Science重磅 | 揭秘轮状病毒如何引起腹泻？开创治疗新方法

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轮状病毒(RV)在世界范围内引起严重腹泻和呕吐，每年造成约2.58亿例腹泻和约12.8万例死亡[1]。RV腹泻的发病机制是多因素的，目前尚不完全清楚。轮状病毒感染小肠绒毛顶端和中部的肠上皮细胞和肠内分泌细胞 [2-4]。并非所有对RV敏感的细胞都被感染，然而，腹泻发生在组织病理学改变之前[2、5-7]。在感染期间，RV异常调节宿主细胞钙(Ca2+)信号通路以增加细胞内Ca2+，这是RV复制所必需的。

Alexandra L. Chang-Graham等人近日发表于《Science》的：Rotavirus induces intercellular calcium waves through ADP signaling一文中表示轮状病毒感染的细胞触发细胞间信号传导，表现为细胞间钙波。这种信号是由轮状病毒感染的细胞反复释放5 -二磷酸腺苷引起的。这种释放激活附近未感染细胞上的受体，产生钙信号。细胞间钙波激活氯离子和血清素的分泌，导致腹泻和呕吐。阻断这种旁分泌信号可能是止泻药物治疗的一个目标。

文章解读

在这项研究中，Chang-Graham等人在整个RV感染过程中使用了长期活荧光钙显像，显示了RV感染的细胞产生的旁分泌信号，表现为细胞间钙波(ICWs)，这是一种细胞间通信途径，在这种途径中，胞质钙从中心起始细胞以扩展的圆形模式增加。

他们发现轮状病毒感染的细胞产生的旁分泌信号表现为细胞间钙波(ICWs)，在细胞系和人肠道内可见。阻断已知的RV诱导的旁分泌信号通路(肠毒素NSP4、NO和PGE2)并不能抑制ICWs，但添加三磷酸腺苷双磷酸酶（一种降解细胞外5 -三磷酸腺苷(ATP)和5 -二磷酸腺苷(ADP)的酶），可大大降低ICWs。嘌呤能通过介导先天免疫系统调节对损伤和恢复的反应。基于ADP的ICWs也可能在平衡上皮细胞的促炎和抗炎信号中发挥作用。此外，胃肠道的细胞外ATP信号刺激上皮离子转运，这表明基础ICWs可以刺激液体分泌并使黏液层水化。

最后，ADP驱动的ICWs可能作为组织水平内稳态的一部分，直接介导上皮细胞与内皮细胞的通讯，或向固有层和内皮细胞发出信号。RV诱导的ICWs由细胞外ADP介导，ADP激活邻近细胞上的P2Y1嘌呤能受体。ICWs被P2Y1拮抗剂或CRISPR-Cas9敲除P2Y1受体阻断。抑制旁分泌ADP信号可以减少RV复制，抑制RV诱导的分别介导PGE2和NO产生的COX2和iNOS表达的增加。

在HIE肿胀试验中，阻断ADP信号也降低了RV诱导的血清素释放和液体分泌。此外，BPTU和MRS2500是P2Y1受体的小分子抑制剂，可以减轻新生儿RV腹泻的严重程度。肠上皮中的ICWs和HIE模型的ICWs还没有得到广泛的研究，其可能的生理作用尚不清楚。因为上皮细胞是环境和宿主之间的主要界面，了解它是如何协调和交流的，对于在疾病状态下发展治疗至关重要。

除了诱发ICWs, ADP介导的信号传导还诱发细胞因子(如血清素)的产生，这些细胞因子负责轮状病毒相关病理的发展(见图上)。血清素是一种连接肠道和肠道神经系统的神经传递素。肠上皮细胞是人体中最大的血清素的生产者，因此，轮状病毒感染肠上皮细胞和激活的旁观者细胞诱导信号风暴，导致严重的水分流失。

研究确认ADP是引起RV腹泻和呕吐反应的旁分泌信号的信号复合物。减少ADP信号和ICWs抑制了已知RV病的许多方面，包括血清素的释放，上皮液的分泌，和新生儿模型的腹泻。旁分泌嘌呤能信号通路和ICWs可能是肠病毒放大其宿主系统失调的共同策略。因此，靶向P2Y1受体可能是治疗病毒性腹泻的有效途径。

目前尚不清楚轮状病毒感染导致极少感染细胞(至少在感染初期)，如何导致屏障功能丧失和水分流失过多的严重病理。同样，在肠道上皮结构完整性明显丧失之前，严重的腹泻是如何被观察到的仍未解释。Chang-Graham等人的研究发现，旁观者细胞是轮状病毒引起腹泻的主要参与者，这为轮状病毒如何诱发疾病提供了统一的观点。

在这个模型中，少数感染细胞可以释放细胞外信使，激活旁观者细胞，进而诱导复杂的信号，导致病理和疾病的发展。这种细胞间激活允许信号放大，因为一个被感染的细胞可以激活许多旁观者细胞。

Chang-Graham等人发现，并非所有的旁观者细胞都被ADP激活，这表明上皮内旁观者细胞亚群与疾病的发生有关。这种旁观者细胞对轮状病毒感染细胞分泌的旁分泌信号的异质反应的起源尚不清楚。然而，识别这种空间限制反应的分子基础，可以为控制失水和炎症的治疗方法提供思路。

对其他肠道病毒的了解比较有限。关于肠道致病菌引起病理(炎症、腹泻和呕吐)的分子机制知之甚少。以诺如病毒为例，只有少数病毒颗粒就足以迅速引起严重腹泻和呕吐。尽管只有少数感染细胞，但鉴于严重的病理可以在旁观者细胞依赖的方式下发展，或许研究也应该关注诺如病毒感染的旁观者细胞。

同样，2019冠状病毒病(COVID-19)患者中有10%至30%有胃肠症状，有证据表明，严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)在人肠道上皮细胞复制。虽然在患者活检中检测到的感染细胞很少，但旁观者细胞可能与COVID-19患者的胃肠道症状有关。

历史上，传染病的研究主要集中在受感染的细胞群上，因为大多数宿主-病原体相互作用的分析都是在大量细胞群上进行的，所使用的条件是大多数细胞被感兴趣的病原体感染。随着单细胞方法的发展，现在有可能解开感染和非感染的旁观者细胞对病毒生命周期和诱导病理的参与。这将有助于更好地了解该病的发病机制，也可能为控制该病提供新的治疗靶点。

Chang-Graham等人的研究表明，通过抑制P2Y1，阻断旁观者细胞中ICWs的形成，可以降低轮状病毒引起的小鼠腹泻的严重程度。因此，针对病原体或受感染细胞可能不是控制传染病及其诱发病理的唯一选择。

参考文献：

1. C. Troeger et al.., Rotavirus Vaccination and the Global Burden of Rotavirus Diarrhea Among Children Younger Than 5 Years. JAMA Pediatr. 172, 958 965 (2018). doi: 10.1001/ jamapediatrics.2018.1960; pmid: 30105384.

2. G. P. Davidson et al., Immunofluorescence in duodenal mucosa of children with acute enteritis due to a new virus. J. Clin. Pathol. 28, 263 266 (1975). doi: 10.1136/jcp.28.4.263; pmid: 1092720

3. W. G. Starkey et al., Kinetics, tissue specificity and pathological changes in murine rotavirus infection of mice. J. Gen. Virol. 67, 2625 2634 (1986). doi: 10.1099/0022-1317-67-12-2625; pmid: 3025343.

4. M. Hagbom et al., Rotavirus stimulates release of serotonin (5-HT) from human enterochromaffin cells and activates brain structures involved in nausea and vomiting. PLOS Pathog. 7, e1002115 (2011). doi: 10.1371/journal.ppat.1002115; pmid: 21779163.

5. L. M. Little, J. A. Shadduck, Pathogenesis of rotavirus infection in mice. Infect. Immun. 38, 755 763 (1982). doi: 10.1128/ IAI.38.2.755-763.1982; pmid: 6292110.

6. A. P. Morris, M. K. Estes, VIII. Pathological consequences of rotavirus infection and its enterotoxin. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 281, G303 G310 (2001). doi: 10.1152/ajpgi.2001.281.2.G303; pmid: 11447008.

7. O. Lundgren et al., Role of the enteric nervous system in the fluid and electrolyte secretion of rotavirus diarrhea. Science 287, 491 495 (2000). doi: 10.1126/science.287.5452.491; pmid: 10642552.

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/eabc3621

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