流行性感冒 : 過去大流行學到的課題,現今事件得到的警示

        經過幾天相關的文章,相信朋友們一定有一些概念嚕,今天就再以一篇review paper更深入的談談流行性感冒,其出處為Microbiology 3 : 591-600, 2005.
 
流行性感冒 : 過去大流行學到的課題,現今事件得到的警示 (Influenza:lessons from past pandemics, warnings from current incidents)
 
Taisuke Horimoto (日本東京大學醫學科學研究院微生物與免疫學系病毒組,日本科學與科技局發展科學核心研究組), Yoshihiro Kawaoka(日本東京大學醫學科學研究院微生物與免疫學系病毒組,日本東京大學醫學科學研究院感染疾病國際研究中心,日本科學與科技局發展科學核心研究組,威斯康辛麥迪遜大學獸醫學院病理生物學)
 
摘要
最近家禽與人類高致病率A型禽流感(H5和H7亞型)感染案例的發生對於經濟衝擊與新型流感是否會造成另一波大流行的擔心變的重要起來.根除病原體也就是禽流感病毒似乎是預防流感大流行最有效的方法,雖然這個策略到現今都沒有被成功的證實過.在這裡我們要由分子的觀點來綜觀導致大流行出現的因素.
 
本文
流感病毒屬於Orthomyxoviridae科, 因為nucleoprotein (NP) 和 matrix protein (M1) 的不同讓流感病毒可以區分為A, B, C型,如下圖: 
 

以A型流感來說,因為hemagglutinin (HA)和neuraminidase(NA)表面醣蛋白的不同又分為許多亞型.現今的A型流感鑑定出來有16個HA(H1-H16)和9個NA(N1-N9).

在動物身上,包括人類,豬,馬,海洋哺乳類,和鳥禽身上都分離出A型流感病毒過.分離出來的A型流感病毒在動植物種類史的研究上顯示病毒基因具物種專一性,而且水鳥類被認為是其他物種A型流感的來源.流感病毒通常在野生的水鳥身上並不致病,表示這些病毒已經在這種天然的孕育巢中達到適應的最好狀態(容蘇姍小解釋一下,病毒如果能夠感染宿主,讓宿主不會因為它而致病死亡,又可以幫它製造病毒的後代,這才是病毒的終極目標,如果宿主太容易因為它而致病死亡,那麼病毒就不容易達到傳染的目的,這樣病毒也不容易散佈的廣,所以說病毒在水鳥中已經有很好的適應狀態了,水鳥身上的病毒也被認為是其他物種A型流感病毒的始祖).A型流感病毒所有的16個HA和9個NA亞型在水鳥間廣佈,尤其是鴨子,海鳥,和海鷗.

 

過去的流感大流行

西班牙流感(1918-1919).所謂的西班牙流感指的是由H1N1病毒引起並且在1918-1919年間導致四千萬人死亡.雖然這次流感的臨床症狀和病理學上的表徵大多侷限於呼吸道感染,但是幾乎有一半的死亡人口(在美國平均致死率為2.5%)發生在20-40歲的青年人身上.當年1918西班牙大流感病毒的生物特性到現在還有很多是不清楚的,歸因於缺乏可用於研究的病毒.然而,由肺組織所得到的1918病毒基因序列數據暗示了一個不尋常的鳥類前身.

1918年病毒HA的三度空間結構指出儘管只保留鳥類前身特有的HA宿主receptor結合處(host-receptor-binding site)的片段,1918病毒HA仍然能夠站在人類細胞表面的receptors.最近的研究顯示在小鼠的動物實驗上用reverse genetics方式產生1918病毒的HA對於小鼠的毒性佔有重要的角色.確實,在小鼠身上看到由發炎細胞引起的肺浸潤和出血性的肺炎也是人類在最初大流行時生病的表徵.

 

其他的大流行

另外較不嚴重的大流行發生在1957年(亞洲流感, H2N2), 1968年(香港流感, H3N2), 和1977年 (蘇聯流感, H1N1). 1957年流感病毒的組成是由來自於鳥類流感病毒的HA(H2),NA(N2)還有病毒RNA聚合酶基因片段PB1(polymerase basic 1),其他的部分則是先前就在人類間流傳的流感病毒就有的.1968年的流感病毒則是具有鳥的HA(H3)和PB1基因片段在人類的病毒基因裡.具有鳥的表面抗原使得這些病毒可以規避人類的免疫系統.為什麼這兩個大流感病毒株都帶到了鳥的基因PB1至今仍然是個謎.鑒於最近鑑定出來的北美豬的流感病毒, 結合的豬,人類和鳥禽的病毒基因三者重整(reassortant)使得病毒株裡有跟人類流感病毒一樣的PB1和HA,其中一個可能性是HA和PB1的基因不管在製造蛋白的階段(protein level)或是核酸的階段(nucleic acid)功能上相互作用,提高了鳥的病毒的複製能力.

1950年代蘇聯流感病毒H1N1基本上跟在人類間已經流傳的H1N1病毒株是相同的,並且很有可能當初這些病毒保存在冷凍的環境直到那時不知怎麼的被引入人群中.這次的爆發並沒有變得很大,因為當時27歲以上的人對這株病毒已經有一些免疫力了.

 

鳥禽類流感病毒的特性

病毒上的HA因為大多數人口缺乏對他的免疫力就會引起的大流感.最近,純粹是鳥禽類流感病毒而傳到人身上的案例有H5N1, H9N2, H7N7這些病毒亞型,使得世界人口大多數沒有免疫力的新型大流感可能性被高度重視.上一個世紀發生的大流感除了蘇聯流感之外其病毒株都有來自於鳥禽類病毒株的HA,歸因於分子的改變使得人類大流感的病毒株可以在鳥禽類裡這個病毒製造槽裡被發現.

鳥禽類流感病毒可以以毒性排序: 高病原性的鳥禽類流感(highly pathogenic avian influenza HPAI)病毒會引起致命的感染,讓鳥禽在感染前期的24hr內死亡,低病原性的鳥禽類流感,通常一個星期就可以讓一個區域爆發流感而致病,但是致病率以及致死率低於HPAI病毒.鳥禽類病毒在動植物種類史的研究上顯示兩個地理上分開的區域(歐亞和美洲),因為這兩個區域當地鳥類在各自區域遷徙可能反映了病毒的分別.HPAI和LPAI病毒在這兩個區域都有被發現,指出病毒的致病率並不是由地域性來決定.沒有例外,所有的HPAI病毒屬於H5或H7亞型,原因仍然不明.至於NA亞型好像沒有說HPAI是特定哪些亞型.

 

對流感病毒的忍受性及其病理學 雖然病毒常常是對一種鳥類有高致病率對另一種鳥類卻沒有,但是很多寵物及野生鳥禽對於流感病毒是很容易被感染的.舉例來說,鴨子容易因為雞的流感病毒而死亡,病毒在鴨子體內很多器官和血液裡都可以測得到.以眷養的鳥禽類來說,雞和火雞最常爆發的是HPAI病毒相關疾病.至於為何不同的鳥禽類會對病毒有不同的忍受度至今仍然未知.

LPAI病毒主要是在腸道和呼吸器官被複製,並且在鳥的排泄物上散佈.因此,病毒經由排泄物感染水源或經口感染的途徑是LPAI病毒再水鳥間的一個重要傳染途徑與機制.高農度的HAPI病毒,在家禽間複製也同樣會在排泄物上散佈.然而,這些再鳥之間傳播的病毒再鳥類數量群聚的時後藉由接觸病毒感染到的物體再經由鼻或口的途徑感染LPAI病毒引起局部呼吸道或是腸道的感染,在被感染的HPAI病毒的雞隻中,常有的症狀包括皮內微血管的擴張,出血,以及血栓的形成.HPAI病毒可以在血管內皮細胞以及週邊薄壁組織細胞間有效的複製,進而散佈病毒且引發全身性的感染.除此之外,心血管系統也包含其中,因為HPAI抗原在壞死的心臟肌肉細胞中也被發現過.

 

HA以及致病率

HA表面醣蛋白調節病毒和宿主細胞表面接受器(receptors)的結合,經由膜融合與聚合酶(polymerase)和NP(ribonucleoprotein,RNP)成為復合體促使病毒RNA釋放.前驅物HA分子進行轉譯的前步驟(post-translation)就是藉由宿主的蛋白酶將HA切成HA1和HA2,在HA2的尾端產生一個fusogenic domain,這個部分負責調控病毒套膜和宿主細胞內質網膜的融合.病毒的蛋白質活性對於病毒的感染力以及傳染性是很重要的,而且病毒上的醣蛋白HA對於流感病毒的致病率佔有重要的角色. 

LPAI病毒的HA在cleavage site具有胺基酸arginine(R)且通常只在特定的器官中才會被切,然後產生輕微或沒有症狀的感染.

會切LPAI和HPAI病毒HA的蛋白酶通常是"trypsin-like"酵素,在體外實驗包含了凝血因子Xa,tryptase,mini-plasmin和細菌的蛋白酶,但是這些酵素在體外實驗中對切HA的結果仍未證明.相比之下,HPAI病毒的HA cleavage site有一連串基本胺基酸可以被普遍存在於不同宿主細胞的蛋白酶如furin和PC6(proprotein convertase 6)切開,導致了家禽致死的全身性感染.接近cleavage site的一個碳水化合物的側鏈可以影響HA被切的能力,因為它會干擾宿主的蛋白酶接近cleavage site.因此,鳥禽流感病毒對於選擇感染哪個組織的主要決定因素在於HA可以被切的能力,這些酵素不同的組織會有不同而且這些酵素對於HA的敏感度也不同,這就決定了病毒感染的結果.

鳥禽流感病毒從無毒性到具有毒性其實有一個很基本的要件就是增加切HA的能力,就如同1983年在賓州發現的H5N2,1994年在墨西哥發現的H5N2,1997年在義大利發現的H7N1,2002年在智利發現的H7N3,2004年在家那大發現的H7N3.由聚合酶的滑動(polymerase slippage)或非同源性(non-homologous)的基因重組造成基因序列的改變對於HA及其他在cleavage site的基因碼有影響.

 

直接傳播給人類

一般來說,鳥禽類的流感病毒並不能有效地在人類身上複製,所以鳥禽類流感病毒直接傳播到人身上的可能性實在很小,在自願者的人體實驗上需要很高的病毒量才可能產生可在人類身上複製並且達到可計量程度的病毒.人類身上對鳥禽類流感病毒有限制性的生長條件以前一直被認為是直接由鳥禽類傳染給人類引發大流感的一個屏障,然而,這個觀念在1997年當H5N1鳥禽類病毒直接由禽鳥傳給人類時被改變了.

 

H5N1病毒  1997年5月,一株H5N1病毒(A/Hong Kong/156/97)在一個香港三歲的男孩身上被分離出來,這個男孩後來死於流感引起的肺炎並且併發雷氏症候群(Reye’s syndrome).1997年底,總計有18個人遭到感染,六個人死亡.感染的臨床症狀包括忽然的高燒,上呼吸道感染這些流感典型的症狀.有些病患則有嚴重的併發症,主要是肺炎,腸胃的不適,肝臟酵素的指數升高和腎衰竭.一般來說,孩童好的比成人快.流行病學研究說明由鳥直接傳播病毒給人或是血清學上的證實由人再傳人僅僅事一些很少的案例,這表示病毒還沒有完全使自己適應於人類這個宿主.在香港所有家禽的撲殺成功的抑止了H5N1病毒感染造成大爆發的可能性.

分離出來的人類H5N1病毒並不像1957和1968年大流感的病毒株的重新配置(reassortants) ; 這些病毒基因的出處反而是是來自於歐亞鳥禽類病毒.H5N1病毒的HA基因密碼是來自於中國廣東省死亡的鵝身上所分離出來的H5N1病毒株的(A/goose/Guangdong/1/96).從1997年到2001年,H5N1病毒的HA都有相同的基因上的相關性,也就是在中國東南方鳥禽身上不斷流傳的.2002年,另一株H5N1病毒顯示跟香港那一株有antigenic drift並且在鴨子和其他水鳥間具有高致病率,事一個HPAI病毒.2003年初,一株H5N1病毒感染了香港的一家–爸爸跟兒子(分離出H5N1病毒過),他們發生了嚴重的呼吸道疾病,不幸的爸爸死亡.女兒原來並沒有被診斷出來但也不幸的死於呼吸道感染.

2003-2004年間伴隨H5N1 HPAI病毒的流感在幾個亞洲國家發生了,其中包括了越南,泰國,印尼,柬埔寨,寮國,韓國,日本和中國(之後馬來西亞也發生了).雖然沒有官方正式的報告,但是這些病毒在2003年7月首見於越南,印尼和馬來西亞的家禽.雖然每一個重新配置(reassortants)病毒的HA跟來自於中國廣東的鵝的病毒(A/goose/Guangdong/1/96)相似,但動植物種類史的分析表示這些從香港跟中國大陸家禽分離出來的病毒顯現了多處基因的重新配置(reassortants)(genotypes A, B, C, D, E, V, W, X 0-3, Y, Z and Z+).相同的,由中國大陸圈養的鴨子身上分離出來9個不同基因型(genotypes)(A-I),跟之前報告的家禽的基因型沒有相關.

H5N1病毒的主要基因型Z是越南,泰國和印尼發生的那株,並且在2002年11月在香港遷息的野生水鳥身上有被檢測到過.雖然2003年在香港人類身上分離出來的病毒株顯示跟這些水鳥病毒的基因有相似性,但是它卻缺乏一個NA "stalk" region的deletion,這個NA "stalk" region在基因型Z的病毒上被發現過並且因此給了一個基因型Z+的名稱.相比之下,2004年在日本被分離出來的病毒株,有一個人的血清證實有H5抗體,在韓國則屬於基因型V.它們的聚合酶酸蛋白(polymerase acid protein PA)基因片段跟基因型Z的這些病毒是不一樣的,雖然其他片段跟這些病毒是相關的.因此,至少兩個H5N1基因型Z和V是跟2003-2004亞洲發生的流感有關.不管是不是單獨PA的基因密碼改變讓這些病毒有不同的能力去感染人類並引發未知且嚴重的疾病.這些觀察指出了圈養的鴨子跟中國南方陸上的家禽可能在H5N1病毒產生跟維持上扮演了重要的角色,而野生的鳥禽類則扮演了廣為傳播的角色.

雖然HPAI病毒的爆發在大多數國家都侷限於家禽(主要是雞隻),但是的確有傳播到人類身上的案例,造成三個國家53個死亡病例:越南76人感染37人死亡,泰國17人感染12人死亡,柬埔寨4人感染且全部死亡.臨床上的表徵跟1997年在香港爆發的H5N1一樣,有發燒,咳嗽,腹瀉,呼吸短促,淋巴細胞減少症(lymphopaenia),和胸腔的異常,在越南,病人的症狀比較明顯的是腹瀉.死亡率比1997年高(54.6% vs. 33.3%,根據受醫療照護的官方報告計算),但是兩者的死亡率還無疑問的是高估,因為沒有足夠的總數(分母).不像1997年的案例,在越南有分離出對抗流感藥物(amantadine和rimantadine有抗藥性的病毒株.在最近爆發的案例中除了在越南很少數的案例以及在泰國的幾個家庭,並沒有強烈的證據顯示有人對人的傳染.

人類感染鳥禽類H5N1病毒病理症狀方面的資訊其實很有限.1997年僅報導了兩個病毒感染的死亡案例,報告中指出活耀的嗜血細胞症狀(haemophagocytic syndrome)為主要的表徵,其中包含了肺泡細胞的傷害伴隨間質纖維病(diffuse alveolar damage with interstitial fibrosis),肝中心葉的大量壞死(extensive necrosis of the hepatic central lobe)急性腎管細胞壞死(acute renal tubular necrosis),淋巴細胞的用盡(lymphoid depletion).細胞激素(cytokine)的量上升,像IL-6(interleukin-6)和IFN-r(interferon-r)都可以被測得到,表示初期感染病毒時,病毒在呼吸道複製會驅使細胞激素過多症(hypercytokinaemia),導致嗜血細胞症狀(haemophagocytic syndrome).相同地,2003年感染H5N1病毒的病人血清裡的化學激素(chemokine)也比較高,例如由IFN引發的Protein-10,和IFN-r引發的monokines.因此,細胞激素不正常的調控可能是H5N1在人類身上致病的因素.在感染表現了1918流感病毒HA的小鼠身上也測得到類似的細胞激素/化學激素失調.

有趣的是,2000年後,在中國南方眷養的健康鴨子身上也可以分離出H5N1病毒,這種病毒變得更容易引起小鼠生病.同樣的,眷養的貓咪跟老虎會因為吃了感染H5N1和H7N7病毒的家禽而死亡,但必須強調這是實驗狀況下的感染.因此,貓咪也有可能成為生物界的載體(vector),使得H5N1病毒可以藉由這傳染給人類.

 

H9N2病毒. 1999年,在香港兩個不同抗原性的H9N2流感病毒(A/quail/Hong Kong/G1/97-like和A/duck/Hong Kong/Y280/97-like)的其中一株由鳥禽傳到兩個人身上,造成輕微的呼吸道疾病.在中國大陸,有5個H9N2病毒感染的案例被證實.G1-like病毒,在香港從人類身上被分離出來,被認為跟1997年HPAI H5N1病毒有關,因為這兩個病毒在他們6個內部的基因片段上有相同的進化來源.H9N2病毒在香港的豬隻身上也可以檢測的到,並且現在也成為歐亞大陸家禽間廣泛性動物流行病.2003年12月,一株H9N2病毒(Y280-like)再度在香港感染了人類,引起一個孩童輕微的呼吸道疾病.因此,除了H5N1病毒,H9N2病毒也可能對人類有大流行的威脅,並且讓沒有免疫能力的人類生病.

 

H7病毒. 之前,有一些有限度的人類感染H7病毒案例被報導.1996年,H7N7禽流感病毒在英國從一位女士身上被分離出來並且併發了結膜炎.病毒的來源被認為應該是水鳥(waterfowl),這位女士聚集鴨子並且讓鴨子跟野生的水鳥同樣生活在一個小池塘.從人類身上分離出來的病毒整個HA基因顯示跟1995年在愛爾蘭從火雞身上分離出來的H7N7病毒相似度很高.

2003年2月到3月之間,HPAI H7N7病毒在荷蘭感染家禽並且因此傳染給至少89個人,其中83個人有結膜炎,幾個人有類似感冒的輕微症狀,一個人併發急性呼吸道疾病死於肺炎.H7N7人對人的傳染在文獻報告裡有三例,從一個有結膜炎的家庭成員來的.有59%接觸過受病毒感染的家禽之飼養業者檢測到有抗體.大約這500人中有一半在家禽爆發感染病毒時有觸過受感染的家禽,並且對病毒產生了抗體.估計在荷蘭可能有至少1000人感染到H7N7病毒.

2004年,一株HPAI H7N3病毒在英屬哥倫比亞區,加拿大,感染兩個人,臨床症狀是結膜炎和輕微的呼吸系統疾病.至於H7病毒在人類引起結膜炎的原因未知.

 

從分子的觀點來看人類的感染

必須強調的一點是流感病毒在任何宿主身上可以生存並且致病其實是有很多發生原因的.但是,關鍵的原因已經被研究清楚了直於其他的原因也陸續被揭露.

HA 前面提過,HA這個醣蛋白跟宿主細胞間的辨識佔了重要的角色.人類流感病毒認的是宿主細胞上接收器的sialyloligosaccharides,尾端是N-acetyl sialic acid以alpha2,6 linkage(NeuAc(alpha)2,6Gal)的方式接在半乳糖(galactose)上,然而鳥禽流感病毒認的是宿主細胞上接收器上的N-acetyl sialic acid以alpha2,3 linkage(NeuAc(alpha)2,3Gal)的方式接在半乳糖上.人類氣管的上皮細胞就有NeuAc(alpha)2,6Gal,而鴨子的氣管和腸道的上皮細胞有的是NeuAc(alpha)2,3Gal.在豬隻的氣管上皮細胞同時具有NeuAc(alpha)2,6Gal和NeuAc(alpha)2,3Gal,這就解釋了為什麼豬隻可以感染人類以及鳥禽的流感病毒,並且被有些學者視豬隻為人類流感病毒和鳥禽流感病毒的"混和培養皿",有可能製造出大流感病毒株.然而,並沒有證據顯示1957年的亞洲大流感和1968年香港大流感是由豬隻來的.

alpha2,3或alpha2,6對HA的專一性不同.舉例來說,H3 HA,在人類的流感病毒上226位置上有Leu胺基酸(Leu226),在鳥禽流感病毒上則是Gln胺基酸(Gln226),而人類流感病毒的Leu226才會專一性的辨識alpha2,6 ; H1 HA, 人類及豬的流感病毒有Asp190,鳥禽類流感病毒是Glu190,根據1918病毒HA基因序列的比對以及結晶的分析,則是負責專一性的位置.

1997年由人類身上分離出來的H5N1病毒認鳥禽類的接收器上的NeuAc(alpha)2,3Gal.最近,alpha2,3-linked sialic acids 在人類和鳥禽的支氣管上皮的纖毛細胞培養中被鑑定出來,但是病毒卻不感染人類,而是感染鳥禽.所以,其實人類的氣裡的細胞是有可能接受鳥禽類流感病毒的.下呼吸道,包括細支氣管和肺泡的上皮細胞是alpha2,3或是alpha2,6-linked sialic acids仍屬於未知.但是,仍然有很大的可能H5N1病毒在複製的過程中對接收器的專一性轉成對人的.早期的1918, 1957, 1968大流感分離出來的病毒認的是NeuAc(alpha)2,6Gal,甚至他們的HA是由鳥禽類來的.這點指出了接受器專一性有可能會變化,這也是造成大流感的潛在可能性.

最近有一個有趣的觀念.病毒對於接受器的專一性在家禽跟在水鳥的不一樣.為了支持這個推論,科學家取由雞隻身上分離出來的H5N1,病毒對於NeuAc(alpha)2,3Gal的親合力低於水鳥的H5N1病毒.除了對接受器的親和力較低外,雞隻的H5N1還需要額外的glycosylation site在HA的globular head region上.顯然的,家禽的H9N2病毒對於接受器的專一性也是跟人類的H9N2病毒相近,跟水鳥的不相近.這些發現顯示家禽類的禽流感病毒對人類的威脅可能比水鳥還來的大.

 

(未完待續)

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