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哥大CII如何通过分子手段诊断病原体,应对全球传染病?

2020-02-10 10:36
动脉网
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2020年春节,因突如其来的新型冠状病毒肺炎而变得寂寥冷清,没有了往年的走亲串户,也少了许多团圆的盛宴,各方力量纷纷加入到这场抗疫大战中。

传染病史是与生物的出现及进化史同在,占据了从史前到现代人类疾病的大半江山,其可怕之处便在于病毒传播速率极快,人们感染病情急重,在无医疗控制条件下,能够迅速波及大片区域甚至全球。同时,随着全球化的发展,疾病的传播也变得越来越快,感染范围越来越广。

正因如此,一场新型传染病的爆发绝非一国之忧,此次武汉肺炎疫情发生后便得到了全球众多医疗专业人士的关注,在国际流行病学领域有着“病毒猎手”之称的美国哥伦比亚大学教授伊恩·利普金(Walter Ian Lipkin)就是其中之一。

利普京教授是全球首个使用分子手段诊断病原体的科学家,有着超过30年的诊断、微生物发现和疫情应对的经验。在他看来,“科学无国界,尤其在全球化时代,积极应对、预防各类传染病威胁是各国科学家的共同使命。”

此般理念之下,利普京教授在过往数十年间一直置身于世界疫情爆发的最前线,包括1999年的纽约西尼罗病毒疫情、2003年的中国SARS疫情、2012年至2016年的中东MERS疫情、2016年的美国寨卡疫情以及2017年的印度脑炎疫情。

除抗疫一线科学家外,利普京教授还有另一重身份,那就是美国哥伦比亚大学感染与免疫研究中心(the Center for Infection and Immunity,以下简称“哥大CII”)主任。该研究中心隶属于哥伦比亚大学密尔曼公共卫生学院,是世界知名的生物防御和新发传染病研究中心,也是全球唯一一家学术性质的世界卫生组织诊断研究中心。

自2001年成立以来,哥大CII便一直致力于全球公共卫生健康研究,率先使用分子遗传手段来发现新微生物,从而迅速确定传染性病原体。同时,该研究中心还制定了四大综合性措施,以防御全球性瘟疫的爆发。

新型传染病疫情应对

应对传染病爆发至关重要的一点就是要在疾病监测和爆发管理方面采取规范化方案。为此,哥大CII在超过40个国家及地区开展了医疗合作项目,并持续推进移动诊断实验室的开发,以构建具有凝聚力的全球公共卫生系统网络,对新出现的传染病威胁做出即时响应。

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移动诊断(来源:哥大CII官方网站)

在此情况下,哥大CII组织内部的传染病专业研究人员在过往多起传染病疫情爆发应对策略的制定方面发挥了不小的作用。1999年,该机构首先确定了西尼罗河病毒是当年纽约市脑膜炎爆发的原因;2003年,该机构首次推出严重急性呼吸综合症(SARS)的敏感诊断试验;2012年,该机构成为了协助确定中东呼吸综合症(MERS)来源的唯一学术中心。

病原体识别和诊断

若要实现应对和管理潜在的传染病威胁,重点之一便是具备快速识别疾病病原体的能力,而这恰巧就是哥大CII的专长所在。该研究中心拥有全球领先的分子微生物学设施,并率先通过使用分子遗传手段来发现新微生物,从而得以迅速确定传染性病原体。

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病原体识别和诊断(来源:哥大CII官方网站)

据了解,医疗人员在确定病原体时通常会使用一项称为聚合脢连锁反应(PCR)的技术,将零散的DNA“放大”到足够大的样本以供研究,但前提是医务人员需要凭借经验来确定自己要找何种类型的病原体。而基于第二代测序原理,哥大CII先后发明了无需依靠经验猜测的两款新型诊断和监测平台——VirCapSeq-VERT和BacCapSeq。

官方资料显示,VirCapSeq-VERT平台能够通过少许唾液、组织或脊髓液检测中包含其中的所有病毒,而且可以同时分析21组样本,并在48小时内得到结果。同时,该技术也能找出新型或突变的病毒,只要40%的基因符合已知病毒的基因即可。

BacCapSeq平台则含有420万个遗传探针,每个探针都能结合特异的序列以检测所有307种致病菌的特征DNA,以及抗生素耐药性和毒性的生物标志物。据《mBio》期刊介绍,该平台是世界上首个可以同时筛查所有已知的人类致病菌,及其毒性和抗生素耐药性标志物的诊断平台。

利普京教授曾在受访中表示:“全球每年有近300万人死于急性下呼吸道感染等传染性疾病,儿童和老年人尤为突出。而禽流感、MERS和SARS等新型病毒的爆发,以及麻疹等疫苗可预防病毒的周期性爆发,对全球健康安全造成极大的威胁。新平台的推出将成为识别病毒和遏制疫情的重要工具。"

同时,基于全球公共卫生系统网络的搭建,哥大CII研究人员每年从世界各地收集逾4万个生物样本,利用先进的病毒检测方法来筛查病原体威胁,并建立用于疾病机理研究的动物模型。发展至今,该机构已研究发现蜱传细菌和病毒在人类疾病中的影响,进一步证实了中东MERS病毒起源于蝙蝠的理论,以及发现在世界范围内蝙蝠都是大量冠状病毒的主要携带体。

人畜共患疾病监测

据世界卫生组织定义,传染病是由细菌、病毒、寄生虫或真菌等在内的致病微生物所引起,疾病可直接或间接地在人与人之间传播。而人畜共患疾病是动物的传染病,在传播给人类时也可引起疾病。

据悉,人类的新型传染病中有超过七成都被认为可能源自于动物,尤其是野生动物。自从出现西尼罗河病毒、SARS和H1N1(猪流感)以来,公众则更加意识到人畜共患疾病和动物传染病所构成的潜在威胁。

对此,哥大CII研究人员领导部署了野外实验室项目,重点监视野生动植物和家畜中的病毒,以了解和初步预测疾病是在哪个时间点、通过哪种途径,从一种物种转移到另一种物种上。同时,科学家们还将对动物栖息地的变化进行调查,以了解病毒的进化和发现新型病原体。

全球研究和培训项目

创新传染病研究离不开人才的持续培养和全球的资源协作。哥大CII目前已在19个国家培养了逾30位传染病发现及诊断的研究人员,并与中国、孟加拉及沙特等国合作建立了联合实验室,对已发现的病原体进行监视,识别新型传染性微生物,建立新诊断平台,以及进行药物和疫苗的开发。

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专业研究人员的培养(来源:哥大CII官方网站)

此次武汉疫情爆发后,利普京教授时隔17年再次来到中国,带领哥大CII的纽约团队共同研制新型冠状病毒肺炎的测试试剂。他在受访时谈到:“此次疫情与非典肺炎相比,致死率较低,但传播力较强,传染速度和扩散面积超过后者,原因尚不清楚。现在可能低估了感染人数,高估了致死率。因为患者没有症状也可以传染,存在隐形感染者。”

纽约团队成员之一、病毒学家和分子生物学家米什拉博士(Nischay Mishra)近日对纽约当地媒体Gathomist也表示,尽管世界卫生组织报告指出此次新型病毒最主要的传播渠道是有症状的患者,但在中国及其它国家都出现了无症状个体传播的案例,因此从这类没有症状的患者中检测出病毒成为了遏制病毒持续蔓延的关键。

米什拉博士还透露道,团队目前正与身在中国的利普京教授时刻连线,争取在未来几周内开发出一种检测试剂,不仅能够确诊武汉肺炎患者的新型病毒,还可以识别和区分其它类型的流感病毒。若试验顺利的话,试剂在30到45天之内就可以在中国投入使用。

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