從菌群和免疫的角度理解2019新型冠狀病毒增齡易感的潛在機制

鄔永琳，趙超,2，楊浩，肖振明

1.復旦大學上海醫(yī)學院基礎醫(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

2019年12月下旬，多家衛(wèi)生機構報告了與中國湖北省武漢市流行病學相關的不明原因肺炎患者。中國疾病預防控制中心采集了暴發(fā)早期的標本，確定了肺炎的來源，并在肺炎患者中檢測到1 種新型冠狀病毒——2019 新型冠狀病毒（2019 novel coronavirus, 2019-nCoV）[1]。2020年1月24日，國內首次報告了2019-nCoV[1]，隨后世界衛(wèi)生組織將該毒感染引起的肺炎命名為2019 冠狀病毒?。╟oronavirus disease 2019, COVID-19）。

早期COVID-19 患者的報告發(fā)現(xiàn)，2019-nCoV 感染導致的重癥COVID-19 與年齡相關，60 歲以上的老年群體更易感[2]。在72 314 例國內COVID-19 病例中，多數(shù)死亡病例是60 歲及以上患者[3]。這與50 歲以上人群感染嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV）和中東呼吸綜合征冠狀病毒（middle east respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV）引起的疾病嚴重程度和增加的死亡病例數(shù)相對應[4-5]。

菌群和免疫是2 個與增齡密切相關的因素，都存在較大的個體差異。已有證據(jù)指向免疫狀態(tài)與COVID-19 重癥和預后相關[6]，而菌群和免疫都影響著人體健康，且互為因果。因此，本文側重探討2 者在2019-nCoV 增齡易感和個體表現(xiàn)差異中發(fā)揮的作用，為病情評估和預測提供一種新思路。

1 老年COVID-19 易進展為重癥與免疫狀態(tài)相關

1.1 2019-nCoV 致病機制和重癥患者的臨床表現(xiàn)與SARSCoV 相似 通過系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)，2019-nCoV 屬于 冠狀病毒屬[1]。此前已知6 種冠狀病毒可引起人類疾病[7]。229E、OC43、NL63 和HKU1 等4 種病毒只引起免疫功能正常個體的普通感冒癥狀[7]，而SARS-CoV 和MERS-CoV 這2 種病毒株屬于動物源性冠狀病毒，與致命性疾病的發(fā)生有關[8]。SARS-CoV 是中國廣東省2002—2003年嚴重急性呼吸綜合征暴發(fā)的病原體[9]；MERS-CoV 是導致2012年中東呼吸綜合征暴發(fā)的病原體[10]。

基因組序列分析發(fā)現(xiàn)，2019-nCoV 與從蝙蝠中分離的SARS-CoV 基因組同源性超過85%[1]，而與MERS-CoV 基因組之間的序列同源性普遍較差[10]。將2019-nCoV 刺突蛋白氨基酸序列與SARS-CoV 進行比較分析表明，2019-nCoV對人血管緊張素酶2 表現(xiàn)出較高的親和力，并通過與此受體結合感染人類[2,10]。此外，SARS-CoV 和2019-nCoV 的重癥感染患者有著相似的臨床表現(xiàn)。入住重癥監(jiān)護室的COVID-19 患者血清中的促炎細胞因子水平白細胞介素-1（interleukin-1, IL-1）、白細胞介素-6（interleukin-6, IL-6）、白細胞介素-8（interleukin-8, IL-8）及腫瘤壞死因子- （tumor necrosis factor- , TNF- ）高于非重癥COVID-19 患者，淋巴細胞計數(shù)絕對值低于非重癥患者[11]。危重型COVID-19患者多表現(xiàn)為急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）。臨床報道52 例危重型COVID-19 患者中，有35 例（67.3%）表現(xiàn)為ARDS，同時有ARDS 表現(xiàn)的老年患者死亡率顯著上升[12]。血清促炎細胞因子水平增加及淋巴細胞計數(shù)減少也見于SARS 感染患者[13-14]，且危重型SARS 患者也會出現(xiàn)ARDS。根據(jù)這些相似性，可以通過SARS 模型來推測重癥COVID-19 與年齡的相關性。

1.2 老年人感染SARS-CoV 更易發(fā)生重癥且與其免疫狀態(tài)相關 近年來，SARS-CoV 的致病機制研究較多，揭示了其在老年個體中的致病特點，可以為2019-nCoV 研究提供借鑒，尤其是以老年動物為模型的研究。有學者分離出可感染小鼠氣道、肺泡上皮細胞及其他器官上皮細胞的SARSCoV 小鼠適應株SARS-CoV-MA15 進行致死性SARS 研究[15-16]，后續(xù)實驗顯示許多品系（如C57BL/6、129）的幼齡小鼠支持SARS-CoV-MA15 在肺中復制，但對發(fā)生的顯著臨床疾病具有抵抗力[17-18]。而在C57BL/6、129 品系的老年小鼠肺內復制SARS-CoV-MA15 后均出現(xiàn)由感染引起的死亡[18-19]。除小鼠模型外，老年恒河猴SARS-CoV 感染導致的病理學改變顯著多于年輕成年動物[20]。這表明老年哺乳動物感染SARS-CoV 更易發(fā)生重癥疾病，可見COVID-19和SARS 的嚴重程度與年齡相關。

研究表明SARS-CoV 在BALB/c 小鼠中的快速復制可誘導干擾素/ （interferon- / , IFN- / ）應答延遲，并伴有致病性炎性單核細胞-巨噬細胞（inflammatory monocytemacrophages, IMMs）的過度內流[21]。通過刺激IFN- / 受體，累積的IMMs 本身可以產生額外水平的單核細胞化學引誘物如人單核細胞趨化蛋白-1、人單核細胞趨化蛋白-3 和人單核細胞趨化蛋白-5，導致致病性IMMs 進一步累積，進而增強疾病嚴重程度[21]。這些浸潤的IMMs 產生高水平的促炎性細胞因子TNF、IL-6、IL1- 和誘生型一氧化氮合酶。此外，IFN- / 或IMMs 源性的促炎性細胞因子使T 細胞發(fā)生凋亡，進一步阻礙病毒清除[21]。這與COVID-19 和SARS重癥患者促炎性細胞因子水平升高、淋巴細胞計數(shù)下降的臨床表現(xiàn)相符。另外，非人靈長類動物（non-human primates,NHPs）感染SARS-CoV 可誘導免疫應答失調，導致老年NHPs 疾病嚴重程度增加，而老年NPHs 與年輕NPHs 氣道中的病毒滴度相似[18]，提示疾病的嚴重程度與調節(jié)炎癥的基因表達增強相關而非病毒滴度，因此過度的免疫應答可誘導老年NHPs 的致死性疾病[20]。同樣，在SARS-CoV 感染的老年BALB/c 小鼠中，疾病嚴重程度與ARDS 相關炎癥基因標記的早期不成比例顯著上調相關[22]。這些結果都表明，細胞因子/趨化因子反應的失調會引起細胞因子風暴，進而影響老年SARS 患者疾病的嚴重程度，提示細胞因子風暴可能也會影響COVID-19 的嚴重程度。

1.3 老年人的免疫特征決定了對2019-nCoV 的易感程度 研究表明，相比于從成年人（≤40 歲）中分離的外周血單個核細胞（peripheral blood mononuclear cell, PBMC），從老年人（＞65 歲）中分離的PBMC 在對Toll 樣受體7 激動劑、水溶性的咪唑喹啉化合物CLO97 及視黃酸誘導蛋白激動劑5'-pppRNA/Lyovec 進行免疫應答時，出現(xiàn)IFN 反應延遲[23]。年齡與循環(huán)血中單核細胞自發(fā)表達的促炎性細胞因子及循環(huán)血中的IL-1 、TNF- 、IL-6 呈正相關，因此老年人循環(huán)血中促炎性細胞因子IL-1 、TNF- 及IL-6 增多[24]。老年人的巨噬細胞功能也發(fā)生變化，在有絲分裂原刺激下，IL-6分泌增多[25]。另外，老年人的胸腺退化，T 淋巴細胞數(shù)量減少，應答降低[26]。老年人的免疫功能異常與重癥SARSCoV 感染相關。IFN 信號傳導延遲進一步協(xié)調IMMs 反應，使T 細胞對凋亡敏感，導致炎癥反應失調[21]。病毒特異性T 細胞對病毒的清除至關重要，并限制了對宿主的進一步損傷[18,27]。此外，T 細胞應答也抑制了過度活躍的先天性免疫應答[28]。T 細胞的數(shù)量減少、低應答和凋亡敏感不利于清除病毒。炎性介質在ARDS 的發(fā)病中起到了關鍵作用[29]，多種促炎性細胞因子有助于加重ARDS[30-32]。因此，老年人感染SARS-CoV 更易引起ARDS 及重癥疾病?；诩韧呐R床報道，推測這種情況也可能出現(xiàn)在2019-nCoV 感染的老年病例中。

2 腸道菌群可通過影響免疫系統(tǒng)在老年重癥COVID-19 中發(fā)揮作用

2.1 老年人腸道菌群特征性變化或與COVID-19 重癥有關衰老嚙齒動物的腸道中，有益菌普拉梭菌、雙歧桿菌和黏液性阿克曼氏菌減少[33]。類似的情況也出現(xiàn)在老年人、百歲老人或虛弱老年人的腸道中[34-36]。這些變化可能在老年重癥COVID-19 中發(fā)揮作用。普拉梭菌作為抗炎細菌，可誘導高濃度的白細胞介素-10，抑制抗原特異性干擾素 陽性T 細胞[37]。 -干擾素可以通過死亡受體Fas-Fas 配體或人腫瘤壞死因子相關凋亡，誘導配體-死亡受體DR5 依賴性機制，炎性細胞浸潤從而引起氣道和肺泡上皮細胞凋亡，進一步加重SARS 病情[38]。黏液性阿克曼氏菌可通過誘導支持微生物群的黏液分泌，產生抑制結腸衰老的多胺[39]。多胺（腐胺、亞精胺和精胺）可清除活性氧，誘導應激反應基因，調節(jié)核因子B 活化，抑制巨噬細胞產生促炎性細胞因子[39]。它的減少可能與老年人巨噬細胞的變化相關。另外，黏液性阿克曼氏菌和其他有益微生物的減少會導致腸道微生態(tài)失調，腸道屏障破壞，隨之泄漏微生物及其產物[40]，從而上調循環(huán)血中的IFN、TNF- 、IL-6 和IL-1，這可能與老年人循環(huán)血中促炎性細胞因子的上調相關[41-42]。

2.2 老年人腸道菌群個體差異與2019-nCoV 易感性差異的潛在關聯(lián) 腸道菌群的組成并非靜態(tài)的，它會隨著飲食、生活方式、感染、免疫反應的激活和B 細胞產生的免疫球蛋白A 等改變。在年輕和年老的宿主之間、百歲老人和體弱老人之間，腸道菌群存在顯著差異[35,43]。與年輕人相比，老年人的腸道表現(xiàn)出更大的個體間差異[35,43-44]。在成年人中，腸道微生物組的豐富性和復雜性達到了頂峰，形成了強大的核心微生物組，從而增加了靈活性，這使得成年人的菌群趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此年輕人菌群個體差異較小[45]。流行病學研究顯示，50 歲以下的成年人感染數(shù)少，病死率低，預后較50 歲以上的老年人好，這可能與趨于穩(wěn)定的核心微生物組相關[3]。而隨著年齡的增長，老年人腸道菌群發(fā)生改變，可能會導致腸道菌群對外界的抵抗力下降，故而老年人表現(xiàn)出更大的菌群差異[45]。與健康老年人相比，虛弱的老年人也有更多的促炎性擬桿菌門共生菌[46]、更少的有益短鏈脂肪酸和多胺的生產者[36,39]。與健康的百歲老人相比，年老體弱者幾乎沒有黏液性阿克曼氏菌[35-36]。數(shù)量更少的黏液性阿克曼氏菌和多胺可以通過影響老年人的免疫系統(tǒng)加重SARS 病情。促炎性擬桿菌門共生菌的增多可能會增加老年人體內的促炎性細胞因子。而有益短鏈脂肪酸具有抗炎作用，它可以維持腸上皮的完整性和功能，抑制先天性免疫細胞產生促炎性細胞因子[47]。更少的有益短鏈脂肪酸，更為脆弱的腸道屏障完整性和巨噬細胞釋放更多的炎性因子，使循環(huán)血中的促炎性細胞因子更多地上調，進而影響SARS 進程。根據(jù)SARS-CoV 和2019-nCoV 感染之間眾多的共通點，推測腸道菌群可能同樣在老年重癥COVID-19 中發(fā)揮著作用。腸道菌群的規(guī)律性研究很好地解釋了2019-nCoV 的增齡易感性和個體差異的問題，也為綜合干預提供了一種思路。

3 小結

2019-nCoV 感染癥狀表現(xiàn)多樣，老年患者更易轉為重癥，與年齡相關的免疫系統(tǒng)功能障礙可能在其中起著重要作用，而腸道菌群也可能通過影響免疫系統(tǒng)在老年重癥COVID-19 中發(fā)揮作用。因此，針對老年患者的特點，對老年患者腸道及免疫指標進行密切監(jiān)測，積極維護免疫功能，對避免老年COVID-19 患者向重癥和危重癥發(fā)展至關重要。