Science | 程功团队与合作者发现共生菌环境干预可阻断蚊媒病毒传播流行
Science | 程功团队与合作者发现共生菌环境干预可阻断蚊媒病毒传播流行
蚊媒病毒传染病的传播流行是人类健康和生命的严重威胁之一。以登革热和寨卡热这两种最具代表性的蚊媒病毒传染病为例，登革热在全球100多个国家感染流行，每年引发多达3.9亿人感染、50-100万人入院治疗；寨卡热于2015年至2017年在太平洋岛屿和南美洲突然暴发大规模疫情，不到一年时间内出现了超过22.3万例寨卡确诊病例，数千例新生儿小头畸形病例，国际卫生组织将寨卡疫情宣布为国际关注的公共卫生紧急事件。迄今为止，多数蚊媒病毒尚无有效的药物和疫苗，灭蚊措施也无法控制蚊媒病毒的传播流行。人们迫切需要成本低廉且环境友好的防控策略来阻断蚊媒病毒的广泛传播。
2024年4月19日，清华大学基础医学院教授、新基石研究员、2022年“科学探索奖”医学科学领域获奖人程功团队与合作者在国际学术期刊Science《科学》以长文形式 (Research Article) 在线发表了“A naturally isolated symbiotic bacterium suppresses flavivirus transmission by Aedes mosquitoes”《一种天然定植的伊蚊肠道共生菌阻断蚊媒黄病毒传播》的研究论文。
在该研究中，程功教授团队与合作者在中国云南省发现一种能决定蚊虫对病毒易感性的关键环境共生菌，通过在云南省西双版纳州的现场干预实验，研究人员证明该共生菌环境干预可有效阻断疫区蚊虫携带和传播病毒。这项研究成果为重要蚊媒传染病防控提供了全新的解决方案。
清华大学基础医学院程功教授、朱毅斌助理研究员和云南省畜牧兽医科学院王静林研究员为论文的共同通讯作者，清华大学基础医学院博士生张礼铭、深圳华大生命科学研究院王达希副研究员为论文的共同第一作者，清华大学为第一完成单位。
程功教授团队在前期研究中已关注蚊虫的肠道微生物与蚊媒病毒之间存在调控关系。在蚊媒病毒传播循环中，蚊虫通过叮咬吸血从感染者体内吸食带有病毒的血液，随后病毒感染蚊虫肠道细胞并扩散入蚊虫体内，进而感染蚊虫唾液腺，使蚊虫具备通过叮咬传播病毒的能力。因此，蚊虫的肠道组织是病毒首先感染的组织器官，蚊虫肠道中的微生物必然与病毒发生复杂的相互作用，可决定蚊虫对病毒的易感性 (图1)。在前期工作中，程功教授团队在实验室饲养的埃及伊蚊种群中发现，一种粘质沙雷氏菌 (Serratia marcescens) 作为蚊虫肠道共生菌可辅助病毒感染蚊虫肠道上皮细胞，提高蚊虫对病毒的易感性 (Wu et al., Cell Host & Microbe, 2019, 25, 101-112. doi: 10.1016/j.chom.2018.11.004)。
图1. 蚊虫通过叮咬吸血从感染者体内获取病毒感染，蚊虫的肠道组织是病毒首先感染的组织器官。
从实验室场景到自然环境还有很大差别。在自然界中，蚊虫肠道微生物的组成及丰度受到生存环境的极大影响。野外蚊虫的肠道微生物有的来自孳生水体中的环境微生物，有的来自环境植物的汁液或花蜜中的共生微生物。由于不同地域中环境微生物组成存在巨大差别，导致不同环境下孳生的蚊虫携带并传播病毒的能力存在显著差异。因此，一个核心的科学问题是：在自然环境中，能够有效决定野外疫区蚊虫感染传播病毒能力的肠道共生菌是否存在？是否可以通过调控蚊虫肠道共生菌阻断疫区蚊虫携带并传播病毒？
为了回答这个核心问题，自2020年起研究人员深入到我国云南省边境地区，采集了数千只野外雌性伊蚊，分离出55株蚊虫肠道共生菌并进行功能筛选。研究显示，在白纹伊蚊 (Aedes albopictus) 及埃及伊蚊 (Aedes aegypti) 的肠道中定植一种Rosenbergiella属的细菌 (Rosenbergiella_YN46)，可显著抑制蚊虫通过叮咬吸血感染登革病毒及寨卡病毒，说明Rosenbergiella_YN46是一种能决定蚊虫对病毒易感性的关键肠道共生菌，这种共生菌通过分泌一种葡萄糖脱氢酶 (glucose dehydrogenase, RyGDH) 将吸血蚊虫肠道环境快速酸化 (pH≈6.0)，导致蚊虫肠道微环境重塑。
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) 可对酸性信号敏感，当病毒处于pH<6.5的酸性环境时，其包膜蛋白将发生不可逆的变构，使病毒颗粒进入脱衣壳的状态并失去感染活性。因此，酸化的肠道环境可直接灭活进入肠道的病毒颗粒，从而抑制蚊虫通过吸血获取病毒的能力，大幅降低蚊虫对病毒易感性 (图2)。
图2. Rosenbergiella_YN46菌通过分泌RyGDH因子重塑蚊虫肠道微环境，抑制吸血蚊虫感染并传播病毒
为了验证研究结果的可靠性，研究人员进一步研究Rosenbergiella_YN46菌在自然界中的分布定植是否与云南省的登革热流行存在相关性。目前已知的Rosenbergiella属的细菌均与植物汁液和花蜜有关，是自然环境中广泛存在的环境共生菌。云南省是我国登革热等烈性蚊媒病毒传染病流行的主要地区。研究发现，在气候环境相似、蚊虫种群密度相似的条件下，云南省不同地区的登革热流行存在显著的不均一性和热点区域。
根据近十年的流行病学调查记录，西双版纳和临沧两地常年存在登革热暴发流行，但是相邻的文山和普洱几乎没有登革热的本地流行报道。因此，研究人员深入这四个地区，采集了气候和环境因素相似地点的蚊虫，并检测Rosenbergiella_YN46菌在野外蚊虫肠道中的定植情况。分析发现，Rosenbergiella_YN46菌在文山和普洱 (非登革热流行地区) 的蚊虫肠道中有很高的定植率，而在西双版纳和临沧 (登革热流行地区) 的蚊虫肠道中的定植比例很低。这个结果说明，Rosenbergiella_YN46菌的分布定植与云南地区登革热流行地区特异性高度相关 (图3)。
图3. Rosenbergiella_YN46在自然界中的分布定植与云南地区登革热流行地区特异性存在高度负相关。
为使上述研究成果向应用方向推进，研究人员提出了下一个核心科学问题：在疫区水体环境中进行Rosenbergiella_YN46的环境干预，是否可将Rosenbergiella_YN46菌自然定植到疫区水体孵化出的野生蚊虫中，从而大幅降低疫区蚊虫对病毒的易感性，通过共生菌环境干预措施来阻断登革病毒的感染与传播。
围绕这个问题，研究人员在实验室中将野生白纹伊蚊的蚊卵 (西双版纳获得) 进行孵化，在孵化水体中加入Rosenbergiella_YN46菌进行干预，然后检测孵化出的疫区蚊虫的幼虫、蛹和成虫肠道中Rosenbergiella_YN46菌的定植情况。结果表明，通过环境水体干预，可将Rosenbergiella_YN46菌高效定植到孵化蚊虫的肠道中。并且，从Rosenbergiella_YN46菌干预的水体环境中孵化出的蚊虫不易感染病毒。这说明，在孳生地环境水体中进行Rosenbergiella_YN46干预，可以有效降低蚊虫对病毒的易感性。
基于以上实验数据，研究人员设计了一个现场干预实验 (semi-field study)：在疫区水体环境中干预Rosenbergiella_YN46菌，考察是否能有效阻断野生蚊虫携带传播登革病毒。研究人员选择了在西双版纳州勐腊县 (北纬 21°31′8.77″，东经 101°36′22.89″) 开展现场干预实验，在当地搭建了一个工作大棚，在大棚中利用西双版纳州勐腊县的水土环境孵化本地蚊虫。随后，在孳生水体中进行Rosenbergiella_YN46菌干预，检测孵化出的蚊虫对登革病毒的感染情况。结果显示，环境水体干预Rosenbergiella_YN46菌后，孵化出的疫区蚊虫感染登革病毒的比例大幅下降。由此表明，在环境中干预Rosenbergiella_YN46菌，可以有效阻抑疫区蚊虫携带传播病毒的能力，这为防控登革热等烈性蚊媒病毒传染病提供了全新的技术平台和工作思路 (图4)。
图4. 在孳生地水体中进行Rosenbergiella_YN46环境干预，可以有效降低蚊虫携带并传播病毒
程功团队研究人员还注意到了Rosenbergiella_YN46的安全性问题。Rosenbergiella_YN46是一种天然环境共生菌，它与蚊虫的共生关系在自然界已稳定存在，实施Rosenbergiella_YN46环境干预策略，只是特异性地抑制蚊虫感染传播病毒，不会使蚊虫产生耐药性，也不会影响蚊虫在自然界中的生存适应性。因此，用Rosenbergiella_YN46进行环境干预，可以作为一种具有巨大应用潜力的防治策略，阻断蚊媒病毒传染病在自然界传播流行。
美国康涅狄格大学医学院王朋华教授、中国疾控中心传染病所刘起勇研究员、湖北医药学院王云甫教授、深圳华大生命科学研究院李俊桦研究员、深圳市疾控中心石晓路研究员和深圳湾实验室传染病所刘洋研究员为本论文合作作者。本研究受到科技部国家重点研发计划“病原学与防疫技术体系研究”、国家自然科学基金委“病原体与宿主基础科学中心”、国家自然科学基金委“国家杰出青年科学基金”、云南省“程功专家工作站”、云南省科技厅创新团队项目、西南联合研究生院科技项目、新基石科学基金会所设立的新基石研究员项目与科学探索奖、中国科协青年人才托举工程等项目联合资助。
专家点评
高福 中国科学院院士 中国科学院微生物研究所；
康乐 中国科学院院士 中国科学院动物研究所；
徐建国 中国工程院院士 中国疾病预防控制中心传染病预防控制所。
高 福
中国科学院院士 中国科学院微生物研究所
近年来，多种蚊媒病毒性传染病对全球公共卫生安全构成严重威胁。然而，针对大多数蚊媒传染病尚无特效药物或疫苗可供治疗和预防。以登革热为例，据世界卫生组织统计数据显示，登革热发病率在过去四十年中增加30倍，已经成为全世界严重的公共卫生负担。《自然》期刊发文表示气候变化和城市快速发展等因素助长了登革热疫情的激增 (doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00626-3)。2024年的前两个月，巴西登记在册的登革热病例超过了100万例，创下了这一时期的记录。
导致人类疾病的蚊媒病毒有数百种之多，但该类病毒传播途径一致，均是通过媒介蚊虫叮咬宿主进行传播。因此，深入理解蚊媒病毒流行传播的生物学基础，将为阻断病毒传播提供新的思路。在这项研究中，清华大学基础医学院程功教授团队与合作者在云南边境地区发现一种天然定植于白纹伊蚊肠道中的环境共生菌Rosenbergiella_YN46，该细菌可高效阻断登革病毒、寨卡病毒感染蚊虫。说明Rosenbergiella_YN46是一种能决定蚊虫对病毒易感性的生物因素。随后，程功教授团队在云南省西双版纳州开展现场干预实验，发现在自然水体环境中进行Rosenbergiella_YN46菌干预，可使孳生的疫区蚊虫肠道中天然携带该细菌，从而显著降低疫区野生蚊虫对病毒易感性，该项研究实现了通过共生菌环境干预的方法阻断蚊媒病毒在自然界中的传播。总体来说，该项研究发现了一种可决定蚊媒病毒传播的环境生物因子，为基于“One Health”理念的蚊媒病毒传染病防控提供了全新的技术平台和理论基础。
康 乐
中国科学院院士 中国昆虫学会名誉理事长
中国科学院动物研究所
蚊虫、蜱虫、白蛉等多种节肢动物携带和传播数百种人类及动物病毒，造成严重公共卫生威胁。在自然界中，蚊虫是多种人类病毒的主要传播媒介。其中，埃及伊蚊及白纹伊蚊喜嗜人血，可传播登革病毒、寨卡病毒、黄热病毒等重要人类病毒，每年导致数亿人感染。而致倦库蚊、淡色库蚊、三代喙库蚊等蚊虫可携带数十种脑炎病毒并传播给人，引起乙型脑炎、西尼罗脑炎、东部马脑炎或西部马脑炎等严重疾病，感染者常有较高病死率。
在自然界中，蚊虫广泛分布，但是一个很有意思的现象是：在蚊虫种群密度相似、气候环境相近的地区，蚊媒病毒疾病的流行存在显著的不均一性。以云南省为例，西双版纳和临沧等地常年存在登革热暴发流行，但是相邻的文山和普洱等地几乎没有登革热的本地流行报道。相似的例子还包括：我国广西自治区和海南省较少登革病例报道，但是广东省登革病例报道较多。一个重要且有趣的科学问题是：是什么因素决定了病毒传播流行的地区特异性？蚊媒病毒传染病的传播流行是否由环境因素决定？
近期，清华大学基础医学院程功教授团队及合作者在云南省文山州的中越边境地区发现一种来源于植物汁液和花蜜的环境共生菌Rosenbergiella_YN46，同时该细菌是自然界中白纹伊蚊及埃及伊蚊的肠道共生菌。Rosenbergiella_YN46菌能够有效降低蚊虫对病毒的易感性。随后，程功教授团队进一步研究Rosenbergiella_YN46菌在自然界中的分布是否与云南省的登革热流行存在相关性。研究人员深入云南边境地区，采集了气候和环境因素相似地点的蚊虫，并检测Rosenbergiella_YN46菌在野外蚊虫肠道中的定植情况。分析发现，Rosenbergiella_YN46菌在文山和普洱 (非登革热流行地区) 的蚊虫肠道中有很高的定植率，而在西双版纳和临沧 (登革热流行地区) 的蚊虫肠道中的定植比例很低。这个结果说明，Rosenbergiella_YN46菌的分布定植与云南地区登革热流行的地区特异性高度相关。
随后，程功教授团队将该科学发现应用到疫区现场，在西双版纳地区设计了一个现场干预实验 (semi-field study)：通过在疫区水体环境中干预Rosenbergiella_YN46菌，考察是否能有效阻断野生蚊虫携带并传播登革病毒。研究发现，通过向蚊虫孳生水体中加入Rosenbergiella_YN46菌进行环境干预，可有效降低疫区野生蚊虫携带并传播病毒的能力，阻断登革病毒在自然界中传播。
综上所述，该研究通过环境生态学视角，思考并回答蚊媒病毒传染病的传播流行规律，发现了能决定重要蚊媒病毒传播的关键环境微生物。随后，该研究通过共生菌环境干预，在自然界中实现阻断蚊虫携带并传播病毒。该工作将为蚊媒传染病防控奠定全新的理论体系和应用思路。
徐建国
中国工程院院士 中国微生物学会理事长
中国疾病预防控制中心传染病所
在蚊媒病毒“宿主-蚊虫”的传播过程中，蚊虫需要通过叮咬感染者，从感染者体内吸食带有病毒的血液，随后病毒感染蚊虫肠道细胞并扩散入蚊虫体内，使蚊虫携带病毒，并具备传播病毒的能力。因此，蚊虫的肠道组织是病毒首先感染的组织器官。蚊媒病毒作为蚊虫的“肠道病毒”，必然与蚊虫肠道中的微生物发生复杂的相互作用，最终决定蚊虫对病毒的易感性。
在自然界中，蚊虫生存环境中的微生物群落极大调控了蚊虫肠道微生物的组成。比如，野外蚊虫的肠道微生物可来自孳生水体中的环境微生物，也可来自环境中植物汁液或花蜜中的共生微生物。由于不同地域中环境微生物组成存在巨大差别，导致不同环境下孳生的蚊虫肠道微生物存在显著不同。因此，来自不同地区的蚊虫携带并传播病毒的能力存在明显差异。这种环境微生物的差异可导致某些地区的蚊虫高效携带并传播病毒，致使该地区蚊媒传染病高发；而另外地区的蚊虫对病毒易感性较低，无法有效感染并传播病毒，几乎没有蚊媒传染病流行。因此，一个核心的科学问题是：在自然环境中，能够有效决定野外蚊虫感染传播病毒能力的肠道微生物是什么？是否可以通过调控蚊虫肠道微生物来阻断蚊虫携带并传播病毒？
近期，清华大学基础医学院程功教授团队在《科学》杂志发表论文，回答了这个问题。程功教授团队在云南省边境地区采集了数千只野外雌性伊蚊，分离出55株蚊虫肠道共生菌并进行功能筛选。研究显示，在白纹伊蚊及埃及伊蚊的肠道中定植一种Rosenbergiella属的共生菌 (Rosenbergiella_YN46)，可显著抑制蚊虫通过吸血感染登革病毒及寨卡病毒，说明Rosenbergiella_YN46是一种能决定蚊虫对病毒易感性的关键肠道共生菌。同时，Rosenbergiella属的细菌均是在植物汁液和花蜜中存在，因此Rosenbergiella_YN46菌很可能是一种来源于植物的环境共生菌。随后，程功教授团队在疫区水体环境中干预Rosenbergiella_YN46菌，发现它可有效阻抑野生蚊虫携带并传播登革病毒，这为防控登革热等烈性蚊媒传染病提供了全新的技术平台和工作思路。
世界卫生组织于2022年启动了全球虫媒病毒倡议(Global Integrated Arboviruses Initiative)，旨在应对虫媒病毒传染病日益严重的威胁。考虑到虫媒病毒传染病的不可预测性和地理分布广泛性，该倡议提出：除了疫苗和药物研发，还需要针对这些传染病的防控探索新策略。程功教授的这项研究具有重要的理论意义及应用价值：首先，Rosenbergiella_YN46是一种天然环境共生菌，它来源于自然环境，使用该细菌进行环境干预的潜在环境风险较低；其次，Rosenbergiella_YN46是在野外蚊虫肠道中分离得到，可在野生蚊虫肠道中稳定存在。因此，实施Rosenbergiella_YN46环境干预策略，不会使蚊虫产生耐药性，也不会影响蚊虫在自然界中的生存适应性，只是特异性地抑制蚊虫感染传播病毒。因此，利用Rosenbergiella_YN46进行环境干预，是一种具有巨大应用潜力且环境友好型的蚊病毒传染病防控方案。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9524
DOI: 10.1126/science.adn9524