互动科普

搭建流行病探测网络

目前，研究人员正致力于为医疗机构研发一种新型设备，它可以即时探测几乎所有病原体。通过网络，将这些设备整合起来，卫生部门能更早监测到疾病爆发，更及时地拯救生命。

撰文 戴维 · J · 埃克（David J. Ecker） 翻译 宁云佳 李淑芬 审校 王曼丽

如今，随着环境卫生和营养条件的改善，疫苗和抗生素的应用，在发达国家因传染病所致的死亡案例已经非常少见。然而，由于很多病原微生物对现有药物产生了耐药性，而制药产业的步伐一直滞后，使得另一场危机逐步逼近——我们可能要再次回到那个传染病肆虐的年代。

滥用抗生素是导致这一问题的元凶之一，但也事出有因。目前的诊断设备通常无法快速鉴定出，病人到底感染了哪种病原菌（对抗生素敏感的一类微生物）。多数情况下，需要用传统的细菌培养方法，来鉴定特定的致病菌株，但这个过程需耗费长达几天时间。贻误治疗时机可能会致命，所以医生可能会使用强效的广谱抗生素来应对多种可能的细菌感染。然而，这些药物虽然可以杀灭敏感病原菌，但对一些有耐药性的病菌却没有作用。在没有了竞争对手之后，这些耐药菌会疯狂地增殖，悄悄传播到其他人体内，等待合适的时机再让人致病。总之，这样的治疗手段虽然可以暂且维护病人的健康，但会不可避免地导致更多耐药菌的出 现。

这一矛盾或许很快就能得到解决。新的分子生物传感器正在研发之中，借助这些仪器，医生可以快速确定病人感染的是细菌还是其他病原体，而且还能分辨出具体是哪种病原体。这类仪器一个关键特征是，它能同时检测样本中几乎所有病原体，而不是一次只检测一种。而且，如果临床医生怀疑是细菌感染的话，也不必去猜测到底是哪种细菌。我在ibis biosiences公司的研究工作为设计这样的仪器打下了基础。其他公司的生物学家也在竞相研发同类产品。

未来几年内，这类快速诊断设备有望投入商用，出现在各大医院和诊所中。如果考虑和筹划更远的未来，我们或许应该将这些诊断设备整合在一起，更充分地发挥它们的价值：构建一个全国性甚至全球性的诊断网络，使它成为首个能在大范围地区内，对新发传染病、食源性疾病、全球性流行病以及潜在的生物恐怖袭击进行实时预警的系统。

更新换代的时机到了

目前，诊断感染性疾病的方法可以追溯到150年前由法国科学家巴斯德建立的微生物培养技术——临床医生采集病人的样本（比如病人的血液、黏液或尿液），接种到营养丰富的培养基上，让样本中的微生物进一步生长、增殖。一到两天之后，当微生物个体数量增殖到足够多时，实验技术人员就可以进行鉴定了。通过观察在不同药物的作用下，这些微生物是否死亡、各自不同的死亡率，可以得知它们对不同药物的敏感度。即便这种方法不算太耗时，但对于治疗来说仍不够理想，因为有很多病原体不易培养，有些病原体需要在特定的培养介质或环境中才能生长。而且，在培养之前，有的病人已经接受过抗生素治疗，想要在这种条件下培养细菌就更加困难了。

我对感染性疾病的诊断和来源的追踪产生兴趣，是因为美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的一项工作——建立发现抗生素的新方法。我们当时的目标是从数以千计的化合物中筛选出一些新的、具有广谱抗菌活性的化合物。这些化合物之所以能够抑制多种细菌的生长，是因为它们可以破坏多种细菌共有的RNA，而这段RNA对于细菌的存活来说，至关重要。

我和同事利用一种名叫质谱仪的设备分析化合物，看它们能否结合到细菌的RNA上。其实，质谱仪就像一杆秤，可以非常准确地“秤”出分子的重量（准确地说，是测出分子的质量）。由于细菌RNA的分子量是已知的，我们很容易推算出，结合在这些RNA上的化合物的质量。就好比你想知道你家狗狗的体重，只需抱着它，站在体重秤上秤出总重量，再减去你自己的体重即可。当我们知道了结合在RNA上的化合物的质量，就能推算出它是哪种化合物，因为每种化合物都有特定的分子量。

我们很快又意识到，或许可以用类似的方法来鉴别细菌、病毒、真菌、寄生虫等病原体，只要“称量”它们的RNA或DNA的质量，就可以完成鉴别，因为核酸的重量与其种类直接相关。RNA和DNA的每条链都是由很多单位组成的，我们称之为核苷酸，共分为4种：A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）以及U（尿嘧啶，存在于RNA中）或T（胸腺嘧啶，存在于DNA中）。由于各种核苷酸（A、 T、 C、G和U）的分子量不同，依据质谱测定的结果，就能推算出某条核酸链上4种核苷酸的数量。例如，通过质谱测得一条DNA链的重量是38 765.05道尔顿（道尔顿是用来衡量原子质量的标准单位），就可算得这条链必定含有43个腺嘌呤，28个鸟嘌呤，18个胞嘧啶以及35个胸腺嘧啶，因为只有这种组合方式，才不会出现DNA由非整数个核苷酸构成的情况，如果是其他的组合，算出的核苷酸数量都会出现非整数，而这在自然界中这是不存在的。最后，这些核苷酸的组成信息就会告诉我们，拥有这种DNA的到底是何种微生物。

这种方法类似于一种简单的数学算法。例如，一个罐子中混合有若干枚崭新的25美分硬币（每枚重量是5.670克）和5美分的硬币（每枚重5.000克），想要知道里面到底有多少钱，只需要称出硬币的总重量就行了。比如，如果总重量为64.69克，那就可以肯定，其中只有7枚25美分以及5枚5美分硬币（计算公式为64.69=5.67q+5n，其中q和n分别代表两种硬币的数量，它们只能取正整数或者零）。如果25分硬币的数量不是7，就会使5分硬币的数量变成非整数。

要想从病人的样本中鉴别出病原体，首先要能区分病原体与病人DNA或RNA间的不同。通常情况下，来自病原体的外源性核酸数量相对较少，除非能获得更多的拷贝，否则很难做出有意义的诊断。不同于传统的在培养基中培养病原体的方法，我们采用另一种名为PCR（聚合酶链式反应，因其中含有能让核酸复制的酶而得名）的技术，让病人样本中的病原体DNA或RNA大量复制。虽然PCR技术早已广泛用于病原体的检测，但一直以来都局限于一次反应仅能检测一种或少数几种病原体。于是，我和同事决定，将PCR和质谱技术结合起来，这样一次反应就可以同时检测多种病原体。

为了获得可靠的结果，选择合适的待测核酸总量是非常关键的。我们会严格挑选目标DNA或RNA的片段，确保我们所选的目标片段存在于多种微生物中（如革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌）——在不同病原体中，即便不完全相同也要高度相似，而且还要有标志性序列与之相连（比如，通过这段序列，我们可以知晓它来自金黄色酿脓葡萄球菌）。通过精心挑选出的核酸序列，可在简化流程的同时，精准地鉴定出病原体所属的种类。通常，提取出病原体的RNA或DNA后，我们会在样本中加入“引物”（一段较短的DNA片段，可模拟活细胞中自然存在的一种机制，用来启动核酸的复制），选择性地使目标片段完成复制，以用于进一步检测。这个过程完成之后，再通过质谱仪对目标片段进行检测，获得一系列不同的数据。我们会将这些数据与数据库进行交叉比对——数据库中包含了超过1 000种会对人类致病的病原体。

通过对软硬件的整合，可以形成一种广泛适用的病原体探测仪，在几个小时内快速鉴定出导致疾病的病原体种类，还可以进一步了解它们有哪些特征。

2009年，当美国南加利福尼亚州不同区域的两名儿童（一名是9岁女孩，一名是10岁的男孩）同时出现类似流感的症状时，我得到了难得的机会，可以在真实情况下，测试我们构建的探测仪的性能。临床医生采集了两个孩子的咽拭子样本，并对样本进行了标准的流感快速筛查试验。结果显示，流感病毒是使孩子们生病的“罪魁祸首”，但无法确定具体是哪一株病毒造成了感染。

随后，样本送到了附近的圣迭戈海军健康研究中心（Naval Health Research Center），那里正在对探测仪的原型机进行大量的测试。探测仪准确诊断出两个孩子感染了同一种病毒，这种病毒之前从未见过。同时，探测仪还明确指出，这种病毒是近期在猪群中出现的，因为它们的RNA序列与数据库中来源于猪流感的病毒最为接近。

此外，这两个最早由质谱测出的病例序列（分别来源于上文中的两名儿童），与随后爆发的猪流感病毒的RNA序列完全匹配，被称为流感（H1N1）2009病毒（中文名为：甲型H1N1流感病毒）。尽管没人可以肯定地说预警挽救了生命，但可以肯定的是，它不会有什么坏处，而且拥有一项可以鉴定出新型病毒的常规技术，对于鉴定新的疫情爆发无疑具有重要价值。

与2009年迅速鉴定出新型流感病毒同样重要的是，病原探测仪可以在临床医生对病原体毫无头绪时大展身手。这种仪器同时也能帮助医生合理地选择临床用药。而且，质谱数据在鉴定出细菌菌株的同时，还为它对不同抗生素的敏感性提供了线索，从而让医生可以在有必要用药的情况下，迅速开出合适的抗生素。这样，即使病人感染的是耐药菌也有望很快康复，因为他们在第一时间接受了最佳的治疗方案。

从19世纪跨入21世纪

当我们把目光从个体转向整个社会，病原探测仪同样有着重要意义。利用这种技术，临床医生可以迅速确定某地区的病人是否感染了同一种病原体——如常引发食物中毒的沙门氏菌。你也许会期望，公共健康调查人员在获得信息后，立即启动老式的实地调查，通过采访病人，追溯他们最近的动向，从而确定他们是否存在共同之处：比如都光顾过某个餐馆，或食用过某些沙拉原料等。这种调查方式所遵循的基本原理与约翰·斯诺（John Snow）采用的非常相似——1854年，斯诺就是用这种方法，追踪到引发伦敦霍乱疫情的源头，一个公用水泵。可是，这种方式需花费几周甚至数月时间才能得到最终结果，这也是通常只有在最严重的疫情爆发后，才会启动调查的原因。

其实，现在有更好的办法，而解决问题的关键或许正静静地躺在你的口袋里——就是今天大多数人都随身携带的手机。手机的系统软件或应用程序可以保存你的地理位置信息。此外，通信服务提供商可以通过收集基站信息，在任何指定的时间对人们的行踪进行准确定位。如果有人感染了可威胁到公共健康的病原体，只要他愿意在手机上分享最近的位置信息，流行病学家便可以快速确定，感染同一种病原体的人是否曾在特定时间去过同样的地方。

现行的流行病学调查会尊重公众隐私权，病原体探测系统中也同样需要重视这一点。后者可以更快获得答案，或许是这两种方法最大的不同。经过合理的配置之后，病原探测仪网络提供的数据，可以及时辨别出多种威胁，诸如流行病爆发、生物恐怖袭击以及潜在（可能会威胁生命安全）的食品污染等公共事件。除此之外，公共卫生专家还可以立刻知道感染的来源在哪，这种威胁仅局限在一个城市，还是已经蔓延到多个城市了。根据需要，这些结果可以迅速地反馈给病人或卫生部门，医生也可以快速共享有效的治疗方法。

建立这样一个网络——我称之为“危机网”，可以让医疗诊断和流行病学方法，快速地从19世纪跨入21世纪。

探测仪网络

因为感染的传播过程可以理解为一个社会性网络，因此我们可以计算出，在一个活跃的网络中需要有多少台病原探测仪，才能在一个国家或地区构建一套有效的预警系统。最简单的解决方法是，运用一种名为蒙特·卡洛模拟（Monte Carlo simulation）的数学模型，通过模拟不同的情景，估算出一系列可能的结果（许多投资公司一直在利用这种算法，用以评估在不同潜在的市场条件下，一个人的退休养老金是多少）。如果知道流行病学数据中的感染率、在何地有着何种症状的人会寻求卫生保健、人们预定诊断性检验的频率，以及各种病原体的潜伏时间，我们就能输入数据，成千上万次地运行数学模型，从而确定究竟多大的监控网络，可以及时对某种病原体的全国性爆发发出预警。

结果十分惊人。只要将200个分布在全国各地的医院连接至探测仪网络，这些精心挑选的医院就足以覆盖整个美国大都市的人口。与华盛顿特区或圣迭戈规模相当的城市，只需将5家拥有通用探测仪的医院连接到网络中，有7个病人来急诊室就诊，即刻检测出公共卫生相关传染源（如流感、炭疽、瘟疫和食源性病原体）的概率就可以达到95%。

让人出乎意料的是，组网所需的设备非常少。我提出的“漏斗效应”能很好的解释这种现象：大多数病人会选择在家自行治疗，但病情严重的患者会设法到医院接受治疗（第一个漏斗），那里训练有素的医生（第二个漏斗）会决定哪些病人需要接受检测。换句话说，我们不需要将探测仪投入人群中，因为这样做需要耗费更多的设备，而很多能够做出“正确（医疗）决定”的人会主动通过“漏斗”筛选接受检测。

之后，对公共卫生相关的一些常见感染性疾病，我做了计算机模拟，并用“危机网”在预警新疫情方面的表现与目前性能最佳的系统进行了对比，结果发现“危机网”优势明显。它可以比目前的系统早几天甚至几周发出预警。在现实生活中，哪怕是早几天预测出疫情的爆发，都可能挽救很多人的生命。通过有效的预测，医院可以对即将涌入的病人做好应对措施，卫生部门也可以尽早发放储备药品，调查人员则可以尽快确定某次恐怖袭击的源头。

下一步行动

经过计算，建立一个由200个医院组成的网络需要花费4 000万美元（假设生物传感器的购买费用由医院承担），同时每年大概需要1 500万美元来维护网络。2012年，当局对急性食源性传染病做了研究，如果要治愈其中14种常见致病菌，仅1年所花费的直接治疗成本和劳工损失就高达1 400万美元。在美国，疾病控制与预防中心（Centers for Disease Control and Prevention）是追踪和监测疫情爆发的专业机构，因此，由它们来运行这个网络最具说服力。

此前，没有人曾开发出比“危机网”更精准的流行病监测系统。根据以往的经验，设计硬件和软件可能是最简单的部分。还有许多监管上、法律上和权限上的问题亟待解决。但最大的阻碍是，没有一个“股东”获得授权、想要或有机会来推动这个项目，尽管几乎地球上的每个人都可能从中受益。这需要医护人员、医院管理阶层、公共安全专家以及隐私维护者之间高度配合，而这对卫生保健系统比较分散，大部分医疗资源私有化的国家来说尤难实现。

在全社会范围内，对多种传染性疾病的诊断和提前预警进行整合，不仅会比现行的公共卫生和医疗措施更加有效，同时也将节省一大笔开支。搭载新一代诊断技术，结合现代网络和通讯技术的监控系统，可实时监控。它将改善对患者的护理，减少抗菌药物的使用，并在疫情或生物恐怖袭击提前预警及遏制等方面具有极大潜力。当然，最终要看我们是否足够聪明，可以共同努力打造一个更加智能化的公共卫生监控系统。

本文译者 宁云佳是中国科学院武汉病毒研究所的博士研究生，主要从事病毒感染和致病的分子机理研究。

本文译者 李淑芬是中国科学院武汉病毒研究所的博士研究生，主要研究病毒与宿主的相互作用。

本文审校 王曼丽是中国科学院武汉病毒研究所的副研究员，主要研究病毒感染机理及与宿主的相互作用。