德国牛精液输华携带施马伦贝格病毒入境风险评估

张志诚,吴晓东,戈胜强，徐天刚，李兴元，王树双，王志亮*

(1.中国动物卫生与流行病学中心，山东青岛 266032；2.云南省普洱市动物疫病预防控制中心，云南普洱 665099)



德国牛精液输华携带施马伦贝格病毒入境风险评估

张志诚1,吴晓东1,戈胜强1，徐天刚1，李兴元2*，王树双1，王志亮1*

(1.中国动物卫生与流行病学中心，山东青岛 266032；2.云南省普洱市动物疫病预防控制中心，云南普洱 665099)

为明确德国输入中国牛精液产品携带施马伦贝格病毒(Schmallenberg virus,SBV)的风险状况,基于世界动物卫生组织(OIE)风险评估的框架,结合贝叶斯统计推断的方法,开展德国输入中国牛精液产品携带施马伦贝格病毒的输入风险评估。释放评估显示，德国畜群存在施马伦贝格病毒病的释放风险,SBV的发生率分布在1.227e-006到2.297e-006之间(95% Confidence interval,CI),牛精液供体动物SBV阳性率分布在7.8e-008到5.2e-007之间(95% Bayesian credible interval,BCI)。精液输华携带SBV入境评估模拟显示,出口中国的一批次精液中可能的假阴性概率分布在5.4191e-007到0.0006之间(95% BCI),其意义为输入10 000批次的精液,假阴性检出的批次在97.5%概率内分布在6个批次以内，大于6个批次的假阴性概率小于2.5%,检出一个批次假阴性的概率大于73.77%。暴露评估显示，基于德国存在SBV释放风险,该国精液输入会对我国养殖畜群产生暴露风险。损失模拟显示，SBV一旦输入,保守估计损失超过100亿元人民币的可能性大于95%,超过320亿元人民币的概率小于10.71%,84.27%的置信度内(BCI)损失会在100亿元～320亿元之间。

贝叶斯推断；施马伦贝格病毒；精液；假阴性

精液作为一种特殊的遗传物质,可携带和传播多种致病微生物[1-7]。在动物养殖产业,近年来随着活畜配种引发疫病风险的认知和新兴市场对优良种质资源的追求,商品化种用精液需要量不断上升。大量动物感染试验、细胞培养以及血清学检测证实精液所携带的病原微生物可引起多种疫病的大范围流行和扩散,更为重要的是经由精液传播的各类病毒及未知病原存在着非常大的风险不确定性[2-5]。目前研究证明,在家畜精液中可以携带和传播的病毒有口蹄疫病毒(Foot-and-mouth disease virus，FMDV)、蓝舌病病毒(Bluetongue virus，BTV)、牛白血病病毒(Bovine leukemia virus，BLV)、传染性牛鼻气管炎病毒(Infectious bovine rhinotracheitis virus， IBRV)、牛病毒性腹泻病毒(Bovine viral diarrhea virus，BVDV)、牛流行热病毒(Bovine ephemeral fever virus，BEFV)、猪水疱病病毒(Swine vesicular disease virus，SVDV)、伪狂犬病病毒(Pseudorabies virus，PRV)、猪细小病毒(Porcine parvovirus，PPV)、日本脑炎病毒(Tapanese encephalitis virus,TEV)、非洲猪瘟病毒(African swine fever virus， ASFV)、副痘病毒(Parapox virus)以及一些尚待检出的病毒,其中口蹄疫病毒(FMDV)、猪水疱病病毒(SVDV)、非洲猪瘟病毒(ASFV)、伪狂犬病病毒(PRV)、猪细小病毒(PPV)以及肠病毒等被认为是最为重要和危害最大的[2-12]。

近年来我国畜牧养殖业快速发展,对国外精液的引入数量巨大。虽精液可以携带多种病原及隐形遗传疫病被认可,但国内对引入精液的风险及科学评估却鲜有报道。施马伦贝格病毒病(SBV)是一种以库蠓为传播媒介的反刍动物非接触性传染病,精液及胚胎中亦发现此类病毒存在[13-15],其主要侵害反刍动物中枢神经系统,可引起反刍动物产奶下降以及胎畜畸形或死胎[13-18]。2011年夏秋德国、荷兰等欧盟多个国家反刍畜群中大面积暴发SBV病例引起了国际上广泛关注[16-18]。在德国等国家发生SBV后,中国国家质检总局和农业部发布2012年第67号联合公告，对来自疫区的精液、胚胎等实施严格的管理措施,停止签发许可证,禁止直接或间接输入来自疫区国家的反刍动物遗传物质。针对这一焦点问题,本文通过对德国2014年-2015年SBV发生状况的掌握，基于统计分布模型开展其通过输入牛精液产品传入中国的SBV潜在风险开展评估。统计分布模拟被广泛的应用到动物卫生、植物病虫害发生状况等的不确定性研究中[19-24]。贝叶斯统计推断是一种数学认知和统计决策的过程,其广泛应用于人工智能、进化医学和生物学、医疗诊断、人口调查与统计评估、监测与抽样等[25-38]多个方面。精液出口携带特定病原的风险具有较大的不确定性,这种不确定性来自于精液生产、加工、贮存和运输等一系列复杂过程。本文基于统计分布模拟和贝叶斯推断,依托Poptools在Excel的插件作为量化平台，开展对德国拟输华的牛精液中可能携带施马伦贝格病毒病量化评估和统计决策研究，通过本研究亦可为中欧有关精液等遗传物质相关贸易谈判提供科学依据和技术理论支撑。

1 数据来源、方法、假设和模型

1.1 数据来源

德国养殖畜群分布及其施马伦贝格病毒病发生状况主要来自与互联网、科技文献和德国Friedrich-Loeffler-Institut(FLI)的官方网站[13-18],对SBV的血清学抗体、病原和供体动物精液的检测诊断方法来自于FLI发布的联邦法定推荐的产品名录及有关科技查新[14-18,37-38]。德国拟输华的商业化人工授精中心数量、分布及其授精中心精液供体动物数量、产能状况等来自与国家出入境检疫检验总局信息中心。

1.2 理论框架、方法、模型假设和原则

本文的量化评估主要是在世界动物卫生组织(OIE)推荐的风险评估框架内开展的,该框架风险分析主要包括风险识别、释放评估、暴露评估等几个部分。统计分布模拟和量化评估的理论基础主要基于贝叶斯统计推断和条件概率分布模拟的方法[19-31]。

1.2.1 贝叶斯统计推断

贝叶斯统计推断可以表示为：

设D1，D2，……，Dn为目前已知目标函数θ的一个未知空间,对目标函数未知空间的认知过程也是贝叶斯推断的过程,在这一过程中，D1，D2，……，Dn就指代其产生风险和可能对风险有影响的每一个过程和关键控制点。如果以P(Di)表示事件Di发生的概率,且P(Di)>0(i=1，2，…，n)，P(Di)可以为离散或连续分布。对于任一事件xi(xi⊆θ)，P(xi)>0,基于贝叶斯理论和推论(1763),综合把其各个风险因素Di(Di⊆xi⊆θ)发生概率作为先验分布,由贝叶斯公式得θ的后验分布:

①

其中,p(θ)为“先验分布”,它表达了观察和认知x事件前对x事件相关因素的认识程度或经验,它是一个密度函数。可以是一个连续的分布,也可以是间断分布。它表达了对事件x一种不确定性认识,它代表了x事件发生前人们已经存的对x事件的一种经验分布和认识。P(X|θ)为“似然函数分布”( Likelihood function),表达为在给定的先验分布θ的条件下随机观察到的事件x的概率分布。P(θ|X)为“后验分布”,用来描述观察x事件后对先验分布的学习认知和综合了学习后认知到的x,它也是贝叶斯推断的最终目标。在本文中目标函数θ指代来自德国牛精液出口携带SBV的风险分布函数,由于牛精液携带SBV的风险的产生是一系列风险因素决定的,其具有较大的不确定性。对这一不确定性的影响因素的认知就是本研究中贝叶斯推断的主要内容。

1.2.2 风险问题与入境风险估算 条件概率是一种基于经验和主观判断的概率理论。条件概率定义为事件A发生是在事件B发生的先验条件基础上。精液携带特定病原风险F(θ)是由供体动物选择、排精时间与间隔、生产加工、贮存、产地检疫、运输…F(Di)等一系列高度关联的事件组成,因此F(θ)是在F(Di)事件发生基础上发生的,是严重依赖于F(Di)所认知的风险过程。因此基于条件概率描述,精液携带特定病原风险F(θ)可以表达为：

P(F(θ)∩F(Di))=P(F(θ))×P(F(Di)|F(θ))

②

基于公式①/②的条件概率的描述,因此获得精液中携带特定病原风险可以表述为计算随机在入境口岸中抽取到至少一批次检出为假阴性的精液的概率(n为入境口岸精液批次),其量化的数学估算的表达式可以表述为：

P(θ|X)=P(F(θ))∩p(x|θ)=1-(1-P(F(θ))×P(p(x|θ)|P(F(θ))))^n

③

1.2.3 口岸入境风险管理的原则和参数假设 由于精液是一类特殊的遗传物质,其具有非常大的风险不确定性,为客观、科学做出统计决策,基于贝叶斯统计决策理论基本原则和方法,为使得入境牛精液携带SBV风险最小,即满足P(θ|X)-“后验风险最小”的决策原则,同时考虑到精液生产环节和评估的复杂性,文中仅选取了F(Di)分布中的F(D1)、F(D2)、F(D3)三个分布为先验分布参与到p(x|θ)的联合分布函数模拟运算中。

2 结果

2.1 德国施马伦贝格病毒病发生状况及其分布模拟-(F(D1))

德国SBV最早发现于2011年9～10月,几乎同一时间在荷兰、比利时的农场相继报道发现这种虫媒病毒感染的动物。2011年-2013年共发生SBV疫情2 721起。FLI官网数据显示,截止2014年3月24日,德国境内共有2 504个农场发现SBV。监测数据显示,疫情高峰期在2012年初,随后有所回落，2013年稍有反弹,但强度已经明显降低。不同地区感染情况差异较大,其中在North Rhine-Westphalia、Lower Saxony和Hesse等地牛、羊场群的发病率都显著高于其他地区。2014年以来,SBV病例呈明显下降态势。2014年报告54例,2015年截至到6月的累积报告病例数为27例。发生率模拟显示,2014年德国牛的发病率在95%的置信区间分布在2.677e-006到4.1790e-006之间,期望的均值为3.393e-006。2015年度模拟的结果显示,在95%的置信区间内SBV的发生率分布在1.227e-006到2.297e-006之间,期望的均值为1.727e-006(图1)。

图1 德国2015 (B)/2014(R)SBV官方报告动物发病率分布模拟

2.2 SBV的诊断与检测分布模拟-F((D2))

施马伦贝格病毒病可根据流行病学和临床症状做出初步诊断,但病例确诊需要实验室诊断,包括病毒分离与鉴定、中和试验、免疫荧光、荧光定量PCR和ELISA等方法[39],其中ELISA的方法在欧盟范围内应用最为广泛。对SBV的检测,德国农业部有严格的规定。按照德国动物疾病法第17c 条规定,诊断试剂和方法必需经FLI认可后方可列入联邦各州检测实验室的采购目录。目前德国FLI推荐各地州检测实验室可以使用包括瑞典Svanova、德国Gerbion、荷兰IDEXX、法国ID Vet、德国Qigen和美国Quidel等公司的SBV的ELISA检测试剂盒,实验室针对上述试剂和方法可以随机选取特定的试剂开展对送检样品开展检测。欧盟区域内不同实验室应用ELISA检测试剂对SBV的真阳性检出率有较大差别,其中比利时区域实验室(DGZ&ARSIA)和参考实验室(CODA-CERVA)的对IDvet公司的ID Screen®Schmallenberg virus Indirect ELISA 试剂盒的比对试验显示:如果疑似样品认定为阳性,则其敏感性期望值为86.49%(95%CI，76.55%～93.22%),如疑似样品认定为阴性则敏感性稍低,其期望值为78.67%(95%CI，67.68%～87.29%)[37-38](图2)。IDvet公司提供的该型的施马伦贝格病ELISA检测试剂盒的理想化状态的诊断敏感性为97.64%。基于贝叶斯推断和统计决策风险最小化原则,以Se=89.72%(95% CI,67.68%～97.64%),Sp=99.08%(95%CI,95.92%～100%)为F(Di)分布函数参数参与p(x|θ)的联合分布函数和P(θ|X)为“后验分布”函数模拟。

2.3 供体动物SBV阳性率模拟-(F(D3))

供精动物是一类特殊的饲养群体,其具有较高的经济价值、遗传价值和特殊用途。为保证评估能够获得对进口精液携带SBV病毒风险最小化的统计决策原则,在对德国养殖畜群SBV发生率的密度函数模拟中以养殖畜群SBV发生的95%高置信限上限(UCL)的流行率作为为供体动物阳性率模拟的基数开展(图3)。

按照德国官方提供的牛精液生产企业供精动物数量共计805头只,多次模拟采取随机抽取其中不同数量的供精动物。假设通过精液开展了供体-受体动物感染试验的结果为0头次感染,即没有发生感染,查阅统计表推断得到受体动物感染“最坏的可能”( Worst-case)在95%的置信上限值为0.46%。基于以上感染的“最坏的可能”情景,结合SBV检测试剂的敏感性和特异性的分布函数,利用蒙特卡洛模拟得到受体动物阳性率分布如图4所示,其95%的置信区间分布在7.8e-008到5.2e-007之间。

图2 SBV检测ELISA敏感性Se(左)和特异性Sp(右)分布

图3 95%高置信上限的养殖畜群SBV流行率分布

图4 受精中心供体动物SBV阳性率模拟

2.4 进口一批次精液的入境风险估算

按照德国官方提供的数据,授权可以从已经经过认证的19个精液生产企业805头只的种牛作为供体动物提供精液,假设一批次精液随机来自19个精液生产企业中的一个或多个,选取的动物数量为随机一个或多个精液生产企业中的805头供体动物中随机抽样选择(最少选取1头)。按照2011年-2013年度出口到亚洲地区精液批次标准,假设一年出口到中国的精液批次最多为10个批次,最少1个批次,5个批次可能较大来计算。按照上述的假设,可以得到从德国19个精液生产企业的805头供体动物出口到中国的精液风险,一批次中可能的假阴性概率在95%的置信区间内分布在5.419 1e-007到0.000 6之间,其意义为输入10 000批次的精液假阴性检出的批次在97.5%的概率在6个批次以内,大于6个批次的假阴性概率小于2.5%,一个批次检出假阴性的概率大于73.77%。

2.5 暴露风险评估

SBV作为虫媒病在进入我国后将主要通过库蠓叮咬传播。目前已经发现C.obsoletus、C.dewulfi、C.chiopterus、C.scoticus、C.sonorensis和C.nubeculosus等6种库蠓能够携带与传播SBV[39-41]。此外，SBV也可通过胎盘进行垂直传播,但目前尚未发现蚊子传播该病。我国存在能够携带与传播SBV的C.obsoletus和C.chiopterus等多个种类的库蠓,这些种类的库蠓在我国东北区、华北区、蒙新区、青藏区、西南区、华南区和华中区有分布[40-41]。通过SBV风险物质释放,风险会随诸多途经暴露。如SBV随精液进口传入我国后将经生殖系统进入畜群,母畜感染病毒后可能出现流产症状,病毒可能经由畸形胎儿的排出进入环境与媒介节肢动物接触,后将有可能经媒介传播至我国畜群并在生态环境中长期存在。

图5 输入一批次假阴性精液风险场景模拟

2.6 传入后果评估

我国是牛、羊养殖大国，反刍动物的饲养量大。畜牧业生产管理总体水平不高,不同地区饲养条件参差不齐,且生态环境中存有大量可携带与传播SBV节肢动物。一旦该病输入我国,将产生以下几个方面的影响。

2.6.1 造成重大经济损失 如果SBV随精液传入我国并在我国畜群和生态系统中定殖,该病将引起反刍动物发病,导致生产性能下降。不仅造成重大直接经济损失,还将造成较大的间接经济损失。模拟测算结果显示,直接经济损失在95%的置信度内超过100亿元人民币/年,超过320亿元人民币/年的概率小于10.71%。

图6 SBV输入导致的中国反刍动物养殖产业年损失模拟评估

2.6.2 带来严重的生态学问题 库蠓是SBV传播和定植的媒介,而且SBV在库蠓体内可以发生重组。我国的库蠓一旦接触进口精液释放的暴露风险,必将会在我国生态体系中并定植,这种形式的外来物种入侵将带来严重的生态学问题。

2.6.3 影响国际贸易 如果我国暴发该病,许多国家将限制中国牛、羊及其产品的进口,退运或销毁来自中国的相关畜产品,紧急取消已签订的贸易合同,从而影响对外贸易正常进行。甚至引发国际间贸易摩擦与纠纷,影响双边或多边国际关系。

3 讨论

3.1 德国养殖畜群及其牛精液产品贸易输入SBV风险

德国畜群SBV的发生率分布在1.227e-006到2.297e-006之间 (95% CI),供体动物阳性率分布在7.8e-008到5.2e-007之间 (95% BCI)。精液评估模拟显示,出口中国的一批次精液中可能的假阴性概率 为5.4191e-007到0.6‰之间(95% BCI),其意义为输入10,000批次的精液假阴性检出的批次在97.5%的概率在6个批次以内,大于6个批次假阴性概率小于2.5%,检出一个批次假阴性的概率大于73.77%。由于德国SBV畜群、供体动物及精液出口体系等中存在的一定的SBV释放风险,可以认为经进口德国牛精液产品会对我国养殖畜群和生态系统产生一定的暴露风险。模拟测算结果显示,直接经济损失在95%的置信度内超过100亿元人民币/年,超过320亿元人民币/年的概率小于10.71%,84.27%的置信度内损失会在100亿元～320亿元之间。

3.2 不确定性分析与贝叶斯统计推断

精液是具有高度风险不确定性的遗传物质，FMD、ASFV等多种疫病可以通过精液贸易传播。SBV是一种可通过精液传播的虫媒病毒,虫媒病毒通常都具有传染性强、传播快速、危害巨大等几个方面的特性,对其的风险控制措施都是在传入前实施严格的检疫和禁入措施,但一旦其在特定环境和体系中定殖,根除其的可能性基本不存在。世贸组织(WTO)对地区和国家间自由贸易的条件是贸易风险要达到进口国家的可接受风险水平。针对特定的无特定疫病国家,可接受风险水平的确定一般都是由进口国家根据本国自身状况制定风险可接受水平。德国具有较为良好的动物养殖体系和疫病风险管理体系,其精液的生产和供应也已形成产业链,如其在实验室检测和控制措施等方面进一步优化风险管理，有望可以达到我国可接受风险水平。

贝叶斯统计推断的方法是国际上风险分析、评估和预测等方面有广泛应用，其优点是具有科学性强、逻辑严密和适用性广的特点，但同时因其不同于经典统计分布理论，严重依托于主观判断和经验值，故而存在很多争议。本文中在对德国SBV风险状况模拟中仅依托与有限的信息主观推断德国牛镜液输出产生的风险可能存在一定的局限性， 但考虑到风险评估和管理的复杂性和主观特点，依托于贝叶斯统计推断开展量化风险评估和模拟也不失为一种有益的探索和尝试。

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Risk Assessment on Introduced Schmallenberg Virus Derived From Importation of German Bovine Semen

ZHANG Zhi-cheng1，WU Xiao-dong1，GE Sheng-qiang1,XU Tian-gang1, LI Xing-yuan2，WANG Shu-shuang1，WANG Zhi-liang1
(1.ChinaAnimalHealthandEpidemiologyCenter,Tsingdao,Shandong,266032,China; 2.CenterforAnimalDiseaseControlandPrevention,Puer,Yunnan,665099,China)

Within the risk assessment framework of Office International Des Epizooties (OIE),Bayesian inference was applied to explore the Schmallenberg virus (SBV) risk derived from the importation of bovine semen from German.The priority distributions of release assessment modeling indicated that SBV was existed within the bovine population of German,prevalence of which was distributed between 1.227e-006 to 2.297e-006 (95% Confidence Interval,CI),and the prevalence within the population of donor animals was distributed between 7.8e-008 to 5.2e-007 (95% Bayesian Credible Interval,BCI).The posterior probability modeling for at least one batch consignment semen of false negative detected at boundary was distributed between 5.4191e-007 to 0.0006 (95% BCI),which means that there could have 6 batches of false negative consignment detected at 97.5% upper limit confidence if randomly choosing 10 000 batches semen consignment imported from German,while the probability of getting more than 6 batches of false negative consignment was statistically less than 2.5%,getting at least one false negative consignment was larger than 73.77% chances.Given the imported risk,exposure assessment showed that importation of Germen bovine semen can give great impact on China animal husbandry,and the modeling of economic loss derived from Germen semen importation indicated that there could have 10-32 billion yuan (84.27% BCI) loss entailed,the probability of more than 10 billion yuan loss was larger than 95%,more than 32 billion yuan was less than10.71%.

Bayesian inference; Schmallenberg virus; semen; false negitive

2016-06-15

牛羊“重要虫媒病”关键技术研究 (201303035);国家十三五重大科技专项(2016YFD0501104)

张志诚(1973-)，宁夏贺兰人，副研究员，主要从事动物公共卫生研究。 *通讯作者

S852.65

A

1007-5038(2017)06-0091-07