1918 influenza: the mother of all pandemics 1918流感：所有大流行病之母 Taubenberger J K*, Morens D M 英文原文献 nullnullnullnull Taubenberger J K, Morens D M. 1918 influenza: the mother of al pandemicsJ. Emerging infectious diseases, 206, 12(1):15-22. nullnullnullnullnullnullnullCDCnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull2006null1nullnullnull12nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull1918nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullcdc.gov/eidnull nullnullnullnull Taubenberger nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull Morensnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 前言 19181919年西班牙流感在全球造成约 5000万人死亡，到现在仍是公共 卫生的不祥阴霾。关于起源仍有许多问题未得到解答，如不寻常的流行 病学特征和致病性主因等。尽管我们现在努力克服了 H5N1或其他病毒等 大流行的蔓延，但 1918流感对公共卫生的影响仍是拿不准的。 1918流感 的信息还在不断更新，如从档案库的尸检中测序到整个基因组，但仅是 病毒基因组是不能解答关键问题的。要了解 1918流感及对未来的影响， 还需要细致的实验和深入的历史分析。 背景 19181919年流感期间，大约有三分之一的世界人口（约 5亿人）被感 染并出现临床症状。大流行超乎想象的严重。相比其他大流行的致死率 （ 2.5%。估计总死亡人数是 5000万 左右，悲观的说法是高达 1亿。 1918流感的影响不限于 19181919年，此后全世界几乎所有的甲型流感 （禽流感病毒除外，如 H5N1和 H7N7）都是 1918流感病毒的后代，包 括漂移型 H1N1、重组型 H2N2和 H3N2。后者是由后来的禽流感整合了 1918流感的关键基因，从而表达出新蛋白。可以说， 1918流感是所有大 流行病之母。 1918年，人流感是怎么和禽流感猪流感关联起来尚不清楚。尽管临床和 流行病特征和 1889、 1847甚至更早的流感大流行相似，但高致死率让很 多人怀疑该不该叫流感？这个问题直到 1930年才开始解决，当时从猪分 离出了流感病毒（现在称 H1N1），在后来也从人类中分 离出这种病毒。 血清流行病学研究很快把这种病毒和 1918流感联系一块。随后研究表 明， 1918病毒后代一直在猪中存在，且可能还在人类中不断循环出现， 经历抗原性漂移的持续迭代，并导致每年流行爆发直至 1950年代。 1957 年开始出现新的 H2N2流行病（即 “亚洲流感 ”），而 1918病毒的后代 H1N1病毒从人体循环中完全消失，尽管相关谱系还依附在猪中。但 1977 年突然从实验室冷冻室 “重新出现 ”，开始又在人类中流行。 2006年， 1918病毒后代的两个自然型谱系、两个重组型谱系开始流行： 人系 H1N1谱系、猪系 H1N1谱 系（即 “猪流感 ”）、重组型人系 H3N2谱 系以及重组型猪系 H3N2谱系，但没有一个后代的致病性接近 1918病 毒。猪系 H1N1和 H3N2很少感染人类，而人系 H1N1和 H3N2的发病率 / 致死率均低于 1918病毒。事实上，现在自然型 H1N1的致死率甚至低于 H3N2（从 1968年流行至现在）。源自 1918流感的 H1N1病毒和 H3N2 病毒已在全世界流行 29年了，几乎没有灭绝迹象。 一、尝试理解发生了什么？ 到 1990年代初，已有 75年的研究都未能解答 1918流感最基本的问题： 为什么如此致命？ 人们并没有 从 1918年 流 感疫情中 分离出任何病毒，但 其后代们依然持续地对人类轻度侵袭。 1920年代对 流感 流行的跟踪调查 显示： 1918年之后的几年内， 流感 流行由于基因漂移，变成每年流行但 低致死率的模式。是不是某个遗传事件让 1918病毒大大降低致病率，然 后另一个遗传事件让 1918病毒变成较弱的 H1N1病毒呢？ 1995年，一个科学小组从档案库确定了 1918年秋的流感尸检材料，开始 对 小 RNA病毒 片段 做漫长的测序实验，以此推出 1918病毒的整个基因 组。现在已经确定了 1种病毒的整个基因组和 4种其他病毒的部分基因 序列。上述实验和一系列其他 1918病毒相关的文章都证实， 1918病毒极 有可能是人系 /猪系的 H1N1和 H3N2、已灭绝 H2N2的祖先。在其它的人 类或动物高致病性流感病毒中，没有发现与 1918病毒的基因组相关的突 变，但关于毒力因子的持续研究产生一些有趣结果。尽管如此， 1918基 因序列数据还是不能回答病毒的起源和流行病学特征。 二、 1918流感是何时何地开始流行的？ 1918年 之 前 及之 后，多数流感 大 流行是从亚洲起源 并 传播到世界各地。 1918流感在 19181919年的 12个月期间，或多或少 是从三个地区同时 传播：欧洲、亚洲，和北美（第一波被认为 1918/03从美国开始）。历史 和流行病学数据都不足以识别出该病毒的地理起源，最近的 1918基因系 统研究也不能分析出地理发源地。 尽管在 1918年没有全国性的 流感 疾病报告 体系 ，对流感和肺炎的诊断标 准也不明确 ， 但 从 1915年 12月 起 ，美国出现呼吸道疾病流行，流感和 肺炎的致死率在 1915年和 1916年急剧上升， 随后的 1917年略有下降。 1918年春出现第一波 流感 大流行， 1918年秋和 1919年冬又分别出现了 更高致死率的 第二波和第三波 流感大 流行（图 1）。 有没有可能适应性弱的 H1N1病毒在 1915年已经传播，虽然有些严重病 症但还没引发大流行？当时从欧洲军事营地里也报道了与此符合的数 据，但给出相反的结论：如果带有新血凝素（ HA）的病 毒 株影响到美国 流感和肺炎的致死率，就早该引起大流行，且到 1918年应该有人免疫或 至少得到部分免疫。很难确定 1918流感的 “先驱 ”事件来自 1915、 1916， 甚至 1918初。 图 1 三波流行潮： 19181919年英国每周的流感和肺炎致死率 1918流感 大流行 还有另一个独 特的 特点， 即 人和猪几乎同时感染。 1918病 毒很可能表达了一种抗原性新亚型，导致大多数的人和猪免疫低下。最近 发布的基因研究表明， 1918病毒基因表达的血凝素（ HA）和神经氨酸麻 （ NA）很 可 能 在 大 流 行 开 始 前 不 久 从 禽 流 感 病 毒 延 生 出 的 ，且 该 前 体 病 毒 在几十年内未能在人或猪 体内 广泛传播。更近的该病毒基因 序列 报告 及病 毒种系发育分析 也支持了这一个结论。从 1930到现在的人 /猪流感序列的 回归分析表明， 1918病毒的前体最早在人类传播的时间大约在 19151918 年。因此， 1918病毒前体可能在 1918年之前才在人类中广泛传播，迄今 也没有研究直接表明从任何鸟类中过渡而来。总之，它的起源仍令人困惑。 三、 19181919年三波流行潮是不是都来自于同一病毒？如果是， How and Why？ 自 16世纪以来的历史记录表明，新流感 大 流行可能会在每年的任何时候 出现，不一定是每年冬季的常规模式，因为在感染人群中已发现极可能 来自新型流感的行为模式。此后，这些大流行病毒面对人群免疫的选择 性压力，开始遗传漂移，并最终由漂移型病毒 突 变体引发每年流行复发 的格局。 19181919年大流行期间，第一波春季潮开始于 1918年 3月，并在接下 来的 6个月不同程度的扩散至美国、欧洲甚至亚洲，患病率非常高，但 多数地区的致死率并没有显著高于正常值。第二波秋季潮开始于 1918年 911月，迅速全球蔓延且致命。第三波流行潮则始于 1919年初。某些 当代观察者根据临床相似性，一开始得出结论，三波流行潮应该是同一 个疾病所致：三次流行潮中，轻症都是相同的，且具备与 1889年大流行 及更早前大流行的典型流感特征。但回顾过去，第一波春季潮从简单流 感迅速发展至致命肺炎的案例较少，而致命肺炎是后两波流行潮的标 志；相比而言，后两波流行潮发生复杂、严重、致命的病例频率会更 高。 一年 之内连续发生 3次大规模流行病是前所未有的。某种程度上，病毒 的抗原性漂移特性是保持每年反复发作的原因，大约每 2 3年出现一种 抗原性病毒变异体。如果没有漂移特性，人 /畜的免疫力一旦达到临界阈 值，流感病毒可能消失，在该临界阈值下，病毒的进一步传播是受到限 制的。几十年来，人们一直在 推 测流感 大 流行之间爆发的时间点和空间 点。除了人 /畜的免疫限制，病毒的传播因素包括较低的环境温度、鼻腔 温度（对不耐热病毒有利，如流感）、适宜湿度、室内拥挤情况以及通 风不良情况等。 但以上因素都不能解释 19181919年三波流行潮，它们分 别发生在春夏 间、夏秋间和冬季。前两波是发生在每年不利流感传播的时间；第二波 在北半球 /南半球的 9 11月期间同时爆发；此外，流行潮之间的周期很 短，以至于在某些地区几乎无法检测到。流行病学很难解释第一波 /第二 波之间的病例急剧下降，以及第二波 /第三波的病例急剧上升。 即使假设 感染后获得的免疫能力是短暂，但易感人群太少都无法维持在一个点上 的传播， 又如何在几周后引发新的爆炸性大流行 ？会不会病毒在全球各 地几乎短时间内同时发生完全变异？但流感病毒发生遗传漂移以逃避人 群免疫，按科学经验是需要花费数年的全球传播，而不只是短短几周的 局部传播；而且，就算是已发生漂移的变异体也需要数月时间才能传播 到全球各地。 其他流感大流行还没有过一年内连续报道的案例。比如， 1889流感始于 1889年春末，历时数月才传播到世界各地，在 1889年末或 1890年初在 北欧和美国达到顶峰；第二次复发在 1891年春末（晚了一年），第三次 则在 1892年初。和 1918流感一样，第二波流行潮复发时死亡人数更 多，但 1889-1892的三次流行潮的传播时间是大于 3年的，而 1918-1919 的连续流行潮在各国传播时间是被压缩到 8 9月内。 目前尚不清楚 1918流感迅速发生连续大流行的能力。因为我们鉴定的尸 检材料仅来自于 1918流感的第二波感染者，第一波或第三波是否也来自 同一病毒或突变体并无定论。实验数据显示，第二波感染者很可能在第 三波流行潮时已获得免疫保护，但数据不足以支撑第二波 /第三波感染者 是否从第一波流行潮中获得免疫保护，也不能回答三波流行潮是否来自 同一病毒或突变体的问题。只有拿到 1918之前，及 1918三波流行潮的 感染者 RNA阳 性样本才能回答这个问题。 四 、 1918病毒的宿主是否来源于动物？ 1918病毒基因序列数据显示，整个基因组可能在 1918或不久前，对人类 是新型的。它并不是从以往病毒中重组 1或多个新基因而产生（不同于 1957或 1968流行病），相反， 1918病毒似乎 是由 某种未知来源的禽流 感病毒衍生而来（有 8个基因片段和现在禽流感基因不同）。从 1918年 左右的野生鸟类标 本 中收集的流感病毒基因序列和今天禽流感病毒差异 不大，这表明禽流感病毒即 使 在很长时间内，也可能在天然宿主内几乎 不发生抗原变化。 例如， 1918核蛋白（ NP） 基因序列在氨基酸水平和野生鸟类中的病毒相 似，但在核苷酸水平却非常不同，这表明 1918核蛋白来源与当前野生鸟 类的病毒核蛋白有相当大的进化距离。查看基因进化距离的一种方法 是，比较同义核苷酸和非同义核苷酸的比率。同义取代是指序列中核苷 酸变化不会导致氨基酸置换；非同义取代是指核苷酸变化会导致氨基酸 置换。一般来说，经受免疫漂移压力或适应新宿主的病毒表现出更大比 例的非同义突变，而极小压力下的病毒主要积累同义取代，它们被认为 能反映进化距离。 由于从野生鸟类已知序列中了解到 的 1918流感病毒 基因片段，比预期中 有 更多的同义 取代 ，它们不太可能直接来自 于 类似禽流感病毒的病毒 。 其中一点尤其明显，当人们检查 4倍简并密码子（同义取代的子集） 时，发现第三个密码子可以替换 4个核苷酸的任何一个，也不会更改氨 基酸。同时， 1918病毒虽在人 /猪的中间宿主中适应许多年，其序列的氨 基酸水平和野生鸟类的差异还是很小。一种可能解释 是 ，这些异常基因 片段是从尚未鉴定的流感病毒库中获得的。所有这些发现都引出一个问 题： 1918病毒到底从哪里来？ 与 1918病毒相反， 1957和 1968流感的重组病毒的基因片段是来自欧亚 禽流感病毒。两种人类病毒都是通过相同机制产 生： 是 欧亚水系禽流感 病毒 与之前 流行的 人 H1N1病毒 发生的 重组。要证明 1918病毒的起源， 需要更相似于 1918病毒序列的样本： 1918病毒流行前的样本和野生流行 样本。 五 、 1918病毒致病性的生物学基础是什么？ 单独的基因序列分析不能提供 1918病毒致病性的原因。研究者通过一系 列体外 /动物模型实验中，尝试反向基因构建的病毒做毒力建模。 流感病毒感染需要 HA蛋白与宿主细胞表面的唾液酸受体结合。而适于感 染禽类的流感病毒，其 HA受体结合位的构型是不同于适于感染人类的流 感病毒。禽类流感病毒优先用 （ 2-3）链接糖结合唾液酸受体；人类流 感病毒被认为优先用 （ 2-6）链接糖。这种禽类受体构型仅需改变 1个 氨基酸就可以转换感染，而 5个测序过的 1918病毒，其 HA蛋白都有这 种改变，这很可能是适应人类宿主的关键步骤。也有第二种可能， 5个测 序过的 1918病毒里，有 3个的 HA序列发生另一种增强人类受体结合的 改变。 这意味着至少 2种 H1N1受体结合 突 变体在 1918年传播： 1种表现与人 类受体的高亲和力，一种表现与禽类 /人类受体的混合高亲和力。但没 有 地理或年代学的迹象表明其中一个变体是另一个变体的前体。这些病毒 是否在 1918年具备相同的传播能力，是否在呼吸树具备相同的复制模 式，以及是否在第一次和第三次流行潮中传播同样的病毒？都是未知 的。 在一系列的体内实验中，已制造出含 1918病毒的 1和 5基因片段的重组 基因。这些带有 1918 HA/NA的重构体在小鼠中表现高致病性。此外，对 这些小鼠的肺组织进行基因表达微阵列分析，其细胞凋亡、组织损伤和 氧化都和这类基因表达量有关。这些发现是出乎意料的，因为带有 1918 基因的病毒还未适应小鼠；对照组（感染其他人类现代病 毒的小鼠）显 示很少致病性和病毒复制性。感染 1918 HA/NA重构体的小鼠，其肺部显 示支气管和肺泡上皮坏死，以及明显的炎性浸润，这表明 1918 HA（也可 能还有 NA）含有对小鼠的致病因子。小鼠的致病性能否有效地模拟人类 致病性尚不清楚，其他 1918单独型或组合型蛋白的潜在作用也尚不清 楚。研究者计划在其他各种动物模型上，进一步的绘制 1918病毒的毒性 遗传基础。这些实验可能有助于确定 1918病毒的致病性成分，但无法确 定是否为 1918年流感死亡模式的主要因素。 六 、为何 1918病毒杀死这么多健康年轻人？ 从历史 经验看，按年龄划分的流感死亡曲线至少 150年内一直呈 U形 （图 2），它显示幼年和老年的死亡峰值，中间年龄段的死亡率较低。相 反， 1918流感显示了独特的模式，一种从没记录过的 “W形 ”曲线，在约 20 40岁人群间又有一个死亡峰值。 19181919年的间 15 34岁人群 患流感和肺炎死亡率比往年高出 20倍以上，近一半 1918流感死亡来自 20 40岁人群，这是 1918流感独有的。 另一个独特点是， 65岁的人群，且占了 1918 流感死亡人数的 99%。相比而言， 65岁的人群死亡率占了 1957 H2N2 流感的 36%，以及 1968 H3N2流感的 48%。 图 2 19111918年美国各年龄段流感和肺炎每十万人口死亡率 进一步划分年龄的流感死亡率曲线，可以清晰看到， 35岁且先前已 暴露过当时病毒的 人 群 进 而获得 了 对 1918病毒 的 部分免疫保护 能力 。但这个理论有一个悖 论：这个无名的病毒前体必须在 1889年之前出现过，然后 30年后重新 出现，但今天却没有发现任何痕迹。 收集于 19001918年间的流行病数据为 1918抗原性新型病毒的出现提 供很好的证据。它表明 19001917年间， 5 15岁年龄组占流感病 例总 数的 11%，而 65岁年龄组占流感病例总数的 6%。但在 1918年， 5 15 岁年龄组跃升流感病例总数的 25%，而 65岁年龄组仅占流感病例总数的 0.6%。这与此前接触了相同或相关的病毒而获得保护性免疫的结果一 致，且致死率数据也一致。 1918年， 75岁年龄组死于流感和肺炎案例 少于大流行前的 19111917年间。而在年龄组的另一端（图 2）， 1918 年的婴幼儿致死率也相似于其他大流行的模式。 七 、 1918流感会再出现吗？若会，该怎么办？ 就病程和病理方面而言， 1918流感 大流行和历史 上 的大流行 相比只 是程 度 的 不同，而非种类 的不同。 尽管全球死亡人数众多，但多数感染者 （ 95%来自工业化国家）是轻度，与当今流感区别不大。此外， 利用含 有 1918病毒基因的 重组 流感 病毒的实验结果表明， 1918病毒和 类 1918 病毒与其他典型 的流感 病毒一样，对抗流感药物金刚乙胺和奥司他韦 （ FDA批准）敏感。 但 1918流感有自己的某些特征：尤其死亡率比预期高出 5-20倍。从临床 病理角度，这些高死亡率似乎是多种因素导致，包括更高比例的严重的 呼吸道感染（并非流感引发的器官衰竭）；此外，死亡案例集中在不寻 常的年轻年龄组；最后在 1918年， 3次流感流行潮以异常迅速的速度相 继出现。每一个特征都可能反映 1918病毒的遗传特征，但要理解它们是 需要检查宿主和环境等因素。 在我们无法确定哪些因素导致 流感 大流行和高死亡率之前，这些都只能 是猜测。我们只能得出结论，既然它曾经发生过，类似条件下可能还会 导致同样严重的大流行。 和 1918年的病毒一样， H5N1是一种禽类病毒，虽然是远亲。导致 1918 年大流行进化路径的原因还完全未知，但它在许多方面似乎与当前的 H5N1情况不同。无论是 1918年的大流感，还是任何其他的传染病大流 行，没有历史数据显示有一种 大流行的 “前体病毒 ”存在， 导致在家禽中 暴发高致病性感染流行；也没有历史数据证明高致病性禽流感 (HPAI)病 毒，包括 H5N1等其他病毒亚型可导致人类流行病，更不用说大流行了。 有效的人传人是大流行出现的主要先决条件，尽管在分子水平上对流感 病毒与人类细胞适应 (如受体结合 )已开始了解，但目前对各种流感病毒如 何适应人类尚不完全清楚。 1918年的病毒获得了适应人的特质，但我们 目前没有办法知道 H5N1病毒是否正在一个平行的过程中将获得人传人的 能力。尽管关于 1918年病毒的数据在过去的十年里呈几何增长，但我们 对 2006年流感大流行的了解并不比对 1976年 H1N1“猪流感 ”流行的风险 知道的多多少。 即使有了现代的抗病毒药物、疫苗 ，及传染病预防知识 等，如果再出现 类似 1918类病毒，仍可能会使全世界超过 1亿人丧生。 诸如最近的 H5N1这样一个具有高致病性潜力的大流行性病毒一旦暴发可能造成更多 的人死亡。 不论是病毒、宿主还是环境因素， 1918年第一波流行潮病毒都与第二 波、第三波的异常致病性无关。而更多的，鉴定第一波流感 RNA阳性病 例从不同基因序列下的毒力模型；鉴定 1918以前的人类流感 RNA样本 有助于了解 1918病毒出现的时间；而大量动物流感病毒的观察和测序有 助于我们了解适应宿主的遗传依据和流感的天然宿主范围。一般而言， 需在从历史、流行病学和生物学方面，全面了解 1918流感，才能回答诸 多未解之谜。 致谢：本文经原国家新药咨询委员会专家、著名免疫学家朱迅博士审核，在此由衷感谢朱 老师的悉心指导！ 翻译：施俊新 审稿：朱迅 责编：姜安琪