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公共卫生视角下的流感病毒研究 精选

已有 3143 次阅读 2018-12-15 12:11 |个人分类:流感病毒研究综述|系统分类:观点评述

公共卫生视角下的流感病毒研究

Influenza viruses: Public Health Perspective

备注:本文的绝大多数文字已在<医学研究生学报>上同名发表。


 摘要:流感病毒归属于正黏病毒科(Orthomyxoviridae)的四个属:甲型(A)、乙型(B)、丙型(C)和丁型(D)。与乙型、丙型和丁型流感病毒相比,甲型流感病毒的宿主范围广、血清型众多、跨种传播频发,是一种重要的人兽共患病病原,也是引起新的人类流感大流行的主要病原。流感病毒对人类健康和公共卫生的危害,可分为3个层面:流感大流行、季节性流感和人感染动物流感病毒。鉴于流感病毒对人和动物健康的严重危害及其复杂的生态系统,流感病毒一直是生命科学和公共卫生领域研究的热点。本文试从公共卫生角度,介绍了与流感预防和控制密切相关的病原学研究领域及其进展,包括季节性流感病毒监测、流感病毒生态学、广谱中和抗体和通用疫苗研究,以及未来流感大流行应对的病原学研究等。


流感病毒(Influenza virus)在病毒学分类上位于正黏病毒科(Orthomyxoviridae)的四个属:甲型(A)、乙型(B)、丙型(C)和丁型(D)。甲型、乙型和丙型病毒均可感染人类,其中甲型流感病毒的宿主范围广、血清型众多、跨种传播频发,是一种重要的人兽共患病病原,也是引起新的流感大流行的主要病原。根据病毒糖蛋白血凝素(Hemagglutinin, HA)和神经氨酸酶(Neuraminidase, NA)抗原性的差异,甲型流感病毒分为不同的血清型,目前已经发现了18HA亚型和11NA亚型 。18种HA在系统进化上分为两个组:组1(Group 1)包括H1、H2、H5、H6、H8、H9、H11、H12、H13、H16、H17和H18;组2(Group 2)包括H3、H4、H7、H10、H14和H15。11种NA也分为两个组:组1包括N1、N4、N5、N8;组2包括N2、N3、N6、N7和N9。甲型流感病毒的基因组是分8个节段的单股负链RNA,目前发现可编码20种蛋白。

流感病毒对人类健康和公共卫生的危害,可分为3个层面:

(1)流感大流行(Influenza pandemic)。人群中出现免疫空白的新型甲型流感病毒,就可能引发患病率和病死率激增的流感大流行。据估计,过去的500年间,至少发生了14次流感大流行。近100年来人类经历了4次流感大流行:1918年西班牙流感(H1N1)、1957年亚洲流感(H3N2)、1968年香港流感(H3N2)和2009年源于北美的甲型H1N1(pdm 09)流感。

(2)季节性流感(Seasonal influenza)。流感大流行结束后,其病原就会成为人季节性流感病毒的成员。根据世界卫生组织(WHO)估计,每年全球流感患者约为6-12亿,每年流感的流行造成全球约300~500万人感染,引起死亡约25~50万例。对于某些特殊人群,如年龄低于2岁的婴幼儿、65岁以上的老人、孕妇、有基础性疾病或免疫抑制的病人等,这些人群发生严重流感和并发症的几率升高,病死率也相应增加。

(3)人感染动物流感病毒(Human infection with animal influenza virus)。甲型流感病毒具有宿主限制性,一般情况下动物流感病毒(主要是猪流感病毒和禽流感病毒)突破种属障碍感染人的情况并不多见。但近半个世纪以来,不断发生动物流感病毒感染人的事件,显示甲型流感病毒对人类健康的威胁在加大,也引发人们对未来发生流感大流行的担忧。目前报道的能够感染人的猪流感病毒亚型有古典H1N1、欧洲类禽H1N1、三源重配H1N2、变异H3N2v等。自1997年以来,人感染禽流感病毒的病例频繁发生,这些禽流感病毒包括H4N8H5Nx(x=16)H9N2H7Nx(x=23,4,79)H6N1H10Nx(x=78)等亚型。

鉴于流感病毒对人和动物健康的严重危害及其复杂的生态系统,流感病毒一直是生命科学和公共卫生领域研究的热点。本文试从公共卫生角度,围绕流感的预防和控制,介绍与之相关四大研究领域,以期思考和借鉴。

1、季节性流感病毒的监测

1952年WHO建立了全球流感监测网络,这是第一个全球传染病监测网络。继美国、日本、英国和澳大利亚之后,2010年中国疾病预防控制中心国家流感中心成为WHO流感监测框架下第五个流感参比和研究合作中心。目前季节性流感病毒的成员除了甲型流感病毒(H3N2和H1N1亚型)外,还包括乙型和丙型流感病毒,其中后者没有纳入流感监测网络。病原学监测是流感监测的核心内容,主要涉及病毒的流行规律和病毒的变异。通过病毒分离、基因组解析、抗原性和耐药性分析等工作,了解病毒的分子流行病学和生物学特征(包括抗原性、传播力、致病性和耐药性,及其上述特性的分子机制),这些数据的实时获得和累积分析,为深入开展流感病毒的基础研究、发生和流行规律、疫苗评估和推荐、新型变异病毒的发现和预警,以及应对未来流感新的大流行的技术储备等都有重要意义。

2、流感病毒的生态学研究

上世纪70年代中期,甲型流感病毒的生态学研究有了突破性进展,锁定了野生水禽和海岸鸟是甲型流感病毒的自然储存宿主,它们也是维持甲型流感病毒生物多样性的主要“基因池(Gene pool)。2010年Tong等在蝙蝠体内发现了两种新的HA亚型和两种新的NA亚型,这是对甲型流感病毒生态学的重要补充,但没有改变野生水禽和海岸鸟在甲型流感病毒进化中的中心地位。野鸟中甲型流感病毒经常发生“溢出(Spillover)”效应,跨种感染其他物种(如家禽、猪、马、犬等),如果病毒经过变异提高了适应度(Fitness),就会在新宿主中建立稳定的世系,引起了所谓的禽流感、猪流感、马流感或犬流感等。

进入新世纪以来,伴随着经济全球化和人类社会的高速发展,家养动物养殖规模越来越大,人类的活动对地球生态环境造成巨大压力,野鸟的种群、迁徙和繁殖等也在发生变化。与家养动物相比,野鸟(特别是候鸟)是流感病毒生态学研究的核心,也是研究的难点。从上世纪70年代开始,野鸟流感病毒的研究数据主要来自北美和欧洲,特别来自北美的研究较为系统完善,为野鸟在流感病毒生态中的定位做出了主要贡献。近年来,在亚洲、拉丁美洲和澳洲都有相关的研究报道,但缺乏系统性。2002年以来,起源于东亚地区家禽中的高致病性H5Nx(x=1、6、8)禽流感病毒跨洲扩散,越来越多的证据表明野鸟在病毒的远距离传播中起到了媒介作用,使人们对野鸟在流感病毒生态中的作用有了新的认识。此外,庞大的动物养殖(特别是家禽、猪、犬、猫和马等)为甲型流感病毒提供了大量的易感动物,家养动物中流感病毒流行和传播也越来越复杂。自1996年高致病H5N1禽流感在中国广东省出现以来,H5,H9,H7和H6亚型禽流感病毒已经在亚洲和北非多个地方呈地方流行性,而且病毒呈快速进化的态势。此外,全球猪流感病毒的流行也日趋复杂,快速进化伴随着基因多样性;近年来在亚洲的犬中出现来源于禽类的H3N2亚型病毒的流行。很显然,与野鸟相比,这些与人类接触密切的家养动物也构成了甲型流感病毒独特的“基因池”。

 现在一般认为,甲型流感病毒在以野鸟为中心的生态系统中的流动不是单向的,而是呈现双向或多向性。加强流感病毒生态学研究,不仅有助于了解病毒的进化和传播规律,对人感染动物流感的预测预警和大流行的准备、鸟类保护和动物健康也都有重要意义。从这个意义讲,开展流感病毒生态学研究,也是实践人和动物“同一健康”(One Health)理念的最佳范本。全球候鸟主要有八条迁徙路线,其中三条(包括东亚-澳洲路线、中亚路线和东非-西亚路线)穿越中国。2005年青海湖候鸟H5N1禽流感暴发和2013年长三角地区H7N9禽流感病毒的出现,都表明候鸟在我国禽流感发生和传播中的重要作用,但我国目前还没有形成对野鸟流感病毒完整的研究体系,研究的盲点较多,需要多部门多学科合作,加强这方面的研究。

3、流感病毒广谱中和抗体和通用疫苗的研究

1945年,流感疫苗问世。在之后的70多年中,疫苗接种对预防发病、降低发病率和死亡率发挥了重要作用。目前批准使用的季节性流感疫苗抗原组分主要是流感病毒HA蛋白,刺激产生的抗体也主要是针对具有免疫优势而又抗原多变的HA蛋白头部,其有效性在0-70%间,因此免疫效果一直备受质疑。在人群抗体免疫压力下,流感病毒通过HA和NA蛋白频繁的抗原变异(即抗原漂移)来实现免疫逃避,这是流感疫苗有效性降低的主要原因。自1998年起,依据全球流感监测数据分析结果,WHO在每年2月和9月召集专家开会,分别对北半球和南半球流感疫苗候选株进行推荐。在流感流行季节,疫苗株的抗原性与优势流行株的匹配程度是影响疫苗效果的重要因素。如果流行株发生抗原漂移,其抗原性与疫苗株匹配程度较低,疫苗的免疫效果会大打折扣,特别是对高危人群(包括5岁以下幼儿、长期基础性疾病患者、免疫功能低下者、孕妇和65岁及以上老年人等))就不能提供很好的保护。此外,现在大多数流感疫苗生产都是通过鸡胚进行抗原增殖,病毒在鸡胚中生长可能会由于对鸡胚的适应性突变(特别是抗原位点氨基酸的改变或出现掩盖抗原位点的新的糖基化修饰)而造成抗原性的改变,导致疫苗的有效性降低。不同亚型流感病毒HA和NA蛋白抗原性差异较大,一般不能提供抗体交叉保护。传统疫苗提供的抗原具有毒株特异性特点,因此,季节性流感疫苗也不能对未来可能发生的流感大流行提供免疫保护。

基于上述情况,人们一直试图突破现有疫苗主要针对HA蛋白头部的毒株特异性的限制,寻找一种能够提供广泛交叉保护、具有广谱性的预防和治疗新途径。目前的研究主要涉及两方面:

3.1 广谱中和性抗体。前文述及,传统疫苗的有效性差,经常出现对人群不能提供有效保护的情况。神经氨酸酶抑制剂是目前临床上治疗流感一类药物,但用药窗口期较短,一般在发病的48小时内使用有效。中和抗体是对传统疫苗接种和抗病毒药物治疗的一种补充,为流感预防和治疗提供了一种新的选择,特别对于高危人群的预防和病程较长患者的临床救治意义更大。显然,针对不同亚型流感病毒都具有中和效应的抗体(即广谱中和抗体),更具有临床应用价值。目前广谱中和抗体的研究主要集中在病毒粒子的3个表面蛋白保守区的抗体结合靶位,包括HA茎区、NA活性区和M2蛋白胞外区,特别是对HA和NA蛋白的研究最多。近年来发现了靶向HA和NA的多种广谱性程度不同的中和抗体,有些在实验动物和志愿者试验中显示了良好的抗病毒效果,临床应用前景广阔。同时,广谱中和性抗体的作用靶位,也为通用性疫苗的设计提供了重要参考。

3.2 通用疫苗。以流感病毒的表面蛋白的保守抗原表位或保守蛋白为靶标,通用疫苗的设计试图找到能够提供交叉抗体保护或T-细胞交叉免疫保护的疫苗免疫策略。据此,通用疫苗大体分为两类:1.提供广谱中和性抗体保护,靶标主要集中在HA蛋白茎区、NA活性保守区和M2蛋白保外区。目前在美国,针对HA茎区的嵌合HA(cHA)灭活和活疫苗已进入临床I期试验。2.提供交叉性T细胞免疫保护,特别是CD8+T细胞提供的不同亚型病毒感染的交叉保护作用,主要的靶标蛋白包括NP、M1、多聚酶蛋白以及非结构蛋白。细胞免疫不能阻止感染,但有助于机体快速清除感染,减轻疾病的严重性。

根据广谱性覆盖的范围,通用疫苗可以分为4个层面:1.病毒亚型特异性。这类疫苗对同一亚型的流感病毒有保护性;2.组1或组2特异性。18种HA亚型分为组1和组2两个系统发生群,这类疫苗只对组1或组2流感病毒具有广谱保护性;3.甲型流感病毒特异性。这类疫苗对所有甲型流感病毒都能提供免疫保护;4.对甲型和乙型流感病毒感染都能提供免疫保护。无疑,最理想的所谓“通用疫苗”能够对所有甲型和乙型流感病毒提供保护。

目前通用疫苗的研究取得了很大进展,但大都处于动物实验阶段,同时也面临着许多技术瓶颈有待突破。未来通用疫苗的应用,将为流感的预防和控制带来根本性改变,也会极大的推动人类公共卫生和动物福利的进步

4、流感大流行应对的病原学风险评估

   从病毒起源和生态学上看,动物流感病毒(特别是禽流感病毒和猪流感病毒)为人类甲型流感提供全部或部分基因。自然状态下,甲型流感病毒经常从其自然储存宿主(野生水禽和海岸鸟)跨种传播感染家禽、猪和犬等家养动物。这些家养动物养殖数量和密度大,与人类接触密切,这些动物中的流感病毒在流行过程中,可能会“溢出”感染人,通过基因突变或基因重配方式,产生引起人类新的流感大流行毒株。因此,需要加强对家养动物中流行的流感病毒进行监测和研究,评估其可能引起人类流感大流行的风险,这对大流行的科学应对和预测预警意义重大。涉及的研究内容主要包括:1.实时动态掌握流感病毒在家禽、猪和犬中的流行情况;2.在病毒分离和全基因组测序的基础上,动态分析优势流行株(特别已经发生跨种感染人的毒株)的分子进化和基因变异(基因突变和重配);3.特别关注病毒HA蛋白受体结合特性是否发生改变;4.通过反向遗传操作和动物实验,对病毒感染人及引起人际间传播的分子机制进行研究,即所谓的“功能获得性(Gain-Of -Function)”研究。由于人们对生物安全方面的担忧,这类研究一度引起争议。但对病毒跨种传播机制、致病性、复制力、传播力等方面的认识,病毒的“功能获得性”研究无疑是必要的和不可替代的。

5、小结

笔者从预防控制的角度,概述了流感病毒病原学相关方面的研究。流感病毒的研究涉及的领域广、学科多,技术新,本文限于学识,难免挂一漏万;比如,抗流感病毒药物的研究也是一个焦点问题,对流感预防、控制和临床救治意义重大,但本文没有展开论述。文章亦是一家之言,不当之处,诸君姑妄听之,也希望不吝赐教。




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