人类冠状病毒的前世今生:从哪里来,又要到哪里去

2020-4-23 17:34:16 新闻来源:北京新闻网

   出品:新浪科技《科学大家》、未来论坛

  主讲嘉宾:金冬雁 香港大学霍广文伉俪基金精准医学教授

  编者按:

  人类冠状病毒到底有哪些?它们来源于哪些动物?在人类引起什么疾病?此次新冠病毒肺炎有哪些特点?其诊断、治疗和疫苗研制有哪些值得期待的进展与突破?全球大流行的走向和终局又是什么?

  从2019年12月31日宣布找到新冠病毒到今天,三个多月以来人类真实地见证了这个病毒。从发现到全球大流行,疫情的发展情况能这样被记录下来也是有史以来第一次。

  在这个过程中,中国科学家做出来很多的贡献:比如我们12月30日宣布找到病毒,1月12日测定核酸序列,然后很快和全世界分享了数据。当然也有不足之处,1月20日以前我们对于病毒的流行情况没有很好地把握,这是将来值得总结的。

  七种人类冠状病毒的储存宿主与中间宿主

  新冠病毒是第七个人类冠状病毒,这些病毒都是从动物来的。在天然的储存宿主内,有大量不同种类的病毒,一般情况下并不致病或者只引起很轻的症状。中间宿主往往是指从储存宿主到人之间或者到新宿主之间的宿主,中间宿主不一定是病毒的储存宿主,但是经过一段时间的适应中间宿主也可能变成储存宿主。

  这个概念好像比较复杂,举个例子说,艾滋病毒的储存宿主就是黑猩猩或者白顶白眉猴,流感病毒的储存宿主主要是水禽。HIV是有史以来世界上研究得最清楚的一个病毒,我们很多研究其它病毒的学者都可以从HIV的研究中学习到一些方法或者一些思路。

  上图是冠状病毒的结构,以SARS冠状病毒为例,SARS-CoV-2和它非常类似。结构中黄色对应的是纤突蛋白,绿色是核衣壳蛋白,灰色是膜蛋白,这些蛋白是谱系特异性的,主要是负责和宿主相互作用的辅助蛋白。这个冠状病毒是单股正链的RNA病毒,大概有3万个核苷酸。它的复制酶会被宿主蛋白酶水解,成为多种非结构蛋白。

  上图总结了人类冠状病毒的动物来源。人类的冠状病毒一共有7种,最早的有两种,一种是229E,一种是OC43。2003年出现SARS,2012年以后出现MERS(中东呼吸综合征病毒)。过去冠状病毒不太受重视,长期以来研究都比较少。主要原因是大家认为冠状病毒只会引起普通感冒,比流感还要弱,229E是这样,OC43也是这样。但是SARS的出现完全颠覆了这个观念,SARS的致死率达到将近10%。后来MER比SARS的致病性更强,病死率达35%到40%,这些都改变了人类对冠状病毒的认识。

  2003年SARS爆发后,科学家发现了两种新的人类冠状病毒,一种叫HKU1,一种叫NL63。这两种病毒和前面两种病毒一样,只引起普通感冒。所以这四种病毒(HKU1、NL63、229E、OC43)不需要其它动物宿主,常年出现在人类群体中,我们叫它社区获得性人类冠状病毒。

  第七种病毒就是这次发现的新冠病毒SARS-CoV-2。我认为新冠病毒是介于这两类病毒之间的新病毒,它兼有两者的特点,所以它将来到底向哪个方向走还有待研究和观察。

  这些人类冠状病毒,经过多年的研究,特别是香港大学袁国勇教授、新加坡国立大学及杜克大学王林发教授、中科院武汉病毒所石正丽教授他们的研究,很清楚地说明这些冠状病毒来自于蝙蝠。其中这五种很肯定都是来自于蝙蝠,所以蝙蝠就是这些病毒的储存宿主。其中有一些我们也知道了它们的中间宿主,最清楚的就是MERS的中间宿主单峰骆驼。229E的中间宿主可能是羊驼,也可能是骆驼,或者直接从蝙蝠传染人。管轶教授找到SARS-CoV的中间宿主是果子狸。SARS-CoV-2的中间宿主有可能是穿山甲,但并无定论。0C43和HKU1,一般认为它们来自鼠类,0C43的一个重要的中间宿主是牛。

  再回过来说一下MERS-CoV的中间宿主单峰骆驼,MERS-CoV最早来源于蝙蝠,但是病毒在骆驼里已经适应了,所以骆驼从一个中间宿主也变成了储存宿主。该病毒感染骆驼后致病性比较低,不会把骆驼杀死。

  有一个重要的信息要提醒大家注意,这四种现在只引起普通感冒的人类冠状病毒,它们以前是怎么样的呢?有历史记载的线索表明,OC43在1890年前后从牛传播到人,牛的OC43病毒和人的很像。1890年前后当时也有一次呼吸道病毒的全球大流行,病征有点像SARS-CoV-2,是比较严重的。所以有一种观点认为,只引起普通感冒的这四种病毒,当它们第一次从动物传到人的时候,也引起过一次比现在症状要严重的全球大流行,这也是回顾人类冠状病毒的历史给我们的一些启发。

  关于人类冠状病毒来自蝙蝠的证据是由华人科学家首次发现的,2003年SARS发生以后很多科学家仍然坚持追踪做深入的研究,不是停留在表面功夫,这些是非常值得我们钦佩的。这两组主要的科学家,第一组是香港大学袁国勇教授、胡钊逸教授和刘嘉珮教授,另一组是当时在澳大利亚的王林发教授,石正丽教授那时也在他实验室,石正丽教授后来也一直坚持研究蝙蝠病毒,是中国内地在此领域内最优秀的科学家之一,他们两个团队的奠基性贡献,说明蝙蝠是多种人类冠状病毒的一个进化上的储存宿主。当然除了冠状病毒,蝙蝠也是很多其它人类病毒的储存宿主。蝙蝠是唯一会飞的哺乳动物,抗病毒能力特别强,感染后产生的干扰素特别多。

  单峰骆驼是MERS冠状病毒的中间宿主,在中东地区的单峰骆驼里常年都找到MERS病毒,它由中间宿主变成了储存宿主。而SARS-CoV只在特定的野生动物市场找到,果子狸受感染后也有症状。在农场饲养的或者天然的果子狸体内也找不到SARS病毒。因此推断果子狸可能是SARS病毒的一过性中间宿主,其重要作用是通过把病毒传给人而扩大人类的感染规模。

  MERS-CoV则是每次由骆驼反复传给人,在人里面有限传播,并没有在人里面立足。SARS也是一样,我们采取了果断的措施把果子狸控制以后就没有再发生果子狸传给人的情况了。MERS不是这样,中东地区的人民和骆驼的关系太密切了,他们不能把所有的骆驼都杀掉,因此从2012年一直到现在它还是不断散发性地传染给人。这就是MERS和SARS的情况。这两种病毒在人里面是不会持续传播的,传几代以后就不复存在了。

  SARS-CoV-2是什么情况呢?石正丽教授在发现这个病毒不久以后,在中华菊头蝠里找到了一个和SARS-CoV-2有96%同源性的病毒。这种情况和SARS-CoV是非常相像的,袁国勇教授和王林发教授也在蝙蝠中找到和SARS-CoV有95%同源性的病毒。对于中间宿主来说,在果子狸里面找到与人的SARS病毒99.9%相似的病毒,但是在穿山甲里面,特别是从马来西亚或者东南亚走私到中国来的穿山甲,其携带的β冠状病毒和SARS-CoV-2只有90%左右的同源性,比蝙蝠病毒还低。但是也不是说完全没有贡献,它的受体结合结构域和人的SARS-CoV-2比较相似。所以蝙蝠和穿山甲中发现的两种病毒和人里面发现的SARS-CoV-2到底是何种关系,还需要更多的研究才能够解答。

  我们研究病毒的人,很多都想到HIV里面找一些答案或者找灵感和思路。经过很多病毒学家多年的追踪,他们发现目前在人里面有两种HIV:HIV-1和HIV-2。其中HIV-1来自于黑猩猩,HIV-2来自于白顶白眉猴。但是再深入的追踪后发现其中还有很复杂的关系。我们比较它们基因组的差异、进化关系、地理位置是否重合等,最后找出了原因,人们食用动物或者拿它们当宠物造成了病毒从动物到人的传播。

  我们将宿主和病毒全基因组进行比较,发现新冠肺炎病毒和蝙蝠RaTG13是最接近的,跟马来西亚的穿山甲相似度要远一些。但是如果我们只比较它们的受体结合域情况,会发现跟菊头蝠相比,新冠病毒跟穿山甲更相似一些。蝙蝠全基因组和新冠更像,但是受体结合域只有75%的同源性,而穿山甲全基因组只有90%同源性,但是受体结合域达到97%,这个工作也是管轶教授和林赞育博士作出的重要贡献。

  新冠病毒动物溯源

  如何解决SARS-CoV-2的动物溯源问题?如果真正要解决这个问题,就要在动物体内找到与新冠病毒全基因组同源性达99%以上的病毒。如果说它最早来自于蝙蝠,那么在蝙蝠里面找到一个和新冠达到99%以上同源性的病毒就能够提供一个证据。如果说它直接来自于穿山甲,那就要在穿山甲里面找到一个全基因组和它非常相像的病毒。因为现在找到的是马来西亚的穿山甲,也可能别的区域的穿山甲里面可以找到更加接近的,现在还不清楚。

  上图是七种人类冠状病毒之间的比较,包括HKU1、SARS、MERS,当初我们继续做溯源工作已经在蝙蝠中找到了HKU9、HKU4,曾经预测这些蝙蝠病毒可能将会在人类群体中找到。果然,几年后在中东就发现和HKU9最相似的MERS冠状病毒,这也是胡钊逸教授和刘嘉珮教授长期坚持做蝙蝠病毒研究的成果,为后来MERS冠状病毒的研究、诊断和溯源提供了很重要的线索。所以我们做动物溯源的工作还是有一定的意义。

  冠状病毒是如何进行复制的?

  冠状病毒的复制过程大部分是从小鼠肝炎病毒了解到的。ACE2受体是SARS-CoV和SARS-CoV-2病毒进入宿主细胞的受体,进入细胞后,病毒脱壳,正链RNA变成负链RNA,负链RNA再变回基因组正链RNA,这叫复制。然后由负链RNA转录产生一些亚基因组mRNA,翻译成蛋白,然后组装成病毒颗粒,最后释放,这是病毒复制的完整过程。现在有应用的一些抗病毒的药物,其实都是抑制它不同的作用点。

  上面表格中比较了七种不同冠状病毒的特点,潜伏期多数在一周内,MERS和SARS稍微长一点,SARS-CoV-2大部分还是比较短的,介于这两者之间。人类冠状病毒有季节性,但是SARS-CoV-2是否具备季节性还是未知的。但总体来讲它的致死率是比较低的,前段时间全世界的统计致死率只有3.5%,现在可能更高了一些。

  人类的冠状病毒229E、OC43、NL63和HKU1,它们在人类里面有非常好的适应性,不需要动物中间宿主就已经在人里面传播了。它们会引起普通感冒,可以在社区里面获得,常年在人里面存在。它会造成感染,而且传染性非常强。但是SARS和MERS需要一个动物的中间宿主,它们还没有完全适应,致病性比较强,致死率比较高,但是人传人不能够持续,用隔离的方法能够很有效地控制。SARS-CoV-2是介于两者之间的,它与SARS-CoV很相似,但是传染性更强而致病性更低,不过致病性仍旧要比其它的人类冠状病毒高。

  讲到新冠病毒,特别要指出的是袁国勇教授和陈福和博士,他们从1月10日开始就进行了深入细致的家系研究,这需要非常有好的洞察力、领导才能以及求真务实的精神。大家可能没有注意到这项工作的重要意义,他们在1月17日就完成了这个工作,他们发现了什么呢?第一,以确凿证据提出来病毒可以人传人,而且在家庭范围内,它的传播率达到83%。在深圳的7个人里面,6个人被感染了,再回溯他们的家庭,包括在武汉的成员在内共有83%受感染,确切表明病毒的传染性比较强。同时他们也注意到患者有腹泻症状,而且还找到了一个无症状的10岁男孩,但是核酸检测阳性。我们现在有8万多确诊病例,但是他们最早在1月初的时候就把病毒的流行特点和重要特性全部都搞清楚了。最早收治的病例是1月10日,里面有一个无症状的感染者。

  他们的工作非常值得大家比赞,对逆转疫情防控的被动局面作出了关键性贡献,为国家制定正确的防控策略提供了科学依据。由此可见,无论是基础的还是临床的工作,其实对于疫情防控都可以起到重大作用的。这个工作也体现了香港大学的价值和香港大学深圳医院的重要地位和作用。

  加强对无症状携带者的监测和研究,从1月17日发现至今我不断呼吁,还有其他很多科学家也在呼吁,现在我们终于重视了。我们要注意他们的病毒载量是高是低?两者比例如何?病毒的释放情况如何?这些都是非常值得弄清楚的。除了无症状的外,还有一些在潜伏期就有传染性的,还有一些病人症状非常轻的,这些人的病毒传播情况也需要引起重视。

  这些无症状者到底是什么情况?我认为有两种情况,一种是像储存宿主一样,是不致病的。像流感病毒在水鸟里是无病的,艾滋病在黑猩猩和白顶白眉猴里也是不致病的。而人类冠状病毒也有比较多的无症状携带者,一种情况可能是他们抗病毒反应比较强,病毒的复制受到一定抑制,这种情况下他们的病毒载量是比较低的。另一种情况是比较糟糕的,HIV在猴子和黑猩猩里面,病毒的复制和免疫反应脱钩了,虽然被感染了,但是免疫反应很弱,这种情况下他们的病毒载量就比较高,也比较危险。这两种情况所占的比例非常值得弄清楚。

  冠状病毒如何进行特异性诊断

  特异性诊断还是靠逆转录PCR,即聚合酶链反应来检测病毒的核酸。如果用抗体检测,可以使用胶体金的办法检测抗体的IgG和IgM,也可以使用ELISA检测抗原抗体。现在最重要的还是依赖核酸检测,抗原抗体的检测刚刚开始,抗原试剂质量还要获得国家批准。其中有一个问题是复阳,有些人发现核酸检测两次阴性以后过一段时间再检测呈阳性,这是为什么呢?我认为这种情况最大的可能还是没有测准,就是说检测为阴性的时候这个病毒还没有被清除。而且在新冠治疗方面我们注意到,病例里面使用类固醇激素相当普遍,而某一些中药也有类似类固醇的特性。国际上已经知道对其它冠状病毒来说类固醇激素的使用会延长病程,病程的延长对疾病的预后是否有影响还值得进一步研究。之前SARS-CoV发现在肠胃道一直有病毒的释放,持续时间短则一个月,最长可达两三个月。因为肠道黏膜免疫的关系,即使血液里已经有中和抗体也不能保护肠道。

  上图是核酸抗原抗体的变化,以HIV为例,它的RNA是红色的峰,抗原是绿色的峰,抗体是蓝色的峰。

  上图是RT-PCR检测方法,主要是通过荧光定量PCR作出检测,是我们现在做特异性诊断的看家法宝。

  上图是使用胶体金的办法做抗体检测。

  当然还可以用更简便的方法就是ELISA,既可以测抗体,也可以测抗原,如果要测抗体就要生产高质量的抗原,如果要测抗原就要有高质量的抗体。

  新冠病毒该如何治疗

  其中一种办法是老药新用,使用干扰素、利巴韦林、RNA聚合酶的抑制剂、瑞德西韦以及恢复期的血清。美国FDA最新紧急批准了两个药品用于新冠治疗,一个是恢复期血清,另一个是磷酸氯喹。我们从第一版到第七版的诊疗里面都还允许使用类固醇,我想重点讲一下我对这个问题的分析和看法。

  先来看一下这些药的作用机理,利巴韦林是抑制mRNA帽的合成,从而阻断病毒RNA的转录,所以它是广谱抗病毒。干扰素有显著抗病毒的活性和免疫调节的活性。磷酸氯喹对自噬过程有些影响。

  人体是靠自身免疫来战胜病毒的,但是免疫反应同时引发了症状,包括细胞因子风暴以及肺的炎症。我们大部分药是抗病毒药,把病毒消除了,这些症状都会减缓。大家知道类固醇激素抗炎症反应立竿见影,但是抑制住免疫,就无法控制住病毒了,反而会大量增长。因此我从2004年开始就一直非常反对用类固醇治疗SARS或者新冠。

  我们从文献中发现瑞德西韦对一般的社区获得性冠状病毒都有效,对于SARS-CoV和MERS-CoV也有效,也找到了它的作用位点主要是聚合酶以及具有校正功能的外切核酸酶。

  再讲激素,激素对冠状病毒的作用,很久之前就有很好的研究。1964年发表于PNAS的工作,发现老鼠或者细胞不能被小鼠肝炎病毒感染的,如果给予激素马上就能被感染。1969年发表于Gut的论文,从细胞水平到动物水平都进行了非常细致的研究。

  我想提醒大家注意的是,他们看到高剂量类固醇促进病毒复制并增强病理反应的效果最强,但即使每天仅使用低剂量的0.05mg氢化可的松或者0.1mg的泼尼松龙仍然可以看到对病毒复制的刺激效应。类固醇的使用能刺激病毒复制增加50到1000倍。对于SARS-CoV,当年香港总结的经验也是认为类固醇使用会造成更多的死亡,而且病情也更严重。对于MERS的研究也清楚表明类固醇会延长病毒的清除。

  我们从HIV里面可以学到很多,从HIV的复制周期来看,抑制病毒融合有抗融合的药,抑制受体结合有抗受体结合的药,然后有逆转录酶和蛋白酶的抑制剂。蛋白酶抑制剂能用于HIV也可以用于新冠。姜世勃教授就是这方面的先驱者,通过了解病毒表面的蛋白和细胞受体之间相互作用,然后抑制病毒和细胞的融合。

  姜教授研发的药物主要抑制病毒表面的纤突蛋白中的两个螺旋区HR1和HR2之间的相互作用,抑制了它们的相互作用就可以达到抗病毒的效果。同样的原理可以应用到新冠,这些都是很值得我们研究的方向。

  我们从HIV可以借鉴这些治疗药物,包括抑制病毒进入细胞的药物、蛋白酶抑制剂、复制酶抑制剂、解旋酶抑制剂、细胞标靶药物以及抗炎的药物,这些都是值得研究和试用的。抗炎药物中有白介素6受体的抗体,能够抑制白介素6作用,目前用于抗击新冠的细胞因子风暴已经有比较好的效果。而细胞的标靶药物中,TMPRSS2蛋白酶可以把SARS-CoV或者SARS-CoV-2的纤突蛋白切割成S1和S2,抑制此酶也确实有抑制病毒复制的作用。

  下面简单讲讲疫苗。疫苗包括多种类型,有灭活疫苗,有死疫苗,有一些是用载体送递的,还有一些亚单位疫苗,蛋白质疫苗,DNA疫苗和mRNA疫苗。

  脊髓灰质炎病毒的预防最初是用灭活疫苗或者减毒活疫苗。疫苗的研制过程数以年计,过去很多病毒学家终生就做了一两个疫苗,他们留下来的就是我们的财富。

  DNA疫苗,可以用不同方式送递,可能是裸露的DNA,也可能把它包被进纳米颗粒。DNA疫苗可以直接作用于抗原呈递细胞,或者间接做肌肉注射/皮下注射后再把抗原呈递给抗原呈递细胞,去激活B细胞和T细胞,分别激活抗体免疫和细胞免疫。所以DNA疫苗的优点是可以同时激活细胞免疫和体液免疫。

  DNA疫苗的优点是相对蛋白质疫苗研制比较容易,但缺点是免疫原性特别差。因为DNA会整合,为了解决这个问题又研发了mRNA疫苗,从cDNA产生mRNA,或者这个mRNA可以用体外转录甚至合成的方法做出来,然后通过mRNA直接在细胞质里表达出蛋白,蛋白的抗原传递给呈递细胞去激活免疫。当然我们增加mRNA送递的办法,可以用这种脂质体的纳米颗粒包成像病毒一样增加其稳定性和抗击RNA酶的能力。

  mRNA疫苗是美国第一个批准做人体安全性试验的疫苗。我们国家批准的是一个腺病毒疫苗,我们利用腺病毒载体去呈递新冠的纤突蛋白,但需要注意腺病毒是否会引发免疫反应。这些方法都可以用于研发新冠疫苗,最简单的当然是灭活疫苗。把病毒收集起来用福尔马林或者紫外照射杀死来制备灭活疫苗,但是安全性有隐患。

  过去SARS疫苗有一些已经进行了人临床试验,有一定效果。但是安全性和有效性还是值得研究。比较有挑战性的是制备一个减毒活疫苗,减毒活疫苗的优点是可以刺激全面的免疫反应。或者制备亚单位疫苗,只表达一些病毒的亚单位。或者是利用病毒载体制备的疫苗,例如此次利用腺病毒表达纤突蛋白的疫苗。

  目前的情况下每一种疫苗都值得尝试,哪一种能成功我们就用哪一种。新型的疫苗中涉及到重组DNA、二代测序或者结构生物学都可以使疫苗做得更好。即使疫苗不是很理想,但是有好的免疫效果还是可以使用。

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