文 章

人类与传染病:了解、预测和管理它,而不是消灭它

2021年12月16日   作者:玛尔塔·L.韦恩,本杰明·M.博尔克

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【百道编按】《传染病》通过聚焦疾病进化和生态动力学的方法,提供了思考传染性疾病的一般性概念框架,即生态学和进化是回答任何有关特定传染病问题的关键,比如:疾病从哪里来?它在人际间如何传播?为什么有些人比其他人更易感?什么样的生化、生态和进化策略能够被用来对抗疾病?在群体层面阻断传播,还是在个体层面阻断感染更为有效?通过一系列的案例研究,作者以一种清晰的方式介绍了传染病的主要理念、感染的一般性原则和疾病暴发的管理,以及现已成为众多传染病研究核心的进化和生态学方法。本文摘自《传染病》一书。

《牛津通识读本:传染病》
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出版社:译林出版社
作者:[美]玛尔塔·L. 韦恩,[加拿大]本杰明·M. 博尔克
译者:彭诗意
出版时间:2021年09月

没有传染病的未来触手可及?

我们常说“有感染力的歌词”和“病毒式的视频”。这些与传染病有关的比喻,渗透在21世纪的西方流行文化中。人们对下一次传染病大流行的担忧,正在世界范围内悄然升温。传染病危机来来去去:在过去的十年里,生物恐怖主义、SARS、H1N1流感和埃博拉病毒轮番出现,令人忧心。

早在20世纪70年代,医生就大胆地宣布终结传染病的时代已经开始。他们认为,用于预防病毒的疫苗和治疗细菌感染的广谱抗生素,可以应对任何传染病的威胁。但传染病从未消失,甚至从未得到缓解。就在医生宣布胜利之际,抗药性金黄色葡萄球菌(英国小报中报道的一种“食肉细菌”)正在医院中传播(日本在20世纪50年代曾经历过抗药性细菌的暴发,但当时西方国家很少注意到这些流行病)。20世纪80年代,随着HIV的出现,传染病的形势更为严峻,时至今日,HIV疫苗的研发仍举步维艰。在意识到传染病的新威胁后,美国医学研究所在20世纪90年代初提出了名词“新发与再发传染病”。

传染病是一种由病原体引起的,能在人与人或其他生物之间传播的疾病。相反,非传染性疾病,例如心脏病、糖尿病、阿尔茨海默病,则是由于环境和遗传基因的共同作用导致的。引起传染病的生物被称为病原体或寄生虫。虽然生物学家曾经只用“寄生虫”来描述相对较大的致病生物,如绦虫或蜱虫,但现在也包括了微生物(病毒、细菌和真菌),这使两个术语的含义几乎相近。

我们之所以害怕传染病,正是因为它具有传染性。肉眼通常无法看见传染病的病原体,故在很大程度上,接触病原体是不可避免的,除非完全不与人接触。1842年,埃德加·爱伦·坡在他的小说《红死魔的面具》中描述了人们对传染病的恐惧,并指出断绝人类之间的接触来避免传染病是无效的。在该书中,一群贵族隐居到一个与世隔绝的地方,想躲避一场名为“红死病”的瘟疫。最终,一个盛装打扮的陌生人混进化装舞会,尽管采取了预防措施,但所有贵族都死于这种疾病。

不管爱伦·坡书中的贵族们所采取的避免疾病传播的措施多么不见成效,然而在人类历史的长河里,这一直是对抗传染病的唯一途径。直至19世纪中叶,疾病传播的机制才被世人所知,故在此之前,人类社会面对流行病所能做的就是切断与疫区的联系。1665年,为了躲避伦敦鼠疫,艾萨克·牛顿退居乡下,偶然之中,创立了微积分并发现了万有引力定律。同年,英国的埃姆村为防止鼠疫蔓延,自愿封村隔离,最终有一半以上的村民死亡。“隔离”一词现指强制隔开潜在感染者,以避免传染给他人,该词起源于“四十天”,即在威尼斯,为确保船上人员没有得瘟疫,船只必须在城外等待四十天。

隔离(至少好于坡书中的措施)确实能阻止传播,但从根本上来说,这是被动的,因为只有当人们意识到严重的疾病威胁时,才会采取隔离措施。这些措施只对未感染的健康人群有用,而对已感染者或不幸被困在隔离区的未感染者没有太大的意义。另一方面,只要我们对疾病的传播方式有所了解,隔离措施对任何疾病都是有效的(因为鼠疫是由鼠蚤传播的,所以只阻止人与人之间的接触但不灭鼠是无济于事的)。

隔离是为了保护群体而不是个体。随着医学水平的提高,公共卫生官员开始将工作重心从保护人群转移到保护个人。免疫接种是指,通过毒性温和的病原体菌株或毒素等外来物质刺激免疫系统从而保护人体的过程,是传染病个体防控工作中的第一个重大突破。18世纪初,天花免疫接种已在非洲、中国、印度和土耳其广泛开展。

1721年,英国驻土耳其大使的妻子玛丽·沃特利·蒙塔古夫人,将天花疫苗引入英国,引起了西方民众的关注,而更引人注目的是,同年由马萨诸塞州波士顿殖民城市的牧师科顿·马瑟推广的一项“实验”。面对天花的暴发,马瑟和他的医学同事扎布迪尔·博伊尔斯顿违背了大多数波士顿同胞的意愿,贸然推行免疫接种。尽管有几位患者死亡,但这一实验证实了一种物理隔离的有效替代方法:免疫接种能保护个体免受感染,并且不限制人们的自由活动。

马瑟和博伊尔斯顿的实验还说明了,为了个人利益而控制疾病和为了群体利益而控制疾病之间的伦理冲突。成功接种疫苗后的波士顿市民是安全的,但在接种后的几天里,他们可能会把疾病传染给没有保护措施的个人。大多数现代疫苗制剂所含的是非感染性物质,所以这一特殊的问题在今天已不那么令人担忧,但个人健康和公共健康之间的冲突仍然存在。

大多数免疫接种只能防止健康人被感染,但不能治愈感染者。20世纪中叶,随着抗生素的出现,个体水平的传染病防控又向前迈进了一步。抗生素最初是从常见的家庭霉菌和细菌中提取出来的,后来在实验室中合成,可以用来治疗感染患者。治愈传染病的可能性也减轻了人们对隔离的恐惧,在此之前,隔离被视为死刑。

在治疗有害细菌感染的抗生素和预防脊髓灰质炎、麻疹和百日咳等疾病的新型有效疫苗的浪潮之间,对于20世纪70年代的公共卫生官员来说,没有传染病的未来似乎已经触手可及。然而,他们很快就面临许多传染病无法通过个体层面措施得到有效控制的难题。疫苗是通过激活人体的免疫系统发挥作用的,因此,对于像疟疾或艾滋病等已经进化出逃避免疫系统策略的传染病病原体来说,疫苗的研发要困难得多。抗生素只对细菌有效,而对其他微生物,如病毒或真菌无效(虽然确实存在抗病毒和抗真菌的化学物质,但这些物质远不如抗生素作用范围广泛并且有效)。20世纪末,随着人们认识到传染病终究没有被征服,研究方向开始重新转向群体层面的控制。

到目前为止,我们将治疗方案根据主要是针对群体(隔离)还是个体(免疫/疫苗接种、抗生素)进行了划分。然而,进一步研究发现,抗生素和免疫接种既有助于保护群体,也能造福于接受治疗的患者。药物治疗可以减少传染病的影响,因为康复的人也不会传染他人。因此,治疗感染患者可以减少传播。疫苗预防感染是指一些潜在的传染性接触(感染者打喷嚏或性行为等活动,与传染病的传播途径有关)不会对已进行免疫接种的人造成威胁,从而再次减少了传播。

这种所谓的群体免疫缩小了流行病的传播范围,甚至防控效果更优于接种疫苗所起到的直接作用。如果对足够多的人进行免疫接种,就可以充分减少传播,从而杜绝某种流行病的发生。若是能在全球范围内采取这样的措施,那么相应的疾病就会被消灭(就像天花一样,环保主义者并不担心它的灭绝)。

如果问题仅仅只是某些疾病较难控制,我们在防治传染病的斗争中仍然会取得进展,虽然比较缓慢。现代分子生物学为人类提供了很多种新型抗病毒药物,甚至连疟疾这样的疑难疾病的疫苗也在研制中。但人类和传染病病原体都是生物,所有的生物都经历着生态和进化的演变,这让传染病成为一个动态的目标。我们逐渐认识到,人类(及瘟疫)与生命之轮息息相关,个体水平的防控措施未能让我们脱离出生命之轮,这推动了当今传染病研究的转变。

生态过程

尽管我们试图否认,但人类受制于生态学法则。我们掌控着我们环境的大部分。机动车取代大型捕食者,成为暴力性死亡的主要类别;我们消灭了大多数潜在的竞争对手,并且驯化了处于食物链下端的生物。但是,传染病仍然将我们与全球生命网络联系在一起。

最重要的疾病生态学联系是人畜共患病,即新发疾病由动物宿主传染给人类:埃博拉(病毒可能来源于蝙蝠)可能是最引人注目的例子,但很多我们尚未掌控的新发疾病都与动物相关:SARS、禽流感(H5N1)和汉坦病毒,这些都是较为人们熟知的例子。事实上,几乎所有的传染病都是动物源性疾病,而且大多数新发传染病都是人畜共患病。由于很难针对未知疾病进行疫苗接种或开展药物研发,所以这些新疾病威胁的出现令人恐惧:我们不知道何时会出现一种“超级传染病”。

人畜共患病并非新鲜事。天花被认为是至少在一万六千年前,由啮齿动物传播给人类的;麻疹是在9世纪左右,由牛传播给人类的;HIV则是在20世纪初通过猴子和黑猩猩传染给人类的。然而,无论是在热带雨林(HIV和埃博拉)还是在温带气候地区的郊区(莱姆病),人口的快速增长和土地利用的变化都增加了人类与动物的接触。

除了与动物有更密切的接触外,全球人口的流动速度也在加快。与17世纪艾萨克·牛顿逃离瘟疫,或19世纪爱伦·坡创作《红死魔的面具》时相比,人与人之间的接触导致疾病传播的速度更快,距离也更远。以前传播范围局限在有限区域(一般在发展中国家)的传染病,现在可以迅速扩大其传播范围。不仅人类传染病是这样,影响其他物种的疾病也是如此,这些疾病的传染源由人类通过行李、旅行中所吃的食物或鞋子进行传播。

人类的旅行和商贸活动,可能通过运输动物(尤其是昆虫)病媒间接传播疾病,将疾病从某一生物体传染给另一生物体。例如,在国际二手轮胎贸易上,传播登革热的病媒伊蚊。除了病媒,人们有时也会转移人畜共患病的宿主。1989年,非洲以外地区的首位埃博拉病毒感染者,传染源是从菲律宾进口用于动物实验的猴子(食蟹猕猴)。幸运的是,所涉及的特殊菌株(埃博拉—雷斯顿型)对人类无害。

人口流动性的增加将病媒和宿主传播到新的地区,环境变化让它们能够在新家园中繁衍。随着全球气候变化,动物,特别是对温度敏感的昆虫,可能会入侵温带的新地区。虽然这个话题仍然存在争议,但许多气候学家和一些流行病学家相信,在区域气候变化的影响下,登革热和疟疾等蚊媒疾病已经在向新的人群中扩散。人类居住和经济活动模式导致的更为局部的环境变化,将会对传染病的传播产生更大的影响。例如,传播登革热的蚊子幼虫在如旧轮胎和家用水箱大小的水体中生长。一般来说,随着发展中国家人民从农村移居到日益繁荣的城市,他们将面临更严重的污水问题(传播霍乱和其他水媒疾病),并遇到了新的、不同种类的携带疾病的昆虫。

进化过程

生态学不断地让我们面临新的流行病,但进化让情况变得更严重:即使是我们有所了解的传染病,正当我们试图防控它们时,也会发生变化。作为为生存而战的生物,传染病并不是偶然逃脱我们的控制的。实际上,这是自然选择的结果。传染病在不断地变化,我们越努力与它对抗,它变化得越快。疾病生物学家经常引用刘易斯·卡罗尔所著《爱丽丝漫游奇境》中红桃皇后的话:“你需要尽全力奔跑,才能保持在同一个地方。”

对于每一种疾病的预防策略,传染病都有相应的进化对策。细菌并非因人类使用抗生素而产生抗药性:科学家们在从三万年前的冻土中提取的DNA中,发现了类似于现代基因变体的抗生素抗药性基因。这并不奇怪,因为人类并没有发明抗生素。相反,抗生素是在真菌中发现或者产生的,真菌已进化出对抗细菌的策略。

然而,抗生素在医药和农业中的广泛使用,使得对一种或多种抗生素产生抗药性的细菌能够战胜对抗生素敏感的细菌。其他生物,如引起疟疾的原生动物,也对治疗药物产生了抗药性。当艾滋病患者服用单一药物而不是应用联合多种药物的“鸡尾酒”疗法时,病毒在短短几周内就会在体内产生抗药性。病原体进化出对疫苗和药物的耐受性,但方式不尽相同。不是抗药性基因在病原体种群中传播,而是发生了菌种替换,即以前对疫苗有免疫力的罕见类型占据了整个菌群。

尽管与细菌和病毒相比,蚊子的数量较少,出生率也较低,因此进化速度要慢得多,但蚊子也找到了进化对策来应对我们的疾病控制策略。在发达国家,随着雷切尔·卡森等人敲响了滴滴涕对野生动物产生有害影响的警钟,滴滴涕被停用了,但即使在发展中国家,基于滴滴涕的病媒控制策略的效果也是短暂的,因为在大规模喷洒方案开始后的十年内,蚊子就已经进化出对滴滴涕的抗药性了。

传染病生物学的每一个方面都在不断演变,不仅仅是抵抗或规避控制措施的能力。生物学家已经注意到,一种疾病的毒性——对宿主的危害程度,是病原体进化的特征。通常情况下,毒力温和的传染病的病原体会发生突变,使它们的致病力更强。西尼罗河病毒出现于20世纪90年代末,这种病毒发生单一突变后,对乌鸦的致死性显著增强,但尚未明确这种突变是否也与西尼罗河病毒在人体中的毒力增强有关。

虽然突变是随机的,但自然选择的进化却并非如此:病原体一旦发生突变,其后续生物学行为的成败取决于生态条件。生物学家保罗·埃瓦尔德率先指出了病原体生态条件的变化,比如从人与人之间的直接传播转变为水媒传播,可能促使传染病致病力变得更强。全球航空旅行的兴起,可能会推动疾病的进化和生态变化:一些生物学家指出,空间上分散的种群之间的混合可能会增强病原体毒性。

展望

考虑到这些挑战,消灭传染病——20世纪的动人之歌——似乎毫无希望,而仅仅依靠保护个体的防控策略似乎站不住脚。看来,我们必须学会与传染病共存,而不是消灭它。然而,我们也必须努力减少传染病带来的痛苦。

因此,21世纪以来,人们从试图消灭传染病的病原体,转变为试图了解、预测和管理传染病在群体层面的传播。在这种新的理论努力中,主要的工具不是神奇子弹的技术,而是生态学和进化学科。生态学,因为理解生态关系有助于我们理解传播的周期。进化,因为病原体既会自行进化,也会随着我们的防控努力而进化。

【作者简介】

玛尔塔·L.韦恩为进化遗传学家,美国佛罗里达大学生物学教授,主要致力于人类病毒进化动力学的研究;本杰明·M.博尔克为理论生态学家,加拿大麦克马斯特大学数学、统计学和生物学教授,主要致力于麻疹流行病及生态系统碳动力学和植物物种间竞争的研究。

作者:玛尔塔·L.韦恩,本杰明·M.博尔克

编辑:肖歌

来源:百道网

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