《Virulence》：Advances in mosquito gut microbiota: Mechanisms of regulating pathogen transmission and applications in vector control
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蚊媒疾病对全球公共卫生构成严重威胁，然而传统防控措施受制于杀虫剂抗性和疫苗研发瓶颈。基于肠道微生物组的传播阻断策略已成为一种有前景的替代方案。本综述总结了共生菌的三种作用机制：直接抑制病原体、宿主免疫调节以及代谢生态位竞争。我们重点介绍了三条技术路线的研究进展
蚊媒疾病对全球公共卫生构成严重威胁，然而传统防控措施受制于杀虫剂抗性和疫苗研发瓶颈。基于肠道微生物组的传播阻断策略已成为一种有前景的替代方案。本综述总结了共生菌的三种作用机制：直接抑制病原体、宿主免疫调节以及代谢生态位竞争。我们重点介绍了三条技术路线的研究进展和现场效能：基于沃尔巴克氏体（Wolbachia）的种群替换与压制策略、利用工程化共生菌进行的共生菌改造（paratransgenesis）以及天然益生菌的部署应用。在大规模现场试验中，该策略实现了登革热发病率降低77.1%，登革热相关住院率降低86.2%。我们分析了包括温度敏感性、病毒进化逃逸以及生态安全风险在内的制约因素，并提出了强调多策略协同、多效应因子工程化共生菌以及人工智能（AI）辅助精准干预的未来发展方向。与一体化健康（One Health）框架相契合，这种基于微生物组的范式为可持续的蚊媒疾病防控奠定了基础，尽管大规模实施仍取决于监管、生态安全及可扩展性等挑战的解决。
引言：蚊媒疾病的全球负担与病媒控制的挑战
蚊媒疾病持续对全球公共卫生体系构成严峻挑战。根据世界卫生组织（WHO）《2024年世界疟疾报告》，2023年全球疟疾病例达2.63亿例，死亡59.7万人。登革热的扩散更为迅速，过去二十年间全球报告病例数激增十倍。受生态因素、媒介扩散和国际连通性驱动，突发公共卫生事件正构成严重威胁。一个突出例子是2025年7月中国广东省暴发的基孔肯雅热疫情，单月内报告病例超过5000例，进一步凸显了此类蚊媒疾病的暴发潜力和快速升级态势。
在现有防控措施方面，化学杀虫剂仍是病媒控制的核心手段，杀虫剂处理蚊帐（ITNs）和室内滞留喷洒（IRS）的大规模部署在过去二十年为减轻疟疾负担作出了重要贡献。然而，这些工具的效力日益受到杀虫剂抗性广泛出现的威胁。荟萃分析证实，埃及伊蚊（Aedes aegypti）和白纹伊蚊（Aedes albopictus）对拟除虫菊酯的抗性在多个地理区域普遍存在，东南亚部分种群携带复合突变（如L982W+F1534C），赋予其异常高的耐受性。尽管如此，抗性的流行病学影响具有情境依赖性；近期系统综述表明，虽然抗性可降低干预效果，但双有效成分蚊帐（如虫螨腈-拟除虫菊酯组合）和增效醚（PBO）增效蚊帐对耐药媒介种群仍表现出显著效力。与此同时，疫苗研发既取得进展也面临挑战。RTS,S/AS01疟疾疫苗尽管效力中等且随时间衰减，但在大规模III期试验中已显示可减少约30%的临床疟疾发作，并被WHO推荐用于流行地区常规免疫。第二代疟疾疫苗R21/Matrix-M在季节性环境中显示出更高效力（约75%）。对于登革热，已获许可的Dengvaxia疫苗因血清阴性受种者存在抗体依赖性增强（ADE）风险，仅推荐用于血清阳性个体，而TAK-003等下一代疫苗无论血清状态如何均显示出更广泛的效力。寨卡病毒疫苗的研发则继续面临III期效力试验病例数波动相关的挑战。
需要认识到，病媒控制传统上并非依赖单一工具，而是依赖WHO倡导的综合病媒管理（IVM）框架，该框架主张基于证据、多管齐下地组合化学、生物、环境和社区干预措施。全球范围内的IVM项目——包括消除孳生地、杀幼虫、环境卫生和社区动员——在可持续实施时已实现媒介传播疾病传播的大幅减少。然而，IVM的有效性常受资源限制、机构能力薄弱和社区参与不足的制约。在此背景下，新型微生物组策略不应被视为现有工具的全面替代，而应作为可整合进现有IVM框架以解决杀虫剂抗性和残余传播等特定缺口的补充组成部分。
病媒控制范式的转变：从“消除”到“传播阻断”
鉴于单纯依赖降低媒介密度的局限性，病媒控制范式正经历从“种群压制”（旨在消灭蚊虫种群）向“功能性阻断”或“种群替换”的转变。这一新策略的核心在于降低蚊虫的“媒介效能”（vector competence），使其在生理上无法获取、维持和传播病原体，同时允许其在野外存活。近期大规模部署已确证这种替换策略的流行病学效力。
在此背景下，“蚊虫-微生物组-病原体”三方互作已成为有前景的干预途径。肠道微生物组已被证明是蚊虫媒介效能的关键决定因素。现场和实验室调查表明，蚊虫中肠栖息着多样且动态的微生物群落——以革兰氏阴性属如Asaia、Serratia、Enterobacter和Rosenbergiella为主——其组成随宿主种类、发育阶段、饮食和地理栖息地而变化。功能上，该群落通过多种非互斥途径塑造媒介效能，包括直接拮抗病原体、启动宿主免疫以及竞争代谢资源。与化学杀虫剂的广谱毒性相比，利用共生细菌阻断疾病传播提供了高度靶向的干预，对生态系统的干扰极小。
微生物组介导的病原体阻断核心机制
肠道微生物组调节病原体传播的机制是多方面的，涉及涵盖直接杀伤、免疫调节和生态位竞争的系统性防御网络。这些不同机制在转化潜力上存在显著差异：生化稳定性、靶标范围（广谱vs病原体特异性）、生态安全性和现场可部署性等参数必须在优先考虑可操作开发策略时加以权衡。
直接抑制机制包括：酶解膜结构——从野生中华按蚊（Anopheles sinensis）中分离的Serratia ureilytica菌株Su_YN1分泌具有强效抗疟活性的脂肪酶AmLip，该酶特异性水解疟原虫（Plasmodium）动合子表面的脂质成分，导致膜结构崩解，可在不影响宿主存活的情况下将蚊虫寄生虫载量降低90%以上。微环境酸化策略——从白纹伊蚊肠道分离的Rosenbergiella_YN46具有独特的葡萄糖代谢能力，其分泌的葡萄糖脱氢酶（RyGDH）可迅速将血餐中的葡萄糖氧化为葡萄糖酸，使中肠腔pH从碱性状态迅速降至酸性状态（pH≈6.0），诱导黄病毒高度pH敏感的包膜（E）蛋白发生不可逆构象变化，废除其融合活性，阻止中肠上皮入侵。生物碱毒性——Delftia tsuruhatensis TC1分泌疏水性生物碱哈尔满（harmane），可在中肠内形成局部高浓度抑制区，通过扩散发挥杀寄生虫作用而无需直接接触；在布基纳法索的半现场试验中，接种该菌株的按蚊种群疟原虫卵囊强度下降73%。活性氧（ROS）毒性——Enterobacter sp.菌株Esp_Z在增殖过程中产生短寿命活性氧，直接作用于中肠腔，在疟原虫上皮入侵前抑制其早期发育。分泌型生物活性代谢物——从巴拿马田间采集的埃及伊蚊中肠分离的Chromobacterium sp. Csp_P兼具抗病原体和昆虫病原活性，其分泌的稳定生物活性因子在体外保留抗疟原虫和抗登革活性，部分归因于分泌罗米地辛（romidepsin），一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂。
免疫调节效应方面，蚊虫先天免疫系统主要包括Toll、IMD（免疫缺陷）和JAK-STAT信号通路。共生细菌的细胞壁成分（如肽聚糖和脂多糖）作为病原体相关分子模式（PAMPs）被模式识别受体（PRRs）识别，维持免疫系统处于“基线激活”（免疫启动）状态。肽聚糖识别蛋白（PGRPs）发挥核心作用：斯氏按蚊（Anopheles stephensi）中的PGRP-LA感知血餐后肠道微生物增殖动态并调节控制细菌生长的下游免疫效应因子。在共生细菌定殖的蚊虫中，中肠组织中关键抗菌肽（AMPs）如天蚕素、防御素和gambicin的表达水平显著高于无菌蚊虫。此外，DUOX（双氧化酶）-ROS通路构成独立的、一线上皮免疫机制。在埃及伊蚊中，Wolbachia可通过NOX依赖性ROS方式激活Toll免疫通路，从而有助于登革热病毒控制；在按蚊中，Wolbachia的抗疟效应更与IMD通路激活相关。
代谢竞争与生态位排斥方面，Wolbachia感染可通过蛋白质组水平的广泛重编程深刻重塑蚊虫细胞的脂质代谢网络，特别是干扰胆固醇的稳态和细胞内转运，破坏内质网膜和脂滴的完整性，从而有效抑制依赖这些宿主结构的登革热病毒复制和组装。此外，铁离子是几乎所有微生物生长必需的辅助因子，某些肠道细菌分泌高亲和力铁载体优先螯合环境中的铁离子，从而剥夺疟原虫或病毒复制所需的关键元素。代谢竞争机制不依赖特定生物活性效应因子的分泌，而是利用进化上稳定的宿主-共生体代谢相互依赖关系，这可能赋予其对病原体抗性进化的更强韧性。
核心控制策略与技术路线
基于上述生物学机制，全球范围内已涌现三条主要技术路线：基于Wolbachia的种群替换/压制、共生菌改造（paratransgenesis）和天然微生物组调控。
Wolbachia菌株多样性与选择方面，多种Wolbachia菌株已被表征用于病媒控制。wMel菌株最初从果蝇转染至埃及伊蚊，是全球部署最广泛的菌株，在大规模现场试验中显示出显著流行病学效力；但其表现出明显的温度敏感性，在26-37°C昼夜波动下密度和阻断能力显著减弱。wAlbB菌株源自白纹伊蚊，具有更强的耐热性，在高温下维持稳定的登革热阻断能力，更适合炎热热带气候。wMelPop菌株表现出最强的病原体阻断能力，但对蚊虫宿主施加显著适合度代价，限制其入侵自然种群的能力。wAu菌株虽高度耐热，但缺乏胞质不相容性（CI），无法在野生种群中自我维持。数学模型比较表明wMel传播最快，wAlbB在高温下表现最佳。
共生菌改造（paratransgenesis）利用合成生物学改造共生细菌（如Asaia和Serratia），使其在蚊虫中肠内直接合成并分泌抗病原体效应分子。最新设计纳入严格的血餐诱导型启动子，确保效应因子的昂贵生产严格限制在血餐后即刻——即病原体被摄入并试图建立感染的时期。在Serratia AS1菌株的近期进展中，Hu等人工程化了多功能AS1菌株（AS1-TK）共表达抗疟疾（Scorpine、Shiva1）和抗病毒（DN59、Z2）效应因子。实验室研究表明，定殖AS1-TK的按蚊疟原虫卵囊减少超过90%，而伊蚊对登革热和寨卡病毒载量显著抑制。Huang等人将共生菌改造与蚊虫转基因结合，在工程化Serratia和转基因蚊虫中共表达Scorpine和MP2，清除了唾液腺子孢子并成功阻断93%的疟原虫向哺乳动物宿主的传播。
天然益生菌调控策略不依赖遗传修饰，而是识别和部署具有天然抗病原体或杀蚊能力的自然微生物，通过引诱性毒糖饵（ATSBs）或喷洒等生态学方法引入蚊虫种群。在云南西双版纳登革热流行区进行的半现场干预试验表明，将天然共生菌Rosenbergiella_YN46引入白纹伊蚊幼虫栖息地，可使羽化成年蚊获得对登革热病毒2型（DENV-2）的显著抗性。在云南登革热低发区（文山、普洱），野生蚊虫种群中该菌携带率高达52.9%至91.7%；相反，在登革热流行区（西双版纳、临沧），携带率仅为0%至6.7%。此外，在肯尼亚阿拉伯按蚊（Anopheles arabiensis）中发现的天然微孢子虫共生体Microsporidia MB可阻断疟原虫孢子生殖发育而无可检测的适合度代价，可垂直和水平传播。
现场应用与效力评估
Wolbachia技术的全球实践方面，种群替换策略的效力得到有力流行病学证据支持。印度尼西亚日惹的整群随机对照试验（RCT）显示，在成功部署wMel感染埃及伊蚊的地区，登革热发病率下降77.1%（95% CI: 65.3%-84.9%），登革热相关住院率下降86.2%。巴西尼泰罗伊的大规模释放项目显示Wolbachia渗入率存在地理差异，但仍与登革热发病率显著降低69%（95% CI: 54%-79%）相关。然而，巴西里约热内卢的独立评估发现wMel仅实现约32%的渗入率，且常规杀幼虫剂（多杀菌素）施用导致wMel感染和未感染蚊虫种群均崩溃，此后仅未感染种群恢复，这归因于wMel在卵孵化方面的适合度代价。种群压制策略方面，中国广州沙仔岛等地由奚志勇团队开展的标志性试验结合了不相容昆虫技术（IIT）与昆虫不育技术（SIT），每周释放数百万低剂量辐照的Wolbachia感染雄性白纹伊蚊，数据显示野生蚊虫年均压制率超过90%，部分核心区域实现季节性完全清除。新加坡也成功扩展了类似压制策略。
当前主要挑战
温度敏感性是当前Wolbachia部署的主要限制，广泛使用的wMel菌株对高温高度脆弱。经历26-37°C昼夜温度波动后，蚊虫体内wMel密度显著下降，丧失病毒阻断能力。病毒进化逃逸风险方面，实验进化研究已证实某些野生蚊虫种群可进化出对Wolbachia功能的部分抗性，从而减弱其阻断登革热病毒的能力。生物安全、生态风险与监管框架方面，Wolbachia种群替换一旦释放实际上不可逆，引发对食物网、蚊虫捕食者及共享水生栖息地非靶标生物长期生态影响的担忧；然而广州多年现场试验表明，持续IIT压制白纹伊蚊并未显著影响共存非靶标物种致倦库蚊（Culex quinquefasciatus）的种群密度。水平基因转移（HGT）是共生菌改造等基于转基因生物（GMO）策略的关键生物安全问题，抗生素抗性标记可能通过接合、转化或转导转移至环境细菌或人类病原体。监管框架方面，《卡塔赫纳生物安全议定书》为改性活生物体（LMOs）的越境转移、处理和使用提供国际框架，但各国实施不一致。社区接受度方面，曼谷的调查发现47%的受访者对不育蚊虫释放持积极态度；越南中部的研究发现安全问题是最常见的社区担忧。
未来方向
多策略协同的综合病媒管理方面，构建分阶段控制系统的理论依据充分：可在流行季早期利用SIT/IIT技术快速降低蚊虫密度，随后释放携带天然抗病原体共生菌的蚊虫建立免疫屏障。多效应因子工程化菌株设计方面，未来工程化共生细菌将倾向于表达或分泌具有不同作用机制的多种效应分子，显著增加病原体产生逃逸突变的遗传和功能成本。区域特异性精准调控方面，利用高通量测序和宏基因组数据分析构建蚊虫微生物组全球资源图谱是长期目标。便携式宏基因组监测平台MosquitoID已成功进行现场测试，可在资源有限环境中实现蚊虫种群的快速离线宏基因组分析。机器学习预测微生物定殖方面，随机森林、弹性网络和Lasso回归等算法已应用于预测农业害虫跨世代细菌丰度动态，但尚无针对蚊虫系统中Wolbachia渗入或共生菌改造菌株建立的已训练或验证的机器学习模型。
结论
基于肠道微生物组的蚊虫病媒控制策略正从概念验证向现场实施过渡。日惹的随机对照试验确认Wolbachia部署使登革热发病率降低77.1%、住院率降低86.2%，为该策略效力提供了最高级别的流行病学证据。然而，温度敏感性、病毒进化逃逸、工程菌稳定性及生态风险评估等挑战仍需克服。未来发展方向包括多策略协同整合、多靶标工程菌株设计及区域特异性精准干预。该策略与“一体化健康”概念高度契合，强调生态系统的整体健康，代表了一种与自然和谐共处的疾病控制新范式。
