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动物病毒学是以动物病毒为研究对象,研究这些病毒的本质及其与动物乃至人类疾病的关系的一门科学。动物病毒学是随着生物化学、生物物理学、遗传学、分子生物学和高新技术等的发展而发展起来的;反过来,动物病毒学又促进这些学科的发展。
早在公元前500年和300年左右,欧洲和中国就已分别有了狂犬病和天花的记载。古代人类对于疾病原因的解释,有所谓的神鬼说、瘴气说和孔隙说等等。虽然在某些疫病的大流行中,人们已经觉察到疾病的传染性,但仍坚信神鬼或瘴气致病的说法。公元17~19世纪,随着显微镜的创制成功,借助显微镜看到了各种细菌,不仅证明自然界和酿造工业中的发酵是由发酵菌引起的,而且发现了人畜许多传染病的病原体——细菌,并且观察到了动物对于某一传染病的感受性依动物种类而不同,患病痊愈后可对同一疾病的再次感染具有抵抗力等事实。我国民间在此期间已经普遍应用轻型天花患者的痂皮接种健康人群鼻孔以预防天花。1798年,英国人Jenner根据牛痘和天花的相似性,以及挤奶妇女感染牛痘后不再发生天花的现象,创立了采用牛痘浆预防天花的免疫接种方法。1884年,法国人Pasteur又发明了狂犬病疫苗,从而奠定了人和动物人工免疫接种的坚实基础。
病毒的发现
虽然当时传染性病原体的概念已经存在,而且确证了细菌等微生物的致病性,但还缺乏对“病毒”的认识。1892年,俄国人Ivanowski于克里米亚发现烟草花叶病病原能够通过能够抑留细菌的滤器。1898年,荷兰人Beijerink证明烟草花叶病是由滤过性病原所引起。同年,德国科学家Loeffler和Frosch发现口蹄疫病原的滤过性。此后10多年内相继发现了10多种传染病的病原病毒,包括鸡瘟病毒(1900年)、黄热病病毒(1901年)、鸡痘病毒(1902年)、狂犬病病毒(1903年)、鸡白细胞增生病病毒(1908年)、脊髓灰质炎病毒(1909年)和劳斯肉瘤病毒(1911年)等。1915年和1917年英国人Twort和加拿大人d'Herelle分别发现噬菌体,也就是细菌病毒;同时期内还发现了若干植物类病毒。
研究技术进展
在人们不断的发现病毒并论证明与疾病关系的同时,研究病毒的方法也取得了显著的进展,尤其是在病毒的培养方面:应用实验动物、鸡胚和细胞培养技术,成功地分离和培养了许多动物病毒,对病毒学的发展起到非常大的推动作用。最早的实验动物接种是用所谓的本动物进行的,例如将牛痘浆接种犊牛或将健康鸡与病鸡同群饲养,以观察疾病的传染性等等。随着家兔、豚鼠、小鼠、大鼠和仓鼠等实验动物的成功应用,大多数的实验接种试验已经不再应用本动物。只是猪瘟、马传染性贫血和牛流行热等宿主范围狭窄的病毒性传染病,还常应用猪、马(驴)或牛等本动物作实验接种试验。实验动物是动物病毒学研究的基础工具,实验动物学的建立及其成就明显促进了动物病毒学的发展。实验动物的标准化是应用实验动物的基本要求。纯系动物以及无特异病原(specific pathogen free,SPF)动物、定菌(gnotobiotic)动物和无菌动物等的培育成功和应用,保证了病毒学研究的科学性和严密性。
二十世纪30年代早期,人们就已开始应用鸡胚培养病毒。由于鸡胚具有卵壳和卵壳膜的保护,除一些可经卵巢传递的病毒和细菌外,基本上保持无菌和无病毒状态。由于SPF鸡胚的成功培育,经卵传递性感染的可能性已被消除,鸡胚和近年来开始利用的鹌鹑胚一直是培养和研究病毒以及制造病毒疫苗的有效工具。当然,由于细胞培养技术的发展和应用,鸡胚的应用范围已经逐步减少,但对副粘病毒、正粘病毒、披膜病毒和痘病毒科的某些成员,还常应用鸡胚等进行病毒分离、滴定以及抗原和疫苗生产。
Steinhardt早在1913年等就在体外培养的家兔角膜上培养痘苗病毒。1923~1924年,Carrel应用鸡胚组织块培养劳斯肉瘤病毒,1927年又用于培养痘苗病毒。1929年,Andrews应用兔睾丸组织块培养兔病毒Ⅲ,Rivers等则用家兔角膜培养痘苗病毒,并发现规律性细胞病变和包涵体。1933年,Gey创立了单层细胞培养技术。1943年我国学者黄祯祥首先利用组织培养分离、滴定和鉴定西方型马脑炎病毒。1951年Dulbecco等采用胰蛋白酶消化组织培养法,获得了单层细胞培养,并开始应用人工合成培养液。
随着抗生素的普遍应用,体外培养细胞已经是分离、鉴定和大量培养病毒的简便而又十分有效的工具。动物和人类的绝大多数病原病毒就是通过细胞培养而分离和鉴定成功的。自五十年代以来,电子显微镜技术的建立和普及,为病毒形态结构及其在细胞内的形态发生学研究提供了有效的手段。
亚病毒的发现
在70年代,人们于植物中发现了一类新的致病因子,称其为类病毒(viroid)。类病毒只是单链共价闭合的RNA分子,没有蛋白质。随后在研究动物与人的一类被称为亚急性海绵样脑病的中枢神经系统疾病,如羊的痒疫(Scrapie)时,发现其病原体与病毒和类病毒完全不同,是一种完全是或主要是由蛋白质组成的大分子,未发现有与感染性直接有关的核酸的存在,故称蛋白侵染子(prion)或“朊”病毒(virion)。因为类病毒和“朊”病毒没有一般病毒“由核酸(RNA或DNA)与结构蛋白组成一定形态的病毒粒子”的模式,因此被称为亚病毒(subviruses)。亚病毒的发现,对病原学研究有着重大意义,有可能对生命的本质和起源以及遗传机理等生物学基本问题提供崭新的补充知识,甚至可能冲击这些领域中现有的某些经典理论。
分子病毒学的诞生与发展
如果说,1953年Watson和Crick阐明DNA的双螺旋结构,开创了分子生物学时代,那么,1955年证明烟草花叶病毒和随后的另一些病毒不仅可在适当条件下裂解为蛋白质和核酸,而且这两个组成成分还可重新建成感染性病毒粒子,1956年又进一步发现烟草花叶病毒和其他一些病毒的游离核酸本身就可以引起感染乃至导致典型疾病,则使病毒研究进入分子病毒学阶段。近20~30年内先后阐明了DNA和RNA病毒的增殖过程以及某些病毒基因的结构与其表达调控机理。许多病毒基因组的核苷酸序列已经全部或部分测知。病毒基因的克隆、修饰、测序乃至人工合成,已是分子病毒学实验室的常规技术。近年应用激光光谱仪,特别是X光衍射技术,测定病毒衣壳蛋白和一些病毒酶类的三级结构,取得了明显进展,不仅阐明了病毒与细胞受体以及病毒与抗体之间的结合部位及其微细结构,得以在分子水平上了解病毒感染的详细机理以及病毒免疫原在病毒粒子表面的分布、组成与立体构型,而且为抗病毒药的作用机制提供了确切的依据,也为病毒免疫原的利用、修饰和移植提供了可靠基础。
诊断病毒学进展
病毒病诊断同样经历了一个逐步发展和提高的过程。早先,人们主要根据疾病的症状和病理变化作出诊断,这对口蹄疫、痘病和流行性感冒等呈现特征性症状、病变和流行特点的病毒性疾病,尚有一定的可能性,但也经常发生与类似疾病的混淆;而对不显特殊症状的其他一些疾病,则根本无法作出正确诊断。20世纪以来,先后建立了实验动物接种、病毒分离鉴定和显微镜检查(包涵体和痘病毒等大型病毒的病毒粒子——原质小体)等病毒诊断方法,特别是电子显微镜技术,常可直接用于某些病毒性感染材料中病毒粒子的检出,进行快速诊断。免疫学诊断技术,如中和试验、补体结合试验、血凝和血凝抑制试验、凝胶扩散试验和乳胶凝集试验等亦相继建立和推广应用。40年代初建立免疫荧光技术,50年代发展了同位素标记技术,60年代有了酶标记技术,70年代以后建立酶联免疫吸附试验(ELISA),并出现了许多改良法。特别是单克隆抗体的应用以及特异性病毒抗原制备技术的改进,进一步提高了检测水平。近年来分子病毒学的发展,使诊断技术不受抗原抗体反应的限制:应用核酸电泳法可从粪便样品中直接检出轮状病毒等的RNA电泳图型。70年代在基因工程学基础上发展起来的核酸探针技术,已经广泛用于病毒实验诊断。1985年Mullis等人首创聚合酶链式反应(PCR)的DNA扩增技术,可使微量的目的基因或DNA片段在短时间内扩增几百万倍。PCR的高度敏感性和特异性,使其成为当前病毒学诊断上最受注意的一种新技术。
病毒疫苗研究进展
在病毒疫苗的研制上,由感染组织和随后以感染鸡胚的胚液或组织制备的疫苗,被称为第一代疫苗;以人工感染的细胞培养物制成的弱毒疫苗或灭活疫苗以及筛选异源或同源自然弱毒株研制的弱毒疫苗,属第二代疫苗;采用生物化学或DNA重组技术制备的亚单位疫苗、合成寡肽疫苗以及基因工程疫苗,则是第三代疫苗。基因工程疫苗包括:(1) 通过生物重组技术将野生毒株的表面抗原基因与弱毒株的其他基因组合构建减毒活疫苗株;这一技术途径适用于分节段基因组病毒,如流感病毒、轮状病毒和呼肠孤病毒等;(2) 将病毒的保护性抗原基因插入表达质粒,随后转化大肠杆菌或真核细胞等,再收集由其表达和产生的病毒蛋白作为免疫原;(3) 将保护性抗原基因插入痘病毒、腺病毒和疱疹病毒等DNA的非必需区,构建重组活载体疫苗;(4) 在DNA或cDNA水平上造成毒力有关基因的缺失,例如通过缺失突变等手段置换或使病毒株丧失某个毒力基因而降低病毒毒力的基因缺失活疫苗等等。
纵观动物病毒学的发展史,尤其是近年来的进展,我们坚信:我们在这一领域内逐步由必然王国走向自由王国,并且必将有效提高动物疫病的防制水平,保障畜牧业和养殖业的发展以及人畜健康。
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