全球冠狀病毒研究態勢分析及其啟示

陳大明， 趙曉勤， 繆有剛， 毛開云， 熊 燕*

1. 中國科學院上海生命科學信息中心，中國科學院上海營養與健康研究所，上海 200031 2. 上海圖書館(上海科學技術情報研究所)，上海 200031

2019年12月以來，湖北省武漢市陸續出現不明原因的肺炎病例，經各方研究，最終被確定為一種新型冠狀病毒感染所致。為此，世界衛生組織將該病毒暫時命名為“2019新型冠狀病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)”。2020年2月8日，國家衛生健康委員會決定將“新型冠狀病毒感染的肺炎”暫命名為“新型冠狀病毒肺炎”，簡稱“新冠肺炎”(novel coronavirus pneumonia, NCP)。NCP的肆虐嚴重威脅人類健康，給我國經濟、社會帶來了沉重的負擔和嚴峻的挑戰，與之相應的病毒溯源、傳播機制和防控策略等方面的研究成為重大需求。NCP與歷史上發生的嚴重急性呼吸綜合征(severe acute respiratory syndrome, SARS)、中東呼吸綜合征(Middle East respiratory syndrome, MERS)一樣，均由冠狀病毒(coronaviruses，CoVs)的感染引起。因而，針對CoVs已有研究進行梳理和總結，對當下NCP的防控研究或具有啟示作用。

CoVs是外包有囊膜的單股正鏈RNA病毒，在系統分類上屬巢狀病毒目(Nidovirales)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、冠狀病毒亞科(Coronavirinae)。2011年，國際病毒學分類委員會(International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV)將冠狀病毒亞科又分為α、β、γ、δ 4個屬。自1937年分離出第一種冠狀病毒——禽類傳染性支氣管炎病毒(infectious bronchitis virus，IBV)以來，人類研究CoVs已有數十年的歷史。2003年以來，嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronaviruses，SARS-CoV)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronaviruses，MERS-CoV)和2019-nCoV感染導致的疫情均引發了全世界的關注。

本文基于文獻計量、引文分析和知識圖譜等方法，就全球CoVs研究的學科和主題內容進行分析，以期總結全球CoVs研究的基本態勢，為當下及今后CoVs所致疾病的疫情防控提供參考。

1 數據來源及分析

1.1 數據來源 選取Web of Science?數據庫作為主要的文獻數據來源，以“冠狀病毒”及其各個屬為主題，在“Web of Science核心合集”中選擇“高級檢索”進行檢索(檢索時間為2020年1月28日)，文獻類型限定為“Article”“Review”和“Letter”，出版年限定為2000年至2019年。檢查策略見表1。

表1 文獻檢索策略

1.2 分析方法 采用文獻計量、聚類分類等方法對文獻數據進行分析，并運用引文分析和內容分析法進一步開展分析，闡述研究產出的分布、前沿和趨勢。首先，運用文獻計量法，對文獻的年度分布、學科領域分布、主題分布等進行分析。其中，主題分析運用引文分析法，根據引證關系篩選出100篇高被引文獻(其中2016年前的文獻被引頻次均為100次以上，2016—2019年的文獻根據引證關系選擇年度的高被引文獻)，并根據文獻間的引證關系總結其研究主題。其次，再通過內容分析與聚類分析，繪制CoVs研究的知識圖譜。最后，再基于國內外研究背景和熱點的綜合分析，梳理CoVs的主要研究動向，總結由其帶來的啟示。

2 冠狀病毒研究的論文產出

2.1 年度分布 20世紀60年代，在人體內發現兩種CoVs——人冠狀病毒229E(human coronavirus 229E， HCoV-229E)和人冠狀病毒OC43(human coronavirus OC43， HCoV-OC43)，分屬于α冠狀病毒和β冠狀病毒，其感染所致疾病均為普通感冒。直到2003年前，在人體內發現的CoVs仍僅有這兩種，因而全球CoVs的研究論文產出始終維持在較低的水平。2003年SARS暴發后，CoVs的研究在短期內成為焦點，隨后逐年下降。2012年，MERS暴發后，CoVs再次引發關注，并在幾年內再度成為全球病毒研究的熱點。2003年之前，β冠狀病毒的研究在α、β、γ、δ 4個屬中最多，而SARS-CoV、MERS-CoV又均為β冠狀病毒，因而全球CoVs的研究論文總量與β冠狀病毒研究論文量變化趨勢總體一致。2019年底發現的2019-nCoV也屬β冠狀病毒，可以預見，2020年全球β冠狀病毒研究論文，以及CoVs的研究總體都將呈現快速增長的態勢，論文發表量或將超2003年的規模(圖1)。

圖1 2000—2019年全球冠狀病毒研究論文產出的年度變化

2.2 國家(地區)分布 全球CoVs的研究以美國和中國較多。2003年SARS疫情暴發后，中國有關CoVs的研究論文快速增長，此后總體上與美國維持同一數量級的水平。近年來，美國的CoVs研究論文量基本在每年250～300篇，而中國的研究論文產出量整體呈上升的態勢，至2019年，論文量已與美國大體相當(圖2)。其中，2019年中國的α冠狀病毒研究的論文量(121篇)是美國(56篇)的2倍，而β冠狀病毒的研究論文量則少于美國。2019年NCP暴發后，中國更加關注β冠狀病毒的研究，預計研究論文量的增長趨勢仍將延續。

2.3 主題分布 近20年來，一批高水平的研究論文得到發表，通過其引證關系可以了解冠狀病毒研究主題的發展脈絡(圖3)[1-100]。2003年對嚴重急性呼吸綜合征的病原體SARS冠狀病毒(SARS-CoV)的研究，是高被引論文發表的起點[1-4]。此后，研究者對SARS-CoV開展了基因組和分子進化方面的研究[15-17,28]，探討SARS的動物傳染源[23-24,41-42]，研究SARS傳播模型及其公共衛生主題[21,26-27,43,56]，研發SARS疫苗[32-33,40]和抗SARS的中和抗體[29]，發現相關受體[25,34-37]及小分子藥物篩選[22,38-39]。其中， SARS-CoV的傳染源和貯存宿主的重點聚集于中華菊頭蝠等蝙蝠[41-42]。繼SARS-CoV之后，研究者分別于2004年和2005年發現了人冠狀病毒NL63[54]和HKU1[55]。2012年12月發現了第6種人冠狀病毒，2013年世界衛生組織將其命名為MERS-CoV[59-61]。自此，MERS-CoV研究相關的高被引論文[62-78]產出不斷增加。除SARS-CoV和MERS-CoV外，多種其他冠狀病毒研究也在近年來得到重視，如豬流行性腹瀉病毒(PEDV)的變異和進化[86-91]即為熱點之一。

圖2 2000—2019年不同國家(地區)冠狀病毒研究論文產出的年度變化

2.4 機構分布 對SARS研究高峰期(2003—2005年)、SARS研究和MERS研究間隔期(2006—2011年)以及MERS研究和CoVs綜合研究高峰期(2012—2019年)3個階段的各個主題加以細分，分別統計各階段、各主題的研究論文發表較多的機構，發現我國香港大學的研究較為系統，在各個階段和各類主題均有涉及，是全球該領域的領先研究機構，另外還有中國科學院、加拿大多倫多大學、美國加州大學等。在人冠狀病毒的臨床研究方面，中國香港和沙特的研究機構，分別在SARS和MERS的研究中發表論文最多(圖4)。

3 冠狀病毒研究的知識圖譜

在已知的人類冠狀病毒(HCoV)中，HCoV-NL63和HCoV-229E屬于α冠狀病毒屬，HCoV-OC43、HCoV-HKU1、SARS-CoV、MERS-CoV以及2019-nCoV都屬于β冠狀病毒屬[101]。在β冠狀病毒屬中，2019-nCoV被發現前，關注最多、開展相關研究最多的是SARS-CoV和MERS-CoV。以SARS-CoV、MERS-CoV相關研究的高被引論文內容分析為基礎，繪制了冠狀病毒研究的知識圖譜(圖5)。

病毒溯源和傳播機制的研究是SARS-CoV和MERS-CoV早期研究的重點。研究表明，SARS-CoV和MERS-CoV的天然宿主可能都是蝙蝠[102]，但是可能的中間宿主卻很可能不同，因而SARS-CoV和MERS-CoV如何由動物向人類傳播則是諸多研究的重點。從已有研究來看，果子貍和麝香貓可能是SARS-CoV的中間宿主，而MERS-CoV可能由單峰駱駝直接傳播給人[103]。然而，從天然宿主到中間宿主，再到人傳人傳播，仍然有許多環節尚待進一步的流行病學和多學科研究加以綜合闡明。反映在知識圖譜上，對冠狀病毒的分子進化研究、傳播機制研究和防控策略研究中，需要進一步的有機集成。

目前，諸多的研究機構和企業也開展了抗病毒的小分子藥物篩選以及單克隆抗體、疫苗等研究，其中靶向CoVs的表面刺突糖蛋白的研究較多，然而至今尚未成功開發出針對SARS-CoV和MERS-CoV的特效藥物[104]，且疫苗開發也面臨不少的困難[105]。表現在知識圖譜中，冠狀病毒的多個蛋白與RNA的復合體結構研究仍有空白，而MERS-CoV感染的實驗動物模型較少。雖然已建立了多個模擬SARS-CoV感染的動物模型，而且所構建的模型充分考慮了年齡等群體差異因素(如分別建立了年輕小鼠和衰老小鼠的模型)，但MERS-CoV感染的嚙齒動物(小鼠、倉鼠和豚鼠)模型和雪貂模型建立相對較難，這在很大程度上限制了關于MERS-CoV感染的抗病毒藥物和疫苗的研發。

在SARS-CoV和MERS-CoV感染的發病機制研究方面，研究揭示CoVs蛋白的論文較多[106]。SARS-CoV和MERS-CoV的單正鏈RNA基因組都編碼表面刺突糖蛋白(S)、包膜蛋白(E)、外膜蛋白(M)和核衣殼蛋白(N)。S蛋白是病毒表面三聚體糖蛋白，引導CoVs進入宿主細胞。SARS-CoV和MERS-CoV分別以人血管緊張素轉換酶2(ACE2)和人二肽基肽酶(DPP4，又名CD26)作為主要受體。其中，ACE2廣泛表達于肺泡、氣管、支氣管、支氣管漿液腺、肺泡單核細胞和巨噬細胞，同時在動脈和靜脈的內皮細胞、腸黏膜細胞、腎小管上皮細胞也有表達。免疫病理學的研究表明，SARS-CoV和MERS-CoV都可導致免疫紊亂[107]。SARS-CoV感染引發的細胞因子風暴[108]是導致患者病情加重乃至死亡的重要原因。因此，在尚無高效抗病毒藥物的前提下，通過調節機體狀態以提升免疫力，目前已是臨床實踐中的主要策略。在這方面，關于傳統中醫藥在SARS防治中的實踐應用有不少論文發表[109-110]。

圖5 冠狀病毒研究的知識圖譜

4 展望與啟示

近20年來，全球冠狀病毒研究力度明顯提升，成果顯著，對相關傳染性疾病的防治和疫情防控發揮了重要支撐作用。雖然如此，人類對冠狀病毒及其所致疾病的了解仍然有限，存在很多未知及空白，仍有待進一步提高，NCP的流行就是一個典型的例子。可喜的是，全球的科學家尤其是中國的科學家反應迅速，短時間內快速分離并鑒定出病原體并提出了有效的防控措施，后續關于2019-nCoV的病毒溯源、傳播機制、病毒檢測、疾病診治以及藥物及疫苗研發和疫情評估等方面的研究也正陸續開展。梳理既往包括SARS-CoV、MERS-CoV等的研究脈絡，總結研究思路及路徑，可對當前和未來冠狀病毒的深入研究和傳染病防控提供有益的啟示。

4.1 從流行病學研究到疾病預警和防控策略的完善 明確病毒的天然宿主和中間宿主，識別冠狀病毒的系統進化特點，是科學有效地預警和防控策略制定的基礎。當前，人們對SARS-CoV和MERS-CoV的天然宿主已有所了解，但對于SARS-CoV和MERS-CoV的傳播途徑仍尚未完全掌握，對于SARS-CoV、MERS-CoV和2019-nCoV由中間宿主向人傳播的路徑仍然有待進一步研究。在從人到人的傳播上，針對SARS-CoV和MERS-CoV的研究[27， 111]表明，室內環境的空氣流動、動物內臟等廢棄物的處理等細節，同樣十分重要。此外，利用新技術、新方法完善病毒傳播模型，對病毒傳播的趨勢預估在病毒防控中也十分必要。

4.2 從免疫病理學研究到冠狀病毒感染患者的臨床診治 由于缺乏特效的抗病毒藥物，提高自身免疫力和對癥治療是應對當下新型冠狀病毒肺炎患者的主要舉措。目前，很多患者存在病情突然惡化或者好轉后突然進展的現象，發病的免疫學機制尚不清楚，臨床處置相當棘手，也無法預判，顯著降低了患者預后。既往SARS-CoV、MERS-CoV感染患者診治經驗表明，很多重癥患者體內會出現細胞因子風暴，給組織帶來嚴重損傷，引發多器官功能衰竭。細胞因子風暴相關因子包括干擾素(IFN)、白細胞介素(IL)、趨化因子、集落刺激因子(CSF)、腫瘤壞死因子(TNF)等。目前，相關的研究已取得了不少進展，如研究發現IL-6可以作為判斷疾病嚴重程度和預后指標的重要生物標志物[112]。然而，冠狀病毒感染引發細胞因子風暴的信號轉導途徑尚未完全闡明，臨床治療方法和手段也有待進一步研究。

4.3 從結構生物學研究到抗病毒抑制劑的研發 冠狀病毒對宿主細胞的附著和進入、基因組轉錄、復制酶和結構蛋白的翻譯等主要過程目前已經基本明確，這為抗病毒抑制劑的開發提供了依據。然而，從病毒的復制機制到抗病毒抑制劑的開發仍有許多難題有待攻克。首先，對于N蛋白-RNA、M蛋白-RNA復合物的結構了解不足[113]，冠狀病毒組裝過程的研究仍有空白，這在一定程度上限制了抗病毒抑制劑的研究開發。其次，抗冠狀病毒的研究開發中，廣譜抗病毒藥物的篩選和研究相對較多(如利巴韋林和瑞德西韋作為RNA聚合酶抑制劑已受到較多的關注)，未來針對冠狀病毒的精準靶向藥物研發需要加強。再次，盡管針對SARS-CoV感染的實驗動物模型構建已取得了諸多進展，但針對MARS-CoV感染的實驗動物模型仍然有限。這也說明抗冠狀病毒抑制劑開發所需的臨床前研究仍存在一些短板，需要在未來的研究中加以關注。

4.4 從病毒免疫學研究到人冠狀病毒疫苗的制備 疫苗制備需要兼顧安全性、有效性和保護率，針對SARS-CoV的疫苗研發表明，結構蛋白編碼基因中的變異給疫苗開發帶來了難題。在冠狀病毒的結構蛋白中，S蛋白是主要的抗原成分，重組載體疫苗、DNA疫苗和亞單位疫苗的很多開發以此為基礎展開，其中又以基于受體結合區域(RBD)的疫苗研究最受關注。基于全長S蛋白的冠狀病毒疫苗，可能會誘導有害免疫反應[114]；基于S蛋白亞單位的疫苗，免疫原性又相對較低[103]。滅活病毒疫苗、減毒活病毒疫苗的開發也存在瓶頸。目前，針對SARS-CoV的疫苗評價已有研究，分別建立了基于年輕小鼠和衰老小鼠的模型。這提示人冠狀病毒疫苗的開發需要充分考慮個體差異。因此，有待病毒免疫學的基礎研究進一步取得突破，從而為人冠狀病毒疫苗的開發提供更有力的支撐。已有較多針對豬、貓、狗、牛、家禽及其他鳥類的冠狀病毒感染預防疫苗的研發，對其研究經驗和效果評價的總結也可為針對人冠狀病毒疫苗的開發提供一定的參考。

綜上所述，重大突發傳染病的防控是復雜的系統工程，需要建立跨學科、跨部門的傳染病防控體系，才能使科學研究及其應用更為有序、有效。這有賴于基礎醫學、臨床醫學、公共衛生等相關學科的整合，有賴于科學研究與臨床實踐、疾病防控的協同，有賴于建立覆蓋疾病防控、醫療衛生等多部門的全球數據信息共享和整合體系，從而為冠狀病毒的防控提供更有力的支撐。面對冠狀病毒，人類是命運共同體。相信在全球科學家的共同努力下，我們一定能有效防控新冠肺炎，一定能戰勝冠狀病毒。