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实验室里搭建“模拟市场”再现病毒跨物种传播过程

   日期:2020-03-06     浏览:1012    
核心提示:作者 Richard Bowen,Alan Rudolph翻译 吴娜编辑 戚译引本文作者 Richard Bowen 为科罗拉多州立大学生物医学科学教授,Alan Rudo
作者 Richard Bowen,Alan Rudolph

翻译 吴娜

编辑 戚译引

本文作者 Richard Bowen 为科罗拉多州立大学生物医学科学教授,Alan Rudolph 为科罗拉多州立大学生物医学科学教授、研究副校长。

新型冠状病毒(2019-nCoV)作为一种人类呼吸道病原体,现在正在全球传播,而目前还没有人能肯定地指出它确切的起源。早期的报告表明,病毒的来源是中国武汉的华南海鲜市场,那里陈列着各种各样的动物,包括啮齿动物、兔子、蝙蝠和其他野生动物,消费者可以直接接触到它们。(编者注:后来的报告表明病毒并非来自华南海鲜市场,但这里仍然是一个重要的暴发点。)

在过去的二十年里,世界上出现了多种流行病威胁,包括禽流感(H5N1)、非典、埃博拉、中东呼吸综合征、基孔肯雅热、寨卡病毒,以及现在的新型冠状病毒。导致这些疾病的病毒,以及最近出现的所有病毒中大约三分之二的病毒,都是先出现在动物身上,然后感染了人类。

这些事件无一例外都强调着,在疫情暴发期间,生态系统的多个部分都在发挥作用。例如,野生蝙蝠和啮齿类动物携带大量有可能感染人类和动物的病毒。当这些野生动物被带离它们的自然栖息地,与人类密切接触时,原本非常罕见的传播事件发生的可能性就增大了许多。

这些病原体的跳跃过程很复杂,它们可以通过直接接触或食用野味传播,或是通过携带病菌的昆虫传播。而一系列环境条件都可能影响传播,包括温度、湿度、阳光、甚至季节性降雨和土壤条件。

尽管自然界十分复杂,但了解潜在的大流行病原体及其动物和人类宿主如何相互作用,这个领域的研究方法却相对简单。科学家通常一次只研究一个物种,在恒温、恒湿和固定气流条件下进行研究。这一策略显然有助于研究人员了解传染病的发展过程。

但作为生物学家,我们相信通过更明确地承认自然界的复杂性,我们对新发传染病的了解也将更加深入。我们在实验室里建立了所谓的“人工生态系统”,来模拟现实世界中的复杂环境。这些系统帮助我们对病毒和其他病原体如何威胁全球产生了新的认识。

portant;">重建活牲畜市场和谷仓

毫无疑问,病原体从自然界的动物直接跳到人类身上是罕见的。但在像武汉这样的市场中,有充分的机会发生各种类型的相互作用,促进病原体在物种间传播。

为了模拟这些场景,我们在实验室里建立了人工生态系统。这样,我们就可以研究当各种各样的鸟类和哺乳动物都住在一起,并发生自由互动时,流感病毒等病原体的转移和传播。

因为我们正在研究的病原体具有潜在的致死性和传染性,我们需要非常小心,防止它们从实验室中逃脱。我们在严格的生物防护条件下建立了这些生态系统:所有的废气都要经过过滤,工作人员要使用呼吸器、穿戴防护设备并在离开前淋浴。

portant;">左图为印度尼西亚的活动物市场,右图为研究禽流感病毒跨物种传播的人工市场,图片通过生物安全控制三级实验室窗口拍摄。图片来源:Richard Bowen, CC BY-ND

在对禽流感的研究中,我们制造了人造的谷仓,把鸭子、鸡、鸽子、鸫和老鼠放在一起。它们自由进行互动,分享共同的饲料和水。就像在真正的谷仓里发生的那样,白天老鼠从未在它们封闭的巢穴外面出现过,但录像显示它们到了夜间会在房间里四处奔跑,在水池里洗澡,并骚扰鸭子。然后,我们把一小群感染了病毒的鸭子引进房间,观察病毒是如何传播的。

在另一套设置中,我们调查了另一种禽流感病毒在笼子里的鸡、鹌鹑、野鸡和兔子之间的传播,就像在活禽市场上发生的一样。此外,麻雀和鸽子在房间里自由活动,能够与笼子里的动物互动。正如预期的那样,由于排泄物向下流动,那些位于接种了病毒的鸟下方的鸟更有可能被感染。鹌鹑是最易受感染的。

我们的人工生态系统方法已经有了重大发现。例如,我们能够证明不同的鸟类和哺乳动物在人工谷仓或人工活动物市场中自由互动时,禽流感病毒会在它们之间传播。我们发现在共享的水源中有大量的病毒积累。

最近,我们创造了更复杂的人工生态系统,能够调节温度和湿度。我们甚至可以在生态系统中模拟刮风和下雨,使我们能够评估促进病毒传播的环境条件。

portant;">来自人工生态系统的经验教训

尽管在现实世界中这类相互作用的复杂性众所周知,但研究新出现的病原体时,更典型的做法是一次只研究单一物种的感染。这在一定程度上是因为诊断或疫苗审批的监管程序,程序要求对单个动物模型的安全性和有效性进行明确的论证。

我们希望这种新方法可以促进对病原体产生更实际的理解,例如它们如何在物种间传播,包括如何跳跃到人类群体中;我们还希望这种方法将促进新的诊断测试、疫苗或疗法的发展。

我们的生态系统方案符合所谓的公共卫生的单一健康方法(One Health approach),这背后的理念是:人类健康与动物和环境的健康密不可分。建立混合生态系统模拟真实传播场景,并对其中的自然宿主受到的感染进行研究,这对发展疾病控制办法至关重要。

 
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