新冠病毒是否經(jīng)消化道傳播的研究進(jìn)展

嚴(yán)一葦,戚菲菲,鮑琳琳

(國家人類疾病動(dòng)物模型資源庫,國家衛(wèi)生健康委員會(huì)人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家動(dòng)物模型技術(shù)創(chuàng)新中心,中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所,北京 100021)

嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)傳染性強(qiáng),傳播速度快,對(duì)全球公共衛(wèi)生體系和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。SARS-CoV-2 原始毒株傳播系數(shù)(basic reproduction number,R0)為2.2,即在未加干預(yù)的情況下,一個(gè)新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)患者平均感染2～3 個(gè)健康人[1]。新冠病毒不斷變異,目前的主要流行株Omicron 傳播系數(shù)為8.2,比原始毒株提高了近4 倍[2]。SARS-CoV-2 不斷變異及快速傳播給人類生命安全和身體健康帶來極大的威脅,全面了解新冠病毒的傳播途徑,抓住防控關(guān)鍵環(huán)節(jié),有效阻止疫情蔓延,將最大限度減少疫情對(duì)人民健康及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響。

1 新型冠狀病毒的傳播方式

COVID-19 患者的唾液和痰液中含有高濃度的SARS-CoV-2,其在咳嗽或者打噴嚏時(shí)產(chǎn)生的飛沫或氣溶膠能夠被易感人群吸入,或者沉積在物體表面形成污染物,在易感人群觸摸污染物后再接觸口腔、鼻腔、眼睛等黏膜造成感染。患者產(chǎn)生的氣溶膠中可檢測(cè)到SARS-CoV-2,且氣溶膠具有傳染性,可在空中停留16 h,飄移4 m[3-6]。在相對(duì)封閉的環(huán)境中,可能聚集高濃度的氣溶膠,導(dǎo)致人群感染。因此,SARS-CoV-2 主要通過接觸、飛沫和氣溶膠等方式傳播。

同時(shí),研究者利用小鼠、倉鼠、非人靈長(zhǎng)類等動(dòng)物模型進(jìn)行驗(yàn)證了SARS-CoV-2 可能的傳播途徑。設(shè)計(jì)健康小鼠與感染鼠同居或飛沫傳播實(shí)驗(yàn),檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分小鼠SARS-CoV-2 特異性IgG 抗體陽性;另外,將小鼠暴露在高濃度SARS-CoV-2 氣溶膠中25 min 以上,小鼠鼻咽拭子中檢測(cè)到SARS-CoV-2[7]。倉鼠鼻內(nèi)感染8×104TCID50SARS-CoV-2,感染后1 d 倉鼠咽拭子和直腸拭子中檢測(cè)到高載量SARS-CoV-2;將倉鼠暴露于1.5×103TCID50SARSCoV-2 氣溶膠10 min,感染后2 d 倉鼠咽拭子病毒載量達(dá)到峰值;在倉鼠籠中放入含3.2×105TCID50SARS-CoV-2 污染物的培養(yǎng)皿,感染后1 d 部分倉鼠咽拭子中檢測(cè)到SARS-CoV-2[8]。鼻內(nèi)和氣溶膠途徑感染的倉鼠肺部出現(xiàn)中度病變,并分離出感染性病毒;接觸污染物感染的倉鼠肺部炎癥較輕,未分離出活病毒[8]。恒河猴和非洲綠猴通過鼻內(nèi)和氣管聯(lián)合途徑感染SARS-CoV-2,感染后1 d 咽拭子中均檢測(cè)到SARS-CoV-2,且非洲綠猴的咽拭子病毒載量較高,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[9]。恒河猴、非洲綠猴和食蟹猴暴露于SARS-CoV-2 氣溶膠中,鼻咽拭子中均能檢測(cè)到SARS-CoV-2,且出現(xiàn)肺部病變[10]。相比鼻內(nèi)和氣管聯(lián)合途徑感染,氣溶膠途徑感染的猴發(fā)病更慢,持續(xù)時(shí)間更久[9]。盡管SARS-CoV-2 傳播效率在不同物種中存在差異,動(dòng)物模型研究進(jìn)一步證明SARS-CoV-2 能夠通過接觸、飛沫和暴露于高濃度氣溶膠途徑傳播。

2 SARS-CoV-2 是否存在消化道傳播的風(fēng)險(xiǎn)

消化道傳播,又稱為糞口傳播,指病原體隨傳染源的糞便排出體外,污染水源或食物,再由易感者攝食進(jìn)入體內(nèi)的傳播過程[11]。研究報(bào)道,部分流感病毒和鼻病毒能通過糞便排出病毒,經(jīng)消化道途徑傳播[12]。廣州高層公寓在封閉期間接連出現(xiàn)COVID-19 病例,且在患者的衛(wèi)生間、通風(fēng)和排水管道均檢測(cè)到 SARS-CoV-2[13]。環(huán)境采樣顯示,COVID-19 患者所處環(huán)境中,衛(wèi)生間SARS-CoV-2 核酸陽性率最高[14]。模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),馬桶中的SARSCoV-2 顆粒能夠大量向上傳播,40%～60%的病毒顆粒到達(dá)馬桶座上方[15]。公寓樓中出現(xiàn)多人感染,可能因?yàn)樾l(wèi)生間中的排風(fēng)扇吸入SARS-CoV-2 顆粒,通過管道進(jìn)行傳播,造成上下樓層感染,推測(cè)SARSCoV-2 可能存在其他潛在傳播途徑[16]。因此SARSCoV-2 是否也存在消化道傳播的可能? 若SARSCoV-2 能夠通過消化道途徑傳播,COVID-19 患者糞便排出的SARS-CoV-2,可污染食物、水源等,極大增加感染風(fēng)險(xiǎn)。因此,需要對(duì)COVID-19 患者和動(dòng)物模型的消化道排毒情況分析,探討SARS-CoV-2 通過消化道傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 COVID-19 患者消化系統(tǒng)排毒情況

COVID-19 患者主要表現(xiàn)咳嗽、鼻塞、流涕等呼吸道癥狀,部分COVID-19 患者出現(xiàn)腹瀉癥狀,甚至有部分患者沒有呼吸道癥狀,只出現(xiàn)腹瀉、腹痛等胃腸道癥狀[17-18]。流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)COVID-19 患者出現(xiàn)胃腸道癥狀的概率為17.6%,主要表現(xiàn)為食欲不振、腹瀉、嘔吐、腹痛等癥狀。21.2%的COVID-19患者在肛拭子中檢測(cè)到SARS-CoV-2,48.1% 的COVID-19 患者在糞便中檢測(cè)到SARS-CoV-2,甚至分離出活病毒[19-21]。在呼吸道樣本中檢測(cè)不到SARS-CoV-2 時(shí),仍有40%左右的COVID-19 患者在糞便中能檢測(cè)到SARS-CoV-2。COVID-19 患者的胃腸道癥狀可能與糞便中SARS-CoV-2 的長(zhǎng)期存在有關(guān),這提示SARS-CoV-2 可能通過消化道傳播。

對(duì)COVID-19 患者的消化道器官活檢取樣進(jìn)行RT-qPCR 檢測(cè),發(fā)現(xiàn)在部分COVID-19 患者的胃、十二指腸、直腸等消化道組織中檢測(cè)到SARS-CoV-2,腸道中檢測(cè)到浸潤(rùn)性漿細(xì)胞和間質(zhì)性水腫淋巴細(xì)胞[19,22]。對(duì)COVID-19 死亡患者進(jìn)行尸檢,組織進(jìn)行病毒載量檢測(cè),發(fā)現(xiàn)食管、胃、十二指腸、空腸、回腸、結(jié)腸等消化道組織中檢測(cè)到SARS-CoV-2,且回腸和結(jié)腸的病毒載量較高,但胃腸道組織損傷較輕,僅發(fā)現(xiàn)缺血性腸炎[23-24]。

以上研究表明,部分COVID-19 患者伴有消化道癥狀,且能在糞便和胃、結(jié)腸、回腸等消化道組織中檢測(cè)到SARS-CoV-2 核酸和抗原。但是,患者出現(xiàn)胃腸道癥狀并不說明SARS-CoV-2 能通過消化道途徑傳播,這需要進(jìn)一步證實(shí)。由于部分病毒實(shí)驗(yàn)不能在人體開展,且COVID-19 患者個(gè)體差異較大,難以通過人群流調(diào)和臨床數(shù)據(jù)確定病毒可經(jīng)消化道傳播。因此,研究者利用動(dòng)物模型,檢測(cè)SARSCoV-2 動(dòng)物模型的消化系統(tǒng)感染表現(xiàn),設(shè)計(jì)模擬消化道傳播實(shí)驗(yàn),深入探究了SARS-CoV-2 通過消化道途徑傳播的可能性和風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 COVID-19 動(dòng)物模型的消化系統(tǒng)感染表現(xiàn)

對(duì)感染SARS-CoV-2 的動(dòng)物各組織進(jìn)行病毒學(xué)及病理學(xué)等分析,能夠了解SARS-CoV-2 在不同組織系統(tǒng)中的感染情況。研究者目前已建立了多物種的SARS-CoV-2 感染的動(dòng)物模型,如倉鼠[25]、水貂[26]、小鼠[27]和非人靈長(zhǎng)類[28]等,廣泛用于SARSCoV-2 致病機(jī)理、傳播機(jī)制、藥物篩選等研究。

自然狀態(tài)下小鼠不能感染SARS-CoV-2 原始毒株,通過基因修飾的方法,研究者構(gòu)建hACE2-ICR小鼠[27]、K18-hACE2 小鼠[29]、Ad5-hACE2 小鼠[30]等小鼠模型,探索了SARS-CoV-2 消化道感染的可能及傳播的風(fēng)險(xiǎn)?；蛐揎椥∈蠼?jīng)鼻感染SARSCoV-2 后1 d 腸道中檢測(cè)到病毒陽性,但病毒載量較低,未發(fā)現(xiàn)明顯病變,且未能分離出SARS-CoV-2活病毒[27,29]。倉鼠經(jīng)鼻感染SARS-CoV-2 后,回腸、結(jié)腸中檢測(cè)到SARS-CoV-2,腸道固有層炎性細(xì)胞浸潤(rùn),且糞便中能夠檢測(cè)到高水平的SARS-CoV-2,同樣未能分離出活病毒[25]。水貂模型經(jīng)氣管感染后,連續(xù)8 d 可在肛拭子檢測(cè)到SARS-CoV-2,胃腸道出現(xiàn)炎性細(xì)胞浸潤(rùn),SARS-CoV-2 抗原陽性[26]。非人靈長(zhǎng)類在器官結(jié)構(gòu)、生理構(gòu)造和生化代謝等方面與人類有高度相似性,在研究病毒感染機(jī)制、傳播途徑等方面有重要作用。恒河猴經(jīng)氣管途徑感染SARS-CoV-2 后,在肛拭子和腸道中檢測(cè)到SARSCoV-2,消化系統(tǒng)出現(xiàn)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)[31]。部分感染的非洲綠猴在直腸拭子中檢測(cè)到SARS-CoV-2,且能分離出活病毒[32]。老年恒河猴感染后,肛拭子檢測(cè)到更高的SARS-CoV-2 載量[33]。研究顯示多種新冠動(dòng)物感染SARS-CoV-2 后,胃腸道SARS-CoV-2 抗原呈現(xiàn)陽性,并不能說明SARS-CoV-2 能夠通過消化道傳播,推測(cè)可能是因?yàn)閹в蠸ARS-CoV-2 的鼻黏膜殘留物通過吞咽轉(zhuǎn)移到腸道,或者SARS-CoV-2通過淋巴組織轉(zhuǎn)移到腸道。然而,小鼠、倉鼠模型糞便中并沒有分離到活病毒,其中一只非洲綠猴感染后分離出活病毒,但是病毒滴度較低,說明SARSCoV-2 通過糞便造成其他動(dòng)物被感染的可能性較低。

研究者設(shè)計(jì)消化道單一途徑感染SARS-CoV-2,進(jìn)一步探索病毒能否通過消化道感染。基因修飾小鼠灌胃感染高濃度的SARS-CoV-2 后,部分小鼠肺和氣管中檢測(cè)到低載量的SARS-CoV-2[34]。倉鼠灌胃感染SARS-CoV-2 后,部分倉鼠出現(xiàn)輕度肺炎,并在肺中檢測(cè)到SARS-CoV-2,但胃腸道中未發(fā)現(xiàn)病變,且食管、胃、腸道中檢測(cè)不到SARS-CoV-2[35]。恒河猴灌胃感染 SARS-CoV-2 后,在各組織中未能檢測(cè)到SARS-CoV-2[28]。

以上研究說明,SARS-CoV-2 難以通過消化道途徑感染動(dòng)物模型。消化道途徑感染SARS-CoV-2 的動(dòng)物肺部出現(xiàn)輕度感染,可能是因?yàn)镾ARS-CoV-2能夠通過消化道感染動(dòng)物,也可能是因?yàn)橄劳緩讲《靖腥緞┝窟^高,高劑量的病毒由消化道進(jìn)入淋巴結(jié),擴(kuò)散到肺部。

2.3 SARS-CoV-2 消化道感染的可能機(jī)制

SARS-CoV-2 刺突蛋白(spike protein,S protein)與宿主細(xì)胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶Ⅱ受體(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)結(jié)合后,跨膜絲氨酸蛋白酶2(transmembrane protease serine 2,TMPRSS2)對(duì)S 蛋白進(jìn)行切割激活,促使病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞[36]。在SARS-CoV-2 感染宿主細(xì)胞的過程中,ACE2 和TMPRSS2 的表達(dá)至關(guān)重要,高表達(dá)ACE2 和TMPRSS2 的細(xì)胞更容易受到SARS-CoV-2感染。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果發(fā)現(xiàn),回腸、結(jié)腸、十二指腸、食管細(xì)胞中均表達(dá) ACE2 和TMPRSS2[37-38]。COVID-19 患者表現(xiàn)胃腸道癥狀,并在腸道和糞便中檢測(cè)到SARS-CoV-2,這一現(xiàn)象可能與腸道細(xì)胞表面的ACE2 和TMPRSS2 有關(guān)。

研究者建立體外細(xì)胞培養(yǎng)模型和類器官探究SARS-CoV-2 在腸道的生存情況。SARS-CoV-2 可在人結(jié)腸腺癌肺轉(zhuǎn)移細(xì)胞T84 和人結(jié)腸上皮癌細(xì)胞Caco-2 中復(fù)制[39-40]。此外,SARS-CoV-2 易于感染蝙蝠小腸類器官,并能維持病毒復(fù)制能力[41]。利用人類原代腸道有機(jī)物和原代腸道上皮干細(xì)胞建立的人腸道類器官,SARS-CoV-2 感染24 h 后病毒載量顯著增加,透射電鏡觀察到細(xì)胞內(nèi)存在不同生命周期的病毒顆粒[40,42]。以上研究說明,SARS-CoV-2能夠通過ACE2 受體感染腸道細(xì)胞,這可能是COVID-19 患者出現(xiàn)胃腸道癥狀,并在消化系統(tǒng)中檢測(cè)到SARS-CoV-2 的原因。

3 總結(jié)與展望

呼吸道是SARS-CoV-2 進(jìn)入機(jī)體的門戶,呼吸道分泌物可能通過吞咽進(jìn)入胃腸道,SARS-CoV-2 與食物、黏膜混合,可能在一定程度上抵抗低pH 環(huán)境,使得少量病毒進(jìn)入胃腸道;此外,SARS-CoV-2 感染的抗原呈遞細(xì)胞殘留少量病毒,因此患者糞便中SARS-CoV-2 核酸檢測(cè)陽性。然而,RT-qPCR 技術(shù)不能判定病毒是否具傳染性。研究者利用電子顯微鏡觀察到糞便懸浮液中具有冠狀病毒典型形態(tài)的病毒顆粒[43-44]。但糞便中分離出活病毒的難度較大,即使分離出活病毒,病毒滴度及生長(zhǎng)復(fù)制效率水平較低[45]。此外,研究者在COVID-19 患者的衛(wèi)生間馬桶、水槽和通風(fēng)管道檢測(cè)到SARS-CoV-2核酸陽性[14],可能不僅僅由糞便中病毒脫落,也可能是患者在咳嗽、咳痰過程中產(chǎn)生飛沫的沉積。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)SARS-CoV-2 在模擬胃液中失去活性[37],動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,SARS-CoV-2 在糞便中存活足夠時(shí)間達(dá)到足夠濃度才可能通過消化道途徑進(jìn)行傳播。

研究表明SARS-CoV-2 通過消化道傳播的可能性較小,風(fēng)險(xiǎn)較低。SARS-CoV-2 在流行中不斷變異,病毒致病力和傳播力發(fā)生巨大變化。當(dāng)前流行的Omicron 變異株主要表現(xiàn)為上呼吸道感染癥狀,具有更高的免疫逃逸能力和傳播力。SARS-CoV-2在變異累計(jì)過程中,是否產(chǎn)生其他可能的傳播途徑? 傳播能力如何變化? 我們應(yīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估病毒變異和傳播風(fēng)險(xiǎn),由此制定科學(xué)有效的防控策略。