虫媒病毒与生物安全

李雨晗,张櫶文,程 功,

(1.清华大学-北京大学生命科学联合中心 清华大学 医学院,北京 100084;2.深圳湾实验室传染病研究所,深圳 518132)

近年来,多种虫媒病毒在全球各个地区相继暴发,对人类健康造成巨大威胁。目前已发现数百种已知病毒可通过节肢动物进行传播,其中,约150种会导致人类疾病[1]。每年约有上百万人感染虫媒病毒,包括人们已知的寨卡病毒(ZIKV)和基孔肯雅病毒(CHIKV),还有可感染动物或人类的新发虫媒病毒,例如发热伴血小板减少综合征病毒(SFTSV)。虫媒病毒在自然界的主要传播媒介包括蚊、蜱、白蛉等节肢动物,它们能够吸食人类和动物宿主的血液,将病原体从一个宿主传播到另一个宿主。近年来,节肢动物传播的地区越来越广泛,有效阻碍媒介传播是虫媒病毒防控策略的重要一环。

1 虫媒病毒的主要传播媒介

1.1 蚊

蚊子被认为是世界上最重要的虫媒病毒媒介,属于双翅目(Diptera),蚊科(Culicidae)。包括3种重要蚊属:库蚊属(Culex)、伊蚊属(Aedes)和按蚊属(Anopheles)。伊蚊属中的埃及伊蚊和白纹伊蚊是对人类健康影响最大的几种流行病毒的主要传播媒介。据统计,在250个国家和地区中,有215个(86%)可适合伊蚊生存[2]。埃及伊蚊于1900年在古巴由Walter Reed、Carlos Finlay和James Carroll首次确定为虫媒病毒载体,它主要生活在热带、亚热带和一些温带地区[3-4]。登革病毒(DENV)是全球流行最广泛的蚊媒病毒,每年造成约3.9亿人感染,该病毒主要由埃及伊蚊和白纹伊蚊传播,在感染人体后可引起发热、出血和神经系统疾病,对当前全球公共卫生造成巨大威胁。2015年,开始于智利、巴西等国家暴发的寨卡疫情在美洲大陆迅速传播蔓延。ZIKV主要通过埃及伊蚊传播,已有证据表明,埃及伊蚊不仅对ZIKV易感,且在其体内可直接分离出该病毒,有研究证明实验室中的埃及伊蚊可以将ZIKV传播给恒河猴和小鼠。另外,白纹伊蚊也可以参与ZIKV的传播,有报道称在新加坡和加蓬两地的白纹伊蚊中都有ZIKV检出,说明白纹伊蚊有潜力成为ZIKV在城市中的主要传播媒介[5]。

1.2 蜱虫

蜱虫包括两个主要家族,软蜱(Argasidae)和硬蜱(Ixodidae)[6]。蜱虫主要传播细菌、寄生虫和病毒(克里米亚-刚果出血热病毒和蜱传脑炎病毒)。蜱传脑炎病毒(TBEV)在欧洲地区、西伯利亚地区、中国北部和日本等地区流行,这种急性传染性疾病的病死率高达10%～20%[7]。其中,欧洲亚型主要是通过篦子硬蜱传播,而西伯利亚和远东亚型主要是通过全沟硬蜱传播[8]。在TBEV流行地区,有0.1%～5%的蜱虫携带该病毒,而在巴伐利亚州的某些地区,在多达20%的蜱虫体内检测到该病毒[9-10]。蜱虫一旦感染病毒就会成为终生携带者,这将非常有助于病毒的传播,所以蜱虫可成为虫媒病毒的重要宿主[11-12]。

1.3 白蛉

白蛉属于双翅目、长角亚目、毛蠓科、白蛉亚科,主要分布在热带、亚热带、干旱、半干旱以及温带地区。白蛉主要传播的病毒包括水疱病毒属(弹状病毒科)、环状病毒属(呼肠孤病毒科)和静脉病毒属(布尼亚病毒科)。其中,静脉病毒属受到人们关注的,包括白蛉热西西里病毒(SFSV)、白蛉热那不勒斯病毒(SFNV)和萨勒哈巴德病毒(SFLV)。基于人类和动物的血清阳性检出率的数据,这些病毒的传播非常活跃且广泛,同时有研究表明地中海盆地的病毒多样性非常高,因此,感染风险也会相应增加,白蛉在未来将是一个不可忽视的虫媒病毒传播的重要媒介[13-14]。

2 重要虫媒病毒的流行情况

2.1 登革病毒

DENV是黄病毒科家族中的一种主要由伊蚊传播的病毒,可以引起登革热疾病,广泛流行于热带和亚热带地区[15]。DENV有4种不同的血清型(DENV1～4),4种血清型具有65%～70%的核苷酸序列同源性[16]。有证据表明,DENV起源于非洲和亚洲的非人灵长类动物,也就是森林登革病毒,随后与4种血清型发生跨物种传播转移至人类[17-18]。1970年以前,只有9个国家经历过严重的登革热流行,但是现在已经有100多个国家受到影响,根据世卫组织的预估数据,全世界每年约有5千万～1亿登革热病例[19]。2010年之前,登革疫情主要发生在美洲、西太平洋、东南亚、欧洲、东地中海和非洲等地区,但是2010年以后登革疫情主要集中于中国、新加坡和马来西亚等西太平洋地区[20]。自2013年以来,中国每年报道超过2 000例登革热病例,并且在2014年和2019年达到了流行高峰,病例数超过2万人,这些病例主要集中在云南省、海南省和浙江省,其中DENV-1、DENV-2和DENV-3占主导[21]。现如今,世界上大约五分之二的人口仍然面临感染登革热的风险,DENV依旧是全球公共卫生的重大威胁。

2.2 基孔肯雅病毒

CHIKV是一种可以经蚊虫(主要是埃及伊蚊)叮咬传播并引起周期性暴发的急性发热性传染病。该病毒起源于20世纪50年代初期的东非地区,随后于1952年在坦桑尼亚南部首次从患者血液中被分离[22]。CHIKV主要在非洲、南亚、印度洋岛屿和美洲等地区暴发,目前已遍及全世界100多个国家和地区,每年在全球造成约1万人感染,甚至有些地区还报告了死亡病例[23-24]。该病毒主要有两种基因型,包括东/中/南非基因型(East-Central-South Africa,ECSA)和亚洲基因型。2004年,ECSA基因型首次在肯尼亚沿海地区被发现可以引起人类疾病,随后迅速传播到非洲其他地区[25]。在传播过程中,CHIKV适应了白纹伊蚊的传播周期,在其他存在白纹伊蚊的地区加速传播,并在接下来的十年中,导致亚洲、非洲和欧洲数百万人感染。

2.3 克里米亚-刚果出血热病毒

克里米亚-刚果出血热(CCHF)是人类最重要的蜱传病毒性疾病之一,在亚洲南部、欧洲东南部以及非洲地区广泛流行,其致死率高达30%[26]。人类感染CCHFV的途径主要包括被蜱虫叮咬或者直接接触被感染的动物血液或组织等[27]。自2000年以来,非洲有9个国家,亚洲有11个国家都首次报告了CCHF病例[28-29]。在中国新疆也有CCHF的暴发病例,1965年在新疆巴楚县报告了第一个CCHF病例,并从当地患者血清中成功分离出第一个中国CCHFV毒株[30]。2003年以后,新疆没有报告过任何病例,但是几项分子流行病学的研究表明,2004年—2016年间,在南疆地区所采集到的蜱虫中仍然存在CCHFV[31-32]。另外,新疆北部地区虽然没有报告过感染病例,但是在该地区的蜱虫中也检测到了病毒的RNA,揭示新疆大部分地区依然存在被蜱虫叮咬后感染CCHFV的潜在风险,故应该加强对CCHF的监测。CCHFV在虫媒病毒中具有最丰富的遗传多样性,分离株之间的核酸差异很大,在同一个地理区域内可以分离到不同序列的病毒,但是在比较远距离的地区却能分离出相关病毒,这表明CCHFV可能会通过候鸟携带的蜱虫或者国际牲畜贸易往来进行广泛传播[33]。

3 虫媒病毒的风险因素

3.1 生物技术风险

3.1.1 基因驱动

近年来,基因驱动(gene drive)技术在生物研究中的应用越来越广泛。基因驱动作为一种能够改变生物种群遗传特征的方法,为控制虫媒病毒提供了一种新颖的途径。基因驱动技术的发展经历了不同阶段,从最初的基因转座子、转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)到目前使用最为广泛的CRISPR/Cas9技术[34]。基因驱动在虫媒病毒防控中主要应用于几个方面,例如,通过基因驱动技术将抗病毒基因插入蚊子基因组,使其对病毒产生抵抗力[35]。另外,可以通过降低雌性蚊子的生育能力来控制病毒传播[36]。尽管基因驱动技术在防治虫媒病毒方面具有潜在优势,但同时也存在一定的风险,如经过基因编辑的转基因蚊虫一旦释放到自然环境中,可能会对其他生物、环境或人类产生未知的影响,所以需要制定一套安全机制以限制基因驱动可能产生的危害。通常人们会引入抑制驱动的新基因,但由于物种必须通过多代繁殖才能获得相应性状,因此,这种方法也无法及时消除负面影响[37]。此外,CRISPR的脱靶效应可能会导致意外突变,使基因驱动元件传播到非目标种群[38]。美国佛罗里达州的一家生物技术公司声称利用转基因蚊子来抑制野生埃及伊蚊,从而达到降低DENV传播风险的目的,但是迄今为止还没有得到FDA的批准。除了环境审查还未通过以外,佛罗里达州的居民也强烈反对转基因蚊子的释放,人们担忧的是转基因蚊子对环境和人类健康的影响,因为蚊子即使被释放到一个孤岛上,也无法排除其到达数英里之外的人类环境中[37]。因此,在将基因驱动技术应用于实际防治过程中,需要进行充分评估和监测,并制定相应法规,以确保其安全性和可持续性。

3.1.2 反向遗传学

反向遗传学技术的发展对虫媒领域的研究有重要的影响,这项技术允许研究人员在易感细胞或宿主中重新拯救出活病毒并通过基因工程手段改造病毒。技术革新随之带来的风险也会增加,生物病原体可以被人工修饰以增强其毒性、耐药性、稳定性等,这种修饰可能导致功能获得性突变(gain-of-function mutations)的产生,得到新的基因产物并具有新的分子功能和基因表达模式。这种未知风险的病毒,一旦从实验室外泄,将对外部环境产生直接或间接影响。所以针对该技术在未来的发展,我们不仅需要在实验设计上规避潜在风险,还应该严格遵循实验室安全管理规章,防止病毒外泄。另外,建立完善的生物安全监测网络,完善传染病监测预警体系,改进生物技术应用管理和加强对病原体的识别、预防和控制都是今后需要加快推进的方向。

3.2 新发突发传染病风险

3.2.1 虫媒病毒引发的疾病

随着全球气候变化、贸易往来增多、全球旅行增长等,新发和再发虫媒传染病传播范围逐渐扩大,各地区暴发愈发频繁,一些疾病正以越来越快的速度出现和再肆虐。例如,西尼罗河病毒(WNV)主要流行于非洲、欧洲、美洲、澳大利亚和中东地区,近几年,WNV从非洲传播到美洲,目前被美国认定为最重要的人畜共患疾病之一[39]。WNV感染后的神经侵袭性疾病是该病最严重的形式,这种疾病表现出脑膜炎、脑炎以及急性弛缓性麻痹或脊髓灰质炎综合征等特征[40]。另外,通过蜱虫传播的新型病毒中比较常见的是发热伴血小板减少综合征病毒(SFTSV),该病毒可以引发严重发烧伴血小板减少综合征(SFTS),近年来它已成为全球流行的疾病,2009年该病毒首次在中国被发现,后来日本、韩国等亚洲国家也相继报告了类似病例[41-43]。目前尚未有特异性抗病毒药物和疫苗用于防治SFTSV。

3.2.2 新发和再发虫媒病毒病流行原因与公共卫生问题

病原体、宿主和环境之间的作用会强烈影响新发和再发传染病的出现,因此,评估与疾病相关的危险因素对虫媒病毒的研究至关重要。其中,气候变化是影响病原体传播模式、病毒进化、媒介分布和生命周期的关键,将导致虫媒病毒性疾病的出现[44]。全球人口数量增多、城市化加快、经济贸易往来密切和旅行频繁等诸多人为因素都与病毒的出现和再肆虐密切相关[45]。另一个重要的风险是致病病毒的突变可能引起病原体传播性和致病性增加。有研究证明CHIKV的包膜蛋白突变会增强病毒在白纹伊蚊体内的复制,这将进一步增强白纹伊蚊对该病毒的传播能力,从而导致疾病的流行暴发[46]。过去几十年的研究都说明了一个问题,就是新发和再发虫媒传染病的急剧流行将会构成严重的全球公共卫生风险[47-48]。

4 虫媒病毒防控措施

4.1 病媒控制

4.1.1 化学手段

20世纪40年代以来,科学家们研制出一种名为Dichlorodiphenyltrichloroethane(DDT)的化学品,已被广泛用作杀虫剂以防控蚊媒、疟疾等。20世纪50年代以来,由于杀虫剂DDT的使用,美洲地区的登革热和黄热病得到了有效控制[49]。目前主要使用两类化学杀虫剂来进行病媒防控,一类是针对未成熟阶段的杀幼虫剂,包括吡丙醚、烯虫酯和除虫脲等昆虫生长调节剂,特点是对人类毒性低,只针对昆虫的发育阶段;另一类是成蚊杀虫剂,如拟除虫菊酯,可以在地面喷洒或用作蚊帐处理剂。尽管化学控制法被证明可以有效控制病媒传播疾病,但由于其对人类健康的潜在负面影响以及造成目标种群产生耐药性,使得其应用存在诸多限制[50]。

4.1.2 生物手段

由于传统化学手段的局限性,急需发展新的防控策略。生物防控手段由于对环境更安全且更高效,被认为是农药的潜在替代品。目前有几种新型生物防治策略:其中之一是引入媒介物种天敌,特点是它们仅对选定的媒介具有特异性,不与当地物种竞争,并且容易养殖,有科学家在1981年发现环形桡足类生物可以诱捕蚊子幼虫,如今在亚洲、南美洲各国和美国、意大利等国的实验室测定发现,不同地区的环形桡足类生物能够显著减少高达99%～100%的蚊子幼虫[51-52];另一种方式是使用内共生沃尔巴克氏体细菌来降低病毒感染,有研究发现沃尔巴克氏体可以阻止DENV、CHIKV等在蚊虫体内的复制[53]。此外,利用昆虫不育技术的转基因蚊子作为一种虫媒控制措施,已在许多国家成功使用了数年[54]。

4.2 疾病的预防与治疗

除了对病媒进行持续监测与有效防控以外,开发针对虫媒病毒的疫苗也应该成为优先事项,目前针对虫媒病毒的市售疫苗非常少,其中,表现良好的疫苗包括针对黄热病病毒的YFV-17D,它是通过对YFV的Asibi毒株进行连续传代而开发的一种减毒活疫苗,因其高效率和低副作用被广泛应用[55]。然而还有很多疫苗存在开发上的难点,例如,DENV复杂的发病机制和抗体依赖增强(ADE)效应是开发登革疫苗的主要障碍,赛诺菲巴斯德公司开发了全球唯一一个上市的登革热疫苗Dengvaxia,已经在墨西哥、菲律宾和巴西等多国陆续批准使用,但是此疫苗的不足之处在于,只接受年龄在9至16岁之间且曾至少有一次登革热病毒感染记录的人群进行疫苗接种,而且该疫苗的有效性并没有达到预期[56-57]。CHIKV的疫苗开发难度也很大,至今为止还没有一个商业疫苗用于预防CHIKV。CHIKV的强毒力使得人们在开发疫苗时,很难同时实现安全性和免疫原性[58]。因此,提高现有疫苗的安全性和有效性,研发预防虫媒病毒传播的新型有效疫苗以避免未来出现大规模流行病,对研究人员是一个巨大的挑战。

除了使用疫苗预防虫媒病毒的感染,我们也应该加强开发用于预防和治疗的新型抗病毒药物,通常病毒药物的开发是针对病毒结构进行研究和设计。以黄病毒家族为例,许多靶向黄病毒结构蛋白的药物设计都集中在包膜(E)蛋白上。化合物BP34610被发现可以在体外显著抑制DENV 4种血清型和日本脑炎病毒(JEV)的复制,可能靶向E蛋白以阻断病毒感染的早期阶段[59]。化合物3-110-22通过结合E蛋白结构域I和II之间的口袋,并在DENV进入过程中阻断E蛋白介导的膜融合来抑制病毒感染,此化合物被证明在其他几种黄病毒中均保守(JEV、WNV和ZIKV)[60]。还有靶向非酶蛋白、病毒蛋白-蛋白相互作用和病毒蛋白-RNA相互作用的药物,但由于缺乏能够准确反映人类疾病发展进程和发病机制的动物模型,目前很少有抗病毒化合物进入临床试验。不论是疫苗还是抗病毒药物的研发,都是为了能够降低或阻碍病毒带给人类的危害,我们应该寻找新的研究思路,继续开发针对病毒的潜在新靶点,也许对抗病毒研究有所帮助。

4.3 病源监测

准确检测病媒种群中的病毒并特异性诊断人或动物宿主是否感染,是传染病防控策略的重要部分,这将有助于对潜在或正在发生的疫情进行早期预警,以及对决定是否启动病媒管理和疫苗接种计划起指导作用。控制虫媒病毒传播的关键要素之一是及早发现病毒源头,在疫情暴发早期监测到病原体,即可从源头处理,防止病毒进一步扩散。另一方面,也应重点关注节肢动物媒介种群的监测,传统方法包括诱捕蚊虫、蜱虫等媒介,并分离病毒进行检测与鉴定,但是病毒分离的时间成本较高,目前最为流行的病毒检测方法是对病毒核酸进行实时荧光定量(real-time qRT-PCR),这一方法实现了高通量检测病毒RNA。下一代测序(NGS)在灵敏度和处理时间上具有更强的优势,也被广泛应用于虫媒病毒监测计划中[61]。疫情暴发前,应收集早期疫情的回顾性数据,统计过去或者现在存在的媒介和虫媒病毒的发生情况,建立病毒或媒介识别的筛查平台。一旦出现新的疫情,就可以运用病毒学平台鉴定病原体。

5 结束语

虫媒病毒对全球各个国家的威胁日益扩大,多种虫媒病毒引发的疾病大流行成为全球突发公共卫生事件。扭转虫媒病毒继续流行的关键在于虫媒病毒的监测、传播媒介的控制以及预防和治疗手段的开发。在这过程中,新技术的运用是生物安全领域最受关注的问题,虽然技术的革新带给人们更加有效、更加便利的手段,但我们仍要时刻关注新型技术在运用过程中存在的风险,特别是这些技术是否会对生态环境、人类与动物健康带来威胁。此外,病原体研究领域的从业人员可以采取以下措施以维护生物安全:首先进行风险评估,对传染病的风险评估是一个循序渐进的过程,包括识别病原体造成的危害、判断病原体来源、分析病毒传播的可能性、评估对人类健康和经济的影响;其次我们应该建立虫媒病毒监测系统作为早期预警,主要是针对重点地区的昆虫进行监测,也可以使用跨学科方法,比如加入计算机模拟系统预测病毒传播及帮助预警,对携带病毒的蚊虫等及时实施干预,可在很大程度上避免对动物或人类的感染;另外相关部门应该共同努力、互相合作,制定相应的监管策略和详细的法律法规,在推动防控技术开发的同时避免潜在的生物安全危害。