阮紅梅,張健之
中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus, MERS-CoV)是2012年9月在沙特阿拉伯首次發現的一種新型高致病性冠狀病毒[1]。冠狀病毒能感染人及多種動物,并可導致人罹患從普通感冒到嚴重的急性呼吸綜合征等疾病。MERS-CoV感染可引起嚴重的呼吸道疾病,其癥狀包括發燒、咳嗽及呼吸急促,并伴有較高比率的急性腎衰竭和死亡[1-2]。因其臨床癥狀和2003年爆發的SARS-CoV很相似,故初期曾將其稱為“類SARS病毒”。該病毒主要在中東地區流行,但目前在歐洲、亞洲和北美等地均先后出現感染病例及傳播,且病例均和中東有直接或間接的聯系,如來自中東或有過中東旅行史等。截至2014年6月26日,世界衛生組織(WHO)累計統計結果顯示全球感染病例已達707例,其中252例死亡,死亡率約為36%[3],高于SARS病毒流行期間10%的致死率。目前對其感染尚無特效療法,也無有效的預防疫苗。初步的流行病學研究表明,MERS-CoV是由動物傳染給人,然后通過和被感染者的密切接觸而在人與人之間傳播。2014年以來在美國確診的病例對MERS-CoV有可能造成全球流行的趨勢再次引起了世界各國的重視和擔憂。本文主要對MERS-CoV的結構分類、傳播源及途徑、致病機理、臨床特點、診斷治療、抗病毒藥物和疫苗研發等作一綜述,以便能引起人們對該病毒有一定的了解和認識,這對實施有效的預防控制及盡快開發出特異的抗病毒藥物及疫苗提供重要參考。
在初期報道中,MERS-CoV被稱為Human Coronavirus Erasmus Medical Center/2012 (HCoV-EMC/2012)、新型冠狀病毒(Novel Coronavirus , nCoV)、類SARS病毒、或沙特SARS等。為了便于相互交流及報道,2013年5月15日,國際病毒分類委員會冠狀病毒研究小組決定將此新型冠狀病毒統一命名為Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus,即MERS-CoV[4]。和其它冠狀病毒類似,MERS-CoV形態結構為圓形或卵圓形,病毒顆粒直徑大約60-220 nm,核心為單股正鏈RNA, 病毒的衣殼外面包含有糖蛋白組成的刺突樣的結構,因其覆蓋表面而使得整個病毒粒子在電鏡下如皇冠樣的形狀, 因而得名冠狀病毒。冠狀病毒科主要有α、β、γ和δ四種類型,其中β屬冠狀病毒又分為A、B、C和D四個譜系[5]。迄今,有6個冠狀病毒能引起人類疾病,包括:α類CoV-220E及CoV-NL63;β類A譜系CoV-OC43和CoV-HKU1、B譜系SARS-CoV;及當前的MERS-CoV。對MERS-CoV遺傳及系統進化分析結果顯示,它屬于β類冠狀病毒屬C譜系的一個新種[6-7]。和SARS-CoV相比,MERS-CoV和同屬β類C譜系的扁顱蝠冠狀病毒HKU4和伏翼蝙蝠冠狀病毒HKU5的親緣關系更為相近[6-7]。MERS-CoV全基因組大小約為30.1 Kb ,至少包含有10個開放閱讀框(Open reading frame, ORF),分別編碼一個大的復制酶多聚蛋白(ORF1a/ORF1b)、表面刺突糖蛋白(Spike, S)、小包膜蛋白(Envelope, E)、外膜蛋白(Membrane, M)、核衣殼蛋白(Nucleocapsid, N)、及5個非結構蛋白(ORF 3、4a、4b、5 and 8b)等[6]。其中由ORF1a/ORF1b編碼的復制酶多聚蛋白包含兩個多聚蛋白PP1a和PP1ab, 然后由蛋白酶剪切為15或16個非結構蛋白(Nonstructural protein, NSP)產物NSP1-NSP16,而NSP12即為RNA依賴的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)[6]。
自發現MERS-CoV病毒以來,研究人員對其傳播源進行多方面的調查及研究。最初,病毒學家Ron Fouchier推測這種病毒可能來源于蝙蝠,因為蝙蝠體內攜帶有多種類型的冠狀病毒[8]。遺傳及系統進化分析結果也顯示MERS-CoV在親緣關系上更接近于亞洲、歐洲、南非、加納等蝙蝠體內的冠狀病毒,尤其是和扁顱蝠冠狀病毒HKU4和伏翼蝙蝠冠狀病毒HKU5最為接近[2,6,7]。從沙特的一只蝙蝠糞便內檢測到病毒RNA RdRp基因的一段包含190個核苷酸序列和附近患者體內分離到的MERS-CoV序列完全相同[9]。但該研究樣本數太少,而且蝙蝠與人類的接觸十分有限,因此專家推測,在蝙蝠和人之間可能還有另一中間宿主作為連接放大器,能使病毒在其體內大量擴增,使之更易于傳播給人。
研究人員對中東地區的其它動物也進行了研究。Reusken CB等[10]在來自中東阿曼的全部50頭單峰駱駝(100%)和西班牙加那利群島105頭駱駝中的15頭(14%)的血清樣本中檢測到抗MERS-CoV刺突蛋白的特異性抗體,但在駱駝的血液及糞便中并沒有檢測到病毒的核酸,而在當地養殖的綿羊、山羊、牛,及北歐單駝峰的血清樣本中未檢出抗MERS-CoV刺突蛋白的特異性抗體[10]。Hemida MG等[11]對沙特阿拉伯兩個區的單峰駝及其它家畜的研究也獲得相似的結果,大部分單峰駝血清內抗體陽性,綿羊、山羊、牛及雞的血清內抗體陰性。2014 年Hemida MG等[12]研究了在駱駝體內分離到的MERS-CoV,發現 且全基因組序列和人體內分離到的病毒序列具有99.9% 的相似性,只在S蛋白基因的受體結合域(receptor binding domain, RBD)之外發現6個核苷酸突變,但并不影響和細胞表面受體的結合Hemida MG等[12]還在駱駝的鼻拭子樣品及糞便內檢測到病毒,且鼻拭子樣品內的病毒檢測率更高。初步研究還發現,駱駝體內的MERS-CoV預存抗體并不能有效保護動物免受感染[12]。從沙特全國范圍內采集的200 多頭單峰駝血液樣本中,也發現74%的樣本顯示血清抗體陽性;進一步的病毒核酸檢測發現,病毒主要存在于駱駝的呼吸道中,部分糞便樣品中也能檢測到病毒核酸[13]。對1992 年至2010 年間采集的駱駝血液樣本的分析表明,這種病毒在駱駝中存在的歷史至少可追溯到1992 年,但駱駝沒有表現出任何感染癥狀[13]。另外,研究人員也從駱駝的乳汁中發現了MERS-CoV,同時還在駱駝養殖場及屠宰場的工人中,發現8.7% 的工人體內含有抗MERS-病毒的抗體,說明他們可能曾經被MERS-CoV感染過,但并沒有表現出嚴重的癥狀[14]。來自美國國家過敏與感染疾病研究所(NIAID)的研究人員也發現,在未消毒的駱駝奶中,MERS-CoV在4 ℃可以存活72 h,22 ℃時存活48 h,63 ℃加熱30 min則未檢測到活性病毒[15]。因為有些病例有駱駝接觸史,且駱駝肉和奶都是當地的日常消耗品,所以研究人員認為駱駝是人類感染MERS-CoV的真正源頭,但這些研究仍然不能確定病毒如通過何種途徑傳播給人的,也不能提供直接的證據。
最近的一篇研究報告則為該病毒是從駱駝傳染給人提供了一個直接的證據[16]。該研究報告了2013年11月死于MERS-CoV的一名44歲沙特男子的研究結果。研究發現這名男子飼養有9頭駱駝,其中4頭駱駝生病流鼻水,病人曾在發病前為一頭患病駱駝的鼻子抹藥治療,7天之后這名男子就患上了MERS。研究人員對從病駱駝中發現的病毒和致該男子死亡的病毒進行了比對,發現它們的基因組是一致的。因此,研究人員相信,這一MERS-CoV的致死病例是因為與患病駱駝密切接觸而被傳染所致。雖然駱駝有很大可能是MERS-CoV感染人類的主要來源,但對具體的傳播途徑仍不十分清楚。鑒于MERS-CoV在中東地區仍持續發生,2014年4月24日,WHO呼吁赴沙烏地阿拉伯、阿拉伯聯合大公國等中東地區旅游者,應注意個人衛生及手部清潔,于人潮密集或空氣不流通處可配戴口罩,并避免騎乘或接觸駱駝,以降低受感染的可能性[17]。
Cotton等對阿拉伯的21個MERS-CoV病例的遺傳序列進行了比較和分析,結果顯示了病毒的遺傳多樣性,說明病毒可能是從多個點的動物源傳播給人,隨后在人與人之間傳播[18]。集群性的傳播感染多出現在家庭成員、病人與醫護人員之間,尤其是醫護人員的防護措施不到位的時候[19-21]。MERS-CoV潛伏期通常是5天,但最長的可達14天[19-20]。到目前為止,這種集群感染還較有限,沒有擴大到社區范圍內,且二次傳播病例多顯示無癥狀或癥狀溫和[21]。另外,兩個研究組通過對確診病例的基本再生系數(R0)的研究分析顯示,MERS-CoV目前還沒有普遍流行的潛能[22,23]。
MERS-CoV能感染多種細胞,它是利用表面S蛋白和細胞相互作用而進入靶向細胞。在病毒感染過程中,S蛋白能誘導產生中和抗體、T細胞免疫應答及保護性免疫。S蛋白是一型跨膜蛋白,包含兩個功能性的亞基:位于膜外N末端的S1亞基和近膜端的S2亞基,S1決定細胞的極性和與靶細胞相互作用,S2則介導病毒囊膜與細胞膜融合。對幾種人類冠狀病毒的S蛋白的序列和模型分析顯示,MERS-CoV的S蛋白具有一個受體結合域(RBD)[24]。由于MERS-CoV 和SARS-CoV有很高的臨床相似性,所以初期認為MERS-CoV也和SARS-CoV一樣,使用血管收縮素轉化酶2 (angiotensin converting enzyme 2, ACE2)為細胞受體, 但隨后的研究發現ACE2重組抗體的中和作用并不能阻止MERS-CoV 的感染[25]。進一步的研究發現二肽基肽酶-4 (dipeptyl peptidase 4,DPP4,亦稱為CD26)能特異性地和MERS-CoV的受體結合S1域純化出來,且DPP4在非敏感細胞內重組表達能使之變成易感細胞,DDP4的抗體能阻斷病毒的感染,說明DPP4是MERS-CoV的功能受體[26]。在人體細胞內,DDP4在哺乳動物中高度保守,主要表達于肺腎肝小腸胰腺等上皮細胞表面及激活的淋巴細胞表面[27]。MERS-CoV通過其S蛋白上的RBD與細胞表面受體DPP4相互作用,介導病毒吸附于細胞,隨之與細胞的膜融合及進入到細胞內,啟動病毒感染。我國的研究人員從分子水平研究了MERS-CoV RBD與DPP4的結合與相互作用,以及所形成的復合物晶體結構[28,29]。研究結果均顯示MERS-CoV RBD是由一個核心亞區和一個外部的受體結合亞區組成,且核心亞結構域與SARS-CoV刺突分子高度同源,但外部亞結構域則具有高度變異性,這種變異可能有利于實現病毒的特異性致病過程,如受體識別。進一步的突變研究還確定了RBD的幾個關鍵殘基,對病毒結合DPP4以及進入靶細胞至關重要。這些病毒與受體相互作用的分子水平研究,能為開發新型的治療藥物及疫苗提供非常重要的參考。
WHO的MERS-CoV研究團隊[2]對感染病例的研究顯示,臨床癥狀開始通常表現為發熱、咳嗽、畏寒,喉嚨、肌肉及關節痛,隨之呼吸困難,然后迅速發展為肺炎,通常需要機械通氣輔助呼吸及其它內臟器官保護治療。嚴重者很快在肺炎基礎上迅速發展為呼吸衰竭、急性呼吸窘迫綜合征(ARDS),腎臟衰竭等甚至危及生命。其中大約50%的病人發展成肺炎,超過10%的病人發展為ARDS,約1/3的病人顯示出現胃腸道癥狀,如嘔吐、腹瀉。免疫抑制病人臨床癥狀不典型,初期可僅表現為發熱、腹痛和腹瀉至后期的肺炎。大多數感染患者存在臨床合并癥,且具有慢性疾病或免疫力低的人群很易被感染,并有較高的幾率發展為嚴重后果及死亡。
胸部X光片的結果和局限性肺炎和ARDS的結果一致,如雙側肺門浸潤,單側或雙側片狀增厚、分割或肺葉混濁,毛玻璃樣外觀,胸膜積液等。下部肺葉比上部肺葉受損程度更大。CT掃描則顯示間質性浸潤和實病。患者通常表現為白細胞減少,尤其是淋巴球減少癥。另外患者的血、尿及糞便中均能能檢測到病毒RNA,但遠少于呼吸道內的病毒量,且上呼吸道中的病毒量通常也比下呼吸道量少。在一些病患中發現有其它呼吸道病毒共感染,在機械通氣的病患中也出現醫院獲得性細菌感染。
WHO于2013年7月3日更新MERS-CoV感染的診斷標準疑似病例需滿足以下3條標準:具有發熱性的急性呼吸道感染,且臨床、影像學或組織病理學證實存在肺實質疾病(如肺炎或ARDS);實驗室檢測結果不確定;與確診患者有密切接觸[30]。確診病例則需要MERS-CoV實驗室檢測陽性。
細胞培養檢測MERS-CoV仍為實驗室檢測的金標準,但常規不推薦此法。目前,MERS-CoV主要是通過實時定量逆轉錄PCR(Real-time RT-PCR,rRT-PCR)的方法,對呼吸道、血液和糞便樣品進行病毒核酸的檢測。目前rRT-PCR主要檢測病毒的三個基因序列[31-33]:E蛋白上游基因(upE),ORF 1b基因和,ORF1a基因。upE基因序列檢測高度敏感性,適用于對MERS-CoV樣品的篩選檢測;ORF 1b基因和upE基因序列檢測具有同等的敏感性;ORF1a基因檢測,敏感性比前二者低,但特異性更高。另外,在MERS-CoV的基因組序列中位于RdRp 和N基因內有兩個適于驗證的靶序列[33]。美國疾病控制及預防中心(CDC)目前采用靶向病毒核衣殼蛋白(N)基因及upE的rRT-PCR進行樣品篩選檢測,然后再用另一靶向N基因的引物對單一或雙陽性PCR結果進行進一步驗證[34]。確認的陽性結果需滿足兩個條件:有兩種特異性PCR靶向擴增結果呈陽性;或者一種PCR結果陽性,另一種PCR產物序列測定結果與已知序列相符合。檢測時要盡量排除各種原因(如樣品質量差,病毒基因突變等)造成的假陰性結果。當PCR檢測為陰性,但患者具有MERS-CoV感染的臨床癥狀或流行病學特點時,可用血清學方法進行檢測。其它的檢測方法也在研究之中。
自SARS后,感染控制、分子診斷及國際公共衛生等都有了很大的改善,但目前對冠狀病毒的治療,仍然沒有特異性藥物及疫苗,因此對MERS-CoV感染病人的治療主要是對內臟器官支持與保護,緩解病人的癥狀,并降低并發癥的出現[2,35]。例如對ARDS患者實施肺保護性通氣策略,心血管的支持及保護,使用廣譜抗菌素降低機會病原的共感染,對急性腎衰竭患者采用腎臟替代治療,實施外膜肺氧和(ECMO)等。目前,已有一些治療MERS-CoV可能的選擇方案,但大多是從治療SARS和流感等的臨床經驗而來的,如使用恢復期的血清、干擾素(Interferon,IFN)、利巴韋林(Ribavirin)、皮質類固醇(Corticosteroids)等[35-36]。有的醫院對一些病情嚴重的患者采用了高劑量的皮質類固醇來治療,目的是為了阻止呼吸窘迫的發展并防治肺部纖維化,但治療效果并不成功,同時還可能由于其它原因造成治療不當。從治療SARS及H1N1的結果來看,這種療法也被證明是有害而無益。因此WHO并不推薦用此法來治療MERS-CoV感染,除非患者有哮喘或升壓頑固性休克[2]。在治療過程中,還需對病人實施密切監測、有效的隔離和必要的防護措施。
當前,各國學者都在尋找抗MERS-CoV的有效藥物,由于新藥物的研發時間較為漫長,研究人員正試圖從現有的藥物來篩選,以盡快解決當前的迫切需要。藥物的選擇主要基于幾個方面:能阻斷病毒的入侵及擴散、抑制病毒核酸復制及病毒蛋白合成、調節機體的抗病毒免疫和聯合性治療等,目前已有一些可喜的研究結果,為感染患者帶來新的希望[36]。
康復期的血清來自于遭受過MERS-CoV感染但已經康復的病人,可能含有能中和病毒的抗體,因此是推薦治療的首選[35-36]。目前已在一康復患者的血清內,檢測到了高水平的抗MERS-CoV的抗體[35]。在德國兩個MERS-CoV病人血清內也檢測到特異性抗體的存在,其滴度達1∶640[37-38]。目前還沒有使用該療法對MERS病人的治療數據,且可獲得性非常受限,但它能證明中和細胞外病毒的方法是否是最佳療法,同時也能促進抗體研究的發展。從以前治療SARS的臨床結果來看,可能有很多因素干擾了康復期血清的治療,如病人的并存疾病及其程度、其它治療藥物的干擾等,導致治療效果無法確定[39]。
選擇能有效抑制MERS-CoV RBD和DPP4結合的藥物也為治療提供了新的希望。研究發現,DPP4的結合蛋白腺甙脫氨酶(Adenosine deaminase)能競爭性的拮抗病毒與受體的結合,從而抑制MERS-CoV的細胞感染[40]。抗DPP4的多克隆抗體在體外研究中顯示有對MERS-CoV感染的抑制[26]。人源性的抗DPP4單克隆抗體(mAbYS110)能識別DPP4的6個不同的抗原決定簇,對MERS-CoV感染顯示明顯的抑制作用,是治療MERS的一個很好的候選者[41]。最近,清華大學的研究團隊[29]也分離到兩株抗MERS-CoV RBD的具高效中和能力的單克隆抗體MERS-4和MERS-27,二者均可在納摩爾濃度下,通過阻斷RBD 和細胞表面受體DPP4的作用,進而特異性的抑制假型病毒和活性病毒的細胞感染。同時MERS-4和MERS-27還具有明顯的相互協同作用,可以大大加強抗MERS-CoV及其在感染及傳播過程中產生的變異病毒的效果,從而提高抗病毒的活性和廣譜性。美國研究人員也篩選出7株抗MERS-CoV RBD特異性中和抗體,能特異結合刺突蛋白和DPP4結合界面的3個抗原決定簇,進而阻斷病毒對細胞吸附;其中一株抗體3B11表現出了最高的中和活性,被認為最有醫學應用潛力[42]。這些研究結果有望為病情嚴重的MERS-CoV感染者提供一條快速有效的特異性治療途徑。
病毒復制的抑制劑也是治療MERS-CoV的可能藥物。利巴韋林是抑制核苷類似物,能通過抑制RNA的復制而具有廣譜的抗病毒活性[43]。環胞多肽A(Cyclosporin A)能有效抑制SARS-CoV、MERS-CoV等冠狀病毒的在細胞內復制[44]。霉酚酸(Mycophenolic acid)是一種能抑制淋巴細胞增殖、阻止病毒RNA復制的免疫抑制劑,具有很強的體外抗MERS-CoV的活性[45]。當聯合應用霉酚酸及IFN-β時,其EC50值較應用每個單藥時低了1-3倍,因此也可考慮為MERS的實驗性治療方案[43,45]。冠狀病毒在非結構蛋白基因14(nsp14)內表達3′到5′的核糖核酸外切酶(Exoribonuclease,ExoN)。最近的研究發現ExoN也可能是一個很好的抑制靶向,它的小分子抑制劑聯合利巴韋林或RNA突變劑使用時可抑制冠狀病毒的復制,因此可能成為一個潛在的治療所有冠狀病毒的方法[46]。洛匹那韋(Lopinavir)和利托那韋(Ritonavir)是蛋白抑制劑,在SARS治療過程中,發現二者和利巴韋林聯合使用時,比單獨使用利巴韋林時,對病人的臨床結果有明顯改善作用[47],這對MERS治療也有借鑒作用。
機體的免疫調節也是發展抗MERS-CoV治療藥物另一方法。聚乙二醇化的IFN-α抑制MERS-CoV的效率是SARS-CoV的50-100倍[35]。相較于SARS-CoV,IFN-I(α,β)和IFN-III(λ)能更有效地降低MERS-CoV在人氣道上皮細胞中的復制[48]。Hart等則比較了IFN-α2b、IFN-β、IFN-γ和IFN-α2a等的效應,結果顯示IFN-β對MERS-CoV具有最強的抑制效應[45]。另一體外研究顯示加入IFN-β后,導致明顯的抗MERS-CoV效應,并能使病毒量降低3個指數級,至不可檢測的水平[49]。這些結果均能為MERS治療提供更多可能的選擇。另外,從SARS-CoV的臨床經驗中,IFN被單獨使用或聯合利巴韋林使用[35]。
抗病毒治療和免疫調節劑的聯合治療曾經是SARS治療的一種模式。聯合使用利巴韋林及干擾素-α2b,在較低的濃度下就能有效抑制MERS-CoV在培養細胞內的復制,且二者具有協同效應[50]。當用于處理MERS-CoV感染8 h的動物模型恒河猴后,也能降低病毒在體內的復制,改善臨床結果,如肺部傷害顯著減少[51]。由于利巴韋林和IFN-α2b這兩種強抗病毒制劑已在臨床上被廣泛用于治療丙肝,同時也是用于治療SARS病人的一個方法,因此,研究專家建議把它們作為MERS的一種早期的介入療法。不過,最近的一個臨床觀察結果顯示,該聯合療法可能只對某些診斷早期的病人有效,而對具有嚴重感染并含多個并發癥的晚期診斷患者并不產生治療效果[52]。同時,施藥的時間點也是影響治療效果的一個重要因素。
另外,美國馬里蘭的研究人員[53]對290種已經在美國獲批或正在后期臨床試用的藥物進行了篩選,發現有27種藥物能有效對抗MERS-CoV和SARS-CoV的感染。這些有效的抗病毒藥物包括抗癌、抗精神病或抗其它病毒的藥物,如抗腫瘤藥物甲磺酸伊馬替尼(Imatinib mesylate)及達沙替尼(Dasatinib),抗精神病藥氯丙嗪(chlorpromazine),抗線狀病毒(Filoviruses)及腫瘤藥物枸櫞酸托瑞米芬(Toremifene citrate),抗瘧疾藥物氯奎(chloroquine)等 。歐洲的研究人員[54]也用類似的方法篩選了348種FDA批準的和政府批準的藥物,發現有四種藥物能在相對較低的濃度下對抗MERS和SARS病毒,其中包括有在上述研究中得到證實的兩種藥物:氯喹和氯丙嗪。另有研究還發現,能有效抑制SARS-CoV繁殖的小分子抑制劑SSYA10-001,對MERS-CoV也有同樣的抑制效果[55]。這種老藥新用的方法,不僅能盡快解決當前需要,還可以給新藥發展提供新的思路,大大縮短研發時間。
目前,對MERS-CoV還有很多的問題有待解決,如病源動物和人之間可能有哪些直接或間接的傳播途徑,人與人之間是否具有大規模傳播的可能,傳播過程中RNA病毒的突變及毒力的變化性,如何阻斷病毒的傳播及發展出有效的抗病毒藥物及預防疫苗等。這就需要各國投入更多的調查及研究,以便盡快明確傳播病源及傳播途徑,以便實施有效的預防及監控措施,并盡早研制出特異性的治療藥物及疫苗。
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