核心提示：霍乱弧菌是严重人类腹泻病霍乱的病原体。肠道微生物组是在人类胃肠道中发现的微生物的天然群落，越来越被认为是驱动这种病原体对感染，体内适应性和宿主相互作用的易感性的一个因素。在这里，我们回顾了肠道微生物组结构和微生物功能如何能够驱动霍乱弧菌病毒基因调节、代谢和调节宿主对霍乱感染和疫苗接种的免疫反应的新兴的研究。对共生-病原体相互作用的机制解析及对霍乱控制的预防和治疗方法的设计提供了新的视角。
霍乱弧菌是一种革兰氏阴性菌，是严重人类腹泻病霍乱的病原体。霍乱每年影响数百万人，每年导致超过10万人死亡。霍乱的大量水样腹泻和呕吐特征可迅速导致严重脱水、低血容量性休克和如果不及时治疗而死亡，病死率超过50%。虽然口服补液疗法的发展大大降低了治疗的病死率，但霍乱仍然是严重的全球健康和经济挑战，因此需要更好的预防和治疗干预措施。在人群流行之间，霍乱弧菌在河流、河口和沿海水域等水生环境中持续存在，通常与浮游动物、桡足类和其他海洋生物有关。然后，产毒霍乱弧菌通过水和食物来源的污染从这些环境传播到人群中。在人类宿主中，霍乱弧菌优先定植于远端小肠的上皮。一旦到达那里，这种病理原会对许多环境线索做出反应，产生霍乱毒素(CT)和毒素共调节的毛发(TCP)。TCP对于肠道上皮的定植至关重要，而CT会改变宿主细胞信号通路，导致细胞损伤和霍乱特有的大量水样腹泻，这有助于病原体传播到环境中以继续感染周期。
在宿主肠道中，霍乱弧菌必须对环境信号做出反应，以调节毒力表达相关基因，以驱动定植、存活和宿主相互作用。新兴研究表明，胃肠道共生微生物群落，肠道微生物组在这些相互作用中起着关键作用。肠道微生物组被认为比人类体细胞多，并编码一系列令人眼花缭乱的生化功能，这些功能塑造了致病微生物和共生微生物的肠道环境。所有生命领域都代表在肠道微生物组的多样化群落中，尽管肠道微生物组由真细菌主导。在宿主共生微生物的所有身体部位中，胃肠道是迄今为止最密集的定植部位。这种肠道微生物群落因宿主物种、人类个体而异，并且可以迅速重新配置以应对环境变化，如饮食变化、营养不良、腹泻或抗生素。
图1 .霍乱弧菌的生命和感染周期及其与肠道微生物组的相互作用
在人类和动物研究中，具有明确微生物含量和多组学方法的GNTOBIOTIC动物模型的最新进展极大地扩展了我们检查肠道中这些微生物的多样性和功能的能力，并机械地剖析微生物组多样性的驱动因素以及微生物组差异性如何反过来与入侵微生物(如霍乱弧菌)相互作用。这项工作表明，微生物组的差异因个体而异，可能通过多种机制推动霍乱弧菌感染的个性化结果，并定义了共生 - 病原体 - 宿主相互作用研究的几个新兴领域，包括(i)微生物群介导的肠道化学信号传导的操纵，(ii)饮食和营养在感染期间微生物间相互作用中的作用，以及(iii)感染和疫苗接种后宿主免疫的调节。更好地了解这些相互作用的机制基础可能对霍乱预防和治疗的设计产生深远的影响。在这里，我们将只关注快速扩展的领域的一个子集，即细菌间和宿主-微生物与共生微生物的相互作用如何影响霍乱弧菌的行为、发病机制和宿主对感染的反应。
图2 肠道微生物组中产生的小信号分子影响霍乱弧菌的基因表达
群体感应(QS)是一种细菌通讯系统，它利用可扩散信号自动诱导剂(AI)分子的产生和传感来监测物种内和物种间的种群密度，允许微生物种群协调调节效应功能，在霍乱弧菌中，QS能够以高细胞密度(HCD)抑制毒力和生物膜相关基因的表达， 而在低细胞密度(LCD)下，例如在早期感染期间，QS无活性，毒力基因和生物膜生物合成基因表达活跃。在LCD，霍乱弧菌QS调节系统通过磷蛋白LuxU磷酸化-LuxO磷酸化来进行调控。
图3 肠道微生物组、宿主免疫及霍乱感染之间的互作关系
与发达国家相比，在发展中国家人群中，特别是年幼的儿童中，灭活和口服霍乱活疫苗的形成情况较差。第一个获得许可的WC口服疫苗是1991年的杜科拉尔。它包含重组霍乱毒素亚基B(CTB)和三种灭活O1经典菌株和一种O1 El Tor菌株。在孟加拉国的一项大型田间试验中，它对所有年龄组的疗效均为50%，而在美国89%的志愿者中，它导致显著的弧菌滴度。另一项研究比较了年龄匹配的瑞典儿童的弧菌滴度反应，尽管他们的基线滴度较低，但弧菌引起的免疫反应更大。另一种广泛批准的 WCK 疫苗 Shanchol 由血清型 O139 和 O1 菌株的混合物组成，不含 rCTB，并在 2 周内以两剂方案给药。Shanchol在儿童和成人中已证明其安全性和免疫原性，但在霍乱流行地区的几项研究中，其疗效范围很广，为37%-69%。还开发了减毒霍乱活疫苗，与WCK疫苗相比，该疫苗被认为更具免疫原性，并产生更强的粘膜免疫反应。已经开发出一种减毒活疫苗菌株(CVD103-HgR，制造为Vaxchora)，在霍乱弧菌O1菌株中，其中94%的编码CT酶亚基的ctxA基因被删除。在美国和瑞士志愿者中发现单次口服剂量是安全的和免疫原性的，保护效力高达91%，但在霍乱流行地区的大规模现场试验中表现出55%的总体有效性。OCV的开发仍在继续中，另一种支持前景的减毒活疫苗是霍乱加德，将O1 El Tor Inaba与CT删除。这在美国和孟加拉国的成年人以及孟加拉国的幼儿和婴儿中是安全和免疫原性的，尽管最近，华尔道集团根据野生型海地爆发毒株开发了减毒霍乱疫苗HaitiV，它具有九种修饰，使其毒性较低，但仍具有长期免疫力。他们的结果表明，在野生型感染前24小时给予HaitiV介导对野生型霍乱弧菌的定植抗性。
然而，从益生菌的角度，益生菌干酪乳杆菌菌株GG.243给药改善了体液免疫反应;接受LGG或安慰剂的婴儿表现出更高的轮状病毒血清转换率。全细胞杀死的霍乱疫苗Dukoral 也已与各种益生菌菌株(如乳双歧杆菌和嗜酸乳杆菌)根据使用后分析了来自人类患者的血液和唾液样本，与安慰剂相比，上述益生菌菌株的患者在感染后21天血清IgG显着增加。然而，血清IgA或IgM没有差异。正如几项研究表明，肠道微生物定植是刺激胃肠道腔内IgA反应的重要免疫调节因子。例如，胆汁酸的细菌代谢已显示出促进Treg和Tu17细胞分化的作用，这对于维持肠道稳态至关重要。这些相互作用的影响仍有待阐明与预防霍乱弧菌有关。饮食也是肠道微生物群落的强调节因子，由于营养不良通常是霍乱流行地区的合并症，营养作为微生物组结构的驱动因素，导致对霍乱感染或疫苗的免疫反应是研究的重要途径。戈登实验室的研究确定了有前途的营养补充剂，包括各种当地食物来源，如螺旋藻，苋菜，亚麻籽和微量营养素，旨在遏制儿童营养不良。无菌小鼠接受了来自营养不良的孟加拉国儿童的粪便微生物移植以及营养补充和口服霍乱免疫。对营养补充剂有反应的肠道微生物组表现出增加的CT特异性粪便IgA抗体，并且能够入侵海波尔诱导微生物组并增强CT特异性免疫应答。虽然有各种研究表明益生菌作为疫苗佐剂的前景，但也有一些相互矛盾的研究表明对疫苗功效的影响有限。Matsuda等人的一项研究调查了短双歧杆菌菌株Yalkult(BBG-01)是否增强了孟加拉国儿童口服霍乱疫苗的免疫原性。在2-5岁的健康儿童中，BBG-01组的肠杆菌科计数明显低于安慰剂，但弧菌抗体反应相似。它需要进一步研究特定微生物群成员在调节宿主对霍乱弧菌和OCV的免疫反应中的作用。
