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武汉病毒所石正丽:一直提醒预防,没想到疫情就发生在自己生活的城市
时间:2020-03-20  
     
为传播科学知识,破除新冠谣言,襄助战胜疫情,由钱颖一、饶毅、潘建伟三位学者共同发起的非营利性公益组织“智识学研社”联合“腾讯基金会”最近邀请到六位顶尖专家开展系列科普公益直播活动“2020科学抗疫”。
 
此次系列直播活动旨在为抗击疫情留存科学的记录和贡献,使每一位关注科学、关注疫情的观众都能聆听到专业、详实的分享。
上周,《知识分子》分享了复旦大学分子病毒学家袁正宏带来的第一讲:病毒为何经常光顾人类。今天,我们继续推出分子病毒学家、中国科学院武汉病毒研究所新发传染病研究中心主任石正丽带来的第二讲:“知己知彼——了解新型冠状病毒”。
 
讲者 | 石正丽
整理 | 王心玥
编辑 | 李   娟
 
非常感谢智识学研社邀请我给大家讲有关新型冠状病毒的研究进展。今天我的讲座的题目是《知己知彼,了解新型冠状病毒》,其实到今天我们认识新型冠状病毒也就两个月零10天,离 “知己知彼” 还差得很远。不过,这是公众以及研究资助机构对科学家的要求。我们将按照这个要求,进一步去研究新型冠状病毒,希望有更多的知识分享给大家。
 
病毒的基本特征
 
首先,我简单介绍一下病毒的基本知识。
 
病毒是一类很小的介于生命与非生命之间的生物大分子,大概在15纳米到1800纳米,形态多样,有丝状、弹状、球状的。病毒无处不在,有生命的地方就有病毒的存在,在我们的环境中,水、土壤、人体、动物体内都是有很多病毒,但只有很少病毒可以感染人类。病毒需要在细胞内寄生,不能自主复制。如果病毒离开细胞,体外存在几个小时或者是几天就会灭活,要一直等到遇到下一个敏感细胞以后,病毒才能够继续完成生命周期。病毒的遗传物质要么是DNA,要么是RNA,没有DNA和RNA同时存在的这种情况。
 
很多人都会把病毒和细菌混在一起,但是它们是非常不同的。首先,就大小来说,病毒是纳米级的,细菌是微米级的,所以只能在电子显微镜下才能观察到病毒的形态,而普通显微镜下就能观察到细菌。其次,病毒是一个核酸和蛋白质的复合物,只有进入到细胞和动物体内才能够完成生命周期。而细菌是有细胞结构的,在体外可以进行细菌培养。举几个例子,大家经常见到的病毒有流感病毒、乙肝病毒、SARS病毒以及正在流行的新型冠状病毒;常见细菌有结核杆菌、伤寒、布鲁氏杆菌等。最后,针对病毒与细菌感染的治疗方法也是完全不同的。治疗病毒性疾病需要用抗病毒药物治疗,细菌用抗生素。抗生素对病毒性疾病是没用的,反过来抗病毒药物对细菌也是没有用的。
 
冠状病毒的名字里为什么有个 “冠”?这是从电子显微镜下拍到的冠状病毒形态而来。在这类病毒丘状表面上有一些颗粒凸起,就像中世纪皇冠上面的明珠。在冠状病毒表面蛋白中,有一种名叫刺突蛋白。刺突蛋白主要在病毒感染细胞的过程中发挥作用,它会和细胞受体结合,然后进入细胞,来完成它的生命周期的第1步。除了刺突蛋白以外,还有一些其他组成蛋白,比如基质蛋白M蛋白、小囊膜蛋白E蛋白,一起组成坚固的外壳来保护病毒的遗传物质。在冠状病毒内,还有一种核衣壳蛋白,和遗传物质紧紧包裹在一起,以保证遗传物质不会被降解。
 
冠状病毒的直径大小是120~140纳米,它是一类有囊膜的单链正义RNA病毒,也是RNA病毒里基因组最大的病毒。
 
冠状病毒科的分类很简单,虽然现在有更高一级的分类,随着病毒的发现越来越多,有更高级别的分类,常见的是在科水平。我们平时说的冠状病毒指的是冠状病毒科下边的冠状病毒亚科的成员。在冠状病毒亚科里面有4个冠状病毒属,分别是阿尔法、贝塔、伽马和delta冠状病毒。其中阿尔法和贝塔冠状病毒是占了29种。这29种主要是感染包括人类在内的哺乳动物。伽马和delta冠状病毒主要感染禽类,但是最近也发现这两个属的病毒也可以感染哺乳动物,比如伽马冠状病毒可以感染海狮,delta冠状病毒可以感染猪和马,造成家养动物的经济损失。
 
冠状病毒与疾病
 
冠状病毒和人类的关系很密切。我们对冠状病毒的认识是在2003年SARS爆发以后,认识到冠状病毒是可以引起人类的严重疾病的。在2003年之前,只有两种冠状病毒被发现,他们是人类冠状病毒的229E和OC43,只是引起普通的感冒,在一些年长的人或者免疫缺陷的人中可能会引起严重肺炎。除了这两个致病轻微的以外,还有两种冠状病毒NL63和HKU1也会引起轻微感染。这4种冠状病毒引起的疾病是自限性的,我们可以抵抗它们的感染。
 
这4种病毒都已经在人群里边安寨扎营了。但还有其他3种冠状病毒会引起严重急性肺炎。一个就是2003年的SARS病毒,另一个是2012年在中东爆发的MERS病毒,再现在正在流行的2019新型冠状病毒。它们的共同特点就是会导致人类严重急性肺炎。
 
而动物冠状病毒和动物的疾病关系内容就更多了。
 
实际上,我们对冠状病毒的认识大部分来源于对动物冠状病毒的了解,其中一个就是鼠肝炎病毒。与人冠状病毒引起呼吸道疾病不同,大部分动物冠状病毒会引起肠胃炎,该疾病会造成家养动物的经济损失。这里我想提一下,我们看到在前面动物冠状病毒发现时间都在1960年代和1970年代,但实际上2014年发现的一个delta冠状病毒的感染也会造成胃肠炎。还有一个值得提的就是猪急性腹泻冠状病毒,是2017年我们和其他两个团队在广东猪场发现的,我们命名为SADS冠状病毒,是近几十年来发现的第1例由蝙蝠冠状病毒跨种感染给猪的。所以这个病毒和新型冠状病毒不是同一病毒,甚至都不在同一冠状病毒属。
 
那么,我们为什么称之为 “新冠状病毒”?实际上,对所有新发传染病来说,只要没有在历史上发现过此类病毒感染,没有找到已知的遗传信息,我们都会认为是新的病原。所以每一次发现一个新的冠状病毒,我们都会把它叫做新型冠状病毒。比如说我们在2018年发现的感染猪的冠状病毒,刚开始也把它叫做新型冠状病毒。
 
这次2019年新型冠状病毒在人类的流行病史上没有被发现过,在公开基因库里也没有此病毒的遗传信息,对这类病人也没有针对性的治疗药物和预防性的疫苗。尽管最初的致死率不高,但我们对这个病毒了解的太少,对新的致病机理不了解,这就容易造成恐慌,产生各种各样的不真实信息。
 
鉴定过程
 
在流行性疾病发生以后,第一件重要的事情就是要对病原进行识别。
 
接下来,我会向大家介绍一下我们团队在2019年12月30号拿到7个病人样本后的短短6个星期内做了些什么工作:
 
从我们30号拿的样本到完成病原体鉴定,用了不到6个星期完成整个科赫氏法则的验证(注:科赫法则是传染病病原鉴定的金标准)。当年SARS的时候完成这个程序用了5个月。所以说,我们快速的反应以及前期的技术积累为这次工作奠定了很好的基础,而这次的工作又为后续药物的筛选、疫苗的研制都打下了非常好的基础。
 
命 名
 
新的疾病来袭,完成了病人的鉴定,我们就需要对其命名。命名是要遵循一些规则的,世界卫生组织最开始就把病毒命名为 “2019新型冠状病毒”,把该疾病命名为”冠状病毒疾病“,而卫健委的命名是 “新型冠状病毒肺炎”。最近,世界卫生组织和卫健委达成了协议,全世界都用统一的名字,即冠状病毒疾病 COVID-19。 
 
在命名的过程中,我们还有一个国际病毒学命名委员会的命名。国际病毒学命名委员会有针对不同科病毒的专业小组,这些专业小组负责对新发现的病毒进行命名,他们的命名是严格按照病毒的基本特性、基因组序列和已知病毒之间的关系,所以比较学术化。
 
由于新型冠状病毒和SARS病毒之间有一定的亲缘关系,国际病毒学命名委员会把这个病毒命名为 “SARS冠状病毒2”。这从学术上面讲是没有问题的,但是实际上新型冠状病毒和SARS病毒之间还是有很多差别,不仅是基因组差别,还有流行病学、致死率等不同。所以我们中国病毒学专业委员会的几位成员希望能够给病毒另一个名称,一个俗称,最近我们建议把它命名为 “人冠状病毒19”,即HCoV-19,主要是为了对应前面说的其他人类冠状病毒。
 
临床症状
 
新型冠状病毒潜伏期最长到14天,但是大部分是在3~7天,这就是隔离14天的依据。大多数被感染患者最开始症状是发热、干咳、乏力, 有一些会引起肺炎,还有少数人会有流涕、咽痛、胸闷、腹泻。
 
根据最近的流行病学的分析,80%以上的患者是轻症的,还有少数患者是没有症状和没有肺炎表现的。最严重的重症患者主要来源于老年人和有基础疾病史的人。所以这个疾病虽然传染性很强,但是很多人能够用自己的免疫力去战胜它。因此我们更要关注的是危重人群,也就是敏感人群,把医疗资源让给这部分人。
 
传播途径及感染特征
 
和其他呼吸道传播的疾病很相似,新型冠状病毒也是通过呼吸道飞沫进行传播,可以通过人和人之间的接触传播。病毒也可存在于粪便和尿液里。因此,除了戴口罩、进行隔离以外,还应该注意个人卫生,勤洗手。
 
最近讨论也比较多的是到底有没有气溶胶传播?气溶胶传播在病毒的传播过程中并不是主要的,在一些特定的环境比如说医院、高密度高聚集的人群里面,可能会有些气溶胶的传播,但是不是主要的传播途径,所以大家不要慌。
 
这个病毒主要是感染呼吸道、肺部的上皮细胞。但是病理解剖发现,在重症以及死亡病人中存在多器官感染,除了肺部,心肝肾肠都有病毒感染,说明这个病毒还是一个全身性感染的病毒。
 
感染病患的诊断方法
 
在诊断方面,首先依靠流行病学史,比如有没有到过华南海鲜市场,有没有和患者接触等,还要依靠肺部影像学检验,还有分子核酸检测。核酸检测是目前作为诊断的常用手段,但也存在假阴性现象,这是为什么呢?
 
因为这个病是下呼吸道感染疾病,取样检测的时候,如果让医护人员进行肺泡灌洗,在下呼吸道取样是非常危险的。取样的质量不好或者取样时间不对,就有可能造成假阴性。这时可用其他方法进行补充,比如多点取样、多样本取样,不仅要取咽拭子,还可以取粪便、血液;不仅做核酸检测,还可以做血清抗体检测。这样就可以提高整个阳性诊断率。
 
在过去,没有分子生物学手段的时候,采用病毒分离进行诊断是一个金标准。在目前出现大量病例的情况下,我们是不可能去做病毒分离的。但是在做病毒鉴定的时候,是一定要分离到病毒的。
 
基因组特征
 
大多冠状病毒其实长的都一样,大小也一样,很难去通过表面判断病毒的差别。我们判断的标准是根据它的基因组特征。
 
冠状病毒是一个单链正义的RNA病毒。我们可把整个冠状病毒基因组比作积木,编码每个蛋白的基因就像积木上的一个个模块,下图左边部分的基因编码的主要是和病毒复制和转录相关的蛋白,相对来说在同种病毒之间比较保守。右边的这部分基因主要编码组成病毒外壳的结构蛋白,蓝色部分编码的是一些散落在结构蛋白之间的附属蛋白。之所以称为附属蛋白,是说即使删除这些基因,也不会对病毒复制造成影响。在同种病毒之间,变异最大的就是附属蛋白。非结构蛋白以及结构蛋白在同种冠状病毒之间是相对保守的。
 
 
这里我想重点强调一下新型冠状病毒和其他冠状病毒之间的基因组差别。如上图所示,我这里比较的是MERS冠状病毒、SARS冠状病毒,还有最近刚刚公布的穿山甲冠状病毒以及蝙蝠冠状病毒。
 
新型冠状病毒和蝙蝠类、穿山甲冠状病毒是很相似的。最相似的一点在哪里呢?请注意负责病毒吸附并融合细胞的S蛋白上面标有红色箭头的位点是 furin(PRRA)酶位点。有这个位点S蛋白很容易被酶切开,病毒的感染性可能就会很强。在人类新型冠状病毒里面,就出现了这么样一个位点。
 
这个位点在蝙蝠冠状病毒里面是不存在的,所以大家会问这个位点是不是人为插入的。现在我告诉你,这个位点在自然界是存在的。刚刚泰山医学院史卫峰教授发表了一篇预印本文章,他在蝙蝠的一株冠状病毒S蛋白序列相同位置发现了3个氨基酸(PAA)插入位点,这就说明它不是人为插入的,而是在蝙蝠种群里就有的。所以配资公司 人为插入的问题,我在这里也给大家解释清楚了。
 
我们看到在新型冠状病毒、蝙蝠冠状病毒、穿山甲冠状病毒的S基因比SARS病毒、MERS病毒都要长。长的地方就是图示的蓝色三角的点。这部分不仅在新型冠状病毒里边存在,在蝙蝠、穿山甲里面都存在,所以这些插入的位点都是自然进化而来。 
 
就整个基因组序列来说,与新型冠状病毒最近的是蝙蝠冠状病毒TG13,近似性达到96%;再远一点的是穿山甲两个病毒株,一个是85%,一个92%;再远一点的就是SARS,只有79%, MERS病毒就更远了。那么,怎么去判断这个病毒到底是和SARS近还是远呢?如果我们光看79%,为何又说它们属于同一个种?
 
S基因进化分析
 
一个新的病毒被发现后,我们首先要分析它的进化地位。下图是通过生物信息学绘制的分子进化树,这里列出的是感染人类或者其他哺乳动物的阿尔法和贝塔冠状病毒。其中大部分病毒是从蝙蝠里检测到的。
 
这里我们重点要看图片上方 Sabecovirus 的部分,即SARS样冠状病毒的种,它具有非常广泛的多样性。进一步细化分析可以将其分为四簇。簇1包括SARS在内的还有蝙蝠SARS样冠状病毒,簇3包括穿山甲冠状病毒、新型冠状病毒和蝙蝠来源的冠状病毒TG13,簇2和4都是来自于蝙蝠的。簇1和3已经出现了病毒跨种感染到人的事件,那么它们发生了哪些更细致的变化引发跨种感染呢?这就要看S蛋白的更精细的序列。
 
有关SARS病毒的研究表明,SARS病毒可以用ACE2作为受体,与SARS的结合最紧密的ACE2关键位点叫受体结合基序(RBM),见上图左上角的晶体结构。我们把受体结合基序拿出来进一步分析,发现SARS样冠状病毒又可以分为两簇,一簇是长的,包括SARS、新型冠状病毒,一簇是短的,包括蝙蝠来源的ZC45等。
 
我们在前期研究中就发现蝙蝠来源的WIV1和SHC04是能够用ACE2做受体的,现在知道SARS、新型冠状病毒也是可以的,所以我们推测穿山甲冠状病毒以及RaTG13应该也是可以用ACE2作为受体的。
 
这个解析的分子结构告诉我们,这一类病毒都有可能使用ACE2做受体,也就是说都可能存在跨种感染人的风险。
 
自然宿主与中间宿主
 
经过以上基因组分析、进化关系分析,我们想问的是这些病毒到底是从哪里来?是跟穿山甲有关系,还是跟蝙蝠有关系?这里就涉及到一个自然宿主和中间宿主的问题,蝙蝠是自然宿主吗?穿山甲是中间宿主吗?要进行合理的判断,还需要一些分子证据。
 
作为自然宿主,必须是长期携带与某一人类病毒有亲缘关系的病毒、携带的病毒具遗传多样性、携带病毒的动物不发病,而且与中间宿主有生态交集。
 
首先来说蝙蝠,占哺乳动物的20%,也是携带病毒最多的哺乳动物。然后是占哺乳动物30%的啮齿类动物,也是很多病毒和细菌的携带者。再就是禽类,野禽是高致病禽流感病毒的自然宿主。它们都有可能和一些家养动物或者是驯养的野生动物有生态交集。
 
作为中间宿主,肯定要与野生动物有生态交集,它偶然被野生动物携带的病毒感染,并且产生群体的流行,能够在家养动物中流行且要发生变异。然后,这些中间宿主和人有密切接触机会,才能够把病毒成功传到人类。最主要的证据就是分子证据。如果在某一类中间宿主检测到了和新型冠状病毒达到99%一致度的病毒,就可以确定这一类宿主就是其中间宿主。但遗憾的是,穿山甲病毒中一致性最高的是92%的基因组,蝙蝠中最高的是96%,这两个病毒都不可能在短时间内跨种感染人并快速进化到新型冠状病毒。
 
穿山甲里边有两株病毒呈现出了遗传多样性,蝙蝠携带病毒的遗传多样性就更广了。所以我们能不能大胆推测穿山甲也有可能不是中间宿主而是自然宿主呢?只有分子证据才能够给我们确凿的答案。因此,到现在,新型冠状病毒的中间宿主还是未知。
 
溯源工作是一个长期漫长的工作,我们要给科学家一定的时间和耐心,让他们去寻找最终的中间宿主。找到中间宿主就可以回答“新型冠状病毒会不会再回来”,因此这项工作非常重要。
 
下一个“新”冠状病毒
 
大家可能要问:下一个冠状病毒会不会出现?我推测这是大概率事件,但是我们不知道什么时候什么地点哪一种冠状病毒会来。
 
SARS爆发以后,我的团队以及国内其他团队都开始找SARS病毒的自然宿主。我们十几年的工作发现,在我国11个省市的蝙蝠种群里面都检测到了蝙蝠SARS样冠状病毒,其中有9种蝙蝠主要是菊头蝠科成员携带SARS样冠状病毒。
 
SARS样冠状病毒可以分为4个进化分支,在广东、广西、云南这些地方存在两个进化分支共同存在的情况。在这些省份,蝙蝠的遗传多样性很大,蝙蝠携带病毒的遗传多样性也很大, 病毒的遗传多样性为病毒跨种感染储备了很好的遗传物质储备,因此这些省份可能是SARS样冠状病毒爆发和溢出的重要热点。
 
除了进化分析,在十几年追寻SARS源头的过程中,我们也重视分子证据。我们前期研究发现,在蝙蝠SARS样冠状病毒中有一簇病毒是可以用ACE2做受体的,这一组病毒是有潜在风险的。其中的一组就是2013年发现的WIV1病毒。对此结果我们已经发表了文章。
 
其实,在流行病学调查过程中,我们也发现和蝙蝠洞密切接触的人群里会有被感染痕迹,我们能够检测到SARS样冠状病毒的抗体,但是这些人都没有产生任何临床症状,也就说明可能存在蝙蝠病毒直接感染人的机会,但是机会非常少,而且它是可以被人体清除的。
 
蝙蝠冠状病毒的遗传多样性
 
下图显示的是我们在国内检测的12种蝙蝠冠状病毒。上面标注的点越多,说明阳性样本多;点分布的范围越大,说明遗传多样性越大。阳性率高、分布遗传多样性大的包括HKU2,2017年已经跨种感染到猪。而SARS样冠状病毒已经有两株病毒跨种感染到人了。
 
MERS爆发在中东,但是在我们国家有这一大簇的我们称为MERS簇的病毒存在。我们认为这一簇病毒也是有潜在的跨种感染风险的。在没有发现任何跨种感染的潜在风险的HKU9那里,也可以看到它的遗传多样性很广。所以从进化和遗传多样性方面,我们判断是蝙蝠冠状病毒跨种感染是大概率事件,应该提前预防。
 
防控策略
 
我一直提醒要预防下一次SARS样冠状病毒跨种感染的情况。但是没有想到就发生在2019年的年底,也没想到就发生在我生活的城市。
 
大家会问,这么多野生动物病毒,肯定是能够跨种感染,难道我们就没有办法了?
 
实际上,从整个人类冠状病毒的发现来看,对于所有的人冠状病毒,都能找到它的野生动物的来源,要么是蝙蝠,要么是啮齿类。它们大部分都有一个中间宿主。只有几个病毒的中间宿主无法找到。也就是说冠状病毒能感染到人类社会需要跨过两个障碍,第一个障碍就是它和家养动物之间的,第二个就是家养动物到人之间的。因此,如果我们能够在这两个环节设置一些屏障,是不是能够预防这些病毒的跨种感染了呢?
 
首先,我们应该集中在野生动物源头预防,养成良好的文明生活习惯,杜绝野生动物消费,减少对野生动物的侵害,最好不要在它的栖息地去盖各种各样的养殖场,减少家养动物与野生动物之间的接触。所以我们现在提倡的是:人类的健康要建立在野生动物和家养动物健康的基础上。
 
另一个可以做的就是病原监测工作,我们可以监测大自然存在的这些病毒,花很少的代价,去主动发现病人,评估风险,提前预警,把预防的关口前移。在病毒找到我们之前,先找到病毒。我们人类有能力控制这些野生动物传播的新发传染病。
 
这些不是我们 “能不能做” 的事情,而是 “去不去做” 的事情。
 
好,今天我的分享就到此结束,谢谢大家。
 
 
问答环节 
 
 · 问:听说华南海鲜市场在12月底的关闭,客观上使得溯源变得极其困难,我想听听石老师怎么看的,如果是你会如何做?
 
答: 你刚才提的这个问题确实是存在的!我们看SARS病毒当年的溯源,实际上是香港的科学家第一时间找到了中间宿主,也就是在关闭市场之前把广东市场上的动物样本都采集了。而我们经过了8年才找到自然宿主的源头,所以说及时采取野生动物或者市场上野生动物的样本,这个环节已经没有了。在这个环节丢失的情况下,我有两个建议:
 
1. 通过病人来追踪。还有从事野生动物交易的人,在关闭市场以后交易的动物到哪里去了?这些动物最初是从哪里来的?我们要去知道来龙去脉。
 
2. 到自然宿主生活的地方去。比如说我们在云南发现了跟这个病毒最近的病毒,那么是不是可以去云南及周边国家,从蝙蝠、驯养的野生动物里发现蛛丝马迹。
 
· 问:你曾说2019新型冠状病毒是大自然给人类不文明生活习惯的惩罚,我想你是指吃野味,你从哪一种被吃的动物身上找到了此次新冠病毒十分相近的病毒?
 
答: 我指的是我们驯养动物的过程中,把野生动物的病毒带到了人类社会。我们这次没有找到任何被吃的动物身上的跟新冠病毒很近的病毒,只在源头野生动物中找到了给它近似的,但是只有96%的核苷酸一致度。
 
· 问:病毒变异会影响核酸检测结果吗?需要更新试剂吗?
 
答: 这要看这个变异是在哪些地方,如果变异正好是在核酸检测的靶位点,就是引物这个位置就要更新方法了。如果不是那个靶位点,就不需要更新。
 
· 问:我们最终会如何战胜新冠病毒,可能有哪些方式?
 
答: 第一个就是我们现在正在做的事情,就是隔离。隔离这是最有效的一个法宝。那么,无症状感染要怎么办?有没有可能这个病毒最终在人群中安营扎寨了?这样的话,要最终战胜新冠病毒,就要依赖药物和疫苗。谢谢。
 

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