显微技术发展助力科学家对抗病毒


传染病(Infectious Diseases)是由各种病原体引起的能在人与人、动物与动物或人与动物之间相互传播的一类疾病。中国目前的法定报告传染病分为甲、乙、丙3类,共40种。此外,还包括国家卫生计生委决定列入乙类、丙类传染病管理的其他传染病和按照甲类管理开展应急监测报告的其他传染病。新型冠状病毒肺炎虽然纳入乙类传染病,但仍采取甲类管理措施。
 
中国法定传染病分类 


类别                

病种                

甲类                

鼠疫、霍乱                

乙类                

新型冠状病毒肺炎、布鲁氏菌病、艾滋病、狂犬病、结核病、百日咳、炭疽、病毒性肝炎、革登热、新生儿破伤风、流行性乙型脑炎、人感染H7N9禽流感、血吸虫病、钩端螺旋体病、梅毒、淋病、猩红热、流行性脊髓膜炎、伤寒和副伤寒、疟疾、流行性出血热、麻疹、人感染高致病性禽流感、脊髓灰质炎、传染性非典型肺炎                

丙类                

感染性腹泻病、丝虫病、麻风病、黑热病、包虫病、流行性和地方斑疹伤寒、急性出血性结膜炎、风疹、流行性腮腺炎、流行性感冒、手足口病                

其他                

寨卡病毒、鼻疽和类鼻疽、人兽共患病、基孔肯亚热、广州管圆线虫病、阿米巴性痢疾、人猪重症链球菌感染、德国肠出血性大肠杆菌O104感染、美洲锥虫病、诺如病毒急性肠炎、鄂口线虫病、西尼罗病毒、马尔堡出血热、拉沙热、黄热病、裂谷热、埃博拉出血热、中东呼吸综合征、埃可病毒11                

数据来源:中国疾病预防控制中心
 
引起这些传染病的病原体中微生物占绝大多数,包括病毒、衣原体、立克次体、支原体、细菌、螺旋体和真菌,另外一小部分是寄生虫。


数据来源:中国疾病预防控制中心

 
历史上,病毒引发的疫情在全球各地造成了恐慌和浩劫。流感、天花、麻疹和黄热病的影响持续了几个世纪,给经济造成巨大负担。21世纪多起高致病性、高传染性的人兽共患病暴发,包括非典型肺炎病毒(SARS-CoV)、埃博拉病毒、中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)、尼帕病毒和年初爆发的2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)。
 
其中天花被认为是人类最具毁灭性的疾病之一。它在人群中的传播,可能是由动物宿主传播几千年之后,伴随着地区和大陆间的人口流动、贸易和战争才开始的。这种古老的疾病,至少可以追溯到公元前三世纪。从古至今,天花影响了过去社会的各个阶层,包括著名的顺治皇帝。自200多年前天花疫苗的研制,经过密集的疫苗接种后,该病在1980年被正式宣布消灭。
 
相似的,近期一项针对新冠病毒的系统发育分析在S蛋白进化角度显示,新冠病毒可能已经在人群中进化了至少7年。之前的研究证实,新冠病毒与蝙蝠冠状病毒(RaTG13)基因组相似度为96%,与穿山甲-CoV基因组相似度为90%。为了确定具体驱动其最近适应人类宿主的重要突变,研究人员重建了所有感染人类的病毒株的共同祖先Spike-RBD序列,称为N1,将与其最接近的动物病毒RaTG13的共同祖先标记为N0N1与新冠参考序列中的Spike-RBD相同,而N0Spike-RBD序列是唯一的,两者在4个位点上的变化将进化的新冠病毒Spike蛋白与和RaTG13的共同祖先区分开来,而这个祖先病毒至少在2013年就已经存在(其后代RaTG13在那一年被分离出来)。意外的是,N0变为N1降低了Spike-RBDACE2受体的亲和力,可是为什么最近才演变成重大公共卫生问题,这种潜在的流行又该如何被发现并预防?


显微镜下观察到的病毒示意图

目前条件下,对病毒暴发的长期控制需要使用疫苗,以提供免疫耐受和保护。流行病发生后,对特定疾病建立的免疫力可以限制传播并显著降低死亡率。
过去,疫苗的接种大大减轻了世界各地传染病的负担,包括控制了脊髓灰质炎、破伤风、白喉和麻疹等疾病。大量的研究工作集中在改进已有疫苗和发现新疫苗,例如2006年的HPV疫苗。近年来,新冠病毒、寨卡病毒等严重感染的迅速蔓延突出了全球预防大流行病的迫切需求,这就需要极其迅速地研制和全面普及疫苗,以预防可能未知的病原体。并且抗生素耐药细菌的出现也需要新方法来预防感染。鉴于这些变化,确定新候选疫苗的现有方法已不足以保证大规模防护。
 
而治疗性抗体也在短期预防和被动免疫治疗中发挥出重要作用,通过中和病毒,杀伤感染细胞,调节免疫等机制达到治疗目的。其中,联合抗逆转录病毒疗法(cART)在控制HIV复制和传播方面的效果使其得到普遍推荐。
 
然而,快速治疗、高效预防、精准溯源等的研究,都需要以快速的鉴定并全面认识病原微生物为基石。
 
1884年,Robert Koch在肺结核研究中提出了科赫法则的雏形。同年,Friedrich Loffler将其发扬光大,写下了著名的分离、培养和接种三步法,作为确定病原体存在的条件。这一理论的本质是疾病本体论,即建立人类疾病动物模型具有实际意义。


依据科赫法则鉴定传染病的病原体流程

 
100多年来,科赫法则一直指导着微生物学研究,以鉴定传染病的病原体,常常提供可靠的证据。后来这些法则被病毒学及分子医学方向的研究人员引用,将自己的研究与科赫的细菌学联系起来,演变为权威实践指南,证明微生物及后来的基因在疾病中的作用,是现代实验医学的起源。
 
20世纪随着显微技术的发展,人们开始对病毒形态学产生认识。30年代末电子显微镜的出现,标志着病毒学的另一项技术突破,其在病毒鉴别诊断、抗原的定位、病毒-宿主细胞互作以及病毒形态发生学的研究中扮演着重要角色,当然这些认识是以临床数据及光学显微镜共聚焦显微镜为基础的。由于受到光学衍射的限制,普通显微镜分辨率只能达到200nm,而一般病毒的尺寸只有十几到200纳米(痘病毒达300nm),而电镜却以其高昂的价格让诸多病毒研究爱好者研究受限。超高分辨显微技术的出现,为观测精细结构提供了可能,因此在病毒研究中的应用越来越广泛。随着科学的进展,关于病毒的研究技术也不再仅限于传统的病毒分离与血清学,还包括后期出现的分子方法等等。


徕卡STELLARIS超高分辨共聚焦显微镜

超高分辨共聚焦显微镜广泛应用于现代病毒研究

 
时至今日,科学家对病毒研究热情不减。PebMed数据库中,病毒相关研究数量逐年走高,重点研究集中在疫苗、抗体、病毒作用机制等基础生命科学,同时包括临床诊断及流行病学研究等,但最大占比仍为病毒本身的研究。近日公布的国家自然科学基金数据显示,批复的新冠疫情专项课题共110项,总资金近亿元。国家对公共卫生服务与传染病防控投入逐年加大,热点研究背景有了宏观政策的加持,论文发表呈井喷式增长,研究结果不断推陈出新。


数据来源:PebMed.gov

(截止时间:2020630日)

 
 
写在最后的话:
如果有什么东西在未来几十年里可以杀掉上千万人,比较有可能是个高度传染的病毒,而不是战争。也不是导弹,而是微生物。一部分原因是我们在核威慑上投入了很大的精力和金钱,但在防止疫情的系统上却投资很少。我们还没有准备好预防下一场大疫情的发生。
——比尔·盖茨

参考文献: 

1. http://www.chinacdc.cn/jkzt/crb/

2. Medizinhist J . 2008;43(2):121-48.

3. Volume 65, Issue 1, January 2018, Pages 6-7

4. Volume 42, April 2018, Pages 47-52

5. Microbiol Spectr. 2016 Aug;4(4)

6. Viruses . 2020 Apr 20;12(4):465

7. doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.22.165787

8. https://courses.lumenlearning.com/

9. https://www.leica-microsystems.com.cn/cn/applications/life-science/


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