科学家在不同研究中观察病毒⼲扰现象,并推测其关键机制在于身体对第⼀种病毒产⽣⾮特异性免疫应答,让个体进⼊抗病毒状态,以抵抗潜在的其他后续⼊侵者。
冬季⼀直是呼吸道感染疾病的⾼发季节,过去两年,新冠病毒占据着全球焦点,为遏制病毒传播感染⽽采取的各种防控措施例如佩戴⼝罩、保持社交距离等,还带来了意外效果:其他呼吸道病毒的感染规模⼤幅减⼩。随着北半球进⼊冬季,曾经的“⽼对⼿们”⼜卷⼟重来,容易让⼈身中数招。今冬“三疫流⾏”来了?在2022年11⽉的世界流感⼤会上,各国公共卫⽣专家公开发声,警惕今冬的“三疫⼤流⾏”(tripledemic)。
具体来说,三疫主要源⾃以下三类病毒:⾸先是呼吸道合胞病毒(RSV)。它会引起肺部和呼吸道感染,普遍症状表现为咳嗽、喘鸣、呼吸窘迫和缺氧,多数情况下症状轻微且呈⾃限性,但对免疫系统不够强健的幼⼉、⽼年⼈以及孕妇等⾼危⼈群更具威胁。其次是流感病毒。它属于DNA病毒,容易变异,亚型多、宿主也多,传播范围⼴,传染能⼒强。流感病毒引起头疼、肌⾁酸疼、⾼热等症状。
最后便是⼤家再熟悉不过的新冠病毒(SARS-CoV-2)。经过两年的传播和变异,如今最新流⾏的XBB变异株及其⼦代堪称免疫逃逸之王,虽然其致病⼒和致死率⽐起先前的毒株已有⼤幅降低,但传播速度势不可挡,给不幸感染的⼈们带来巨⼤的身⼼折磨。
专家们发出如此担忧,是因为过去三年的严格防疫政策让整体⼈群对于流感等其他呼吸道病毒的免疫能⼒有所减弱。另外像流感疫苗这样的疫苗接种率也较低,容易造成其他病毒重新流⾏的局⾯。所以,⽆论身处哪个国家,新冠病毒与其他呼吸道病毒并发感染仍需警惕。
那么,在各种病毒竞相传播⽃争的冬季,如果有⼈很不幸地同时感染超过⼀种上述病毒,会发⽣什么呢?病毒相争,相互⼲扰。⽬前我们对⼤部分病毒感染、发病机制以及流⾏病学的理解⼤多建⽴在单⼀病毒感染研究的基础上,但在实际⽣活环境中,很可能多种病毒同时循环传播,导致并发感染。到⽬前为⽌,科学家们仍未完全掌握病毒相互作⽤的机制以及个体的免疫应答机制。
为了得到确切的答案,研究⼈员必须从群体、个体和细胞三个层⾯收集证据。在某些病例中,数种病毒并发感染,导致的症状⽐仅感染⼀种病毒时更加严重。但通常情况下,病毒反⽽会相互拮抗,这种现象在病毒学中称作“病毒⼲扰”(viral interference)。
关于病毒⼲扰的研究最早可追溯⾄1957年,英国国家医学研究所(National Institute for Medical Research)的两位病毒学家Alick Isaacs和Jean Lindemann使⽤鸡蛋胚胎做实验,发现膜细胞感染了灭活流感病毒之后,活病毒便⽆法对鸡蛋胚胎造成⼆次感染。
在这⼀过程中,鸡蛋胚胎会分泌出⼲扰素,激发出快速的⾮特异性免疫应答,这正是先天免疫系统对付外来病毒⼊侵的重要“武器”之⼀。
从那之后,科学家们逐渐重视起这⼀现象。⼈们不仅在实验室内看到更多病毒⼲扰的证据,⼀些针对呼吸道疾病暴发的流⾏病传播模式也表明了病毒⼲扰现象的存在。1974年到1981年来⾃挪威的数据证明,呼吸道合胞病毒和流感病毒感染不会在同⼀时期达到峰值;70年代在印度和尼泊尔的流⾏病学分析发现,在单个村庄中,单⼀腺病毒感染往往占主导地位,让其他病毒⽆⽴⾜之地。
病毒检测技术的发展和应⽤为科学家们更精确地分析追踪病毒打开了新道路,尤其是PCR(聚合酶链式反应)技术——也就是我们所熟知的核酸检测所使⽤的技术——具备⾼灵敏、⾼特异、可重复、快速简便、结果可靠等优点,⼤⼤帮助了更多科学家展开病毒相互作⽤的研究。
例如,2009年春季⾄2010年8⽉间,全球遭遇了⼀种新型流感病毒pH1N1主导的猪流感,当时⼈们对这⼀新型病毒缺乏免疫⼒,导致流感从春季就开始在各地早早暴发。然⽽,瑞典和法国的科学家团队使⽤PCR技术对病毒进⾏基因测序后,发现在这两个国家,夏末暴发的⿐病毒感染将流感暴发⾼峰推迟⾄深秋——也就是流感季开始的正常⽉份。这⼀事件也佐证了病毒⼲扰的效应。
2019年,《美国国家科学院院刊》(PNAS)期刊发表了⼀项有史以来规模最⼤、持续时间最⻓,也最全⾯的⼈类呼吸道病毒感染综合研究。
该研究由格拉斯哥MRC⼤学病毒研究中⼼(MRC-University of Glasgow Centre for Virus Research)的病毒学家Pablo Murcia领导,分析了从2005年⾄2013年苏格兰44230份呼吸道感染病例,受试者接受了11种病毒检测,包括⿐病毒、甲型流感和⼄型流感病毒、呼吸道合胞病毒和季节性冠状病毒。
所有阳性患者⾄少感染了其中⼀种病毒;共有11%的⼈出现并发感染,最常⻅的是同时感染两种病毒,但也有⼀些患者在⼀次样本采集中同时确认感染五种病毒。研究数据清晰表明了⿐病毒和甲流病毒的错峰暴发,证明这两种病毒之间存在拮抗作⽤(或者说负向相互作⽤ negative interaction)。
这⼀调查结果从宿主的⻆度展示了并发感染的频率,也提供了病毒之间正向(positive即促进)与负向(negative即拮抗)相互作⽤的新证据。具体来说,分析每对病毒在⼈群中的流⾏情况,可发现,各类会导致婴幼⼉呼吸道感染的⼈副流感病毒之间存在正向相互作⽤,容易感染幼⼉的偏肺病毒和呼吸道合胞病毒之间也有正向相互作⽤;⽽⼄流病毒和腺病毒之间、⿐病毒和甲流病毒之间则表现出负向相互作⽤。
⿐病毒感染是常⻅感冒的原因,但有研究却证明它可以阻断其他病毒感染。⾹港中⽂⼤学的细胞⽣物学家Renee Chan团队就曾研究⿐病毒与流感病毒在群体、个体以及细胞⽔平上的相互作⽤,证明两者之间存在负向相互作⽤。有效的病毒检测⼯具让我们看到更清晰的病毒错峰暴发模式,⽽类器官模型的发展则为深⼊理解病毒⼲扰的机制提供了新的平台。
耶鲁⼤学医学院免疫学家Ellen Foxman团队采⽤该技术,⽤⼲细胞分化成组织,形成⼈类⽓道上⽪细胞类器官,展开病毒实验。他们在2020年和2021年分别发表的论⽂中报告了⾃⼰的实验⽅法,先让类器官感染⿐病毒,能诱导出快速强⼤的先天免疫应答。
Foxman解释说,“身体产⽣的感知因⼦能够检测到许多病毒共有的结构,并忽略具体细节。”具体来说,免疫系统检测到病毒RNA,会促使感染细胞分泌⼲扰素,⼲扰素分⼦就像警报器,警告周围细胞“附近有病毒”;接下来,⼲扰素还会上调⼲扰素刺激基因(ISGs),这类基因会编码抗病毒蛋⽩质,其中⼀些能够“阻⽌病毒侵⼊细胞”,另外⼀些则“阻⽌病毒逃出细胞”,还有⼀些⼲脆关闭所有细胞机制,让病毒⽆法增殖。
基于实验和数学模型,研究⼈员还提出了另⼀种理论。他们认为,病毒会争抢感染细胞、细胞表⾯受体或者细胞源,这些病毒之间的直接竞争可能也促进了病毒⼲扰。在宿主体内,这样的竞争可能与免疫应答相关:⼀种病毒复制越快,就能让宿主越快进⼊抗病毒状态,真正限制第⼆、第三种病毒进⼊并感染细胞环境,从⽽在竞争中获得真正的优势。
此外,⼀种病毒是否会⼲扰其他病毒的第⼆次感染,还取决于许多其他因素,其中⼀些与免疫应答本身相关:“肇事”病毒如何触发⼲扰素应答,它们⼜如何对应,此外,还有感染时机、宿主做出先天免疫应答的能⼒。⾸先,对于身体条件较差的⼈群,如孕妇或⽼年群体,他们的先天免疫应答往往偏弱,这就引发了另⼀个问题:这些群体是否更容易并发感染。其次,感染时机也很重要:假设有⼈得了流感,病毒进⼊肺部,⼀些组织因此遭受损伤。
⼀旦所有⼲扰素作⽤消失,同时⼜不幸感染第⼆种病毒,此时其受损组织可能仍处在恢复期。这么⼀来,第⼆次感染反⽽会让情况恶化,因为虚弱的组织更易受攻击。新冠背景下的病毒互作模式和影响。基于现有的多项研究结果,科学家们⼀致认为,理解病毒相互作⽤的机制⼗分重要。
美国德克萨斯基督教⼤学(Texas Christian University)研究病毒感染的计算机⽣物物理学家Hana Dobrovolny提出,医⽣和公共卫⽣专家应更密切地跟踪并发感染情况,因为证据表明,并发感染的确会影响病毒在⼈体内的⾏为表现,也会影响病情的严重程度。若能弄清楚并发感染的频率以及相关的临床结果,科学家就能够利⽤这些信息改进并创造出全新有效的⼲预⼿段以及治疗策略。
因此,攻克新冠病毒以及其他呼吸道感染病毒的共同传播始终是今冬公共卫⽣领域的头等要事。鉴于新冠疫情只是近两年的事情,我们对于涉及新冠病毒的并发感染了解甚少。但现在病毒⼲扰专家们正密切关注这⼀话题,Murica表示:“直到今⽇,我们没有特别强有⼒的流⾏病学数据。”例如佩戴⼝罩、避免⼤流量⼈群聚集等防控措施减少了科学家观察病毒⼲扰现象的机会。
不过,免疫标志物之⼀——⼲扰素这个⻆度,倒能为科学家提供⼀些思路。⼀⽅⾯,新冠病毒本身已演化出许多防御⼿段,可减少患者体内I型和III型⼲扰素的分泌,另⼀⽅⾯,不断累积的数据也表明那些⼲扰素分泌不⾜的⼈特别容易感染新冠病毒,且感染后炎症反应加剧,并发展成重症。基于此,研究⼈员想要进⼀步了解,⼲扰素应答不强烈的患者是否更容易发⽣并发感染,或者如果并发感染了,他们的病情是否会更严重。
⼀些流⾏病数据和动物研究表明,流感病毒和新冠病毒之间确实可能存在相互作⽤,影响患者的临床症状表现。例如,2020年发表在Clinical Infectious Diseases(临床传染疾病)期刊上的研究展开动物实验,让叙利亚⻩⾦仓⿏同时感染新冠病毒和流感病毒,结果发现并发感染的仓⿏体重降低更多,肺部炎症性损伤更严重,组织的细胞因⼦/趋化因⼦表达更强烈。
随后,另⼀项2021年5⽉发表在International Journal of Epidemiology(《国际流⾏病学期刊》)上的研究也表明,即便研究⼈员观察到流感患者感染新冠病毒的⻛险更低,但若真的同时感染了这两种病毒,临床症状要⽐仅感染任⼀种病毒的情况严重得多。
不过,Foxman团队和Morica团队从⿐病毒⼊⼿,结果倒发现先感染⿐病毒,再感染新冠病毒,会加速ISG应答,从⽽抑制新冠病毒的病毒复制动⼒学。
然⽽,这样的相关研究数量仍然不多,结论也各异,因此科学家⽬前尚未透彻理解现实⽣活中新冠病毒与其他病毒之间的相互作⽤以及影响后果。今年很可能是北半球⾸个遭遇新冠病毒与其他病毒并发感染的冬季,科研团队需要在接下来的多个季节中继续紧密跟踪相同群体的感染情况,才能真正观察到各种病毒间相互作⽤的清晰模式。
免疫学专家们谨慎表示,今年冬天,⾯对⾼度传播的呼吸道病毒,病毒⼲扰这⼀机制可能不会产⽣太⼤的保护效⼒。如果会,那可能意味着“我们没有同时达到每⼀种病毒的感染峰值”,它们彼此之间可能错峰感染。⽆论如何,都需要继续采取有效的预防措施,因为只要感染任何⼀种病毒,你就会⽣病。