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我们应当仇恨还是赞赏病毒?

已有 1485 次阅读 2021-10-11 10:21 |个人分类:科学普及|系统分类:科普集锦

每年10月3日是病毒赞赏日Virus Appreciation Day

我们应当仇恨病毒,还是赞赏病毒?

 

首先我们要尊重一个基本的事实:人类基因组中大约8%是来源于曾经感染我们的病毒,由这些病毒的基因组成。人类与病毒之间存在长期而复杂的关系。人类已经与病毒斗了数年,但人类迄今仍然在地球上迄立不倒。随着时间的推移,人类已经进化到可以中和病毒入侵者

除了被动地与病毒作斗争,人类还能主动地为自身的利益重新利用病毒

病毒已被广泛用于遗传疾病和癌症靶向基因治疗、构建病毒载体疫苗。专一感染细菌的病毒--噬菌体则被用来治疗致病性细菌感染,克服抗生素耐药性危机噬菌体也可以作为电池电极的替代能源。人们利用病毒控制害虫和循环利用营养物质。

病毒与地球上的生命紧密结合在一起,它们在维持环境平衡和我们持续生存方面的功能实在太多,甚至可以说,没有病毒,我们就没有空气可以呼吸。

新冠病毒让全世界人民都焦头烂额的时候,我们在此为病毒大唱赞歌,也许会被某些人认为不合时宜。但这些不合时宜的论调却确实是持之有据,言之成理,应当让更多的人知晓。

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图:在电子显微镜下,病毒颗粒的外貌也可以是美丽而壮观的!

大多数人把病毒与疾病和痛苦联系在一起。毕竟,病毒(virus)”这个词来源于拉丁语中的“毒药(poison)”一词。然而,考虑到绝大多数病毒不会致病,实际上对人类和地球都是有益的前述约定俗成的看法很大程度上其实是错误的。

病毒附着在宿主细胞受体receptors,然后将其基因组释放到细胞中。病毒的这种高效入侵细胞的能力可派上各种用。例如,病毒可用作载体,将疫苗、缺陷基因的健康副本和治疗药物输送到特定的细胞(即进行基因治疗gene therapy)。

一些新冠病毒(SARS-CoV-2疫苗,包括阿斯利康AstraZeneca和强生公司生产的疫苗由一种载体病毒(腺病毒)成,该病毒含有SARS-CoV-2刺突蛋白的基因。在注射到人体后,载体病毒进入细胞并劫持宿主的代谢系统来合成编码的刺突蛋白。控制载体病毒复制的基因预先已被移除,以确保载体本身不会在人类细胞中引起感染。特定疫苗不需要的其他基因通常也预先被移除,以便在载体内为插入的抗原基因提供更多的空间。

腺病毒特别适合将外源基因传递到细胞中,因为它们有一个双链DNA基因组,可以容纳外源DNA片段,而且它们感染大多数细胞类型,而不整合到宿主基因组中。然而,痘病毒、逆转录病毒、水疱性口炎病毒和其他病毒也可用于疫苗接种。截至目前,已有六种病毒载体制备的疫苗获准用于人体:四种SARS-CoV-2疫苗和两种埃博拉病毒疫苗。

病毒也可以作为治疗因DNA序列突变引起的遗传疾病的靶向基因治疗的载体。通过用健康的DNA替换突变的、无功能的部分,有缺陷基因的功能可能会得到恢复。某些病毒如逆转录病毒,已经将它们的遗传物质作为复制周期的一部分插入宿主基因组,使它们适合将这些功能基因传递到目标细胞。

最近的技术进步甚至可能允许使用CRISPR介导的基因编辑工具来编辑细胞中的目标基因组,方法是切除有缺陷的基因,并用有功能的基因替换它。最近报告了一种通过特异性靶向肌细胞治疗遗传性肌肉疾病的靶向治疗方法。曾报告使用CRISPR技术可能从感染个体基因组中删除整合的HIV-1的典型基因治疗方法。

注:CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,规律间隔成簇短回文重复序列)是原核生物基因组内的一段重复序列,是细菌特有的抵抗病毒等外源遗传物质入侵的一种获得性免疫系统。

类似的载体方法也可用于治疗药物的细胞特异性输送。例如,复制缺陷型病毒(被设计成不能复制的病毒)可以被进一步改造。这些修饰可能允许病毒专门针对正在分裂的肿瘤细胞或显示癌细胞特有表面蛋白的细胞,并只向这些细胞提供化疗药物。或者,复制能力强的病毒可以通过一种称为溶瘤病毒治疗的机制直接靶向和杀死癌细胞。

先前描述的这种机制的一个例子涉及一种单纯疱疹病毒,其靶向受体在健康的脑细胞中实际上是缺失的,但在胶质母细胞瘤多形性肿瘤细胞上特异表达。这种工程病毒还编码一种细胞因子的基因,这种细胞因子通过招募细胞毒性T淋巴细胞来增加溶瘤病毒的效力,从而导致肿瘤细胞破裂。越来越多的证据表明,从破裂的癌细胞中产生的癌症特异性抗原也可能触发额外的下游免疫反应,进一步增强溶瘤病毒的效力。

考虑到我们正处于抗生素耐药性危机的边缘,病毒可能也会在这方面拯救我们。噬菌体是一种只感染细菌的病毒,事实证明,它们可以用来治疗致病性细菌感染。与传统的抗生素治疗相比,噬菌体治疗有许多潜在的优势。噬菌体对抗生素敏感和耐药细菌同样有效。它们也比抗生素更具有特异性,这种特异性降低了对共生细菌的影响,而传统抗生素通常会消灭共生细菌。

与大多数抗生素不同,噬菌体能够破坏细菌生物膜使用噬菌体可以减少机会性感染的发生率,减少细菌感染的毒性作用。尽管细菌可以对噬菌体产生抗性,但噬菌体同样可以通过进化来克服这种性,使得细菌对噬菌体的性比它们对抗生素的耐药性更容易克服。此外,科学家们发现,通过将噬菌体与抗生素治疗方案结合,或在噬菌体鸡尾酒中结合几个噬菌体,可以提高噬菌体治疗的效

 在一个广泛宣传的噬菌体治疗成功的故事中,传染病流行病学家斯蒂芬妮斯特拉斯迪Steffanie Strathdee描述了她如何借助一个国际医生团队的帮助,用静脉注射的噬菌体鸡尾酒治愈了她丈夫的危及生命的多重耐药鲍曼不动杆菌Acinetobacter baumanii 感染。

噬菌体也可以作电池电极,从而成为一种新的替代能源。麻省理工学院的材料科学家安吉拉贝尔彻Angela Belcher多次证明,由M13噬菌体组成的生物支架示带负电荷的肽序列谷氨酸-谷氨酸-丙氨酸-谷氨酸(E-E-A-E),该序列不可避免地吸引磷化镍nickel phosphide分子,由此产生的纳米结构可以直接用作电池中的独立负极。与传统电池相比,这些病毒电池有很多优点。它们更环保,因为它们是由无毒材料制成的。它们的合成所需的设备相对较少,因此生产成本低廉。它们重量轻、柔韧,因此可以织成织物,这使它们适合于制作成军服。它们的导电性也比传统的锂离子电池高,这使得它们在便携式电子设备、医疗植入物和各种航空航天应用中非常有用。它们甚至有可能在某一天被用来为电动汽车提供动力。

到目前为止所描述的例子都是人们利用病毒功能造福人类的例子。然而,病毒还有其他与它们的自然功能有关的好处。例如,噬菌体也是我们环境的重要组成部分,它们有助于控制害虫和循环利用营养物质如果噬菌体不存在,一些细菌种群将会爆炸性增长,并与其他种群竞争中占尽优势,导致其他种群完全消失。这种不平衡对海洋来说尤其具有灾难性,因为海洋微生物占总生物量的70%以上噬菌体每天杀死大量的海洋细菌,使从死亡细菌细胞中释放出来的有机分子可以作为其他生物的营养物质循环利用。也许从这些循环养分中受益的最重要的生物是被称为浮游植物的微型植物,它们通过从大气中去除二氧化碳来产生氧气。事实上,浮游植物是全球碳循环的关键元素,也是大气中氧气的最大贡献者之一。这意味着没有病毒,我们就没有空气可以呼吸。       

病毒与地球上的生命紧密结合在一起,它们在维持环境平衡和我们持续生存方面的功能太多,无法在一篇文章中完整描述。此外,我们目前对使用病毒所能完成的工作的认识充其量是粗浅的。未来的研究将导致对如何利用病毒做更多好事有更深入的理解。

参考文献:

1. Carsten G. BönnemannDesigner AAV muscle upCell18419):4845-4847, SEPTEMBER 16, 2021DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.08.031 

2. Alessandrini F, et al,. Eradication of glioblastoma by immuno-virotherapy with a retargeted oncolytic HSV in a preclinical model. Oncogene. 2019 Jun;38(23):4467-4479. doi: 10.1038/s41388-019-0737-2. Epub 2019 Feb 12.

3. Records WC, et al., Virus-Templated Nickel Phosphide Nanofoams as Additive-Free, Thin-Film Li-Ion Microbattery Anodes. Small. 2019 Oct;15(44):e1903166. doi: 10.1002/smll.201903166. Epub 2019 Sep 12.  



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1 尤明庆

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