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为何发现丙肝病毒用了20多年,而发现新冠病毒只用了一周?



2020年首个诺奖授予了经历20余年发现丙肝病毒的三位科学家。得益于技术的进步和前人的积累,今年新冠病毒被“发现”没这么艰难。正当全世界与新型冠状病毒进行恶斗时,今年的诺贝尔生理或医学奖颁发给了丙肝病毒的三位发现者。

在他们的工作之前,甲型肝炎和乙型肝炎病毒已被发现,但80%以上的血源性肝炎病例仍然“不明原因”。丙型肝炎病毒的发现揭示了其余慢性肝炎病例的原因,并使验血检测和新药物成为可能,从而挽救了数百万人的生命。

“发现”一种致病病毒,需要满足若干条件

诺奖委员会的专家 Patrik Ernfors接受媒体采访时,强调了病毒被发现的重要性。

“(战胜病毒性传染病的)第一步,是定位造成疾病的病毒。”他说,“完成这一步,我们才站到了研发相关药物和疫苗的起点。”

正如诺奖委员会的描述,丙肝病毒的发现,花了科学家们数十年时间。这是因为,确认引起某流行性疾病的病原,通常要满足以下几点:

(1)可疑病原须在病人中均有发现,在病人临床样本中可检测到病原核酸;

(2)从病人临床样本中可成功分离到病原;

(3)分离的病原感染宿主动物后可引起相同的疾病症状。

病毒的发现者中,Harvey J。 Alter对输血相关性肝炎的系统研究表明,一种未知病毒是慢性肝炎的常见病因;Michael Houghton分离了一种名为丙型肝炎病毒的新病毒的基因;Charles M。 Rice提供了最终的证据,表明仅丙型肝炎病毒就能导致肝炎。

病毒的发现者中,Harvey J。 Alter对输血相关性肝炎的系统研究表明,一种未知病毒是慢性肝炎的常见病因;Michael Houghton分离了一种名为丙型肝炎病毒的新病毒的基因;Charles M。 Rice提供了最终的证据,表明仅丙型肝炎病毒就能导致肝炎。

三位科学家以及他们背后许多默默做出贡献的人,实现了这艰难的三步走。如今,病毒的发现已经不再如此漫长。“病毒猎手”们每年可以鉴定出成百上千种病毒。

新冠病毒发现速度“破纪录”

2019年末,武汉发生了多起“不明原因肺炎”,随后,致病原迅速被确认为“新型冠状病毒”。

根据新华社的报道,今年1月2日,接到湖北省送检的病例标本后,中国疾控中心旋即投入一场“接力赛”:提取核酸、基因测序、比对分析……连续奋战30多个小时,病毒的遗传密码终于在第一时间被破译。依据这份全基因组序列,核酸检测试剂快速研制成功。

第二步是病毒分离。冠状病毒的分离培养本就不易,标本又经历了冻融和长途运输,更增加了分离难度。但历时5天,科研人员第一时间分离鉴定了新冠病毒,获得全球首张新冠病毒电镜照片,为病原的快速鉴定“一锤定音”。

1月12日,中国疾控中心、中国医学科学院、中国科学院武汉病毒研究所作为国家卫生健康委员会指定机构,向世界卫生组织提交新型冠状病毒基因组序列信息,在全球流感共享数据库发布共享,这为全球开展疫苗研发、药物研究、疫情控制等提供了重要基础。

“中国在创纪录的短时间内甄别出病原体,并同世界卫生组织和其他国家分享病毒全基因序列信息。”世界卫生组织总干事谭德塞说。

相比于新冠病毒能够被迅速“发现”,丙肝病毒的发现实在是慢。这其中显然有科学技术发展的原因。例如,核酸检测是新冠病毒被发现的关键,而最原始的基因测序技术要到上世纪70年代后期才被发展出来。

1972年,Harvey Alter证明一种“非甲非乙”的病毒是慢性肝炎的病因后,病毒的分离迟迟不能实现。一直要到1989年,Michael Houghton等人才用最新的分子技术分离出丙肝病毒的核酸;1997年,Charles Rice团队利用基因工程的方法“改造出”有活性的丙肝病毒,并证明了病毒本身就可造成丙型肝炎。

美国生理协会的首席科学官Dennis Brown接受媒体采访时表示:“他们在等待技术的成熟。”

“被遗忘”的人类冠状病毒发现者

另外,科学家能迅速认出“真凶”新冠病毒,也归功于对这类病毒的熟悉——新冠病毒的发现基于此前的病毒学发展,其中就包括了同为RNA病毒的丙肝病毒。

人类冠状病毒最首次露出“真容”同样是在上世纪60年代,人类认识它们已经有半个多世纪。

最早“看见”人类冠状病毒的人是一位女性,英国病毒学家、病毒成像专家琼·阿尔梅达(June Almeida)。

阿尔梅达结婚前本名琼·哈特,1930年出生于苏格兰格拉斯哥市。她的父亲是当地的一位公交车司机,她自己也没有接受太多正规的学校教育。16岁时,因为负担不起大学的学费,她在格拉斯哥皇家医院组织病理学实验室找了一份技术员的工作。若干年后,结婚后的阿尔梅达一家移民加拿大多伦多。

阿尔梅达在安大略省癌症研究所,不仅熟练掌握了电子显微镜运用技巧,她还创新性地发明了一种让病毒成像更清晰的方法——用抗体使病毒聚合成团。

阿尔梅达的才能在英国科学家中得到认可,1964年她被吸引回国,任职于伦敦的圣托马斯医院附属医学院(英国首相鲍里斯·约翰逊感染新冠病毒后,就是在这家医院治疗)。阿尔梅达回国之后,开始同大卫·泰瑞尔(David Tyrrell)合作,后者是一个普通感冒研究室的负责人。

泰瑞尔的团队在研究志愿者的鼻腔灌洗液样本时发现,在实验室可以培养多种与普通感冒有关的病毒,但不是全部。在众多的样本中有一份编号B814,来自英国南部一名小学生的鼻灌洗液。

不同于典型感冒的喉痛症状,B814会导致感染者萎靡不振;此外,B814可因脂肪溶剂失活,这表示病原体有一层脂质外膜,这点也与典型的感冒病原不同。

泰瑞尔好奇:能不能在电子显微镜下直接看到病毒的真面目呢?他们把一些样本送到阿尔梅达的实验室,但泰瑞尔不抱太多希望。毕竟,这份样品能够使被其感染的志愿者出现症状,却无法在常用的培养环境中繁殖。没有经过富集纯化的病毒,电子显微镜下不仅十分稀少,还会被细胞组织干扰。

阿尔梅达超出了所有人的期望。她利用自己在加拿大学到的“负染法”处理样品(提高图像对比度),成功在显微镜下看到了病毒颗粒,将它们描述为“类似流感病毒,但不完全一样”。

她看到的,实际上就是第一种人类冠状病毒。

1966年,阿尔梅达拍摄的冠状病毒电子显微照片(来源:维基百科)

1966年,阿尔梅达拍摄的冠状病毒电子显微照片(来源:维基百科)

其实,阿尔梅达此前研究小鼠肝炎病毒和鸡支气管炎病毒时,已经看见过同类的病毒颗粒。

但是,她向专业杂志提交的论文在同行评议环节被拒稿了。评议者认为,她提供的感染小鼠和鸡的病毒图像“只不过是成像质量很差的流感病毒颗粒”。

根据B814样本的相关发现撰写的论文,1965年在《英国医学杂志》上发表。而阿尔梅达看到的病毒颗粒的图像,两年后在《普通病毒学杂志》上发表。“冠状病毒”的名字,也正是泰瑞尔、阿尔梅达等研究者根据显微图像所起。

阿尔梅达后来转入伦敦的皇家医学研究生院(现为帝国理工大学医学院)继续她的研究工作,并在那里被授予博士学位。她的职业生涯在英国维尔康姆研究院结束,在此期间曾获得多项病毒成像领域的专利。

2007年,琼·阿尔梅达去世,享年77岁。

阿尔梅达并不是万众瞩目的“诺奖级”科学明星,这一点或许少有人为她遗憾——她拍摄的风疹病毒和乙肝病毒电镜照片出现在了一些教科书中,她曾参与发现一种“没什么威胁”的感冒病毒,“仅此而已”。

诺奖得主都没做出的丙肝疫苗,难在哪儿?

2020年诺贝尔生理学或医学奖颁发给3位“发现丙型肝炎病毒”的科学家,让长期低调的丙肝病毒狠狠刷了一次屏。

很多人这才意识到:已被发现30多年的丙型肝炎,竟然至今没有疫苗上市。

“事实上,3位诺奖得主之一的迈克尔·霍顿(Michael Houghton)多年来一直在为研发丙肝疫苗而奋斗,但革命尚未成功。”

中科院上海巴斯德研究所研究员钟劲在接受《中国科学报》专访时表示,丙肝病毒的4大特征导致疫苗难以问世。

特征一:变化多端

《中国科学报》:在肝炎病毒的“大家庭”里,甲肝、乙肝和戊肝都早有疫苗,为何丙肝疫苗迟迟不能问世?

钟劲:一个重要原因在于丙肝病毒基因组的多变性。

丙肝病毒存在7种不同的基因型和多达67种亚型, 基因型之间的核苷酸差异度高达30%~35%。

相比之下,乙肝病毒不同基因型之间的差异仅有8%左右。

作为一种RNA病毒,丙肝病毒编码的RNA聚合酶缺乏校正功能、错配率高。

与此同时,这种病毒对突变的容忍率还很高。

同样程度的基因变异,可能会让其他病毒无法存活、复制,但对丙肝病毒却没有影响,这些因素都导致丙肝病毒是一个“变化多端”的病毒。

当前已上市的甲肝、乙肝、戊肝预防性疫苗都是单价疫苗, 都能有效预防病毒所有基因型的感染。

但丙肝疫苗恐怕没有这么简单,一种疫苗恐怕很难覆盖所有基因型的丙肝病毒。

可以考虑的研发思路,要么是找到保守的病毒表位作为疫苗靶点,要么就像宫颈癌(HPV)疫苗那样,发展多价疫苗。

特征二:不好培养

《中国科学报》:开发疫苗时,人们最容易想到的思路往往是灭活疫苗和减毒疫苗。针对丙肝的灭活或减毒疫苗开发为什么没能成功呢?

钟劲:这就要说到丙肝病毒一种很神秘也很特别的特点了。

丙肝病毒的体外细胞培养非常困难。

我们看新冠病毒,从病人体内分离出来,在体外多种细胞中都能培养,也能在体外感染多种细胞。

但丙肝病毒就不行,体外感染细胞都做不到,扩增就更不行了。

因为这个特性,在上世纪70年代哈维·奥尔特(Harvey James Alter)发现“非甲非乙肝炎”后,十几年间都没能成功分离出丙肝病毒。

最后还是霍顿开创性地运用分子生物学的方法,克隆出了这种新型病毒。

也正是因为这个特点,人们难以依靠细胞培养的方法获取大量病毒颗粒,难以制造出符合需求的灭活或减毒疫苗,更难扩大到商业生产的规模。

特征三:难以清除

《中国科学报》:从丙肝病毒的感染特性来看,丙肝疫苗有可能研发成功吗?

钟劲:我们知道,疫苗其实是模拟自然感染的过程,激活人体的免疫系统。

一种病毒的疫苗研发难度和这种病毒的自然清除率息息相关。

在肝炎里,甲肝和戊肝都不能造成慢性感染,患者经过急性感染期后,身体自己就能将病毒消除掉。

成年乙肝患者中,只有5%~10%会转化为慢性感染者。

但是丙肝病毒感染者中,只有20%~40%能自然清除病毒,其余人则会遭受持续终身的慢性化感染。

这就决定了丙肝的疫苗研发是比较困难的。

当然了,丙肝病毒远远不是最棘手的对手。

艾滋病毒的自然清除率是0。

在没有治疗干预的情况下,患者必将终身带毒。

因此丙肝疫苗的研发虽然比其他几种肝炎困难,但远远不到艾滋疫苗那样的“地狱级”难度。

只要有一部分患者能自然清除病毒,就意味着我们仍有希望激活人体的免疫潜能,来对抗这种病毒。

特征四:缺乏模型

《中国科学报》:看来这个丙肝病毒的确是个硬茬,那么还有其他原因导致丙肝疫苗如此“难产”吗?

钟劲:真的有。

动物感染模型是丙肝疫苗研发非常重要的工具。

但是丙肝病毒的自然宿主很单一,只有人类和黑猩猩能感染。

由于动物伦理的争议, 2013年美国国立卫生院宣布停止使用黑猩猩作为实验动物,让相关的动物试验很难开展。

目前人们只能用基因编辑小鼠模型等开展研究工作,但是这些动物模型普遍不够理想。

相比之下,戊肝等病毒因为能感染多种不同动物,实验动物模型比较容易建立。

虽然乙肝病毒也只能感染人和黑猩猩,但乙肝疫苗研发较早,在黑猩猩身上做过一些动物试验。

此外鸭子等动物也能感染与人乙肝病毒相似的病毒,也可以用来做动物试验。

那还要不要做?

《中国科学报》:在丙肝疫苗研发举步维艰的同时,丙肝药物已经取得了巨大成功,随着特效抗丙肝病毒药物索磷布韦的上市,慢性丙肝已经是一种治愈率很高的疾病。那我们还有必要研发丙肝疫苗吗?

钟劲:我相信是有必要的。

丙肝的药物治疗成本比较高,。

在美国,12周的标准疗程需要花费7万~15万美元,即使在中国也需要数万元人民币。

而丙肝流行高发区域恰恰在低收入国家和地区。

此外,尽管阻断丙肝传播的预防措施正在逐渐完善,但近年来丙肝新发病例的增加速度依然很快。

在中国,有48%~95%的注射吸毒者被查出感染丙肝病毒,这些人群存在极高的反复感染风险,可能增加病毒产生抗药突变的概率, 甚至促成耐药株的出现。

还是那句话,要真正消灭一种传染病,还是要依靠疫苗的。

我们看到希望了吗?

《中国科学报》:近期丙肝疫苗研发是否取得了值得关注的突破?未来我们有希望做出理想的丙肝疫苗吗?

钟劲:2019年,世界上第一个验证保护性和有效性的丙肝疫苗临床试验开展了,这是一种重组黑猩猩腺病毒载体疫苗。

结果显示,这支疫苗并不能保护接种者免于感染,但减少了接种者感染后的丙肝病毒峰值水平,也能诱发一定的免疫应答。

这是丙肝疫苗研发史上很有价值的一步。

包括诺奖得主霍顿在内,世界上很多科学家都在继续寻求丙肝疫苗的破局之道。我们实验室也在做一些工作。

我们基于昆虫表达系统,得到了一种三价疫苗,能涵盖世界上近70%的主要丙肝病毒流行株型。

目前看来,我们这种疫苗的免疫原性比较好,产量和成本问题也得到了解决。

但是我们不可能在实验室里生产疫苗,目前面临的主要问题是如何与企业达成合作,共同开发完成疫苗的标准化生产和临床试验。

其实丙肝疫苗研发还面临着一些现实问题。

因为目前国内的丙肝新发感染率不算很高,药物又很成功,工业企业界对丙肝疫苗的兴趣并不很大。

我的观点是,丙肝疫苗还是要有的,它不像新冠疫苗这样,全球大量人群都需要接种。

但对那些高危人群来说,一支安全有效的丙肝疫苗,仍然是值得期待的保护神。