格物志

時(shí)至今日，天花仍是唯一被消滅的人類疾病。在天花被消滅之前，它已困擾人類至少3000年，僅在20世紀(jì)就奪去了超過3億人的生命。盡管我們現(xiàn)在已經(jīng)消滅了天花，但是關(guān)于天花的研究和討論從未停止。

談“花”色變

天花 (smallpox/variola), 是一種由天花病毒 (Variola Virus/VARV) 感染引起的烈性傳染病，是最古老的傳染病之一，也是有史以來最具破壞性的病毒性傳染病之一。英文中天花之所以被命名為 smallpox，主要因?yàn)樗牟∽兠娣e比梅毒 great-pox (syphilis) 小。

天花病毒 (Variola Virus/VARV) 屬于痘病毒家族的脊椎動(dòng)物痘病毒亞科正痘病毒屬?(Orthopoxvirus)，是一種雙鏈DNA病毒，病毒粒子大且呈磚狀。正痘病毒屬的11個(gè)成員和脊椎動(dòng)物痘病毒亞科的其他病毒成員相比，基因組同源性更強(qiáng)，而且不同成員間存在著廣泛的血清交叉反應(yīng)。此外，正痘病毒和其他DNA病毒有一個(gè)很大的區(qū)別，它們的復(fù)制場所在宿主細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)而非細(xì)胞核中。

圖1 顯微鏡下的天花病毒粒子照片。圖源：sites.google.com

原則上，天花病毒可以分為兩種，通常我們所說的比較經(jīng)典的天花是由大天花病毒（Variola major）導(dǎo)致的，這種天花感染過程比較嚴(yán)重，致死率較高（20-30%）。另一種較溫和的天花是由小天花病毒（Variola major/Alastrim virus）感染引起的。小天花病毒感染的過程較溫和，死亡率約為1%。

天花病毒可在空氣中通過氣溶膠傳播，這意味著在一定的距離內(nèi)，正常人都有可能通過在空氣中吸入受感染者的呼吸道分泌物而感染天花病毒。同時(shí)，這種病毒也可以通過接觸皮膚、體液或狀物而感染。

天花感染后的潛伏期約為7-19天，患者在此期間的癥狀并不明顯，也并不具有傳染性。在接下來的前驅(qū)期，患者會出現(xiàn)高燒、不適和頭痛。天花最顯著的特征是皮疹導(dǎo)致的皮膚病變。皮疹開始的第一周是最具傳染性的，皮疹開始于身體的不同部位（口腔，皮膚），然后蔓延至全身，經(jīng)過斑疹、丘疹和水泡階段后，形成結(jié)痂，最終在接下來的2-3周脫皮，形成典型的痘痕。天花感染者在所有結(jié)痂脫落之前都具有傳染性。天花病灶直徑約為0.5-1厘米，深埋于表皮。

重型天花病人常伴有很多并發(fā)癥，如敗血癥、骨髓炎、腦炎、腦膜炎、肺炎、支氣管炎、角膜炎甚至失明等，是天花致殘和致死的主要原因。天花感染者的病死率非常高，根據(jù)1972年印度的一項(xiàng)研究統(tǒng)計(jì)顯示，在感染天花的群體中，未免疫人群病死率達(dá)30%，重型天花患者病死率高達(dá)97%，出血性天花患者死亡率幾乎100%。

雖然自1977年以來，世界上沒有自然發(fā)生的天花病例，但疑似患者的天花鑒別和診斷仍是公共衛(wèi)生和臨床醫(yī)療不容忽視的問題。2016年，美國疾病控制和預(yù)防中心(CDC)開發(fā)了一種患者評估方法，以幫助醫(yī)生和衛(wèi)生工作者更加全面準(zhǔn)確地評估疑似天花病人的癥狀（Evaluating Patients for Smallpox: Acute, Generalized Vesicular or Pustular Rash Illness Protocol | Smallpox | CDC）。

天花作為一種疾病，因其特有的皮膚病變而相對容易識別，幾乎不存在隱性感染（亞臨床感染）的情況，也就是我們常說的無癥狀感染者。但出現(xiàn)以下發(fā)疹性疾病也必須考慮進(jìn)行天花的鑒別診斷:嚴(yán)重水痘疹、猴痘、全身痘苗病毒或牛痘病毒感染、痘苗濕疹、播散性水痘-帶狀皰疹、單純皰疹病毒感染、藥物反應(yīng)、多形紅斑、腸病毒感染、立克次體痘疹、繼發(fā)性梅毒、疥瘡、蟲咬、膿皰病和傳染性軟疣。此外，一些常與出血性天花相混淆的疾病包括急性白血病、腦膜炎球菌血癥和特發(fā)性血小板減少性紫癜等，也應(yīng)納入鑒別的范圍。

假設(shè)與爭議：天花病毒溯源

從1967年全球根除天花運(yùn)動(dòng)起，有一個(gè)研究領(lǐng)域至關(guān)重要，那就是確定是否存在天花病毒的天然動(dòng)物宿主，這關(guān)系著天花能否被根除。因?yàn)閺睦碚撋现v，動(dòng)物宿主的存在是病毒復(fù)發(fā)最重要的潛在來源。

首先，在自然爆發(fā)的天花疫情的記錄中，天花從未被追溯到動(dòng)物源頭。其次，1967年以來的大量對天花病毒的實(shí)驗(yàn)觀察表明，與具有廣泛宿主范圍的牛痘病毒不同，實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物也很少能感染天花病毒。

然而，在19世紀(jì)后半葉出現(xiàn)了有關(guān)于靈長類動(dòng)物可能感染天花的報(bào)道，一些實(shí)驗(yàn)室研究也發(fā)現(xiàn)了某些猴子可以感染天花病毒。因此有人推斷，如果存在天花病毒的天然宿主，非人靈長類動(dòng)物是重要的候選者。但是，在已報(bào)道的動(dòng)物感染事件中，自然感染天花的的靈長類動(dòng)物都與人類天花病例有著密切的接觸和聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，盡管天花病毒可以感染某些靈長類動(dòng)物，但任何特定物種的靈長類動(dòng)物種群都太小，無法維持這種病毒的持續(xù)傳播。而且，靈長類動(dòng)物在非洲和亞洲的許多天花曾經(jīng)流行的國家很常見，有時(shí)與人密切接觸，但自從天花被根除以來，在這些國家中沒有發(fā)現(xiàn)任何一例天花病例。

大量的研究和調(diào)查表明，人類是現(xiàn)代天花病毒的唯一宿主，也就是說，現(xiàn)代天花病毒只感染人類。但天花在人類身上出現(xiàn)的時(shí)間尚不清楚。關(guān)于可能的天花感染的書面記錄可以追溯到至少3000年前。公元前1156年去世的埃及法老拉美西斯五世的木乃伊上有疑似天花皮疹的跡象，表明天花可以追溯到3570年前，但這些都是基于歷史記錄的簡單推測。

真正具體的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持來自于從被發(fā)掘出的古人類遺骸標(biāo)本中提取天花病毒的DNA，然后進(jìn)行測序和基因組重建，與已有病毒序列進(jìn)行比對分析，從而對天花病毒的起源和進(jìn)化史進(jìn)行逆向推測。因此，從某種意義上，天花病毒起源和進(jìn)化的研究非常依賴于考古學(xué)的發(fā)現(xiàn)。盡管如此，探究古代天花病毒與現(xiàn)代天花病毒的關(guān)系對于我們認(rèn)識病毒的進(jìn)化還是有很大意義的。

圖2 \上圖：來自立陶宛的一具性別不明的幼兒木乃伊遺骸 (VD21)?。下圖：維京時(shí)代人類遺骸樣本（VK533）。圖源：上圖：17th Century Variola Virus Reveals the Recent History of Smallpox (cell.com)? 下圖：Diverse variola virus (smallpox) strains were widespread in northern Europe in the Viking Age (science.org)

對一具17世紀(jì)的立陶宛木乃伊、兩具19世紀(jì)和20世紀(jì)的捷克博物館標(biāo)本以及在天花根除運(yùn)動(dòng)中采集的20世紀(jì)的天花病毒的序列分析表明，它們最近的共同祖先(MRCA)可以追溯到16或17世紀(jì)。

2020年，來自丹麥的一個(gè)研究小組從北歐、俄羅斯西部和英國的考古人類遺骸(牙齒和骨骼)中提取并重建了4個(gè)近乎完整的古代天花病毒基因組，這些遺骸可以追溯到維京時(shí)代（公元600-1000年左右），這項(xiàng)研究將天花病例最早出現(xiàn)的時(shí)間向前推了約1000年。這些古代維京天花病毒的基因組結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代毒株差異很大，似乎與現(xiàn)代天花病毒由共同的祖先天花病毒進(jìn)化而來，但分屬不同的進(jìn)化分支。

現(xiàn)代天花病毒（VARV）的起源，是一個(gè)有爭議的問題。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，人類(或者可能是原始人類)可能長期以來一直是一種祖先“天花病毒”的宿主，這種病毒隨著人類的進(jìn)化而不斷傳播和演化，但這似乎不能很好地解釋天花病毒在經(jīng)歷了幾千年的進(jìn)化依然保持著高“致命性”。

2020年，天花病毒學(xué)家Antonio Alcami在《科學(xué)》（Science）雜志上對維京病毒的文章發(fā)表了一篇評論，提出了天花病毒在進(jìn)化過程中可能會變得更加“致命”的假說：

幾千年前，一種來自非洲（或歐洲）的類天花病毒的祖先可能從嚙齒類動(dòng)物傳播給人類。嚙齒類動(dòng)物是痘病毒的常見宿主，與感染沙鼠的現(xiàn)代VARV-tatapox病毒和感染駱駝的駱駝痘病毒在基因上最接近的親屬，也是由非洲一種嚙齒動(dòng)物類天花病毒祖先進(jìn)化而來。

在早期人類傳播中，古代天花病毒基因組中一些控制宿主免疫逃避和宿主感染范圍的基因仍然存在，也就是說，在這段時(shí)間里，天花病毒宿主范圍也比較廣泛（人畜共患），毒性也并沒有很強(qiáng)。在幾個(gè)世紀(jì)的傳播過程中，這些基因在人類宿主中逐漸失活(缺失、截?cái)嗷蛲蛔?，天花病毒的宿主范圍變得受限于人類，但毒性也更強(qiáng)，從而導(dǎo)致了一種高度致命的、人類特有的現(xiàn)代天花病毒的產(chǎn)生。這與此前科學(xué)家們觀察到的，在自然界的痘病毒中，較少的基因往往意味著更致命的病毒相符合。

而天花病毒的不同分支可能從一個(gè)共同的祖先進(jìn)化而來，但只有導(dǎo)致現(xiàn)代天花的分支一直持續(xù)到20世紀(jì)，而另一個(gè)低傳染性、低致病性的古代天花病毒進(jìn)化支則滅絕了。

圖3 天花的演變假說。紅色：共同的祖先；黃色：古代VARV支的進(jìn)化(已滅絕)；紫色：選擇進(jìn)化路徑；藍(lán)色：現(xiàn)代VARV進(jìn)化支；綠色：歐洲起源進(jìn)化支；方框由灰至白：毒性由弱至強(qiáng)。圖源：Was smallpox a widespread mild disease? (science.org)

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為病毒隨著流行時(shí)間變長，病毒毒性會減弱，但這種片面的觀念長期以來備受質(zhì)疑，也并沒有可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。Antonio Alcami關(guān)于天花的假說挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，至少對于天花病毒，在長達(dá)幾千年的進(jìn)化過程中，似乎是朝著毒性增強(qiáng)的方向進(jìn)化的。

通過測序和基因組重建觀察到的基因失活模式可能賦予了天花病毒更高效的傳播和復(fù)制能力，然而卻不能很好地解釋天花病毒的毒性。因?yàn)閺倪壿嬌现v，病毒免疫逃避基因的失活對病毒是不利的。有一種解釋認(rèn)為，這說明了病毒造成的部分損害可能是由于過度的宿主免疫反應(yīng)引起的，但需要更全面的研究去研究免疫逃避基因變異與病毒毒性間的關(guān)系。

對于病毒的變異和進(jìn)化，似乎是沒有統(tǒng)一的規(guī)律可尋的，也是很難預(yù)測的。病毒變異是核酸遺傳物質(zhì)的改變：首先，不同種屬的病毒的遺傳物質(zhì)信息差異很大；其次，在不斷復(fù)制過程中，病毒基因組的自然突變是隨機(jī)的，同時(shí)病毒變異也受外界物理、化學(xué)、生物等因素的影響和選擇。因此，我們不能以偏概全，也不能隨便把一類或一種病毒的變異和進(jìn)化模式應(yīng)用到其他病毒上。至于病毒和宿主（尤其是和人）的關(guān)系，這是相當(dāng)復(fù)雜的生物學(xué)問題，我們將在后續(xù)的推送中詳細(xì)探討。

“姍姍來遲”的抗天花病毒藥物

東晉著名醫(yī)學(xué)家葛洪是中國古代第一個(gè)也是世界上較早記載天花病情并提出治療方法的人。他在其著作《肘后救卒方》里曾經(jīng)描述天花的發(fā)病過程：“比歲有病時(shí)行，乃發(fā)瘡頭面及身，須臾周匝，狀如火創(chuàng)，皆帶白漿，隨決隨生。不即治，劇者多死；治得差者，瘡瘢紫黑，彌歲方滅，此惡毒之氣”。他給出的治療藥方是：“取好蜜通身上摩，亦可以蜜煎升麻，并數(shù)數(shù)食；又方，以水濃煮升麻，棉沾洗之，若酒漬彌好，但痛難忍”。從葛洪開始，歷朝歷代的中醫(yī)治療天花基本上就是沿用他的方法：內(nèi)服解毒去火的湯藥，外敷消腫祛瘀的藥物。但是受限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)水平，中醫(yī)療法的效果并不好。

英國醫(yī)生托馬斯·多佛（Thomas Dover）在《古代醫(yī)生給國家的遺產(chǎn)》記載，在17世紀(jì)的英國，醫(yī)生采用放血以及給病人喝硫酸酸化的酒等方式來治療天花患者，但并不奏效，并且治療過程給病人帶來極大的痛苦。

圖4 上圖：17世紀(jì)英國，采用舌頭放血的方式治療天花。下圖：托馬斯·多佛的《古代醫(yī)生給國家的遺產(chǎn)》。圖源：Smallpox | History of Vaccines

時(shí)至今日，盡管人類已經(jīng)通過接種疫苗消滅了天花，但仍未找到臨床治療天花的有效方法和特效藥物。

由于沒有特效的抗天花病毒藥物，現(xiàn)代西醫(yī)的治療原則是加強(qiáng)對癥支持，維持患者水、電解質(zhì)平衡，防治繼發(fā)性感染，以幫助患者度過極期。高熱、頭身痛可采取物理降溫或給予解熱鎮(zhèn)痛藥；煩躁者用小劑量鎮(zhèn)靜劑；注意維護(hù)口腔、鼻咽部、眼睛等部位的清潔衛(wèi)生，預(yù)防及治療各種繼發(fā)感染；皮疹可用高錳酸鉀溶液、硼酸溶液、或碳酸氫鈉溶液清洗或濕敷，以止癢消毒；繼發(fā)細(xì)菌感染或敗血癥時(shí)，加用抗生素及全身支持療法；重型患者可采用被動(dòng)免疫療法，比如肌內(nèi)注射抗天花丙種球蛋白，亦可考慮肌內(nèi)注射人血丙種球蛋白或凍干人胎盤血丙種球蛋白（胎盤球蛋白）。

2018年以后，有兩款抗病毒藥物先后通過了美國FDA的審批，可以被用于天花的治療，但需要指出的是，這兩種藥物是根據(jù)FDA的“動(dòng)物法則”獲批的?！皠?dòng)物法則”規(guī)定，在人體試驗(yàn)不符合倫理或不可行的情況下，根據(jù)嚴(yán)格的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以批準(zhǔn)藥物。

第一個(gè)藥物是由SIGA Technologies公司開發(fā)的用于治療天花的Tecovirimat (TPOXX)，它于2018年通過了美國FDA的批準(zhǔn)并上市。該藥物靶向抑制正痘病毒中與痘苗病毒F13L基因產(chǎn)物VP30同源的包膜蛋白，這是一種棕櫚?；庵苣さ鞍?，該蛋白參與細(xì)胞內(nèi)成熟病毒(IMV)顆粒的包膜，以產(chǎn)生一種能出口的包膜病毒顆粒。如果沒有這種包膜，病毒顆粒就留在產(chǎn)生它們的細(xì)胞內(nèi)，而不能擴(kuò)散到細(xì)胞外并感染其他細(xì)胞。

Tecovirimat是首個(gè)獲批用于治療天花的藥物，首個(gè)獲批用于治療一種已滅絕疾病的藥物，也是首個(gè)完全依賴于動(dòng)物療效數(shù)據(jù)而獲批用于人類的藥物。Tecovirimat還獲得了FDA的快速通道資格、優(yōu)先審評資格、以及孤兒藥資格，并由美國國家戰(zhàn)略儲備了將近200萬個(gè)療程的用量，以防范天花病毒泄露和生物恐怖主義的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2021年6月，F(xiàn)DA又批準(zhǔn)了第二個(gè)藥物Brincidofovir (TEMBEXA)用于治療天花。Brincidofovir適用于成人和兒科患者，包括新生兒。Brincidofovir是一種烷氧烷基酯前體藥物，含有人工合成的無環(huán)核苷單磷酸類似物Cidofovir，通過其膦酸基團(tuán)與3-十六烷基-1-丙醇相連，具有抗雙鏈DNA病毒的抗病毒活性。

這種脂質(zhì)綴合物設(shè)計(jì)模擬一種天然脂質(zhì)溶血磷脂酰膽堿，從而可以讓Brincidofovir利用內(nèi)源性脂質(zhì)吸收途徑進(jìn)入細(xì)胞。一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，Brincidofovir的酯鍵將被切斷以釋放Cidofovir，然后被磷酸化以產(chǎn)生有活性的抗病毒藥西多福韋二磷酸（Cidofovir diphosphate）。西多福韋二磷酸，與核苷酸結(jié)構(gòu)相似，可以與脫氧胞嘧啶-5-三磷酸(dCTP)競爭病毒DNA聚合酶，從而摻入復(fù)制中的病毒DNA鏈。因此，它可以阻止病毒DNA聚合并破壞病毒DNA復(fù)制。

TPOXX

TEMBEXA

圖4 兩款抗天花病毒藥物化學(xué)分子式。圖源：上：label (fda.gov) 下：Tembexa - Chimerix : Chimerix

Cidofovir（西多福韋）本身對與天花高度同源的痘病毒也具有抗病毒活性，但與靜脈注射Cidofovir相比，Brincidofovir具有更好的口服生物利用度、更低的毒性和更強(qiáng)的細(xì)胞穿透性。Cidofovir目前還未獲美國FDA的批準(zhǔn)用于治療天花病毒感染，但可在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管機(jī)制下(如臨床試驗(yàn)新藥[IND]協(xié)議或緊急使用授權(quán))在疫情期間使用。此外，由于西多福韋對其他很多DNA病毒具有廣泛的抗病毒活性，因此很多研究正基于Brincidofovir開發(fā)廣譜的抗DNA病毒藥物，用于預(yù)防和治療巨細(xì)胞病毒(CMV)、BKV病毒(BKV)、腺病毒(AdV)和EB病毒(EBV)等。

安全有效的抗病毒藥物的研發(fā)是一項(xiàng)非常不容易的事情，廣譜的抗病毒藥物則更難。這依賴于我們對于病毒本身運(yùn)作機(jī)制的了解，也常常受限于難以捉摸的病毒變異。以正痘病毒為例，由于屬內(nèi)成員類似的包膜形成和病毒復(fù)制的機(jī)制，以TPOXX和TEMBEXA為基礎(chǔ)的抗天花病毒化合物顯示出了對其他痘病毒廣譜抗性的潛力，但從進(jìn)化上來講，抗病毒化合物和抗生素的使用不可避免地伴隨著發(fā)生耐藥性突變的潛在風(fēng)險(xiǎn)。目前已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)了一些介導(dǎo)不同痘病毒對TPOXX耐藥的突變，持續(xù)的研究需要依據(jù)這些突變研發(fā)新的抗病毒藥物。