专家点评Cell | “突破”！程功团队揭示蚊媒病毒快速传播的原因

点评 | 高福（中国科学院院士）、康乐（中国科学院院士）、徐建国（中国工程院院士）

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自然界的蚊媒病毒有数百种之多，可由蚊虫携带并传播给人类及动物宿主，引起病毒性脑炎、脑膜炎及出血热等严重疾病。近二十年来，以登革病毒、寨卡病毒、基孔肯亚病毒、西尼罗病毒为代表的新发及再发蚊媒病毒在全世界流行，每年可导致数十亿人感染、数十万人死亡。以登革病毒为例，全世界大约有25亿人口生活在登革病毒流行地区，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，全世界范围内已有100多个国家及地区出现登革热的感染流行。据报道，登革热2022年度再次在巴西、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月份）。由于登革病毒等重要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），使得传统的传染病预防（疫苗）及治疗（药物）策略研发受阻。到目前为止，多数烈性蚊媒病毒均无有效疫苗和针对性治疗药物，科学界亟需深入研究蚊媒病毒在自然界中流行传播的基本原理，并研发新型防控策略阻断病毒在世界范围内的大规模传播。

2022年6月30日，清华大学医学院程功教授团队在Cell在线发表了题为A volatile from the skin microbiota of flavivirus-infected hosts promotes mosquito attractiveness (《皮肤共生微生物来源的一种气味挥发物促进黄病毒感染宿主吸引蚊虫》)  的研究论文。该研究发现，人体气味是调控蚊虫行为的关键因素。蚊虫的嗅觉神经系统可感知一种来源于感染者的特征性气味分子，高效率定位感染者，随后叮咬并取食带有病毒的血液，导致病毒在“宿主-蚊虫”之间高效传播。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，进一步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。

蚊媒病毒在宿主与蚊虫之间传播循环。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1)。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 (仅千分之一、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。可见，蚊虫如何有效定位感染宿主并获取病毒是病毒完成“宿主-蚊”传播循环的主要限速步骤。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，就能解释蚊媒病毒在自然界快速传播的原因，进一步找到简便有效方法遏制病毒快速传播。

图1. 蚊媒病毒“宿主-蚊”传播循环

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)，发现登革病毒和寨卡病毒感染的小鼠明显更加吸引埃及伊蚊及白纹伊蚊。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，小鼠在蚊媒病毒感染后，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。

随后，研究人员收集了登革热患者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。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，加速病毒传播 (图2)。

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，从而明显提高了蚊虫对感染宿主的行为趋向 (图2)。

随后，研究者对病毒感染小鼠及非感染小鼠的皮肤组织进行RNA-Seq测序分析。其中Resistin-like molecule-alpha (RELM-alpha) 基因在感染宿主皮肤中显著下调 (20-100倍，RNA-Seq)。RELM-alpha是一种抗菌肽，在人类 (RETN，RELM-alpha同源蛋白) 及哺乳动物的皮肤角质细胞及皮脂腺细胞中特异表达，是决定宿主皮肤微生物稳态的主要免疫因子。进一步研究结果显示，RELM-alpha及RETN可高效抑制多种皮肤芽孢杆菌的增殖。以上研究说明，登革病毒和寨卡病毒感染可通过抑制宿主皮肤中RELM-alpha/RETN的表达，使得原本被抑制的皮肤芽孢杆菌过量增殖，导致感染宿主的苯乙酮释放量升高 (图2)。

前期研究结果显示，RELM-alpha/RETN的表达受到视黄酸受体信号通路 (Retinoic Acid Receptor signaling, RAR signaling pathway)的调控。向动物饲喂维生素A衍生物可通过激活RAR通路，诱导RELM-alpha/RETN的表达。我们研究结果显示，向登革病毒及寨卡病毒感染小鼠体内饲喂一种维生素A衍生物，异维甲酸 (isotretinoin，一种临床广泛使用的皮肤病治疗药物)，可有效恢复感染小鼠皮肤中RELM-alpha的表达，通过抑制感染宿主皮肤中芽孢杆菌的增殖，抑制感染宿主释放苯乙酮。因此，在感染宿主口服异维甲酸后，蚊虫无法通过宿主的苯乙酮来定位和发现感染宿主，从而阻断病毒的传播循环 (图2)。

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。由于在蚊媒病毒传染病流行初期，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。

清华大学医学院程功教授为本论文通讯作者。清华大学医学院博士后张虹、助理研究员朱毅斌为本论文共同第一作者。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、云南省德宏州瑞丽市中医傣医医院彭咏梅副主任医师、云南省畜牧兽医科学院王静林研究员、清华大学生命科学学院2016级本科生刘子文（现就读于加利福尼亚大学洛杉矶分校）、清华大学医学院2018级临床医学八年制博士研究生彭文余、医学院2016级博士研究生童良琴为本论文合作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.05.016

高福（中国科学院院士 中国科学院微生物研究所）

目前，由蚊虫传播的人类病毒有数百种之多，导致每年数亿人感染，数十万人死亡。2018年，世界卫生组织公布的八种急需关注的传染病中，囊括了两种烈性蚊媒病毒性传染病 (寨卡热和裂谷热) 。2015年，寨卡病毒席卷南美洲地区，导致数百人感染，数千例新生儿小头畸形病例报道。此外，登革病毒广泛流行于热带和亚热带地区国家，流行范围呈现不断扩大的趋势，约有25亿人生活在登革热流行的地区。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。

蚊媒病毒的传播速度快且范围广，针对多数蚊媒病毒尚无保护性疫苗和特效药物。虽然蚊媒病毒数量众多、性质各异，但是传播途径高度一致。因此，科学界亟需阐明蚊媒病毒在自然界中流行传播的基本原理和普适规律，通过阻断病毒的传播途径，广谱阻断这一大类传染病在世界范围内的大规模流行。在这项研究中，清华大学医学院程功教授团队阐明了蚊媒病毒在自然界中快速传播循环的生物学原理。研究发现，蚊媒病毒感染小鼠宿主后，病毒感染可以通过调控感染宿主皮肤微生物菌群，释放一种气味分子—苯乙酮，帮助蚊虫有效定位感染者并获取病毒。这个机制促进了病毒在“宿主-蚊虫”间的传播效率，导致蚊媒病毒在自然界中快速传播。研究人员进一步发现，向感染小鼠饲喂一种维生素A类药物（异维甲酸）可以调控皮肤微生物组成、降低感染宿主苯乙酮的产生，使蚊虫不能有效发现感染者并吸血获得病毒。以上研究工作提示：由于蚊媒病毒传播途径单一，未来可通过调控蚊虫对感染宿主的吸血行为，广谱阻断这一大类传染病的传播循环。总体来说，该项研究为蚊媒病毒快速传播流行提供了有力证据，并提出一种阻断病毒快速传播的策略，为蚊媒病毒传染病防控提供了全新的视角和理论基础，同时期待这个有意思的发现在人体和其他动物宿主中得到进一步验证。

康乐（中国科学院院士，中国科学院动物研究所，中国昆虫学会理事长）

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，蚊子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。

蚊虫通过吸血行为将病毒传播给人或动物。蚊虫感知宿主、定位宿主、吸食血液的一系列行为，决定了蚊虫传播病毒的效率。和人类不同，蚊虫的触角是感知化学气味的主要器官。蚊虫触角呈毛刷状，上面定位大量的嗅觉器，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。当环境中存在特殊气味物质时，可激活嗅觉神经信号，帮助蚊虫做出行为选择。近期，清华大学医学院程功教授团队发现蚊媒病毒感染小鼠后，可以重塑小鼠的气味，诱导小鼠释放一种挥发性小分子—苯乙酮。感染小鼠释放的苯乙酮可激活蚊虫的嗅觉神经系统，导致蚊虫对感染小鼠具有更强的行为趋向能力。随后，研究人员又收集了登革热患者的气味。与健康志愿者相比，登革热患者的气味更加吸引蚊虫，登革热患者气味中的苯乙酮含量远高于健康志愿者。以上研究结果显示，蚊媒病毒感染者可以通过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，吸引蚊虫吸血获取病毒，这种“宿主-蚊虫”的“精妙”互做关系导致病毒快速传播。

蚊媒病毒传染病暴发流行的前提条件是病毒在“宿主-蚊虫”之间高效传播。在蚊媒病毒暴发流行初期，人群中的感染者比例并不高。蚊虫如何选择人群中的感染者进行叮咬，从而保证病毒能高效率传播？该项研究回答了这个长期以来有待解决的关键科学问题。深入理解“宿主-媒介”的互作关系，将为蚊媒病毒传染病的防控奠定理论基础和新的思路。

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，中国微生物学会理事长）

成人皮肤的表面积约为 2 平方米，人体皮肤表面存在丰富的共生微生物群落，主要定位在人体的汗腺、毛囊和皮脂腺、外分泌腺、及皮肤褶皱区域。已知的皮肤共生微生物分布在放线菌门、厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门等十余种微生物类群中。在正常生理状态下，皮肤共生微生物的丰度及组成比较稳定，主要受到湿度、温度、pH 值、皮肤免疫、宿主代谢的调控。但是在病原体感染的情况下，人体皮肤免疫稳态被打破，皮肤共生微生物群落的丰度及组成会出现显著变化。

皮肤微生物代谢产生的挥发性分子是人体气味主要成分之一。研究表明，皮肤微生物菌群与蚊虫吸引力之间存在高度相关性，皮肤微生物产生的挥发性气味可吸引或趋避蚊虫。由于人类个体之间皮肤微生物菌群存在不同，导致人体之间的气味存在显著差异，最终影响人体对蚊虫的吸引能力。近期，清华大学医学院程功教授团队发现，蚊虫的嗅觉神经系统可感知一种特征性气味分子—苯乙酮，帮助蚊媒病毒在“宿主-蚊虫”之间高效传播。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，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。进一步研究显示，登革病毒和寨卡病毒感染显著抑制了皮肤中的一种重要免疫因子RELM-alpha，使得在正常皮肤中被抑制的皮肤芽孢杆菌过度增殖，导致感染者大量释放苯乙酮。而口服异维甲酸（一种被广泛使用皮肤病治疗的常规药物）可恢复感染者皮肤中RELM-alpha的表达，通过抑制感染者皮肤芽孢杆菌的增殖，帮助感染者的苯乙酮释放恢复到正常水平，阻抑病毒在“宿主-蚊虫”之间高效传播。以上工作深入揭示了人体共生微生物与病毒感染传播的互作关系，提出了一种通过调控皮肤微生物来阻断蚊媒病毒在自然界中快速传播的新方法、新思路。

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