫反应的方向和强度举足轻重。此外肠道菌群可利用营养因子合成的代谢产物，如短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，促进免疫细胞的募集及成熟[19]。有趣的是，小鼠肠内抗生素治疗降低菌群丰度后可减少其对呼吸道流感病毒感染的免疫反应，促使肺中病毒高复制[20]，而这种受到抑制的免疫反应可通过大肠内接种Toll样受体激动剂﹝包括LPS、CpG、poly(I∶C)﹞得到改善。此外，研究发现粪便微生物移植(fecal microbiota transplantation, FMT)可重建肠道菌群的结构，增加细菌群落的基因丰度，下调TGF-β1/ Smads / ERK通路抑制免疫炎症，减少体内炎性标志物的产生和释放，进而减少ALI模型大鼠肺泡上皮的损伤[21]。同时越来越多的研究表明肠道功能障碍可导致细菌和内毒素易位，引起败血症，最终导致肺损伤，这些均为引发ALI/ARDS的重要因素[21-23]。最新JAMA杂志报道，SARS-CoV-2感染病例中，死亡病例组中发病7～9 d开始出现中性粒细胞升高(高于6×109/L)，提示患者体内高炎症状态产生[7]。而菌群紊乱是短时间导致高炎症状态的重要诱因之一。

4 结语

一篇预发表于medRxiv上的文章提示，SARS-CoV-2存在消化道感染的可能[24]，这预示着肠道菌群因素在该病的发病中可能起着一定的作用。同时，老年人的肠道菌群通常具有细菌多样性减少、优势菌种改变、有益微生物减少及兼性厌氧菌增加等特征，所有这些都表明与衰老相关的微生物变化具有潜在加重肺损害的影响。同时，微生物群组成的变化可能与老年人的免疫衰老和促炎反应有关[16]，也可能与不同年龄患者被病毒感染后的预后存在相关性。值得注意的是，肠道内的ACE2在维持肠道菌群稳态和氨基酸稳态中起重要作用，并间接地影响机体免疫功能。成年患者与老年患者肠道内的ACE2表达存在何种差异？这种差异是否与SARS-CoV-2感染的预后呈相关性？以及肠道菌群在重型或轻型患者的疾病转归中扮演何种角色？仍需要进一步的研究进行阐释。