茫茫人海中，蚊子如何定位病毒感染者？

自然界通過蚊蟲叮咬傳播的病毒有數百種之多，引發人類及動物宿主的病毒性腦炎、腦膜炎及出血熱等嚴重疾病，但多數烈性蚊媒病毒均無有效疫苗和治療藥物。人們亟需深入了解蚊媒病毒在自然界中快速傳播的基本原理，并研發新策略來控制病毒的暴發流行。

近期，清華大學醫學院程功團隊的一項研究發現，人體氣味是調控蚊蟲行為的關鍵因素，而人體氣味的主要來源是皮膚微生物，通過調控皮膚微生物，重塑感染者的氣味，可影響蚊蟲的嗅覺感知。據此，程功團隊提出了一種通過皮膚微生物來調節宿主氣味、阻斷蚊媒病毒在自然界中快速傳播的方法。研究論文于2022年6月30日在《細胞》雜志在線發表。

撰文 | 程功   張虹   朱毅斌

責編 | 陳曉雪

1、蚊媒病毒傳染病，長期危害人類健康

自然界通過蚊蟲傳播的病毒有數百種之多，可以引起病毒性腦炎、腦膜炎及出血熱等嚴重疾病。蚊媒病毒曾在歷史上造成嚴重的公共衛生災難。黃熱病是三大國際檢疫傳染病之一，由伊蚊（Aedes spp.）傳播的黃熱病毒（Yellow Fever virus）感染引起，病死率可達10%-40%。十七至十九世紀，黃熱病在美洲及非洲國家廣泛流行，導致數百萬人死亡 (圖1)。直到上個世紀30年代，南非科學家馬克思.蒂勒（Max Theiler）發明了黃熱病疫苗17D，才使黃熱病疫情得到有效控制 [1]。如今，國人去某些南美洲及非洲等疫區國家工作或旅游，仍需要強制免疫黃熱病17D疫苗。此外，我國曾是乙型腦炎感染的重災區，乙型腦炎的病原體是乙型腦炎病毒（Japanese Encephalitis virus），由庫蚊 （Culex spp.）攜帶傳播。上個世紀50-70年代，我國乙型腦炎的發病率達10-20/10萬人，在暴發流行年份可達200/10萬人，病死率可達10%-30%。上世紀80年代后，俞永新院士主持研發的乙腦減毒活疫苗（SA14-14-2株）[2]開始大規模接種，我國乙型腦炎的發病才明顯下降。由此可見，蚊媒病毒傳染病長期危害著人類的健康。
圖1 歷史上黃熱病、乙型腦炎的流行及疫苗研發

近二十年來，以登革病毒（Dengue virus）、寨卡病毒（Zika virus）、基孔肯亞病毒（Chikungunya virus）、西尼羅病毒（West Nile virus）為代表的新發及再發蚊媒病毒在全世界持續傳播流行，每年導致數十億人感染、數十萬人死亡 [3]。
以登革病毒為例，登革病毒感染引起的登革熱是目前世界上傳播流行最為廣泛的病毒性傳染病之一，全世界已有100多個國家及地區出現登革熱感染流行。據世界衛生組織估計，全世界大約有25億人口生活在登革熱疫區，每年約有3.9億人被登革病毒感染或重復感染，并導致50-100萬人入院治療 [4]。據報道，2022年度登革熱再次在巴西、新加坡、馬來西亞等國家大規模暴發流行，目前已導致超65萬人感染入院治療（截止2022年5月）。由于登革病毒等嚴重蚊媒病毒的致病機制特殊，其感染或免疫后產生的抗體具有增強感染的作用（抗體依賴增強效應，ADE效應），使得傳統的預防及治療策略研發受阻。人們亟需深入了解蚊媒病毒在自然界中快速傳播的基本原理，并研發新策略來控制病毒的暴發流行。
 

2、蚊媒病毒的 “生存哲學”

蚊媒病毒為了在不同的宿主環境中生存并傳播，已進化出復雜的生存策略來完成傳播周期（圖2）。具體包括以下步驟：一、病毒感染蚊蟲并在蚊蟲體內大量復制；二、蚊蟲通過叮咬將病毒傳播到人或動物體內；三、病毒在人或動物體內快速復制，并將病毒顆粒釋放到血液中（病毒血癥）；四、未感染的蚊蟲叮咬感染宿主，取食帶有病毒的血液并獲得感染，開啟新一輪傳播循環 [5]。
圖2 蚊媒病毒 “宿主-蚊” 傳播循環

在病毒傳播循環中，蚊蟲需要尋找、定位并叮咬感染的人或動物，取食帶有病毒的血液。隨后，蚊蟲才能具備攜帶并快速傳播病毒的能力。如果蚊蟲叮咬非感染者，則不會有效獲取病毒感染，病毒的傳播循環則被中斷（圖2）。
觀察發現，在蚊媒病毒暴發流行初期，人群中的感染者比例并不高，只有千分之一、甚至更低。而蚊蟲卻能選擇人群中的感染者進行叮咬，從而加速病毒傳播，引起疫情暴發。
這就提出一個長期以來有待解決的科學問題：蚊蟲如何在茫茫人海中定位感染者？如能弄清這個問題，就能進一步找到阻斷蚊蟲叮咬感染者的簡便有效方法，遏制病毒快速傳播。
近期，清華大學醫學院程功團隊的一項研究，對這一問題給出了有力的解釋。研究論文于2022年6月30日在《細胞》雜志在線發表。
 

3、破解蚊媒病毒快速傳播的密碼

和人類不同，蚊蟲的嗅覺不依靠鼻子，它們的觸角（antenna）是感知化學氣味的主要器官 [6]。蚊蟲的觸角呈毛刷狀，上面定位了大量的嗅覺器，每個嗅覺器內都分布著神經末梢，直接與蚊蟲中樞神經系統相連（圖3）。當環境中存在苯乙酮等特殊氣味物質時，嗅覺神經信號就被激活，幫助蚊蟲做出行為選擇。
圖3 蚊蟲觸角是它的嗅覺感知器官

在此項研究中，研究人員建立了兩套經典的行為學裝置（三籠嗅覺測定裝置、雙臂嗅覺測定裝置），發現與未感染小鼠相比，登革病毒和寨卡病毒感染的小鼠明顯更加吸引蚊蟲（圖4）。隨后，研究者對病毒感染小鼠的體溫、二氧化碳釋放及揮發性氣味進行分析，發現宿主氣味的改變是導致感染宿主吸引蚊蟲的決定性因素。
進一步研究結果顯示，小鼠被蚊媒病毒感染后，可大量釋放一種揮發性小分子——苯乙酮（Acetophenone），苯乙酮可有效激活蚊蟲的嗅覺神經系統，增強蚊蟲對感染小鼠的行為趨向。
圖4 蚊蟲行為學裝置：A. 三籠嗅覺測定裝置；B. 雙臂嗅覺測定裝置

隨后，研究人員收集了登革熱病人及健康志愿者的氣味，發現登革熱患者的氣味對埃及伊蚊表現出更強的吸引力。并且，登革熱患者的氣味中，苯乙酮含量也顯著高于健康志愿者。研究人員將不同濃度的苯乙酮涂抹于人體手臂進行蚊蟲行為學驗證，發現增加人體氣味中的苯乙酮含量可顯著吸引蚊蟲（圖5）。以上試驗說明，登革熱患者由于釋放大量苯乙酮改變自身氣味，大幅提高了對蚊蟲的吸引力，吸引蚊蟲叮咬，加快病毒傳播。
圖5 檢測登革熱患者及健康志愿者的氣味對蚊蟲的吸引能力

4、調控人體氣味，可有效阻斷蚊媒病毒的快速傳播

研究人員發現，人體或動物釋放的苯乙酮主要來源于體表的皮膚共生微生物，它是一種典型的細菌代謝產物。在去除皮膚共生微生物后，感染小鼠就會失去對蚊蟲更強的吸引作用。
進一步研究顯示，登革病毒及寨卡病毒感染可導致宿主皮膚表面芽孢桿菌屬（Bacillus spp.）細菌的豐度明顯上升，而皮膚芽孢桿菌具有代謝產生大量苯乙酮的能力。至此，研究人員揭示了蚊媒病毒感染者吸引蚊蟲叮咬的原因：病毒感染提高了人體皮膚中特定細菌的比例，顯著提高了感染者的苯乙酮釋放能力，從而明顯提高蚊蟲對感染宿主的行為趨向（圖6）。
根據以上發現，研究者提出了一種新的蚊媒病毒防治思路：可以通過調控人體氣味，阻斷蚊媒病毒的快速傳播。進一步研究顯示，登革病毒和寨卡病毒感染抑制了皮膚中的一種重要免疫因子，使得在正常皮膚中被抑制的皮膚芽孢桿菌過度增值，導致感染者大量釋放苯乙酮。而口服一種維生素A類的藥物（異維甲酸）[7]，可恢復感染者皮膚中免疫因子的表達，通過抑制感染者皮膚細菌的增殖，幫助感染者的苯乙酮釋放恢復到正常水平 （圖6）。
圖6 通過補充維生素A類藥物，重塑感染個體皮膚微生物的苯乙酮釋放，降低蚊媒病毒傳播循環效率
由于在蚊媒病毒傳染病流行早期，感染者在人群中的比例僅有千分之一、甚至更低，因而研究團隊推測在感染者口服維生素A類藥物后，蚊蟲無法通過苯乙酮的氣味來區分感染者與非感染者，這樣可以大大降低蚊蟲取食感染者血液并感染的幾率，使蚊媒病毒在自然界中無法高效建立 “宿主-蚊” 的傳播循環過程。
據此，研究團隊提出一種防治蚊媒病毒傳染病的新策略：在登革熱及寨卡熱等蚊媒病毒傳染病流行的疫區，可對感染者廣泛補充維生素A或相關藥物，重塑感染者皮膚微生物揮發的氣味，大幅降低蚊媒病毒傳播循環效率，有效防止蚊蟲攜帶并傳播病毒。基于以上發現，可對特定感染人群補充維生素A或相關藥物，避免蚊媒病毒傳染病的大規模傳播流行。

參考文獻：

[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, 流行性乙型腦炎減毒活疫苗毒株篩選和疫苗生產使用, 醫學研究雜志, 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