蝙蝠与数十种讨厌的病毒共存——研究它们有助于阻止大流行吗？

研究人员正在检查蝙蝠奇怪的免疫系统，希望有助于防止下一次爆发。

Smriti Mallapaty

一群东马蹄蝙蝠(大叶菊头蝠)在澳大利亚的一个矿井里。马蹄形蝙蝠可以藏匿冠状病毒。 Credit: Bruce Thomson/Nature Picture Library

Randy Foo用一个瓶子里的橙汁装满了吸管，瓶子上清楚地写着“仅供蝙蝠饮用”。他和他的同事Rommel Yroy坐在一个生物安全柜前，裹着蓝色长袍，戴着面罩、手套、擦洗裤和鞋套。从Yroy紧握的双手中窥视出的是两只圆圆的、光滑的黑眼睛、两只细长的尖耳朵和一只年轻的雄性洞穴花蜜蝙蝠 (Eonycteris spelaea)。它扭动着，尖叫着，偶尔伸出它长长的粉红色舌头去舔一点点甜饮料。这是一个小小的奖励，因为它要忍受装在蓝色棉布袋中从笼子转移到实验室，然后快速称重并检查它伸展的翅膀和浓密的毛皮大衣上的伤口。“年轻人通常更有活力，”Foo说。

Yroy手中的这只蝙蝠是亚洲第一只生活在新加坡研究繁殖群体中的大约140只洞穴蜜蝙蝠之一。Foo管理着这个群体，隶属于新加坡杜克-国立大学医学院，Yroy是新加坡健康实验医学中心的兽医技术员，他们多年来一直在培育蝙蝠。该群体最初的19名成员是在2015年和2016年在新加坡周围的高速公路下使用蝴蝶网捕获的；几年后，第一批幼崽出生了。

这个群体是由杜克-新加坡国立大学医学院的病毒学家林-王法建立的，目的是为研究蝙蝠生物学创造一个可控的环境，包括它们免疫系统的内部工作机制。

对于研究蝙蝠和传染病数十年的王来说，这个群体是一个研究福音，让他能够提出一些问题，例如，组成蝙蝠免疫系统的细胞以及它们如何对感染做出反应。既然蝙蝠繁殖的很有成效，这个团队的研究就可以更容易的被复制。他们已经和世界上十几个团队分享了蝙蝠组织。“蝙蝠已经成为一个热门话题，”王说。

研究人员在新加坡的一个蝙蝠聚居地对一只年轻的洞穴花蜜蝙蝠进行健康检查。Credit: Randy Foo, Duke-NUS Medical School

自从的出现，王的研究领域变得更加拥挤。参加关于蝙蝠的会谈和会议的人数正在增加——去年在美国举办的一次研讨会上，参与者比疫情之前组织的同一活动多30%——资助者正在向蝙蝠和传染病的研究投入资金:例如，在2021年，中国和美国都宣布为蝙蝠和病毒的研究提供专项资金。

特别令人感兴趣的是蝙蝠的免疫系统，尤其是它耐受对人类和其他哺乳动物致命的病毒的能力——从埃博拉病毒到尼帕病毒和严重急性呼吸综合征(SARS)。尽管对蝙蝠免疫知之甚少，但其后果是显而易见的:蝙蝠被认为是人类各种灾难性病毒爆发的源头。

这个领域现在正处于一个转折点，部分原因是疫情。花了几十年时间研究蝙蝠感染的研究人员和热情的新来者一起，正在开发和应用新的工具来解决蝙蝠如何在如此危险的病原体中生存的问题。一些人希望，这些见解有一天能导致解决人类感染的治疗方法和防止病毒从蝙蝠身上溢出的方法。

“在接下来的两三年里，蝙蝠病毒学和蝙蝠免疫学将会有一些巨大的进步，”位于柯林斯堡的科罗拉多州立大学的免疫学家托尼·肖恩茨说。

芒果和甜瓜

王群体中的蝙蝠是一种珍贵的资源，研究人员也相应地对待它们。多年来，他们调整了蝙蝠的饮食和环境，以保持动物的健康。蝙蝠喜欢新鲜的切碎的甜瓜、木瓜和芒果、奶粉和一种气味香甜、像花蜜一样的液体。每个笼子的顶部都挂着一个粗麻布袋子，给这些大约25只成群生活的蝙蝠一些隐私和黑暗。Foo计划在今年晚些时候，当这个群体转移到一个有更大笼子的设施时，引入进一步的营养。

“这个群体给了我们想要的一切，”王说。他的办公室装饰着多年来收集的纪念品——一个“蝙蝠侠”钥匙链、一个印有蝙蝠图案的马克杯、树脂包装的蝙蝠标本、镶框的蝙蝠画。

研究人员研究了蝙蝠的基因组和它们携带的病毒的多样性。他们还利用蝙蝠的细胞开发了气道类器官——由干细胞生长而成的微型器官。他们目前的实验集中在蝙蝠对感染的反应，它们的衰老过程和它们在飞行中非常活跃的新陈代谢。这个群体是一个有价值的研究资源。

但是研究蝙蝠和它们的病毒租户一直是一项艰苦的工作，因为研究人员可用的工具相当有限。

为什么蝙蝠病毒会不断感染人？

建立和维持种群地的费用很高；与标准的实验室老鼠相比，蝙蝠怀孕时间更长，幼崽数量更少。在全世界1450多种蝙蝠中，只有极少数是在研究群体中繁殖的。其中包括王洞蜜蝠、牙买加果蝠(Artibeus jamaicensis)在科罗拉多州的柯林斯堡，埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus)在德国的里姆斯岛和大棕蝠(Eptesicus fuscus)在加拿大汉密尔顿。没有一个群体具有关键的冠状病毒宿主马蹄蝙蝠(菊Rhinolophus spp.)。中国海宁浙江大学的传染病研究员Aaron Irving说，“人们尝试并失败了”来繁殖这些蝙蝠，可能是因为研究人员对它们的栖息偏好了解不够。

捕捉野生蝙蝠有其自身的后勤和安全挑战，众所周知，蝙蝠细胞很难在细胞培养中繁殖。

用于其他实验动物的工具包中的一些元素在蝙蝠身上已经没有了。免疫学家用来标记免疫细胞和蛋白质的单克隆抗体非常缺乏。很长一段时间，蝙蝠物种都没有高质量的基因组。纽约市西奈山伊坎医学院的细胞生物学家托马斯·兹瓦卡说，研究老鼠和人体组织的免疫学家被这些工具“完全宠坏了”。

中国广州实验室传染病研究员周鹏说，工具的缺乏意味着研究人员仍然没有对“蝙蝠免疫系统的基本结构”有一个清晰的了解。

但是，知名研究人员多年的工作和新来者的涌入正在产生新的工具和方法，包括高质量的基因组和实验室制造的蝙蝠组织。爱尔兰都柏林大学的蝙蝠生物学家艾玛·提林说，未来十年将会看到令人兴奋的发现。“我们能够做到这一点的唯一原因是这种新一代的工具。”

蝙蝠的工作也有更多的钱，也有更多的研究论文。根据学术数据库Dimensions的数据，免疫学文章中提到蝙蝠的次数增加了两倍多，从2018年的约400次增加到2021年的1500次。一家初创公司已经筹集了1亿美元的风险投资资金，希望利用从蝙蝠研究中获得的知识来开发从癌症到炎症和衰老等疾病的疗法。

最新的研究正在填补支撑蝙蝠免疫反应的生物机制的细节，包括识别蝙蝠潜在的独特细胞类型1。研究人员也在揭示蝙蝠物种耐受病毒感染的不同方式。这有助于确定是否存在“一种适用于所有蝙蝠和所有病毒的全球机制”，戴安·比姆佐克说，她是位于波兹曼的蒙大拿州立大学的粘膜免疫学家，她也加入了蝙蝠的行列。“我们不知道是不是这样。”

路易斯安那州新奥尔良市杜兰大学的进化生态学家Hannah Frank说，对这个以前利基领域的兴趣已经有点势不可挡，她从美国国立卫生研究院(NIH)为该领域创建的基金中获得了研究蝙蝠免疫学的资助。“我对我们的现状感到非常兴奋，”弗兰克说。但是她说，研究人员越深入研究蝙蝠跨物种的免疫反应，他们目前的结论就越模糊。“我们也会意识到这个问题有多复杂。”

病毒血管

研究人员在蝙蝠身上发现了许多谜团。兹瓦卡说，它们是“超级酷的动物”。它们是唯一进化出飞行能力的哺乳动物，它们利用声波在黑暗中定位物体。因为体型小，它们活得特别长，而且癌症发病率低。

但近几十年来，让蝙蝠成为关注焦点的特征是它们能够携带大量病毒。某些物种，尤其是马蹄形蝙蝠，容纳了异常多样的冠状病毒，包括那些与新型冠状病毒密切相关的病毒。一些物种还携带狂犬病、埃博拉和马尔堡病毒。蝙蝠的基因组布满了病毒残余2.

蝙蝠为什么能够容忍病毒而不表现出感染的迹象？多年来，研究人员提出了一些理论，新工具可以帮助完善这些理论。

研究表明，一些蝙蝠物种对入侵者建立了强大的第一道防线3。即使没有外来威胁，一些物种也保持高水平的干扰素——提高警报并加大努力使病毒失效的分子——这可以让动物快速抑制病毒复制。蝙蝠还拥有一个扩展的基因库，编码干扰病毒复制或阻止病毒离开细胞的蛋白质。他们的细胞配备了一个有效的系统来处理受损的细胞成分，称为自噬，已被证明有助于清除人类细胞中的病毒。

一群地中海马蹄形蝙蝠(菊头蝠)栖息在西班牙加泰罗尼亚的一个山洞里。Credit: Roland Seitre/Nature Picture Library

当病原体入侵时，蝙蝠通常不会做出过度的炎症反应，而炎症反应通常是感染造成的大部分损害的原因3。蝙蝠有几种方法来驯服炎症反应，例如抑制被称为炎症体的大型多蛋白分子的活动。欧文说，他们不是花费巨大的精力来彻底清除病毒，而是似乎容忍低水平的病毒存在。澳大利亚墨尔本布尔内特研究所的病毒学家约书亚·海沃德说，蝙蝠和它们所寄生的病原体之间“有一种和平条约”。

该领域的知名研究人员和新来者现在都开始超越蝙蝠防御的快速和无差别部分——先天免疫反应——而转向更慢、更有针对性的适应性反应，这种反应保留有关病原体的信息，并在再次遇到敌人时迅速采取行动。弗兰克说，适应性免疫被限制在少数特定的细胞类型和需要研究的“棘手问题”上。

一些研究人员还在研究蝙蝠的免疫反应和它们的生态之间的联系，以更好地了解它们在何时何地传播病毒，以及传染给其他动物的风险4。这项工作可以阐明使蝙蝠处于压力下的环境因素，以及这是否会增加脱落和溢出的风险。

进入蝙蝠洞

2020年5月的一个晚上，哈维尔·胡斯特(Javier Juste)带着这些问题来到了西班牙加的斯的一个废弃大坝。他爬进大坝的一个混凝土隧道，从栖息地收集了两只马蹄形蝙蝠。

冠状病毒疫情正在肆虐——科学家们知道该病毒可能起源于蝙蝠。Juste在美国的同事热衷于获得蝙蝠组织，希望他们能够培养这些细胞，并利用它们来探索致命病毒是如何从蝙蝠传染给人类的。

能寄生冠状病毒的蝙蝠在北美并不常见，但它们遍布欧洲。所以，在西班牙塞维利亚的多纳生物站工作的贾斯特，已经同意从加的斯附近的一个栖息处捕捉蝙蝠，并把它们送到纽约市——在世界上最严格的新冠肺炎封锁和国际航班大规模停飞期间。

每年有成千上万的人接触蝙蝠冠状病毒

贾斯特和一位同事带着两只蝙蝠在荒芜的高速公路上飞驰，第二天早上到达了马德里的机场。在联邦快递仓库外，研究人员在他们的汽车行李箱中工作，对动物实施安乐死，将骨头和器官切片并挤压到六个样本管中，然后将这些管藏在冷藏箱中以保持细胞存活。他们把他们珍贵的货物拖到柜台，离飞机舱门关闭还有几分钟时间。“这可能是我一生中最漫长的一天，”Juste说，他花了几个月的时间为那天的旅行获得许可。

大约26小时后，样本到达了Zwaka的实验室。实验室几乎死气沉沉，包装也没好到哪里去；许多细胞已经死亡。从未接触过蝙蝠组织的兹瓦卡急忙从翅膀骨中提取骨髓，并从透明的橡胶翅膀上切下方形皮肤。

他的团队利用这些标本制造干细胞——这是研究其他物种生物学和疾病的常用工具，但对蝙蝠来说却很困难。这些诱导多能干细胞，在2007年的一篇论文中描述细胞在二月份，我们已经揭示了一些有趣的关于蝙蝠和病毒之间密切进化关系的见解5。Zwaka说，这些细胞使他的团队“在生物学方面陷入了一个相当大的兔子洞”。

与Teeling和其他同事一起，Zwaka对这些细胞表达的RNA进行了测序，并发现了大量基本上是病毒片段的片段，其中许多片段最初是冠状病毒的基因组。与蝙蝠皮肤细胞和来自小鼠和人类的多能细胞相比，多能细胞中的病毒基因表达更高且更多样化。更重要的是，多功能蝙蝠细胞实际上使用了病毒片段来制造似乎是病毒样的颗粒。

改编成干细胞的蝙蝠细胞显示出多能性的标志。Credit: M. Déjosez et al./Cell

“结果是非凡的，”提林说。当你制造蝙蝠干细胞时，你基本上“唤醒了你在基因组中发现的所有化石病毒”。这些细胞似乎系统地吸收其基因组中的病毒信息——“几乎像海绵一样”——然后表达出来。Zwaka说，这使得这些蝙蝠细胞成为有利于病毒的环境。但是这对于这些蝙蝠如何学会与病毒共存到底意味着什么还不清楚。Teeling说，一种可能性是基因插入物以某种方式保护蝙蝠免受病毒感染的负面影响，就像疫苗一样。

研究人员现在计划使用干细胞生成肺、肠道和血液组织，并用病毒感染这些细胞。兹瓦卡希望利用这些组织更好地了解蝙蝠的免疫力，并最终“为人类健康发展战略”。其他研究人员正在使用直接从蝙蝠中提取的干细胞开发的蝙蝠类器官来回答类似的问题。

1000个基因组

细胞和组织是一回事，但细胞生物学家最重要的资源之一是基因组。在2020年之前，大约有12种蝙蝠基因组，质量各不相同。那一年，Teeling和她的同事首次描述了六种蝙蝠的高质量基因组6，每一个都属于不同的属，每一个都有清晰的蛋白质编码基因标记。

这个项目是全球基因组联盟的一部分，叫做Bat1K，由Teeling共同创建，旨在为每一种蝙蝠创建高质量的基因组。Teeling说，自疫情以来，兴趣和资金的激增，包括来自生物技术公司的资金，导致了迄今为止大约80个蝙蝠基因组的测序。

高质量基因组的出现改变了蝙蝠免疫领域。它促进了对RNA分子和蛋白质的大规模研究，并提供了一种对免疫细胞进行分类的方法，在一定程度上克服了单克隆抗体的缺乏。柏林Charité大学医院的病毒学家Marcel Müller说，基因组将是“许多许多研究的基础”。

老挝发现新冠肺炎病毒的近亲

欧文正在与Bat1K财团合作，以扩大其中国马蹄铁蝙蝠的收藏(中华菊头蝠)，它们是已知的新型冠状病毒近亲的主人。他们已经对10个新的基因组进行了测序，其中包括4个来自马蹄铁或菊头蝠家族的基因组。在二月份发布的预印本中7欧文、提林和同事发现，在正向选择下，蝙蝠基因组中与免疫和新陈代谢有关的基因比其他哺乳动物多得多。他们仔细观察了一个基因，ISG15，它表达一种抗病毒蛋白，这种蛋白在新型冠状病毒感染期间观察到的人类过度炎症中起重要作用。

在细胞实验中，他们发现这种蛋白质的菊头蝠和蹄蝠版本缺少一种在大多数其他哺乳动物中发现的氨基酸。这种变化似乎阻止了它离开细胞，并可能阻止了蛋白质引发炎症反应。欧文说，这种蛋白质可能为蝙蝠如何与致命病毒共存提供重要线索，并可能启发人类的治疗方法。

高质量基因组带来的最时尚的技术之一是单细胞RNA测序，研究人员通过分析感兴趣的细胞的RNA内容来探索细胞的组成部分及其工作方式。

去年11月，王的团队发表了其首次单细胞测序尝试的结果8。研究人员让洞穴花蜜蝙蝠感染了紫檀碱正呼肠孤病毒这是一种在这一物种中常见的病毒，但不会使它们生病。在蝙蝠的肺细胞中，研究人员识别了许多熟悉的免疫细胞的指纹，包括T细胞，以及一些不熟悉的细胞。

目前，大多数对蝙蝠单细胞的研究只是免疫细胞活动的目录。在未发表的工作中，Schountz和他的同事用H18N11甲型流感病毒感染牙买加果蝠，并观察它针对的细胞。他们发现该病毒以巨噬细胞为目标，巨噬细胞是巡视身体并吞噬病原体的免疫细胞，这在甲型流感病毒中是前所未见的。单细胞研究为研究人员进行更详细的细胞培养实验提供了良好的开端。“至少，它给了你一些应该从哪里开始寻找的想法，”Schountz说。

其他科学家正在使用RNA测序来比较蝙蝠和人类细胞。例如，巴黎巴斯德研究所的病毒学家Nolwenn Jouvenet是该领域的新成员，他正在将这项技术与一系列物种的蝙蝠细胞系中的CRISPR基因编辑相结合，以寻找蝙蝠和人类细胞的先天免疫反应的差异。最终，Jouvenet希望找到控制病毒复制的基因。

对于某些问题，只有一整只蝙蝠才可以。在他的聚居地，Schountz想测试果蝠，它们不是新型冠状病毒的自然宿主，是否能被感染。因此，他的团队使用一种病毒载体来表达新型冠状病毒用来进入细胞的ACE2受体，然后用新型冠状病毒感染蝙蝠。他们发现蝙蝠产生针对这种病毒的T辅助细胞；这些细胞是适应性、靶向免疫反应的关键角色。刺激辅助性T细胞产生已知的调节炎症的小蛋白质，这可以解释蝙蝠缓和的炎症反应。研究结果在二月份以预印本的形式发布9。Schountz正在规划一个新的蝙蝠设施，将于6月开始建设，并于2024年完成，其中的飞行室可以容纳更大的蝙蝠，如狐蝠(狐蝠).其他团队也计划建立殖民地，包括蒙大拿州立大学的牙买加果蝠。

回到新加坡，在正午明亮的阳光下又热又湿，但在动物饲养室内，温度明显较低。Yroy和福在外面机器嘈杂的嗡嗡声中大声说话。

蝙蝠似乎并不担心，在笼子的黑暗角落里，它们上下颠倒地挤在一起，偶尔发出尖叫声。“它们已经习惯了人们在笼子里走来走去，”福说。那天早上早些时候，Yroy铺上了新的塑料布来收集它们的粪便，并挂上了几碗新鲜的水。很快，就要到喂食时间了。“到目前为止，他们很开心，”福说。

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