清華新聞網(wǎng)4月19日電 蚊媒病毒傳染病的傳播流行是人類健康和生命的嚴(yán)重威脅之一。以登革熱和寨卡熱這兩種最具代表性的蚊媒病毒傳染病為例，登革熱在全球100多個(gè)國家感染流行，每年引發(fā)多達(dá)3.9億人感染、50~100萬人入院治療；寨卡熱于2015年至2017年在太平洋島嶼和南美洲突然暴發(fā)大規(guī)模疫情，不到一年時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了超過22.3萬例寨卡確診病例、數(shù)千例新生兒小頭畸形病例。迄今為止，多數(shù)蚊媒病毒尚無有效的藥物和疫苗，滅蚊措施也無法控制蚊媒病毒的傳播流行。人們迫切需要成本低廉且環(huán)境友好的防控策略來阻斷蚊媒病毒的廣泛傳播。
4月19日，清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院程功團(tuán)隊(duì)與合作者在《科學(xué)》（Science）上以長文形式（Research Article）在線發(fā)表了“一種天然定植的伊蚊腸道共生菌阻斷蚊媒黃病毒傳播”（A naturally isolated symbiotic bacterium suppresses flavivirus transmission by Aedes mosquitoes）的研究論文。研究中，程功團(tuán)隊(duì)與合作者在中國云南省發(fā)現(xiàn)一種能決定蚊蟲對病毒易感性的關(guān)鍵環(huán)境共生菌，通過在云南省西雙版納州的現(xiàn)場干預(yù)實(shí)驗(yàn)，研究人員證明該共生菌環(huán)境干預(yù)可有效阻斷疫區(qū)蚊蟲攜帶和傳播病毒。研究成果為重要蚊媒傳染病防控提供了全新的解決方案。
程功團(tuán)隊(duì)在前期研究中已關(guān)注蚊蟲的腸道微生物與蚊媒病毒之間存在調(diào)控關(guān)系。在蚊媒病毒傳播循環(huán)中，蚊蟲通過叮咬吸血從感染者體內(nèi)吸食帶有病毒的血液，隨后病毒感染蚊蟲腸道細(xì)胞并擴(kuò)散入蚊蟲體內(nèi)，進(jìn)而感染蚊蟲唾液腺，使蚊蟲具備通過叮咬傳播病毒的能力。因此，蚊蟲的腸道組織是病毒首先感染的組織器官，蚊蟲腸道中的微生物必然與病毒發(fā)生復(fù)雜的相互作用，可決定蚊蟲對病毒的易感性（圖1）。在前期工作中，程功團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)的埃及伊蚊種群中發(fā)現(xiàn)，一種粘質(zhì)沙雷氏菌（Serratia marcescens）作為蚊蟲腸道共生菌可輔助病毒感染蚊蟲腸道上皮細(xì)胞，提高蚊蟲對病毒的易感性。
圖1.蚊蟲通過叮咬吸血從感染者體內(nèi)獲取病毒感染，蚊蟲的腸道組織是病毒首先感染的組織器官
實(shí)驗(yàn)室場景和自然環(huán)境有很大差別。在自然界中，蚊蟲腸道微生物的組成及豐度受到生存環(huán)境的極大影響。野外蚊蟲的腸道微生物有的來自孳生水體中的環(huán)境微生物，有的來自環(huán)境植物的汁液或花蜜中的共生微生物。由于不同地域中環(huán)境微生物組成存在巨大差別，導(dǎo)致不同環(huán)境下孳生的蚊蟲攜帶并傳播病毒的能力存在顯著差異。因此，一個(gè)核心的科學(xué)問題是：在自然環(huán)境中，能夠有效決定野外疫區(qū)蚊蟲感染傳播病毒能力的腸道共生菌是否存在？是否可以通過調(diào)控蚊蟲腸道共生菌阻斷疫區(qū)蚊蟲攜帶并傳播病毒？
為了回答這個(gè)核心問題，自2020年起研究人員深入到我國云南省邊境地區(qū)，采集了數(shù)千只野外雌性伊蚊，分離出55株蚊蟲腸道共生菌并進(jìn)行功能篩選。研究顯示，在白紋伊蚊（Aedes albopictus）及埃及伊蚊（Aedes aegypti）的腸道中定植一種Rosenbergiella屬的細(xì)菌（Rosenbergiella_YN46），可顯著抑制蚊蟲通過叮咬吸血感染登革病毒及寨卡病毒，說明Rosenbergiella_YN46是一種能決定蚊蟲對病毒易感性的關(guān)鍵腸道共生菌，這種共生菌通過分泌一種葡萄糖脫氫酶（glucose dehydrogenase,RyGDH）將吸血蚊蟲腸道環(huán)境快速酸化（pH≈6.0），導(dǎo)致蚊蟲腸道微環(huán)境重塑。前期大量研究已表明，登革病毒等蚊媒病毒的包膜蛋白（Envelope protein）可對酸性信號敏感，當(dāng)病毒處于pH<6.5的酸性環(huán)境時(shí)，其包膜蛋白將發(fā)生不可逆的變構(gòu)，使病毒顆粒進(jìn)入脫衣殼的狀態(tài)并失去感染活性。因此，酸化的腸道環(huán)境可直接滅活進(jìn)入腸道的病毒顆粒，從而抑制蚊蟲通過吸血獲取病毒的能力，大幅降低蚊蟲對病毒易感性（圖2）。
圖2.Rosenbergiella_YN46菌通過分泌RyGDH因子重塑蚊蟲腸道微環(huán)境，抑制吸血蚊蟲感染并傳播病毒
為了驗(yàn)證研究結(jié)果的可靠性，研究人員進(jìn)一步研究Rosenbergiella_YN46在自然界中的分布定植是否與云南省的登革熱流行存在相關(guān)性。目前已知的Rosenbergiella屬的細(xì)菌均與植物汁液和花蜜有關(guān)，是自然環(huán)境中廣泛存在的環(huán)境共生菌。云南省是我國登革熱等烈性蚊媒病毒傳染病流行的主要地區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，在氣候環(huán)境相似、蚊蟲種群密度相似的條件下，云南省不同地區(qū)的登革熱流行存在顯著的不均一性和熱點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)近十年的流行病學(xué)調(diào)查記錄，西雙版納和臨滄兩地常年存在登革熱暴發(fā)流行，但是相鄰的文山和普洱幾乎沒有登革熱的本地流行報(bào)道。因此，研究人員深入這四個(gè)地區(qū)，采集了氣候和環(huán)境因素相似地點(diǎn)的蚊蟲，并檢測Rosenbergiella_YN46在野外蚊蟲腸道中的定植情況。分析發(fā)現(xiàn)，Rosenbergiella_YN46在文山和普洱（非登革熱流行地區(qū)）的蚊蟲腸道中有很高的定植率，而在西雙版納和臨滄（登革熱流行地區(qū)）的蚊蟲腸道中的定植比例很低。這個(gè)結(jié)果說明，Rosenbergiella_YN46的分布定植與云南地區(qū)登革熱流行地區(qū)特異性高度相關(guān)（圖3）。
圖3.Rosenbergiella_YN46在自然界中的分布定植與云南地區(qū)登革熱流行地區(qū)特異性存在高度負(fù)相關(guān)
為使上述研究成果向應(yīng)用方向推進(jìn)，研究人員提出了下一個(gè)核心科學(xué)問題，即在疫區(qū)水體環(huán)境中進(jìn)行Rosenbergiella_YN46的環(huán)境干預(yù)，是否可將Rosenbergiella_YN46自然定植到疫區(qū)水體孵化出的野生蚊蟲中，從而大幅降低疫區(qū)蚊蟲對病毒的易感性，通過共生菌環(huán)境干預(yù)措施來阻斷登革病毒的感染與傳播。圍繞這個(gè)問題，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中將野生白紋伊蚊的蚊卵（西雙版納獲得）進(jìn)行孵化，在孵化水體中加入Rosenbergiella_YN46進(jìn)行干預(yù)，然后檢測孵化出的疫區(qū)蚊蟲的幼蟲、蛹和成蟲腸道中Rosenbergiella_YN46的定植情況。結(jié)果表明，通過環(huán)境水體干預(yù)，可將Rosenbergiella_YN46高效定植到孵化蚊蟲的腸道中。并且，從Rosenbergiella_YN46干預(yù)的水體環(huán)境中孵化出的蚊蟲不易感染病毒。這說明，在孳生地環(huán)境水體中進(jìn)行Rosenbergiella_YN46干預(yù)，可以有效降低蚊蟲對病毒的易感性。
基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)現(xiàn)場干預(yù)實(shí)驗(yàn)（semi-field study）：在疫區(qū)水體環(huán)境中干預(yù)Rosenbergiella_YN46，考察是否能有效阻斷野生蚊蟲攜帶傳播登革病毒。研究人員選擇了在西雙版納州勐臘縣（北緯21°31′8.77″，東經(jīng)101°36′22.89″）開展現(xiàn)場干預(yù)實(shí)驗(yàn)，在當(dāng)?shù)卮罱艘粋€(gè)工作大棚，在大棚中利用西雙版納州勐臘縣的水土環(huán)境孵化本地蚊蟲。隨后，在孳生水體中進(jìn)行Rosenbergiella_YN46干預(yù)，檢測孵化出的蚊蟲對登革病毒的感染情況。結(jié)果顯示，環(huán)境水體干預(yù)Rosenbergiella_YN46后，孵化出的疫區(qū)蚊蟲感染登革病毒的比例大幅下降。由此表明，在環(huán)境中干預(yù)Rosenbergiella_YN46，可以有效阻抑疫區(qū)蚊蟲攜帶傳播病毒的能力，這為防控登革熱等烈性蚊媒病毒傳染病提供了全新的技術(shù)平臺和工作思路（圖4）。
圖4.在孳生地水體中進(jìn)行Rosenbergiella_YN46環(huán)境干預(yù)，可以有效降低蚊蟲攜帶并傳播病毒
程功團(tuán)隊(duì)研究人員還注意到了Rosenbergiella_YN46的安全性問題。Rosenbergiella_YN46是一種天然環(huán)境共生菌，它與蚊蟲的共生關(guān)系在自然界已穩(wěn)定存在，實(shí)施Rosenbergiella_YN46環(huán)境干預(yù)策略，只是特異性地抑制蚊蟲感染傳播病毒，不會(huì)使蚊蟲產(chǎn)生耐藥性，也不會(huì)影響蚊蟲在自然界中的生存適應(yīng)性。因此，用Rosenbergiella_YN46進(jìn)行環(huán)境干預(yù)，可以作為一種具有巨大應(yīng)用潛力的防治策略，阻斷蚊媒病毒傳染病在自然界傳播流行。
清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授程功、助理研究員朱毅斌和云南省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院研究員王靜林為論文共同通訊作者，清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生張禮銘、深圳華大生命科學(xué)研究院副研究員王達(dá)希為論文共同第一作者，清華大學(xué)為第一完成單位。美國康涅狄格大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授王朋華、中國疾控中心傳染病所研究員劉起勇、湖北醫(yī)藥學(xué)院教授王云甫、深圳華大生命科學(xué)研究院研究員李俊樺、深圳市疾控中心研究員石曉路和深圳灣實(shí)驗(yàn)室傳染病所研究員劉洋為論文合作作者。
研究得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“病原學(xué)與防疫技術(shù)體系研究”、國家自然科學(xué)基金委“病原體與宿主基礎(chǔ)科學(xué)中心”、云南省“程功專家工作站”、云南省科技廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、西南聯(lián)合研究生院科技項(xiàng)目、新基石科學(xué)基金、騰訊基金科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.adn9524
供稿：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
