雖然廣泛的疫苗接種和抗病毒藥物治療，甲型流感病毒感染的發(fā)生率和死亡率仍然很高。流感感染還可能導(dǎo)致毀滅性的大流行，比如1918年的流感大流行導(dǎo)致了5000萬(wàn)人死亡。甲型流感病毒感染后可發(fā)生嚴(yán)重的細(xì)菌感染，大大增加流感的發(fā)病率和死亡率。肺炎鏈球菌是1918年和2009年流感大流行中最常見(jiàn)的細(xì)菌。

甲型流感病毒感染會(huì)破壞肺屏障的完整性，抑制先天性的抗菌免疫，從而促進(jìn)肺部局部細(xì)菌的生長(zhǎng)和擴(kuò)散。這種無(wú)法控制細(xì)菌感染的能力與先天免疫細(xì)胞的數(shù)量和/或功能的改變有關(guān)，包括肺泡巨噬細(xì)胞、常規(guī)樹(shù)突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和非常規(guī)T細(xì)胞。由于腸肺軸在疾病中的重要性，甲型流感病毒感染期間腸道菌群的紊亂也可能促進(jìn)了細(xì)菌的雙重感染。

胃腸道是一個(gè)復(fù)雜而高度多樣化的微生物生態(tài)系統(tǒng)。腸道菌群與宿主之間的相互作用使得免疫穩(wěn)態(tài)得以建立和維持。腸道共生微生物對(duì)宿主免疫反應(yīng)的影響并不局限于腸道，比如腸道屏障功能和腸道穩(wěn)態(tài)，也可以延伸至全身各處和遠(yuǎn)端的黏膜部位，比如肺。腸道菌群調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)免疫細(xì)胞的數(shù)量和功能的機(jī)制取決于微生物相關(guān)分子模式、微生物代謝物及其與祖細(xì)胞和成熟免疫細(xì)胞的相互作用。健康的腸道菌群在宿主抵御呼吸道感染方面起著關(guān)鍵作用，包括甲型流感病毒和肺炎鏈球菌。

病理狀態(tài)，比如感染和慢性炎癥或代謝紊亂，可以改變腸道菌群的多樣性和組成，導(dǎo)致菌群失調(diào)。腸道菌群的變化可以影響疾病的結(jié)果，甚至是在一些遠(yuǎn)端的器官。一些研究表明，急性呼吸道感染會(huì)破壞腸道菌群的平衡。比如，H1N1和H5N1甲型流感病毒的嚴(yán)重感染與腸道菌群的改變有關(guān)。腸道菌群的這種改變與繼發(fā)性腸道感染的易感性增強(qiáng)有關(guān)。

近日，發(fā)表在《Cell Reports》雜志上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，甲型流感病毒感染導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)可以通過(guò)改變短鏈脂肪酸的產(chǎn)生而增加肺部肺炎球菌雙重感染的風(fēng)險(xiǎn)。

主要結(jié)果

• 亞致死的流感病毒感染可以短暫地改變腸道菌群的組成和功能

人感染H7N9以及小鼠感染H1N1和H5N1后，腸道菌群的組成會(huì)發(fā)生改變。這一研究證實(shí)并擴(kuò)展了這一發(fā)現(xiàn)，包括H3N2和H1N1亞型。

H3N2甲型流感病毒感染后7天，小鼠的腸道菌群發(fā)生了顯著的變化，這種改變只是暫時(shí)的，總體上在感染后14天時(shí)恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。感染7天后，腸道菌群組成在門水平上沒(méi)有明顯差異。在擬桿菌門中，擬桿菌目S24-7科的相對(duì)豐度減少，而副擬桿菌屬和Odoribacter菌屬的豐度明顯增加。在厚壁菌門中，梭菌目、瘤胃球菌科、Mogibacteriacecea科以及糞球菌屬、羅斯氏菌屬、Defluvittalea菌屬、Dorea菌屬、瘤胃球菌屬和Gemmiger菌屬的相對(duì)豐度增加；相比之下，毛螺菌科以及Dehalobacterium菌屬和乳桿菌屬的相對(duì)豐度較低。最后，在變形菌門中，α-變形菌綱和γ-變形菌綱的比例增加，而β-變形菌綱的比例減少。在病毒感染的小鼠腸道中并沒(méi)有檢測(cè)到病毒的基因組，因此，腸道菌群失調(diào)不是由于病毒在腸道的復(fù)制或病毒RNA被動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥c道組織所導(dǎo)致的。同樣，H1N1流感病毒感染也會(huì)導(dǎo)致類似的腸道菌群變化。因此，亞致死性的流感病毒感染可導(dǎo)致短暫的腸道菌群失調(diào)。

腸道菌群的改變也會(huì)改變其功能，比如代謝活性。短鏈脂肪酸是腸道細(xì)菌發(fā)酵短鏈脂肪酸產(chǎn)生的，具有免疫調(diào)節(jié)的作用。H3N2感染后7天，盲腸中的總短鏈脂肪酸濃度比未感染的小鼠明顯更低，乙酸、丙酸和丁酸的濃度均更低。這可能是由于產(chǎn)短鏈脂肪酸的細(xì)菌豐度降低造成的，包括毛螺菌科、乳桿菌科和雙歧桿菌科的細(xì)菌，它們含有許多能夠?qū)?fù)雜碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌物種。感染后14天，盲腸短鏈脂肪酸的水平恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。同樣，感染H1N1后也有類似的變化。眾所周知，腸道內(nèi)產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以進(jìn)入身體循環(huán)，然后產(chǎn)生遠(yuǎn)端生物學(xué)效應(yīng)，特別是乙酸。流感感染也導(dǎo)致血液中短鏈脂肪酸濃度降低。因此，流感感染7天時(shí)改變了腸道菌群的代謝，并影響了腸道局部和全身的短鏈脂肪酸濃度。

• 流感病毒感染后的腸道菌群改變可以增加呼吸道細(xì)菌感染的易感性

通過(guò)持續(xù)性的釋放可溶性因子，比如短鏈脂肪酸，腸道菌群可以遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)肺部的免疫功能。健康的腸道菌群可以增強(qiáng)對(duì)肺部肺炎球菌感染的抵抗力。用廣譜性抗生素處理小鼠，破壞其腸道菌群，然后在小鼠鼻內(nèi)感染肺炎鏈球菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與擁有健康菌群的小鼠相比，經(jīng)抗生素處理的小鼠在其肺部顯示出更大的細(xì)菌負(fù)荷。口服從健康小鼠收集的腸道細(xì)菌可以恢復(fù)細(xì)菌的清除率。因此，腸道菌群來(lái)源的信號(hào)的短暫中止可能改變肺部對(duì)細(xì)菌感染的早期防御。

那么，由于流感病毒感染導(dǎo)致的菌群改變是否會(huì)損害肺部的抗細(xì)菌防御呢？研究人員將H3N2流感病毒感染的小鼠的腸道菌群移植到經(jīng)抗生素處理的小鼠體內(nèi)時(shí)，小鼠肺部的肺炎鏈球菌計(jì)數(shù)也明顯更高。同時(shí)，流感病毒感染的小鼠腸道菌群也增強(qiáng)了肺部的細(xì)菌擴(kuò)散，脾臟中細(xì)菌數(shù)量也增加了。同樣，感染H1N1的小鼠的腸道菌群也可以導(dǎo)致肺部肺炎球菌感染的易感性增強(qiáng)。因此，甲型流感病毒感染后的菌群變化導(dǎo)致肺部反應(yīng)的改變是流感病毒感染的一個(gè)普遍后果，與病毒的亞型無(wú)關(guān)。在流感感染期間，腸道菌群平衡的紊亂增強(qiáng)了呼吸道細(xì)菌感染的易感性。

• 流感病毒感染導(dǎo)致的腸道菌群改變減少了乙酸的產(chǎn)生，這是呼吸道細(xì)菌感染易感性增加的原因

流感病毒感染導(dǎo)致的腸道菌群改變會(huì)減少短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，那么肺部細(xì)菌感染易感性的增加是否與短鏈脂肪酸的產(chǎn)生減少有關(guān)呢？

經(jīng)抗生素處理的小鼠的盲腸短鏈脂肪酸濃度遠(yuǎn)低于擁有健康菌群的小鼠，重新定植健康的菌群部分恢復(fù)了短鏈脂肪酸的水平。當(dāng)給小鼠定植流感病毒感染的小鼠腸道細(xì)菌時(shí)，短鏈脂肪酸的濃度也顯著降低，特別是乙酸。

研究人員重點(diǎn)關(guān)注了降低最明顯的乙酸，當(dāng)給定植流感病毒感染的腸道細(xì)菌的小鼠補(bǔ)充乙酸時(shí)，肺部肺炎鏈球菌的數(shù)量減少，細(xì)菌從肺部向全身的擴(kuò)散也減少，因此補(bǔ)充乙酸恢復(fù)了肺部抗肺炎鏈球菌的防御。因此，腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸在流感病毒感染后的肺部抗菌反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

• 限制食物攝入（模擬流感）會(huì)改變腸道菌群和肺部對(duì)細(xì)菌感染的防御

食物攝入量和飲食組成能夠迅速改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能。食欲不振是流感病毒感染的一個(gè)重要特征，導(dǎo)致食物攝入量減少，而食物攝入量的快速減少會(huì)改變腸道菌群的組成和代謝活性。

在這一研究中，流感病毒感染后第4-11天，小鼠的食物攝入量確實(shí)降低了，在第7天時(shí)降低最多，達(dá)到85%。為了測(cè)試流感病毒感染導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)是否是由于食物攝入量的減少，研究人員限制了未感染小鼠的食物攝入，而且與流感感染的小鼠食物攝入量的減少相對(duì)應(yīng)。這些小鼠與流感病毒感染的小鼠一樣，體重減輕了，腸道菌群也發(fā)生了類似的變化，結(jié)腸短鏈脂肪酸的濃度也明顯減少。由于食物限制，可獲得的膳食纖維和復(fù)雜碳水化合物的減少可能會(huì)影響腸道共生菌之間的競(jìng)爭(zhēng)，從而損害產(chǎn)短鏈脂肪酸的細(xì)菌的利益，并使利用宿主黏液作為能量來(lái)源的細(xì)菌受益。

食物限制的小鼠在感染肺炎鏈球菌后，肺部和脾臟中的細(xì)菌數(shù)量也顯著增加了。糞菌移植實(shí)驗(yàn)表明，這種易感性的增加至少在部分程度上是由于腸道菌群的改變。

那么，食物限制的小鼠中乙酸產(chǎn)生的減少是否增強(qiáng)了肺炎鏈球菌感染的易感性呢？確實(shí)，補(bǔ)充乙酸可以顯著降低肺部細(xì)菌的數(shù)量。總之，模擬流感感染后食物攝入量的減少改變了腸道菌群的組成和代謝活性，增加了呼吸道細(xì)菌感染的易感性。雖然不能完全排除其它機(jī)制的存在，包括全身或局部炎癥因子（比如干擾素），但是由于食欲降低導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的改變?cè)谀c道菌群的組成和功能失調(diào)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，流感感染期間食物攝入的減少可能導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)和改變肺部對(duì)細(xì)菌感染的防御。

• 流感病毒感染后的腸道菌群影響肺部巨噬細(xì)胞的殺菌活性，這可以通過(guò)補(bǔ)充乙酸得以恢復(fù)

那么，流感感染導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)是如何破壞宿主肺部防御的呢？肺泡巨噬細(xì)胞、常規(guī)樹(shù)突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、恒定自然殺傷性T細(xì)胞和γδT細(xì)胞在肺炎球菌的早期清除中發(fā)揮直接或間接作用。給小鼠定植流感感染后的腸道細(xì)菌或正常的腸道細(xì)菌，肺部這些細(xì)胞的數(shù)量沒(méi)有表現(xiàn)出差異。吞噬作用是控制肺炎鏈球菌的一個(gè)重要的早期事件，流感感染后的腸道菌群改變也沒(méi)有改變肺泡巨噬細(xì)胞的吞噬活性。然而，肺泡巨噬細(xì)胞的殺菌能力發(fā)生了改變，也就是說(shuō)，流感病毒感染后，腸道菌群的改變雖然不會(huì)影響肺泡巨噬細(xì)胞對(duì)肺炎鏈球菌的吞噬活性，但是使它們不能有效地殺死肺炎鏈球菌。

那么，補(bǔ)充乙酸是否可以逆轉(zhuǎn)肺泡巨噬細(xì)胞殺菌活性的改變呢？補(bǔ)充乙酸對(duì)肺泡巨噬細(xì)胞的吞噬活性沒(méi)有影響，但是增強(qiáng)了其殺菌活性。當(dāng)通過(guò)清除體內(nèi)的巨噬細(xì)胞后，乙酸的保護(hù)作用就被破壞了。乙酸似乎可以直接作用于巨噬細(xì)胞，因?yàn)樵隗w外通過(guò)使用乙酸預(yù)處理巨噬細(xì)胞可以增強(qiáng)其對(duì)肺炎球菌的殺菌作用。

總之，流感感染導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)會(huì)通過(guò)影響肺泡巨噬細(xì)胞的殺菌功能從而降低肺炎球菌的清除，這種影響可以通過(guò)補(bǔ)充乙酸得以恢復(fù)。

• 流感期間補(bǔ)充乙酸可以防止致命性的細(xì)菌雙重感染

給流感感染的小鼠直接補(bǔ)充乙酸，第7天時(shí)再次感染肺炎鏈球菌。乙酸的補(bǔ)充顯著降低了肺部的細(xì)菌負(fù)荷，減少了雙重感染小鼠肺部細(xì)菌向全身的擴(kuò)散。與單獨(dú)使用乙酸相比，乙酸、丙酸和丁酸聯(lián)合使用并沒(méi)有進(jìn)一步增強(qiáng)其抵抗力。值得注意的是，乙酸的這種保護(hù)作用與腸道菌群組成的主要變化無(wú)關(guān)。肺組織病理學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充乙酸的小鼠肺炎癥狀較輕，包括血管周圍炎性浸潤(rùn)。

那么，乙酸對(duì)細(xì)菌負(fù)荷和肺部病理的積極作用是否可以延伸到改善發(fā)病率和死亡率呢？雖然乙酸對(duì)因流感感染導(dǎo)致的體重下降沒(méi)有影響，但它有利于繼發(fā)性肺炎球菌感染后體重恢復(fù)。最值得注意的是，在流感感染過(guò)程中補(bǔ)充乙酸可以有效地提高了雙重感染小鼠的存活率。

那么，乙酸是如何改善雙重感染小鼠的疾病結(jié)局的呢？

病毒誘導(dǎo)的上皮屏障功能改變可導(dǎo)致細(xì)菌的雙重感染。補(bǔ)充乙酸對(duì)肺部病毒載量沒(méi)有影響，對(duì)肺屏障功能相關(guān)基因表達(dá)無(wú)影響。同樣，乙酸也不能影響干擾素誘導(dǎo)基因和抗病毒介質(zhì)的表達(dá)。因此，乙酸不會(huì)作用于病毒復(fù)制及其相關(guān)的上皮功能障礙。

乙酸的有益作用可能依賴于免疫細(xì)胞的抗菌功能。乙酸不能改變巨噬細(xì)胞、常規(guī)樹(shù)突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、產(chǎn)IFN-γ的恒定自然殺傷性T細(xì)胞和產(chǎn)IL-17A的γδT細(xì)胞的數(shù)量。然而，通過(guò)清除巨噬細(xì)胞會(huì)破壞乙酸的有益作用?？偟膩?lái)說(shuō)，流感感染期間乙酸的產(chǎn)生減少會(huì)增加繼發(fā)性細(xì)菌感染的易感性，補(bǔ)充乙酸足以改善疾病結(jié)局，部分是通過(guò)巨噬細(xì)胞的殺菌活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

• 外源性補(bǔ)充短鏈脂肪酸受體FFAR2激動(dòng)劑可以預(yù)防流感后繼發(fā)性細(xì)菌感染

乙酸可以通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體FFAR2和FFAR3發(fā)揮作用。補(bǔ)充乙酸不能顯著降低FFAR2基因敲除的雙感染小鼠的細(xì)菌負(fù)荷。值得注意的是，肺泡巨噬細(xì)胞表達(dá)FFAR2的轉(zhuǎn)錄本，而FFAR3的mRNA表達(dá)則低得多。為了研究局部激活FFAR2對(duì)流感后細(xì)菌雙重感染的潛在影響，小鼠經(jīng)鼻腔給藥一種選擇性FFAR2激動(dòng)劑。肺炎球菌感染之前，F(xiàn)FAR2的藥理學(xué)激活導(dǎo)致肺部細(xì)菌負(fù)擔(dān)和向血液的擴(kuò)散顯著減少。相比之下，選擇性的FFAR3激動(dòng)劑不能提供任何保護(hù)。

因此，FFAR2激動(dòng)劑在流感感染后細(xì)菌雙重感染中提供了與乙酸相同的保護(hù)作用，乙酸可能以FFAR2受體依賴的方式來(lái)發(fā)揮保護(hù)作用。

結(jié)論

繼發(fā)性細(xì)菌感染常常使病毒性呼吸道感染復(fù)雜化。大量研究表明，腸道菌群的改變?cè)诟鞣N慢性疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用。亞致死性病毒感染可以短暫改變腸道菌群的組成和代謝活性，這些變化部分歸因于食物攝入量的減少。而腸道菌群的這些改變會(huì)損害肺部對(duì)肺炎球菌感染的防御，增加繼發(fā)性肺部細(xì)菌感染的易感性。

從機(jī)理上講，這可能是由于腸道菌群的改變導(dǎo)致短鏈脂肪酸的產(chǎn)生減少。腸道短鏈脂肪酸可以遠(yuǎn)端影響肺部的免疫反應(yīng)，并可調(diào)節(jié)疾病結(jié)果，包括哮喘反應(yīng)以及呼吸道病毒和細(xì)菌感染。短鏈脂肪酸，特別是乙酸的減少，會(huì)影響肺泡巨噬細(xì)胞的殺菌活性。補(bǔ)充乙酸可以以短鏈脂肪酸受體FFAR2依賴的方式減少流感感染小鼠局部和全身的細(xì)菌負(fù)荷，這有助于減少肺部病理學(xué)和提高雙重感染小鼠的存活率。

調(diào)節(jié)腸道菌群可能是限制流感感染后肺部細(xì)菌雙重感染的一個(gè)重要方式。以往的研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)防性補(bǔ)充富含膳食纖維的食物可以預(yù)防流感感染，降低病毒載量和病理學(xué)，這與雙歧桿菌屬和擬桿菌屬細(xì)菌豐度增加和短鏈脂肪酸的水平增加有關(guān)，特別是丁酸。丁酸通過(guò)增強(qiáng)CD8+ T細(xì)胞活性來(lái)減少病毒復(fù)制，從而減少流感感染。預(yù)防性補(bǔ)充可發(fā)酵性膳食纖維，通過(guò)保護(hù)產(chǎn)短鏈脂肪酸的細(xì)菌，可以在流感期間維持腸道內(nèi)環(huán)境平衡和增強(qiáng)肺部的防御。某些益生菌，比如產(chǎn)短鏈脂肪酸的雙歧桿菌和乳酸桿菌也具有類似的效果。

呼吸道病毒感染期間，腸道菌群也將不可避免的受到暫時(shí)的影響，這一影響在很大程度上決定了病毒感染后的嚴(yán)重程度。在如今全球流行的新冠肺炎疫情中，腸道微生態(tài)的問(wèn)題也受到了關(guān)注，李蘭娟院士提出通過(guò)微生態(tài)制劑調(diào)節(jié)腸道菌群平衡來(lái)降低繼發(fā)性細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。在未來(lái)，通過(guò)利用腸道菌群來(lái)控制流感感染的策略可能有助于控制病毒性疾病和細(xì)菌雙重感染，從而降低流感感染的嚴(yán)重程度和死亡風(fēng)險(xiǎn)。