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茫茫人海中,蚊子如何定位病毒感染者?

如何打破蚊子传播疾病的循环? | 图源:pixabay.com

 

导  读

自然界通过蚊虫叮咬传播的病毒有数百种之多,引发人类及动物宿主的病毒性脑炎、脑膜炎及出血热等严重疾病,但多数烈性蚊媒病毒均无有效疫苗和治疗药物。人们亟需深入了解蚊媒病毒在自然界中快速传播的基本原理,并研发新策略来控制病毒的暴发流行。

近期,清华大学医学院程功团队的一项研究发现,人体气味是调控蚊虫行为的关键因素,而人体气味的主要来源是皮肤微生物,通过调控皮肤微生物,重塑感染者的气味,可影响蚊虫的嗅觉感知。据此,程功团队提出了一种通过皮肤微生物来调节宿主气味、阻断蚊媒病毒在自然界中快速传播的方法。研究论文于2022年6月30日在《细胞》杂志在线发表。

撰文 | 程功   张虹   朱毅斌

责编 | 陈晓雪

 

1、蚊媒病毒传染病,长期危害人类健康

自然界通过蚊虫传播的病毒有数百种之多,可以引起病毒性脑炎、脑膜炎及出血热等严重疾病。蚊媒病毒曾在历史上造成严重的公共卫生灾难。黄热病是三大国际检疫传染病之一,由伊蚊(Aedes spp.)传播的黄热病毒(Yellow Fever virus)感染引起,病死率可达10%-40%。十七至十九世纪,黄热病在美洲及非洲国家广泛流行,导致数百万人死亡 (图1)。直到上个世纪30年代,南非科学家马克思.蒂勒(Max Theiler)发明了黄热病疫苗17D,才使黄热病疫情得到有效控制 [1]。如今,国人去某些南美洲及非洲等疫区国家工作或旅游,仍需要强制免疫黄热病17D疫苗。此外,我国曾是乙型脑炎感染的重灾区,乙型脑炎的病原体是乙型脑炎病毒(Japanese Encephalitis virus),由库蚊 (Culex spp.)携带传播。上个世纪50-70年代,我国乙型脑炎的发病率达10-20/10万人,在暴发流行年份可达200/10万人,病死率可达10%-30%。上世纪80年代后,俞永新院士主持研发的乙脑减毒活疫苗(SA14-14-2株)[2]开始大规模接种,我国乙型脑炎的发病才明显下降。由此可见,蚊媒病毒传染病长期危害着人类的健康。
图1 历史上黄热病、乙型脑炎的流行及疫苗研发


近二十年来,以登革病毒(Dengue virus)、寨卡病毒(Zika virus)、基孔肯亚病毒(Chikungunya virus)、西尼罗病毒(West Nile virus)为代表的新发及再发蚊媒病毒在全世界持续传播流行,每年导致数十亿人感染、数十万人死亡 [3]。
以登革病毒为例,登革病毒感染引起的登革热是目前世界上传播流行最为广泛的病毒性传染病之一,全世界已有100多个国家及地区出现登革热感染流行。据世界卫生组织估计,全世界大约有25亿人口生活在登革热疫区,每年约有3.9亿人被登革病毒感染或重复感染,并导致50-100万人入院治疗 [4]。据报道,2022年度登革热再次在巴西、新加坡、马来西亚等国家大规模暴发流行,目前已导致超65万人感染入院治疗(截止2022年5月)。由于登革病毒等严重蚊媒病毒的致病机制特殊,其感染或免疫后产生的抗体具有增强感染的作用(抗体依赖增强效应,ADE效应),使得传统的预防及治疗策略研发受阻。人们亟需深入了解蚊媒病毒在自然界中快速传播的基本原理,并研发新策略来控制病毒的暴发流行。
 

2、蚊媒病毒的 “生存哲学”

蚊媒病毒为了在不同的宿主环境中生存并传播,已进化出复杂的生存策略来完成传播周期(图2)。具体包括以下步骤:一、病毒感染蚊虫并在蚊虫体内大量复制;二、蚊虫通过叮咬将病毒传播到人或动物体内;三、病毒在人或动物体内快速复制,并将病毒颗粒释放到血液中(病毒血症);四、未感染的蚊虫叮咬感染宿主,取食带有病毒的血液并获得感染,开启新一轮传播循环 [5]。
图2 蚊媒病毒 “宿主-蚊” 传播循环


在病毒传播循环中,蚊虫需要寻找、定位并叮咬感染的人或动物,取食带有病毒的血液。随后,蚊虫才能具备携带并快速传播病毒的能力。如果蚊虫叮咬非感染者,则不会有效获取病毒感染,病毒的传播循环则被中断(图2)
观察发现,在蚊媒病毒暴发流行初期,人群中的感染者比例并不高,只有千分之一、甚至更低。而蚊虫却能选择人群中的感染者进行叮咬,从而加速病毒传播,引起疫情暴发。
这就提出一个长期以来有待解决的科学问题:蚊虫如何在茫茫人海中定位感染者?如能弄清这个问题,就能进一步找到阻断蚊虫叮咬感染者的简便有效方法,遏制病毒快速传播。
近期,清华大学医学院程功团队的一项研究,对这一问题给出了有力的解释。研究论文于2022年6月30日在《细胞》杂志在线发表。
 

3、破解蚊媒病毒快速传播的密码

和人类不同,蚊虫的嗅觉不依靠鼻子,它们的触角(antenna)是感知化学气味的主要器官 [6]。蚊虫的触角呈毛刷状,上面定位了大量的嗅觉器,每个嗅觉器内都分布着神经末梢,直接与蚊虫中枢神经系统相连(图3)。当环境中存在苯乙酮等特殊气味物质时,嗅觉神经信号就被激活,帮助蚊虫做出行为选择。
图3 蚊虫触角是它的嗅觉感知器官


在此项研究中,研究人员建立了两套经典的行为学装置(三笼嗅觉测定装置、双臂嗅觉测定装置),发现与未感染小鼠相比,登革病毒和寨卡病毒感染的小鼠明显更加吸引蚊虫(图4)。随后,研究者对病毒感染小鼠的体温、二氧化碳释放及挥发性气味进行分析,发现宿主气味的改变是导致感染宿主吸引蚊虫的决定性因素。
进一步研究结果显示,小鼠被蚊媒病毒感染后,可大量释放一种挥发性小分子——苯乙酮(Acetophenone),苯乙酮可有效激活蚊虫的嗅觉神经系统,增强蚊虫对感染小鼠的行为趋向。
图4 蚊虫行为学装置:A. 三笼嗅觉测定装置;B. 双臂嗅觉测定装置


随后,研究人员收集了登革热病人及健康志愿者的气味,发现登革热患者的气味对埃及伊蚊表现出更强的吸引力。并且,登革热患者的气味中,苯乙酮含量也显著高于健康志愿者。研究人员将不同浓度的苯乙酮涂抹于人体手臂进行蚊虫行为学验证,发现增加人体气味中的苯乙酮含量可显著吸引蚊虫(图5)。以上试验说明,登革热患者由于释放大量苯乙酮改变自身气味,大幅提高了对蚊虫的吸引力,吸引蚊虫叮咬,加快病毒传播。
图5 检测登革热患者及健康志愿者的气味对蚊虫的吸引能力


4、调控人体气味,可有效阻断蚊媒病毒的快速传播

研究人员发现,人体或动物释放的苯乙酮主要来源于体表的皮肤共生微生物,它是一种典型的细菌代谢产物。在去除皮肤共生微生物后,感染小鼠就会失去对蚊虫更强的吸引作用。
进一步研究显示,登革病毒及寨卡病毒感染可导致宿主皮肤表面芽孢杆菌属(Bacillus spp.)细菌的丰度明显上升,而皮肤芽孢杆菌具有代谢产生大量苯乙酮的能力。至此,研究人员揭示了蚊媒病毒感染者吸引蚊虫叮咬的原因:病毒感染提高了人体皮肤中特定细菌的比例,显著提高了感染者的苯乙酮释放能力,从而明显提高蚊虫对感染宿主的行为趋向(图6)
根据以上发现,研究者提出了一种新的蚊媒病毒防治思路:可以通过调控人体气味,阻断蚊媒病毒的快速传播。进一步研究显示,登革病毒和寨卡病毒感染抑制了皮肤中的一种重要免疫因子,使得在正常皮肤中被抑制的皮肤芽孢杆菌过度增值,导致感染者大量释放苯乙酮。而口服一种维生素A类的药物(异维甲酸)[7],可恢复感染者皮肤中免疫因子的表达,通过抑制感染者皮肤细菌的增殖,帮助感染者的苯乙酮释放恢复到正常水平 (图6)。
图6 通过补充维生素A类药物,重塑感染个体皮肤微生物的苯乙酮释放,降低蚊媒病毒传播循环效率
由于在蚊媒病毒传染病流行早期,感染者在人群中的比例仅有千分之一、甚至更低,因而研究团队推测在感染者口服维生素A类药物后,蚊虫无法通过苯乙酮的气味来区分感染者与非感染者,这样可以大大降低蚊虫取食感染者血液并感染的几率,使蚊媒病毒在自然界中无法高效建立 “宿主-蚊” 的传播循环过程。
据此,研究团队提出一种防治蚊媒病毒传染病的新策略:在登革热及寨卡热等蚊媒病毒传染病流行的疫区,可对感染者广泛补充维生素A或相关药物,重塑感染者皮肤微生物挥发的气味,大幅降低蚊媒病毒传播循环效率,有效防止蚊虫携带并传播病毒。基于以上发现,可对特定感染人群补充维生素A或相关药物,避免蚊媒病毒传染病的大规模传播流行。

 

参考文献:

[1]Roukens AH and Visser LG, Yellow fever vaccine: past, present and future, Expert Opin Biol Ther, 2008, 8, 1787-1795

[2] 俞永新, 流行性乙型脑炎减毒活疫苗毒株筛选和疫苗生产使用, 医学研究杂志, 1991, 7, 29

[3] Weaver SC and Reisen WK, Present and future arboviral threats. Antiviral Res, 2010, 85, 328-345

[4] Bhatt S, et al., The global distribution and burden of dengue, Nature, 2013, 496, 504-507

[5] Yu X, et al., Progress towards Understanding the Mosquito-Borne Virus Life Cycle, Trends Parasitol, 2019, 35, 1009-1017

[6] Sutcliffe JF, Sensory bases of attractancy: morphology of mosquito olfactory sensilla-- a review. J Am Mosq Control Assoc, 1994,10, 309-315

[7] Harris TA, et al., Resistin-like molecule alpha provides vitamin-A-dependent antimicrobial protection in the skin. Cell Host Microbe, 2019, 25, 777-788

 



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