《Frontiers in Immunology》：Akkermansia muciniphila primes lung-resident antiviral immunity via the gut–lung axis during SARS-CoV-2 infection
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本研究发现，粘液降解菌Akkermansia muciniphila在SARS-CoV-2感染期间于肠道内显著富集。通过预防性给药，该菌株可增强肺部局部的Th2/Th17细胞因子反应，促进可诱导的支气管相关淋巴组织(iBALT)形成以及组织驻留记忆T细胞(TRM)扩增，从而通过肠-肺轴减轻感染相关的病理并增强抗病毒免疫，为呼吸道病毒感染提供了新的生物治疗策略。
摘要
COVID-19等呼吸道感染期间，肠道菌群在塑造系统性免疫和调控肠道与肺部之间的双向通讯（即肠-肺轴）方面扮演核心角色。SARS-CoV-2感染会破坏肠道微生物组成，但其对微生物代谢和宿主免疫反应的下游功能影响尚不完全清楚。本研究利用K18-hACE2转基因小鼠，探究了SARS-CoV-2变异株（原始WA株和奥密克戎Omi株）对肠道菌群和宿主免疫的影响，并评估了益生菌Akkermansia muciniphila的预防性治疗潜力。
引言
肠道微生物群是一个动态多样的生态系统，通过调节免疫反应、维持上皮屏障完整性和确保代谢稳态对宿主健康至关重要。其在肠-肺轴中的作用尤为关键，这是通过微生物代谢物、免疫细胞迁移和全身信号通路连接胃肠道与呼吸系统的双向通讯途径。在COVID-19背景下，肠-肺轴作为疾病严重程度和恢复的关键决定因素受到越来越多的关注。已知SARS-CoV-2会深刻破坏肠道菌群组成，导致微生物多样性下降、有益菌群耗竭以及促炎或机会性病原体富集。这种失调会损害肠道屏障完整性，加剧全身炎症。为了深入理解这种相互作用，本研究采用了能够再现人类COVID-19关键病理特征的K18-hACE2转基因小鼠模型。
材料与方法
研究使用8-10周龄的雄性K18-hACE2转基因小鼠。分别用SARS-CoV-2原始株（WA）和奥密克戎变异株（Omi）经鼻感染小鼠。为评估A. muciniphila的作用，在感染前，先用广谱抗生素混合物处理小鼠以耗竭肠道菌群，然后通过口服灌胃给予活的A. muciniphila（1 × 108CFU）进行预防性治疗。通过收集粪便进行16S rRNA测序分析肠道菌群变化。通过监测体重、体温，进行肺组织病理学分析、免疫细胞表型流式分析、细胞因子检测以及免疫组化等手段，全面评估感染结果和免疫反应。
结果
1. WA和Omi感染对肠道菌群组成的影响
研究发现，两种变异株对肠道微生物动态有不同的影响。WA感染导致物种丰富度（observed features）和香农多样性指数（Shannon index）显著且持续下降，而Omi感染仅引起短暂下降，随后恢复。β多样性分析表明，WA感染导致微生物群落结构在感染后第5天（5 dpi）发生显著且持久的失调，而Omi感染组的菌群结构则相对稳定。分类学分析显示，粘液降解菌Akkermansia muciniphila在两种感染中均富集，但在WA感染小鼠中其相对丰度显著更高，主导了微生物群落。Maaslin2分析进一步鉴定了WA感染组富集的其他分类单元。这些发现突显了WA感染对肠道菌群组成的影响比Omi更深刻和持久。
2. WA感染相关的肠道菌群和功能改变
通过分析年轻和年老小鼠，研究发现WA感染后，两组小鼠的Akkermansia丰度均显著增加。ALDEx2配对分析揭示了WA感染后Akkermansia和Emergencia等菌的显著富集，而Christensenellales目则明显减少。利用PICRUSt2预测微生物代谢通路发现，感染后预测的功能谱发生分离。其中，糖胺聚糖降解（与Akkermansia等粘液降解菌功能相关）通路显著增加。此外，包括类胡萝卜素生物合成、甾体生物合成、鞘脂代谢在内的几种脂质相关通路的预测丰度也显著富集，这与SARS-CoV-2病毒颗粒的脂质包膜特性及感染患者的脂质代谢改变报道相符。
3. SARS-CoV-2感染重塑肠道菌群，Akkermansia作为疾病相关指标
通过关联分析发现，Akkermansiaceae（A. muciniphila）和Eubacterium fissicatena group的成员与感染后的体重减轻和体温下降呈显著正相关，提示其扩增可能与感染引起的生理衰退有关。对多个独立人类COVID-19队列数据的分析显示，与健康对照相比，A. muciniphila在患者中的检出频率和相对丰度一致更高。按疾病严重程度分层，轻度患者（严重程度I）的A. muciniphila水平显著高于对照，而中重度患者（严重程度II和III）则显示出更大的个体间变异和丰度降低趋势。这表明A. muciniphila的扩增可能代表了宿主对SARS-CoV-2感染的补偿性或保护性反应。
4. A. muciniphila单定植通过局部免疫调节改善SARS-CoV-2诱导的病理生理
为了直接验证A. muciniphila的免疫调节作用，研究采用了抗生素预处理后单一定植A. muciniphila的伪无菌小鼠模型。与载体对照相比，A. muciniphila预处理显著减轻了感染后的体重和体温损失。肺组织分析显示，定植小鼠肺内SARS-CoV-2核衣壳蛋白阳性细胞减少，尽管病毒滴度未变，表明A. muciniphila限制了局部病毒扩散而不影响总复制水平。组织病理学评估显示，两组间肺部炎症、水肿或毛细血管扩张无显著差异。免疫学分析发现，A. muciniphila处理选择性增强了肺部局部而非全身的细胞因子反应：Th2相关细胞因子（IL-4、IL-5、IL-13）和Th17相关细胞因子（IL-1β、IL-17A、IL-17F、IL-22、MIP-3α）在肺匀浆中显著上调。流式细胞术和组织学分析进一步显示，定植小鼠肺组织中驻留的CD4+T细胞、CD8+T细胞和B细胞频率增加，同时巨噬细胞和中性粒细胞也增多，并伴有类似可诱导性支气管相关淋巴组织（iBALT）的淋巴聚集物形成。
5. Akkermansia muciniphila增强肺部T细胞反应和组织驻留记忆形成
UMAP分析揭示了肺组织中多样的免疫细胞群。A. muciniphila预处理显著增加了肺内T细胞丰度，同时降低了B细胞比例，并伴有总免疫细胞数量的增加。聚焦CD4+T细胞亚群，发现效应性CD4+T细胞（CD44+CD62L-）比例显著增加，且这种变化是肺部特异性的。通过SARS-CoV-2四聚体分析抗原特异性CD8+T细胞发现，A. muciniphila预处理显著增加了表达CD69+和/或CD103+标志的活化组织驻留记忆T（TRM）细胞在抗原特异性CD8+T细胞中的比例。重要的是，SARS-CoV-2特异性CD69+CD103+TRM细胞的丰度与感染期间的体温损失呈负相关，提示其功能相关性。
6. Akkermansia muciniphila增强肺内细胞因子分泌和多功能T细胞反应
功能分析显示，A. muciniphila处理显著增强了肺驻留T细胞而非非T细胞的细胞因子分泌谱。多功能指数（反映单个T细胞同时分泌多种细胞因子的能力）在处理组小鼠中显著升高。具体而言，CD4+T细胞和CD8+T细胞中TNF-α和IFN-γ的分泌均显著上调，凸显了这些细胞抗病毒功能的增强。
讨论
本研究为肠-肺轴提供了新见解，揭示了SARS-CoV-2感染如何改变肠道菌群组成和功能，并塑造呼吸系统免疫反应。研究发现，WA和Omicron变异株对肠道菌群有不同的影响，其中WA感染导致Akkermansia muciniphila显著富集，并预测了粘液降解和脂质代谢相关通路的功能富集。重要的是，A. muciniphila治疗通过增强肺部特异性免疫反应，包括细胞因子产生、iBALT形成以及T细胞（包括TRM细胞）的活化和扩增，来发挥保护作用。
A. muciniphila在SARS-CoV-2病理生理中的作用具有背景依赖性。作为粘液降解菌，它可能通过破坏粘液屏障加剧肠道炎症，但同时也在促进细胞因子（如IL-17A和IL-22）产生方面发挥关键作用，这对于粘膜组织修复和免疫调节至关重要。本研究中观察到的Th2和Th17反应上调，伴随着体重减轻的减少和肺病理的改善，而非组织损伤。这种细胞因子谱可能通过促进iBALT形成和通过IL-22支持上皮修复，有利于保护性反应。
iBALT的形成是本研究的另一个关键发现。这是一种有组织的淋巴结构，促进肺部的抗原呈递和免疫协调，实现局部抗病毒反应。机制上，A. muciniphila可能通过其磷脂触发非经典TLR2–TLR1信号通路来增强T细胞启动和活化。此外，A. muciniphila特异性滤泡辅助性T（Tfh）细胞可能支持B细胞反应，进一步促进iBALT发育。本研究结果还提示，在SARS-CoV-2感染期间，在肠道相关淋巴组织（GALT）中活化的肠道来源T细胞可能迁移至肺部，这可能是由肺组织中黏附分子（如MAdCAM-1和VCAM-1）的上调所促进，从而促进TRM细胞的建立和iBALT的形成。
值得注意的是，A. muciniphila驱动的免疫调节可能通过多种分子机制实现，包括其独特的外膜蛋白（如Amuc_1434、Amuc_1100）下调上皮细胞PD-L1表达以促进CD8+T细胞活化，其分泌的特有生物活性脂质（如a15:0-i15:0 PE）通过TLR2–TLR1轴激活树突状细胞，以及其调节色氨酸代谢产生芳基烃受体（AhR）配体吲哚丙酸，从而影响粘膜修复和IL-22产生。
然而，本研究也存在一些局限性，包括K18-hACE2小鼠模型不能完全复现人类反应，抗生素预处理模型的局限性，以及A. muciniphila驱动免疫的具体分子细胞机制有待进一步阐明。
总之，本研究提供了有力证据，表明Akkermansia muciniphila在SARS-CoV-2感染期间通过肠-肺轴调节粘膜免疫中扮演关键角色。其在感染小鼠和患者中一致的富集提示这可能是一种宿主固有的适应性反应，旨在通过肠-肺轴调节来增强呼吸系统免疫防线。研究证明，A. muciniphila定植通过促进局部细胞因子产生、富集TRM细胞和诱导iBALT形成来增强肺部特异性免疫反应，从而减轻疾病严重程度，改善病毒的免疫控制，且不引发全身炎症。因此，A. muciniphila代表了一种有前景的、源于微生物组的干预策略，不仅适用于急性COVID-19，也可能对与菌群失调和慢性免疫失调相关的长期新冠（Long COVID）具有治疗潜力。未来的工作应侧重于解析宿主-微生物信号通路的机制，并推进临床试验以评估A. muciniphila疗法在不同患者群体中的安全性、有效性和可转化性。
