探索病毒的世界

我们活在一个充满病毒的世界,海洋里,空气中,桌子上,指甲缝里,无处不布满病毒,甚至我们的基因组里也有古老病毒的DNA。

病毒一定百害无益吗?新加坡科技研究局的区德博士带我们一起探索病毒的世界。

海洋里有一种东西全加起来,重量比全世界大象的总重量多1000倍;如果把这个东西从头到尾一字排开,它会从地球排到1亿光年外的太空。这个东西是什么?猜得到吗?

答案是:噬菌体病毒(Bacteriophage)。

小时候看“动物星球频道”,觉得那些体积庞大的动物非常威风,后来发现它们最终败在人类手上。人类虽然不比它们强壮,跑得也比较慢,站在某些动物(如大鲸鱼)身旁还显得非常渺小,可是我们总能够以各种方式捕捉和战胜它们。

长大后发现,原来还有比人类更小的东西,可以轻而易举地就把我们击倒。这个东西小得无法用肉眼看见,甚至在一般的显微镜下也不见踪影。它比毛发还细,比细胞更小,它就是病毒。

100年前,H1N1流感病毒横扫全世界,在两年内杀死1亿人,约是当时世界人口的5%。这是人类史上最严重的灾害之一,除了老人和小孩以外,年轻力壮的人也受感染死亡。

此后,人类每隔一段时期就遭受一次全球性传染病疫潮,包括2003年的严重急性呼吸综合征(SARS,沙斯),以及2015年至2016年的兹卡病毒疫潮。《大西洋杂志》(The Atlantic)报道,世界上的飞禽和哺乳动物身上藏有63万1000至82万7000种未知病毒,它们随时都有可能从动物传染到人类身上。

我们活在一个充满病毒的世界,除了海洋里有病毒以外,空气中,桌子上,指甲缝里,无处不布满病毒,甚至连我们的基因组里,也有古老病毒的DNA。

病毒就一定百害无益吗?你是否知道,科学家正在研究如何使用病毒战胜癌症?这一期《星球探索》,让新加坡科技研究局(A*STAR)属下的新加坡免疫学组(Singapore Immunology Network,简称SIgN)的科研人员区德博士带我们一起探索病毒的世界。

病毒由三个成分组成

病毒很小,有多小?

我们的细胞平均为10至15微米(1微米相等于0.001毫米),病毒只介于20至400纳米(1纳米相等于0.001微米)。如果一个病毒相等于一个1角钱硬币般大,那么单细胞的细菌就如一个盘子那么大,我们就会是200公尺高。

一个比细胞还小的东西竟能使我们病倒甚至瘫痪,它是怎么做到的?让我们先了解,病毒到底是什么?

病毒没有细胞结构,而由两到三个成分组成。这几个组成成分是:遗传物质(DNA或RNA核酸分子),蛋白质衣壳,以及一个由脂质形成的包膜。所有病毒都含有前两者,即RNA或DNA核酸分子,以及保护这个遗传物质的衣壳。较复杂的病毒外边还有由脂质构成的包膜,但不是每个病毒都有。

病毒无法靠自己复制

病毒无法靠自己自我复制。这个非细胞物体须借由感染机制,进入宿主的细胞,才能进行自我复制。

世界上所有具细胞结构的生命体,都可以受病毒感染,除了人类以外,动物和植物甚至是细菌也都可以被感染。不过,不同的病毒只能感染特定的细胞,而不是所有的细胞。

因为病毒的衣壳蛋白须与宿主细胞表面的特定受体之间,发生特异性结合(specific binding),才能感染我们。如果病毒的衣壳与我们身体的所有细胞都无法发生特异性结合,就无法感染我们。这种特异性决定每一种病毒的宿主范围。例如,流感病毒的目标是呼吸道粘膜上皮细胞,爱之病病毒只能感染人类的T细胞。

不同病毒感染不同的细胞和器官,这也是为什么某些病菌对我们只起一点影响,另一些则很严重。例如脊髓灰质炎病毒感染我们的肠胃道,但有可能感染神经系统,导致部分患者瘫痪。

第一个被人类发现的病毒是烟草花叶病毒,它专门感染植物,对人类和动物毫无影响。荷兰微生物学家马丁乌斯·贝杰林克(Martinus Beijerinck)于1898年时,通过过滤实验证明烟草花叶病的病原体比细菌还要细小,并以此推论病毒的存在。

从那个时候到现在,科学家已鉴定超过5000种类型的病毒,包括我们熟悉的流行性感冒病毒和令人闻之色变的爱之病病毒。

四种形态病毒

区德博士说,病毒是我们目前所知最小的感染因子,它们不是圆形或椭圆形,病毒的形态一般可分四种:

①螺旋形:例如烟草花叶病毒。螺旋形病毒的衣壳,由壳粒绕着同一个中心轴排列堆积起来,以形成一个中空的棒状结构。

②正二十面体形:例如脊髓灰质炎病毒(polio)和腺病毒(adenovirus)。大多数的动物病毒为正二十面体,或具有正二十面体对称的近球形结构。

③包膜形:例如流感病毒和爱之病病毒。这种病毒将宿主的细胞膜加以改造后,环绕在病毒体周围,形成一层脂质的包膜。无包膜的病毒在宿主细胞内完成复制后,需要宿主细胞死亡并裂解后,才能溢出并进一步感染其他细胞。有包膜的病毒则可以通过包膜与宿主的细胞膜融合来出入细胞,不需要造成细胞死亡。

④复合形:例如噬菌体病毒。病毒由头部和尾部组成,包装有病毒核酸的头部通常呈二十面体形,尾部呈螺旋形。

病毒生命的六个阶段

病毒无法通过细胞分裂的方式完成数量增长,而是利用宿主细胞内的代谢工具,合成自身的拷贝,并完成病毒组装。不同的病毒之间生命周期存在差异,但大致可分为六个阶段:

①附着:病毒体附着到宿主细胞表面。

②入侵:病毒感染动物细胞时,通过一种叫“胞吞”的方式进入细胞。感染植物细胞的方式不同,因为植物细胞有一层由纤维素形成的坚硬细胞壁,病毒只能在细胞壁出现伤口时才能进入。与植物一样,细菌也有一层细胞壁,病毒必须通过这层细胞壁才能够感染细菌。一些病毒如噬菌体进化出一种感染细菌的机制,将自己的基因组注入细胞内而衣壳留在细胞外,从而减少进入细菌的阻力。

③脱壳:病毒的衣壳遭到宿主细胞或病毒本身的酶降解破坏,病毒内的核酸得以释放。

④合成:病毒的核酸在细胞核内进行转录和复制。

⑤组装:将合成的核酸和蛋白质衣壳各部分组装在一起。

⑥释放:无包膜病毒需要使细胞膜破裂才能得以释放。包膜病毒则可以通过出泡的方式得以释放。

四类疫苗 

1918年,H1N1病毒横扫世界时,全球人口将近20亿。如今,世界人口已经翻倍至超过76亿人,每个国家也迅速发展城市,建立新的道路、火车站和机场,联系各个城市与国家。这意味着,如果再有病毒爆发,其传染到世界各地的速度会快很多。

虽然我们目前研发出的抗病毒药物不多,但可以透过注射病毒疫苗预防和控制病毒传染。

疫苗主要分四个种类:灭活疫苗、减毒活疫苗、类毒素疫苗和生物合成疫苗。这些疫苗可使人体产生对特定病毒的免疫力,日后若遭该病毒感染就不会病倒了。这也是为什么我们的孩子出生后以及成长过程中得多次到诊所注射各种疫苗。接种疫苗有助预防过去常见的许多疾病,包括脊髓灰质炎、肺痨、B型肝炎和麻疹等。

区德博士与其团队目前正在研究骨痛热症病毒的疫苗。骨痛热症病毒有四种毒株,当一个人第一次感染其中一种毒株时,出现的症状比较轻微,可是第二次感染和前一次不同的毒株时,病情可能会非常严重。目前市面上有的骨痛热症病毒疫苗并无法针对所有四种毒株。

然而,开发疫苗是一个漫长而复杂的过程,且成本很高,尚有很多病毒还未被发现,即使发现,病毒突变也会影响疫苗有效与否。

在众多传染性病毒中,流感病毒是最危险病毒之一,即使在非疫潮期,每年也杀死50万人。区德博士说,流感病毒有很强的变异性,时常突变为新的毒株,例如如果两种不同的流感病毒同时侵入我们的细胞,它们可能在复制过程中重组成一株新的病毒。因此,由于有太多不同的流感病毒,人类会一再感冒,目前还未研究出能让人一劳永“疫”的流感疫苗。

以病毒治癌

早在100多年前,人类已经发现病毒可以抑制癌症,因为一些癌症患者的肿瘤,会在他们受病毒感染后被抑制生长,即使这个效果只是暂时性的。不过,当时的人们对病毒了解不多,当医生尝试将病毒注射入肿瘤时,发现并不是每一次都成功抑制癌症,大家也就对此失去兴趣。

一直到21世纪,当科学家对病毒了解得更多后,世界各地的科学家逐渐开始重新探讨使用病毒治疗癌症的做法,不少团队因此取得突破。

科学家找出“溶瘤病毒”,它们有的是在自然界中发现的,有的则是在实验室中经过修饰和变异的,但都只会感染和杀死肿瘤细胞,不伤害健康的细胞。也有研究显示,溶瘤病毒可能引发身体免疫系统的反应来对抗癌症。

区德博士解释,一般上免疫系统不会攻击癌细胞,因为癌细胞的变现方式和一般的细胞很像,不过受溶瘤病毒感染的癌细胞在垂死时会释放出一些肿瘤抗原物质,免疫系统就可以轻易地识别出肿瘤细胞与健康细胞的分别,从而杀死癌细胞。

迄今,美国食品和药物管理局只批准一种用于治疗黑色素瘤的基因改造疱疹病毒,还有许多病毒如脊髓灰质炎病毒和流感病毒,也正被科学家研究是否能改良为溶瘤病毒。不过,我们还需要做更多研究了解各种溶瘤病毒如何运作以及使用它们对抗癌细胞的副作用。

最后得声明,任何人若有与医疗相关的病毒疾病问题,请尽早求医。

误解病毒

误解一:细菌和病毒一样

真相:

区德博士说,人们经常混淆细菌和病毒,但这两者在本质上完全不一样。以下为这两者的差异对比:

细菌:

细胞,可自行分裂繁殖, 可以感染细菌,可以使用抗生素治疗细菌感染。

病毒:

非细胞,不能独立进行复制,必须寄宿在细胞内才能这么做;不可以感染病毒;抗生素对病毒无效。

误解二:吃抗生素能抵抗病毒

真相:

一般的抗生素只能对付细菌,对病毒无效。因为抗生素是透过破坏细菌的细胞壁或影响细菌蛋白质的合成来消灭病菌。病毒既没有细胞壁,也寄居在人体细胞内感染我们,因此抗生素对它们无效。

用于治疗病毒感染的抗病毒药物已经研发出来,不过区德博士指出,目前有的抗病毒药物不多,而且它们只对某些病毒有效。我们还是得靠自身免疫系统来对抗病毒的侵袭。

误解三:病毒都会使我们生病

真相:

我们每天接触非常多种病毒,但不是每一种病毒都会使我们病倒。有时,我们吃的生菜上有植物病毒,它们会随着生菜进入我们的消化系统,但对我们毫无影响。

另一方面,许多病毒即使侵袭细胞并复制成功,也不会对受感染的器官产生明显的伤害,因此有些人即使受了病毒感染也不会出现症状。

区德博士说,这有许多因素,包括那个人的免疫力是否够强。有些病毒对我们毫无影响,但对于免疫力低的婴儿和年长者来说却是致命性的感染。此外,还有一些病毒如爱之病病毒,可以潜伏在人体里长时间不出现症状。

误解四:病毒是有生命的生物

真相:

很多人认为病毒是个生物体,但区德博士说,病毒是不是生物,科学界内目前仍意见分歧,最终得看“生物”的定义到底是什么。

病毒可说是一种介于生物与非生物之间的物体。非生物,因为它们无法自我复制,生物是因为它们在进入宿主细胞后可以借由后者复制更多病毒颗粒。

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