怎样面对疾病：妥协共生，还是顽抗到底？
生病时，我们都想赶快好起来。为了实现这一目标，我们的身体会激活免疫体统击退入侵的病菌。但实际上，让我们感到不好受的正是自身的免疫反应。这就是为什么我们要服用止痛药或退烧药：这些药根本不会对病原体产生任何影响，只能让我们感觉好一点儿而已。最近，科学家们开始意识到，人体自身也可以通过抑制免疫反应来保证机体健康。对于入侵的病菌，身体不会赶尽杀绝，反而提供吃喝以达到和平共处的最终目的。这就是传说中的“疾病耐受性”。现在，科学家们正尝试一步步揭示出疾病耐受机制的全貌。
作者 | ASHLEY YEAGER
翻译 | lulu
一年前，在美国加利福尼亚州拉霍亚的索尔克研究所（Salk Institute）中，Janelle Ayres实验室的一些小鼠突然病得很严重。原来，Ayres和她的同事们给这些小鼠感染了一种名为鼠柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）的致病细菌。几天后，部分小鼠开始体重下降，结肠严重发炎，不久便一命呜呼。但是，其他同样感染了细菌的小鼠却没什么事儿。
所有小鼠的基因都是相同的。它们吃同样的食物，住在同样的笼子里，连微生物群组成也没有明显的差异。“尽管如此，只有一半小鼠死了，另一半却活了下来。”Ayres说，这一结果与预期完全相符。
这种实验被称为 “半数致死量”（lethal dose 50，简称LD50）测定实验，顾名思义，是指实验中使用的毒素或病原体的剂量能杀死一半的试验总体（通常用于评价化学物质的毒性大小）。Ayres进行这项实验的最终目的是想弄清楚，为什么这些基因相同的小鼠会对同一病原体产生不同的反应。在进行此类测定实验时，科学家们通常假定，某些偶然因素导致易感小鼠体内的致病菌增多，感染恶化致死，而存活的小鼠则非常幸运地将致病菌数量维持在较低的水平。然而，Ayres检查后发现，两组小鼠肠道内、其他组织内的病菌含量居然是一样的。
究竟是什么让半数小鼠免于一死？Ayres和同事们研究了在小鼠肝脏中的基因表达。肝脏能分泌信号分子，维持体内环境的稳定。相比于因感染而死亡的小鼠，存活小鼠的肝脏表达了许多与铁代谢有关的基因。这一结果让Ayres意识到，铁或许能帮助动物对抗感染。于是，研究团队决定用铁补充剂来治疗那些濒死的感染小鼠。不出所料，这些小鼠都恢复了健康。
出于好奇，团队加大了“赌注”。他们感染了另一组小鼠，加大了致病菌剂量。理论上，这一剂量能杀死所有的感染对象。随后，研究人员给所有的小鼠补充铁。结果，所有小鼠都活了下来！但这一结果仍不能令Ayres满意，于是团队又用1000倍致死剂量的病菌去感染一组新的小鼠，并给它们补充铁。“它们现在都活得很好，” Ayres说。与此同时，那些感染后没有补充铁剂的小鼠都在几天内死去了[1]。
研究人员对铁剂补充组和对照组（未补充铁的小组）小鼠体内的鼠柠檬酸杆菌进行了基因组测序，发现前者体内的细菌积累了许多突变，多个基因表达受阻，无法合成用来传播毒力的蛋白质，使得细菌无法致病。也就是说，这些在结肠中发现的细菌，本质上已不再是致病菌，而变成了小鼠肠道菌群的一部分。
这一研究结果于2018年夏正式发表，它支持了Ayres多年前提出的一个假说：抗击感染不一定要“全面开战”。与其把入侵体内的病原体赶尽杀绝，不如让机体尽可能地“满足”它们（如提供营养物质），最终促使它们向良性方向进化，以减轻病原体和免疫系统对身体的伤害。这样的现象被称为“疾病耐受性”（disease tolerance），是指身体通过利用不同的生理系统（如新陈代谢）来预防疾病。尽管Ayres的假说在临床研究中还是一种相对较新的概念，但很多常用药其实早就采取这种策略来改善病症了。
“我们得流感不舒服了，就吃点泰诺，这其实就是在提高你的疾病耐受力，”Ayres的研究生导师——斯坦福大学的微生物学家David Schneider解释说，通过平息让你感到不适的免疫反应，“你感觉舒服多了，但其实你体内的病原体并没有减少。”
研究人员逐渐认识到，包括人类在内的很多动物都有疾病耐受性。过去，人们通过深入研究免疫系统而研发出抗病免疫疗法（disease-fighting immunotherapies）；现在，大家希望能通过类似的方式一探机体的耐病机制。正如Ayres的小鼠实验所示，特定种类的补充剂或许是一种有效的解决方法。作为体内微生物组的一部分，小鼠体内的细菌已被证明能帮助宿主耐受疟疾、沙门氏菌和肺炎感染。
“生病时，我们都得感谢免疫系统能消灭入侵的病原体，我们也一直认为这是应对感染的唯一、至少是最主要的方法，”耶鲁大学医学院的免疫学专家Ruslan Medzhitov说，“直到最近我们才意识到……原来还有另一种耐受机制帮助我们应对感染，我们不再试图摆脱这些病原体，而是做出某些生理上的改变，使身体接纳病原体。”
直到大约10年前，动物的耐病能力都没有引起研究人员的注意。万幸的是，植物学家们并没有忽视这种生理策略。例如，19世纪末的一项研究中描述道，同样是感染了叶锈病真菌，有一种小麦作物就比其他感染的小麦作物长得更好，产量也更高[2] 。20世纪到21世纪的后续研究表明，除了用免疫系统来抵御感染外，植物还能通过内在的方式来忍受感染。这些在植物身上取得的发现让研究人员不禁怀疑，动物是否也存在类似的耐病性。
2006年，研究人员首次报道了人类的疾病耐受性，他们发现某一类型的地中海贫血（一种血液疾病，血红蛋白数量降低）患者能在某种程度上预防由疟疾感染引起的严重缺铁症状。在次年发表的一项研究中，当时正在爱丁堡大学任职的疾病生态学家Andrew Read和他之前的博士后Lars Råberg 发现，小鼠体内某些菌株的基因变异增强了它们对疟原虫的耐受性。研究人员发现，这些菌株变异的小鼠健康状况有所改善，尽管它们体内的疟原虫数量与不耐受的小鼠相当[3]。
“我们的论文引起了一些同行的共鸣，大家认为有必要拓宽传统免疫学相对狭隘的研究焦点，” 现供职于宾夕法尼亚州立大学的Read认为，“（机体）还有更多的保护措施，想要恢复健康不仅仅是靠简单粗暴地将病菌杀光。”
彼时，Ayres正在斯坦福大学攻读硕士学位。在导师Schneider的微生物与免疫学研究室中，她开始记录果蝇的疾病耐受现象。她给果蝇注射致命剂量的致病菌——单核细胞增多性李斯特菌（Listeria monocytogenes），所有的果蝇都死掉了，但它们的死亡速度并不一致，其中一些死得更快。为了弄清原因，Ayres和同事们首先检测了这些果蝇体内的李斯特菌数量。不出所料，相比于那些感染后4、5天才死亡的果蝇，一些快速死亡的果蝇体内含有更多数量的致病菌。但在另一些快速死亡的果蝇体内，致病菌的数量却与那些活得更久的果蝇相当。进一步查看果蝇的基因组，Ayres发现，在快速死亡的果蝇体内，有些此前认为与免疫或疾病发展无关的基因发生了突变[4]。
“这一结果暗示，果蝇之所以死亡，是因为它们缺少，或因为突变而丧失了某种基因。这种基因能在不杀死病原体的情况下，通过生理上的改变来改善果蝇的健康状况，”Ayres说，“这让我们迈入了一个新的研究领域，动物们一定还拥有除了免疫系统之外的其他防御策略，这也是在与病原体交锋时能存活下来的关键所在。”
2008年，Ayres将发表了这项关于果蝇的研究。葡萄牙古尔班基安科学研究所（Gulbenkian Institute of Science）的细胞生物学家Miguel Soares评价说，这一研究起到了关键作用，将疾病耐受概念从植物推广到动物。“他们发现有一些基因变异会极大地影响果蝇的寿命，但却不会改变果蝇体内的病菌数量，”Soares说，“如果你不够聪明，那很可能就把数据结果往抽屉里一放，想着‘我们解释不了’。但是Ayres没有放弃，他们参考了正确的文献，并指出‘这就是疾病耐受性’。”
生病时，我们都想赶快好起来。为了实现这一目标，我们的身体会激活免疫系统，击退入侵的病菌。疫苗能帮助免疫系统为这场战斗做好准备，而抗生素或抗病毒药物则作为战场上的盟友攻击病原体，防止它们在体内繁殖和扩散。
但通常让我们感到不好受的往往是我们自身的免疫反应。这就是为什么我们要服用止痛药或退烧药，比如对乙酰氨基酚——它根本不会对病原体产生影响，只是让我们感到好受些而已。最近，科学家们开始意识到，人体也可以抑制免疫反应，并将入侵病原体的危害降至最低，从而保证机体健康。现在，研究人员一步步探明疾病耐受机制是怎样保护我们的身体在感染期间不受损害的。
图1:（左）生病小鼠，（右）耐受小鼠
图2：哺乳动物的肠道内充满了共生细菌，这些细菌可能会增强我们对致病菌的耐受性。由伤寒沙门菌（Salmonella typhimurium）导致的严重感染有时会引起肌肉和脂肪组织萎缩。但研究人员发现，如果小鼠的肠道内有某种共生的大肠杆菌（symbiotic E. coli），小鼠的组织就不会受到太大的损坏。如果向缺少这种共生菌的小鼠体内注入大肠杆菌菌株，当它们感染伤寒沙门菌时，这些菌株便会转移至脂肪组织，并在那里触发一种激素反应，防止脂肪和肌肉分解，从而帮助动物恢复健康（Science, 350:558–63, 2015） 图／MESA SCHUMACHER
图3：当病原体入侵宿主时，需要糖和铁等营养物质才能存活。为了得充足的铁（iron），很多病原体会选择分解血红蛋白（hemoglobin），导致血液中血红素等副产物含量增加。过量的血红素（释放出来的铁）会降低葡萄糖6-磷酸酶（G6Pase）的活性，严重影响肝脏中葡萄糖（glucose）的生成。葡萄糖生成受阻，血糖急剧下降，严重时可致宿主死亡。但如果小鼠体内铁蛋白（一种能储存铁的蛋白质）含量高，葡萄糖的生成便不会受阻，机体便能耐受多种病原体的感染。也就是说，铁蛋白（ferrtin）会通过锁住多余的铁来帮助小鼠耐受感染 （Cell, 169:1263–75.e14, 2017） 图/MESA SCHUMACHER
图4：研究人员在一次试验中发现，被鼠柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）感染后，小鼠小肠中产生的葡萄糖（glucose）会被上皮细胞吸收，然后释放到血液中。这样一来，病原体缺乏养分，针对入侵细菌的免疫反应会更加激烈，并最终导致宿主死亡。而当小鼠被喂食富含铁的食物后，葡萄糖不再轻易被肠道吸收，而是留在肠道内供病原体食用。此时，葡萄糖会促使病原体产生基因变异，降低致病性，最终与机体和平共处（Cell, 175:146–58.e15, 2018）图/MESA SCHUMACHER
Ayres十分好奇，疾病耐受性究竟是如何帮助机体抵御疾病的呢？免疫系统会通过某些分子特征识别病原体，而人体内的微生物拥有很多和病原体相同的分子特征。于是，Ayres想到这些常驻在体内的微生物是否会以某种方式来影响身体对感染的反应。她说：“我们与有益微生物的互动可能非常重要。”
Ayres真的说中了。在加州大学伯克利分校的Russell Vance先天免疫实验室（她在那里做博士后），她和同事发现，对小鼠进行抗生素治疗会引发严重的结肠感染，而感染的细菌正是一种天然存在于动物肠道内的多重耐药性大肠杆菌。当肠道内有其他细菌共存时，这种大肠杆菌不会触发免疫系统的警报。但随着健康的肠道细菌被抗生素杀光，大肠杆菌会引发一种先天免疫反应——具体来说就是NLRC4炎性小体，它是一种多蛋白复合体，能检测宿主细胞中的致病微生物，并泵出相应的促炎性细胞因子。最终，这些小鼠死于过度的免疫反应，类似于人类死于脓毒症[5]。
2013年，Ayres在索尔克研究中心建立了自己的实验室，并开始把她的研究生工作和博士后工作联系起来。在作为独立研究者发表的第一篇论文中，Ayres研究了恶病质。恶病质是某些患者在感染、癌症和某些疾病期间出现的骨骼肌和脂肪组织丧失（极度消瘦）的症状。Ayres想知道，微生物组能否在一定程度上决定谁将遭受恶病质的折磨。
于是，Ayres等人为小鼠接种了伤寒沙门菌（一种常见的食源性细菌）或泰国伯克霍尔特菌（一种可引起类似肺炎症状的病原体），然后测试这群基因相同的小鼠对接种后感染的反应。结果发现，无论小鼠是否出现严重的肌肉萎缩症状，其体内的病原体数量都基本一致。但与之相对，小鼠们体内的微生物群却有明显不同。具体而言，研究团队在肌肉没有萎缩的小鼠体内发现了一种良性大肠杆菌菌株，而在恶病质小鼠体内，这种大肠杆菌菌株则几乎完全消失。随后，研究人员改变了实验设计：他们先为小鼠注射该大肠杆菌，再用病原体感染它们，结果，所有小鼠都逃过一劫，肌肉和脂肪组织没有萎缩。（详见图2）
进一步的实验表明，给健康小鼠注射这种大肠杆菌，菌株会停留在其肠道内；而在患有细菌性肺炎、伤寒或结肠炎的小鼠体内，菌株会迁移至脂肪组织。在脂肪组织中，大肠杆菌激活NLRC4炎性小体，触发脂肪组织中胰岛素样生长因子-1（IGF-1）生成。一旦进入血液，IGF-1就会像信使一样发出激素信号，阻止肌肉恶化[6]。
Ayres说，他们的研究结果清楚地揭示了大肠杆菌是怎样帮助小鼠耐受细菌感染的。“我们太兴奋了，我们见证了共生微生物演变出自己的方法，能启动宿主体内的耐病防御策略。”
Ayres近期又研究了感染鼠柠檬酸杆菌的小鼠，补铁对这类小鼠有好处，说明新陈代谢也会在疾病耐受中发挥重要作用。额外补充的铁离子会降低患病小鼠肠道对葡萄糖的吸收率，从而使入侵的细菌获得更多食物——这反而降低了病原体本身的毒性。
Soares在葡萄牙古尔班基安科学研究所（Gulbenkian Institute of Science）的工作也同样指出，新陈代谢很可能是疾病耐受的中介途径。Soares在研究小鼠脓毒症的过程中逐渐发现，无法控制的炎症只是发病机制的一部分。葡萄糖生产机制崩溃，最终导致器官衰竭，是脓毒症如此致命（至少在小鼠身上）的另一个重要原因。如果能解决葡萄糖代谢的问题，小鼠就能熬过脓毒症引发的感染。
在感染期间，宿主体内的铁离子通常会被隔离在细胞内，这样一来，入侵的细菌就无法获得铁离子，转而攻击红细胞中的含铁血红蛋白。它们将红细胞分解，释放出血红蛋白，并进一步将血红蛋白分解成富含铁的血红素。这种血红素对完整的红细胞是有毒的，结果导致更多红细胞被分解，释放出更多的含铁血红素，陷入恶性循环。其中一些血红素被运送至肝脏，并在那里释放出铁离子。在古尔班基安科学研究所，Soares等人发现，小鼠体内血红素中含铁量较高，会抑制肝脏中参与葡萄糖生成的基因的表达——而肝脏正是体内主要的葡萄糖分配器——最终，葡萄糖生成受阻，含量下降，导致了多器官衰竭和死亡。
但是，研究者们同时发现，如果动物肝脏中的铁蛋白（一种可以锁住铁的蛋白质）含量较高，葡萄糖代谢相关的基因表达就不会受到影响[7] 。给小鼠注射脱铁铁蛋白（即不含铁的铁蛋白），小鼠的肝脏在脓毒症患病期间就依然可以维持葡萄糖的生产，防止病情恶化。
Soares认为这一发现与Ayres近期的研究成果非常吻合。Ayres的研究也表明，铁与能调节肠道葡萄糖吸收率的基因存在某种联系。两项研究似乎都指向一个新兴的主题，即控制新陈代谢是熬过感染的关键因素之一。
不过，Ayres指出，团队还发现了另一种影响葡萄糖代谢的机制也与铁有关：胰岛素抵抗（insulin resistance）。胰岛素抵抗是指，胰岛素虽然发出了调节信号，体内的组织却无法从血液中吸收葡萄糖。于是，多余的葡萄糖停留在肠道内，供入侵的病原体享用。胰岛素抵抗可能是血红素氧合酶-1（HO-1）水平升高的结果。肝脏和脂肪中的高水平HO-1与代谢疾病（如糖尿病）中的胰岛素抵抗有关[8]。尽管小鼠们没有表现出代谢疾病的迹象，但在鼠柠檬酸杆菌感染后存活小鼠的肝脏中，HO-1的水平确有所升高。
Soares也发现，为患有脓毒症或感染疟原虫的小鼠补充HO-1，能激发机体对疾病的耐受性[9] 。由此看来，HO-1可能会促进胰岛素抵抗，维持肠道内的葡萄糖水平，并帮助动物在感染期间保持健康。Ayres也说，感染性疾病经常会引发急性胰岛素抵抗，说明身体发展出这种机制，或许是应对感染的一种自卫方式。
“我们总说胰岛素抵抗是件坏事，那是因为我们把它放在代谢疾病的背景下考虑。当然，在代谢疾病中，发生胰岛素抵抗的确不妙，”Ayres说，“但我们不会平白无故地进化出这种反应，所以它在某些情况下肯定是有好处的。”
好处之一，可能是将疾病耐受性和免疫系统联系在一起。代谢途径极大地影响着免疫细胞，而糖代谢则是重中之重：巨噬细胞和许多其他免疫细胞需要利用葡萄糖来杀死入侵的病毒和细菌，而葡萄糖还同时驱动某些疾病的耐受通路。Soares说，新陈代谢似乎联系着免疫系统和疾病耐受性，增加了机体在感染中的存活几率。
如果机体在面对感染时，不是清除病原体，而是发展出对感染的耐受性，会不会影响到种群呢？比如，在Ayres给予铁剂补充的小鼠中，有些小鼠是健康的，但肠道中仍含有一定数量的鼠柠檬酸杆菌，这些病原体很有可能随着小鼠排泄传播开来。这就提出了一个问题：在耐病机制下存活的病原体是不是传染性更强，甚至毒性还会增强？
Ayres也有同样的疑问。为了回答这个问题，她带领团队进行了一项实验，将受感染的小鼠和未受感染的小鼠关在一起。其中，感染小鼠先连续14天补充铁剂，间隔3天后再搬去和未感染小鼠同住，结果未感染小鼠全部死亡。如果间隔时间延长至10天，未感染小鼠的死亡率降至40%。如果间隔时间延长至45天，则同住的所有小鼠都可存活。随着细菌毒性逐渐减弱，即使小鼠不再补充铁剂也能耐受疾病。Ayres非常兴奋：“至少在这项研究中，我们通过推动病原体的良性进化，在种群层面上降低了感染的威胁。”
由于疾病耐受性的前景可期，研究人员正试图利用这一生理机制来治疗感染和其他疾病。然而，正如纽约大学朗格尼医学中心的Dan Littman所担忧的，感染的病原体不同，疾病耐受的机制似乎也不同，这就让研究变得棘手。比如，来自耶鲁大学的Medzhitov发现，感染了细菌性脓毒症且不吃东西的小鼠能存活下来，但感染了病毒性脓毒症且不吃东西的小鼠却死亡了[10]。这两种相反的效果与不同感染过程中的葡萄糖代谢和释放不同的免疫信号蛋白有关[11]。
一些研究者认为，病症太多样了，要在耐病性的基础上开发疗法会很困难。但是Medzhitov仍保持乐观，并解释说，可利用的疾病耐受通路中很可能存在共性，特别是对于那些没有疫苗的超级细菌和病毒而言。“这才是我们的主要希望所在。”
美国纪念斯隆·凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）的免疫学家Alexander Rudensky也认为，疾病耐受性是一个令人兴奋的研究领域，是一个“几乎尚未开发的领域”，“不仅可以应用于传染病的研究，也可以应用于其他的临床疾病研究”。Ayres甚至认为还能用于癌症治疗：可以缓解癌症及其疗法引发的肌肉萎缩和其他症状。
“我认为，在免疫学和宿主与微生物的相互作用等研究中，疾病耐受性一直是一个被完全忽视的领域。”2015年，Ayres的父亲不幸死于脓毒症，在Ayres心里，这一领域或许能挽救至亲的性命。Ayres说：“我认为我们有了很重要的发现，这个发现会带来很大的改变。”
参考文献
1. K.K. Sanchez et al., “Cooperative metabolic adaptations in the host can favor asymptomatic infection and select for attenuated virulence in an enteric pathogen,” Cell, 175:146–58.E15, 2018.
2. N.A. Cobb, “Contributions to an economic knowledge of Australian rusts (Uredineae),” Agric Gaz NSW, 3:44–48, 1892.
3. L. Råberg et al., “Disentangling genetic variation for resistance and tolerance to infectious diseases in animals,” Science, 318:812–14, 2007.
4. J.S. Ayres et al., “Identification of Drosophila mutants altering defense of and endurance to Listeria monocytogenes infection,” Genetics, 178:1807–15, 2008.
5. J.S. Ayres et al., “Lethal inflammasome activation by a multi-drug resistant pathobiont upon antibiotic disruption of the microbiota,” Nat Med, 18:799–806, 2012.
6. A.M. Palaferri Schieber et al., “Disease tolerance mediated by microbiome E. coli involves inflammasome and IGF-1 signaling,” Science, 350:558–63, 2015.
7. S. Weis et al., “Metabolic adaptation establishes disease tolerance to sepsis,” Cell, 169:1263–75.E14, 2017.
8. A. Jais et al., “Heme oxygenase-1 drives metaflammation and insulin resistance in mouse and man,” Cell, 158:25–40, 2014.
9. R. Larsen et al., “A central role for free heme in the pathogenesis of severe sepsis,” Sci Trans Med, 2:51ra71, 2010.
10. A. Wang et al., “Opposing effects of fasting metabolism on tissue tolerance in bacterial and viral inflammation,” Cell, 166:1512–25.E12, 2016.
11. A. Wang et al., “Glucose metabolism mediates disease tolerance in cerebral malaria,” Cell, 115:11042–47, 2018.