人类与传染病之间的持久战

时间:2020-05-15 栏目:科学24小时

汤波

自2019年12月开始,一种由新型冠状病毒(COVID-19)引发的肺炎疫情在湖北武汉爆发。2020年2月26日,世界卫生组织总干事谭德塞在日内瓦宣布,2月25日,中国以外的新增新冠病毒感染病例超过了中国的新增病例,这是疫情的一个转变。2月28日,世界卫生组织总干事谭德塞在日内瓦宣布,将新冠肺炎疫情全球风险级别由此前的“高”上调至“非常高”。2月29日,比尔盖茨在《新英格兰医学杂志》上发文警告,如果不采取有效防控措施,新冠肺炎疫情有可能造成百年不遇的全球大流行。这是病毒引发的最新一次人类传染病,但不会是最后一次。

为什么病毒会反复造成人类传染病大流行呢?

感  染

鼠疫、天花、疟疾、霍乱、伤寒、肺结核等古老的传染病,曾经杀死过数以亿计的人类。流行性感冒、艾滋病、埃博拉、SARS、新冠肺炎等近百年相继出现的传染病,也给人类带来巨大灾难。在未弄清病原微生物之前,人类只能将这些传染病统称为“瘟疫”。目前已知约有1400种可感染人类的病原体,包括病毒、细菌、寄生虫等,其中500种具有在人与人之间传播的能力,约有不到150种具有引起流行病的潜力。

抗生素的发明和广泛应用,使得细菌引发的传染病大多得到了较好的控制,很难再发生全球性的大流行。相对而言,病毒性传染病对人类的威胁更大,特别是不断出现的未知病毒引发的新发传染病。进入21世纪以来,SARS、高致病性禽流感、埃博拉、中东呼吸综合征(又叫MERS)、新冠肺炎等病毒性传染病轮番上演,给国际公共卫生与全人类健康带来巨大挑战。2002年,在中国广东省首先爆发的SARS疫情是由SARS冠状病毒引发的,曾造成全球29个国家8000多人感染,774人死亡。2012年,在沙特等地爆发的由冠状病毒引发的中东呼吸综合征,虽然只感染了2496人,但却造成了858人死亡,其死亡率高达34%。2014年至2016年,由埃博拉病毒引发的埃博拉出血热在西非等地爆发,造成2.8万人感染,1.1万人死亡,死亡率高达40%。

2019年11月开始,冠状病毒再次卷土重来,由于采取果断防控措施,中国的防治工作取得了重大成果,但在全球则呈蔓延之势,疫情防控形势令人担忧。

寄  生

对此,我们不禁要问,为何全球病毒性传染病不断爆发?其实这与病毒的特点有关。

我们生活的星球到处充满着病毒,它们存在于土壤、空气、海洋里,寄生在我们人类和其他动物、植物或微生物体内。也可以说,我们其实是生活在一个由病毒主宰的星球里。但是,病毒从何而来?何时起源?仍然是个谜。

不同病毒的形态

有关病毒的起源,目前科学界有3种主要的假说:一种是“渐进假说”,也被称为“逃逸假说”。据科学家推测,病毒可能是由真核细胞基因组中某些可移动的转座子携带遗传物质逃逸出来,并与一些蛋白质组成了病毒颗粒。第二种是“退化假说”。有人推测远古细胞逐渐丢失了关键的细胞器,只保留遗传物质及必要的保护装备,演变成如今的“寄生”病毒。第三种是“病毒优先假说”。这种假说认为病毒并非从细菌或细胞中逃逸,也不是由细菌或细胞退化而成的,而是先有病毒,再由病毒演化出细菌和細胞生物。

目前看,这些假说既有一定科学证据的支持,也存在一些漏洞难以自圆其说。要想真正弄清楚病毒的起源,可能还需要更多、更深入的科学研究。不过,不管病毒是何时起源的,它们必须依靠宿主才能增殖是确定的。

病毒是介于生物和非生物之间的生命体,它们与细菌等生物既有相似之处,也有明显的不同。病毒很小,小到只有20~300纳米,相当于细胞核或染色体的尺寸,人们通过普通的光学显微镜都无法看到它们,只有借助分辨率达数十万倍的电子显微镜才能一睹它们的真容。在电子显微镜下,不同病毒呈现不同的性状,大多数病毒呈球形或近似球形,少数病毒呈杆状、丝状、砖状或子弹状。如冠状病毒呈球形,包膜表面布满由刺突蛋白构成的刺突,而埃博拉病毒呈丝带状。病毒的结构非常简单,它们没有细胞膜或细胞壁,只有由衣壳蛋白构成的衣壳包裹着遗传物质,一些复杂的病毒外面还有一层由脂质和糖蛋白构成的包膜。

病毒和细菌与高等生物一样,都携带遗传物质。但是除了有些病毒携带DNA之外,很多病毒则以独特的RNA作为遗传物质,新型冠状病毒即属于RNA病毒,而引发艾滋病的人类免疫缺陷病毒(HIV)则属于比较特殊的RNA病毒——逆转录病毒。病毒并没有核糖体、高尔基体或线粒体等细胞器,它们不能自己合成蛋白质和能量基本物质——腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),因此病毒无法独立生活,必须感染并寄生在活的细菌、细胞、动植物和人体等生物体内。

入  侵

大多数细菌感染人体后,主要在细胞外的体液或组织中增殖繁衍,只有结核分枝杆菌、麻风分枝杆菌、布鲁氏菌等少数病原菌属于细胞内感染。但病毒不同,所有病毒感染人体后都必须进入宿主细胞内,借助宿主细胞的蛋白合成系统实现病毒的大量增殖。

据统计,有60%以上的人类传染病属于人畜共患病,如HIV病毒是由灵长类动物传染给人类,登革热病毒主要是蚊子传染给人类,SARS冠状病毒的动物宿主包括蝙蝠和果子狸,中东呼吸综合征冠状病毒的动物宿主包括蝙蝠和骆驼,而2019年新型冠状病毒的自然宿主也可能是蝙蝠,中间宿主则还没有定论。也有一些病毒的唯一宿主只有人类,比如天花病毒等。大多数情况下,寄生在动物身上的病毒只能感染动物,但是经过一系列基因突变和基因重组,有些病毒的毒性和传染性变强,或者突然具有感染人类的能力。当人类接触到这些患病的动物,病毒就有可能从动物宿主身上“溢出”感染人类。因此,我们在人员密集的地方戴口罩,回家勤洗手,避免与感染者或野生动物接触,是预防病毒感染的有效手段。

病毒感染人类细胞的过程非常精细,进入细胞的方式也各不相同。当病毒经过我们的口、鼻、眼睛等粘膜进入呼吸系统,或者经由伤口进入血液系统,它们首先会寻找容易被感染的靶标细胞。病毒的衣壳或包膜上往往具有细胞受体结合蛋白,用于识别并锚定靶标细胞,并哄骗宿主细胞的一些蛋白分子帮其混进细胞内部。为了进入人体的免疫T细胞,艾滋病病毒主要依靠病毒包膜糖蛋白与T细胞表面的CD4分子结合,并在另一个受体分子CCR5的协助下进入T细胞。2019年新型冠状病毒与SARS冠状病毒一样,都是通过病毒表面的刺突蛋白与人体细胞表面受体ACE2结合,进入支气管上皮细胞和肺泡细胞,进而在这些细胞中大量增殖,并感染其他细胞。

冠状病毒感染细胞的过程

病毒进入人体细胞内部主要有2种方式:一种是膜融合,即在病毒的主导下,宿主细胞膜与病毒包膜融合在一起,含有遗传物质的病毒粒子得以释放到细胞内部。大多数有包膜的病毒,如艾滋病病毒、冠状病毒等都采取这种方式进入靶标细胞。另一种入侵细胞的方式为内吞作用。没有包膜的病毒常常将自己伪装成营养成分,哄骗细胞用细胞膜将病毒包裹起来吞进细胞,随后在其内部释放出病毒遗传物质。流感病毒、丙型肝炎病毒和口蹄疫病毒等都依赖这种方式感染细胞。

病毒混进细胞后,其遗传物质一般“兵分两路”:一路是要借助细胞蛋白合成系统来合成病毒复制酶和膜蛋白等蛋白质;另一路则要大量复制新的遗传物质。RNA病毒释放出的RNA可作为信使RNA(mRNA),DNA病毒释放的DNA则进入细胞核中,与宿主细胞的DNA一起转录和翻译。之后,病毒mRNA在宿主细胞核糖体中指导合成病毒的所有蛋白质,同时病毒RNA或DNA也会得到大量扩增。接下来,新的RNA或DNA分子与病毒蛋白分子在高爾基体内组装成新的病毒颗粒,然后再释放出细胞外去感染其他细胞。

扩  散

如果你近距离接触到携带病毒的动物或人,只要稍不注意防范,病毒就有可能趁虚而入,即使病毒最开始只是入侵少数细胞,但是很快就能感染整个组织、器官甚至全身。比如,医生们在新型冠状病毒肺炎患者的口腔、鼻腔、眼睛、咽部、肺部、胃肠道等组织器官中均检测到大量的病毒。而艾滋病病毒则主要通过血液系统进入体内,去感染全身免疫器官,瘫痪患者的免疫系统。

有些病毒感染人体后,会很快引发人体免疫反应,容易发展成急性传染病。这类传染病比较容易形成大流行,比如天花病毒、流感病毒、SARS冠状病毒和新型冠状病毒等。而有些病毒因为使用了欺骗或瘫痪免疫系统等方式,往往不会在短时间内引发症状,逐渐发展成慢性传染病,如艾滋病病毒、易感病毒等。

病毒在人与人之间的传播方式取决于病毒类型。飞沫传染是流行性传染病最常见的传播方式之一。冠状病毒、流感病毒和天花病毒等容易引发呼吸道疾病,患者很快出现打喷嚏、咳嗽等症状,这时候病毒会随着飞沫扩散到周围。这些病毒虽然离开了人体,但是它们仍能存活一段时间。当其他人在没有任何防护的情况下接触到病毒携带者或其飞沫,就极有可能吸入这些病毒颗粒,进而成为新的感染者。体液传播也是一种重要的传染方式。埃博拉病毒是通过与受感染的血液、粪便或呕吐物接触而传播的。与许多其他病毒不同,科学家认为埃博拉病毒在感染者咳嗽或打喷嚏后无法在空气中传播。同样,还有其他病毒通过蚊子等媒介传播。蚊子传播的病毒包括登革热病毒、寨卡病毒、基孔肯雅热病毒和西尼罗河病毒等,因此蚊子也被认为是世界上杀人最多的动物。

不同病毒引发传染病流行的能力也有差异。一般以基本传染数作为衡量指标,当基本传染数大于1时,感染数量呈指数式增长;只有当基本传染数小于1时,才预示着传染病将逐渐消失。比如,目前认为新型冠状病毒肺炎的基本传染数为2~4,较高的预测是4~6。也就是说,一个新冠肺炎感染者可以平均感染2~3人,甚至4~6人。SARS的基本传染数为2~3,这也是新冠病毒传染能力强于SARS冠状病毒的原因。麻疹病毒基本传染数为10~15,而白喉、天花、脊髓灰质炎、流行性腮腺炎等传染病的基本传染数均为5~7,这些都是传染性比较强的致命传染病。

自人类诞生以来,病毒就与人类如影随形。在100多年前,人类对病毒或细菌所引发的传染病束手无策,只能依靠自身的免疫力抵抗。如今,随着科技的发展,人类逐渐摸清了病毒等致病微生物的脾气秉性,虽然仍然不能消灭所有病毒,但是对付病毒性传染病,我们的手段越来越多,反应也越来越快,可在短时间内将病毒性传染病的危害程度控制到最小,甚至可在几个月内完全控制住某种新发病毒性传染病,SARS就是一个很好的例子。我们相信,新冠肺炎疫情也有望得到控制。

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