2 研究人员分离并鉴定病原体
在这场全球相关实验室联合寻找病原体的行动中,香港研究人员率先取得了突破,他们以传统的病毒培养﹑血清学检测技术以及现代分子遗传学方法,鉴定了50 例SARS 患者体内的病原体—一种新冠状病毒。另外,对对照组样本的分析进一步支持了他们关于病原体的论点:在40 例来自患有其它呼吸疾病患者的呼吸道样本中,没有检测到一份样本含有新冠状病毒的RNA;对来自血液捐献者的200 份血清样本中,没有一份含有这种病毒的抗体。
这些发现同时支持了另两家研究机构所提出的观点,美国疾病控制和预防中心(CDC)和加拿大多伦多的相关研究机构同样在SARS 患者体内分离到了这种新型冠状病毒,并认为该病毒与SARS 爆发有联系。德国研究人员在最初的三例患者体内发现新型冠状病毒,并且进一步收集了来自越南河内的患者样本进行检验分析,结果也支持该结论。
2.1 国际实验室网络的研究结果
2.1.1 中国香港
香港大学微生物学系教授Peiris 领导的研究小组对香港的患者进行了研究以寻找病原
体。
该小组选择了香港三家急救医院收治的50 例符合WHO 修改定义的SARS 患者,收集
了所有患者的咽拭样本和血清样本,选择了部分患者分别收集严重期和康复期的血清和排泄
物样本。另外,他们取得一例患者肺组织样本,进行了病毒培养分离﹑反转录PCR(RT-PCR)
﹑常规的组织放射自显影和电镜观察。用其他病人的咽拭样本﹑排泄物和血清样本的微生物
检测结果作为对照。
研究人员最初进行了常规的血液检查﹑生化检查以及微生物检查,对血液样本﹑咽拭样
本分别进行了细菌培养和血清学检测,对咽拭样本进行快速荧光抗原检测,以确定病原体是
否为常见呼吸道感染病毒,并且用多种细胞进行培养以分离病原体;用临床样本直接进行
RT-PCR,以检测是否为A 型流感病毒和人副粘病毒感染。另外,对培养细胞采用了ELISA
方法以检测是否存在衣原体。
研究的突破在于从两名患者的样本中分别观察到了冠状病毒样颗粒。样本之一来源于一
名53 岁男性患者,在他的咽拭样本﹑肺活组织切片等样本中检测到冠状病毒RNA,患者本
身冠状病毒抗体滴度显著升高(1/200~1/1600)。另一样本取自一名42 岁女性患者,PCR 检
测对冠状病毒呈阳性,她本身的血清抗体有变化(1/150~1/1600)。
研究人员分别对两个样本进行培养细胞接种,2-4 天后出现圆形折光的病变细胞,表明
有病原体分离,分离到的病原体不和识别常见病毒的试剂板反应。对细胞培养的提出物进行
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高速离心,随即进行了电镜负染色观察,发现形态不规则的包膜病毒,直径约80-90nm,表
面特征与冠状病毒相似。对被感染细胞超薄切片进行电镜观察,发现细胞质和细胞膜表面均
存在类似病毒颗粒,并且从两名患者体内分离出的病毒大小和形态特征很相似。
为获得新分离病毒的基因序列信息,研究人员进行了随机RT-PCR,克隆测序了病毒感
染细胞的特征染色体带,在GenBank 中进行了同源序列比较,在被检测的30 个克隆中发现
了一个未知序列。对这段DNA 序列进行分析,发现与冠状病毒存在低同源性,但由其推出
的氨基酸序列与冠状病毒科的牛冠状病毒和鼠肺炎病毒RNA 聚合酶存在高同源性(57%),
蛋白序列的系统发育学研究显示新病毒与冠状病毒Group2 高度相关。对病毒血清学反应采
用了间接免疫荧光检测,结果显示在32 例患者严重期和康复期的血清对比中,均出现血清
转化,存在冠状病毒的抗体滴度增长的现象。
研究小组还对人副粘病毒进行了RT-PCR 和血清抗体滴度检测,结果显示阴性,也未
检测到其它病原体。因此,研究小组认为分离到的冠状病毒就是SARS 的病原体或一个必需
的因子,不过,是否有其它的微生物或非微生物辅助因子起作用,则有待观察[11][12]。
2.1.2 德国
最初SARS 爆发于亚洲,由于洲际旅行该疾病从亚洲传播到其它大洲。鉴于SARS 疾病
是一种新出现的病症,人类对其病原体一无所知,最初的研究工作集中于对病原体的鉴定。
WHO 组织了国际实验室网络,集中各有关国家的研究力量以找出SARS 的病原体。德国研
究机构作为该网络的一份子,也对病原体的鉴定展开了研究。
该研究小组最初选择的样本来自于同一家庭中的三个人:一名32 岁的男性患者﹑他的
妻子以及他的岳母。该男性为新加坡一名内科医生,曾治疗过一名SARS 患者而被感染,继
而他感染了他的妻子和岳母。三人因故由新加坡到美国,该医生在美国期间出现症状,他告
知了他的新加坡同事,该同事向WHO 作了汇报,WHO 在三人返回新加坡的航班中转站—
法兰克福对他们进行隔离。德国相关研究人员取得了他们的呼吸道样本和血液样本,随后该
小组还获得了来自亚洲的其他18 名可疑或可能SARS 病例的样本,以及21 名接触过SARS
患者但未被感染人员的样本。
研究人员首先对上述3 例患者的样本进行了PCR 检测,以鉴定是否存在肺炎双球菌﹑
肺炎衣原体﹑人巨细胞病毒﹑副流感病毒﹑流感病毒﹑人副粘病毒﹑鼻病毒及人冠状病毒
OC43 和229E 型等已知呼吸道病原体;对呼吸道样本进行抗原ELISA,以检测是否存在肺
炎球菌﹑流感病毒及呼吸道合胞病毒,同时对血液样本进行了血清学检测;另外,研究人员
对呼吸道样本和血液样本负染以进行电镜观察,并将样本进行培养细胞接种。
研究人员用痰液样本进行了RNA 抽提,以随机RT-PCR 技术分析,所设计的一些PCR
引物含有简并性位点,并且多数引物3’端为T 碱基,以便DNA 多聚酶在引物末端碱基不
完全匹配的情况下能够生效。使用了BLAST 工具对克隆扩增的产物进行了同源性比较。
研究小组通过对三例患者的样本进行的多次检测,针对已知呼吸道病原体的检测结果
多为阴性,电镜观察呼吸道样本时发现了稀少的副粘病毒样颗粒,但随后的数次针对副粘病
毒家族的PCR 检测均显示阴性。痰液样本接种培养细胞6 天后,研究人员发现培养基中存
在病变细胞,随即进行了RNA 抽提,对提取的RNA 进行RT-PCR,扩增克隆出约20 个不
同的DNA 片段,对这些片段测序后以BLAST 进行检索,发现三个新的片段,新片段不与
数据库中的序列匹配,但由新片段推出的氨基酸序列显示了与冠状病毒家族的同源性,表明
分离了一种新冠状病毒。研究人员将新片段与美国疾病预防和控制中心(CDC)所测得的新
病毒核酸序列进行了对比,发现存在同源性。在对这三例患者的血清样本以及被感染的培养
细胞进行了免疫荧光检测,以确定是否存在抗体。在两名患者的血清中检测到IgG 抗体升高,
表明存在新冠状病毒的血清反应。
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为检验新病毒是否同SARS 相联系,研究人员进一步收集了来自可能或可疑SARS 患者
及同SARS 患者有过接触但未被感染人员的样本(进一步收集的样本均来自越南河内),对
这一批样本进行了巢式PCR 分析,结果在可能SARS 病例中发现病毒的比例是100%,在可
疑病例中是23%,但在健康接触者中未发现病毒,这些数据或许可进一步证明新冠状病毒和
SARS 的联系。
该研究小组还曾检测到副粘病毒及肺炎球菌,但随后的针对性PCR 实验结果为阴性。在
几例患者体内发现了衣原体感染,但并没有在其他SARS 患者体内发现。因此研究人员还不
清楚这些病原体在SARS 疾病中是作为致病因子还是联合致病因子[13]。
2.1.3 美国
美国疾病预防控制中心(CDC)是WHO 所组织的国际实验室网络的研究机构之一,他
们也展开了对SARS 病原体的鉴定工作。CDC 的样本来自于越南﹑新加坡﹑泰国﹑加拿大
﹑中国香港﹑台湾和美国等的SARS 患者,试图从一系列已知的病原体中鉴定出引起此次
SARS 爆发的病源。
由于SARS 患者的临床症状没有特异性,最初的研究侧重于对已知的呼吸道病原体的排
查,综合使用了多种检测方法。研究人员收集了包括血液﹑血清﹑鼻咽拭子﹑含嗽液和器官
组织在内的多种样本,在多种细胞中进行了培养,并对乳鼠进行了注射接种,以分离病原体;
观察培养细胞和乳鼠,对出现病变的细胞或个体制备切片以进行电镜观察;对血清样本进行
了血清学实验以检测抗体;进行了一般的和特殊的细菌培养,还利用了分子生物技术如PCR
﹑RT-PCR;对多种呼吸道病原体进行了筛选,如耶尔森氏菌﹑支原体﹑衣原体﹑立克次体
﹑军团杆菌﹑流感病毒A﹑B 型,副流感病毒家族等。
研究的突破在于通过电镜观察到了冠状病毒样颗粒。以患者呼吸道样本接种的培养细
胞出现了细胞病变,对出现病变的细胞制作超薄切片,进行电镜观察,在病变细胞内及细胞
膜发现了冠状病毒样颗粒:直径约80-140nm,病毒表面有20-40nm 结构复杂的突出物。利
用电镜观察患者支气管冲洗液样本,同样发现了许多被感染细胞均存在冠状病毒。
研究人员对病变细胞进行了RNA抽提和RT-PCR 以扩增新病毒序列,引物根据GenBank
中的已知冠状病毒的序列信息而设计。对扩增后的纯化产物进行了测序分析,与已公布的冠
状病毒序列进行了比对,并利用生物信息学技术分析,得出该病毒的进化树。新病毒与其他
冠状病毒的序列以及由序列推出的氨基酸序列进行比较,发现新病毒与冠状病毒家族group2
有较高的同源性。但分析进化树显示,这种病毒在遗传学上与其它冠状病毒均有不同,表明
分离的是一种新型冠状病毒。对样本进行的血清学检测发现,以感染细胞切片与处于恢复期
的SARS 疑似患者血清进行反应,来自香港﹑曼谷和美国的SARS 疑似患者血清呈特异性反
应,呈现从阴性到阳性转变或在间接荧光抗体实验中反应性增高;对同一批血清样本进行
ELISA 抗原检验,恢复期样本的的反应呈高特异性,抗体滴度也逐渐升高。
经过样本接种培养细胞扩增病原体,电镜观察发现病原体为冠状病毒属,分子生物学研
究进一步确定新病毒的本质特征,血清学实验确定了与疾病的联系,因此研究人员认为分离
到的新型冠状病毒有可能是SARS 的病原体。不过该研究小组同时指出:患者病灶组织细胞
中新冠状病毒抗原或病毒RNA 还未在病理过程中被直接检测到。同时,还不能证实新病毒
存在于所有SARS 患者体内,一些SARS 患者未检出冠状病毒,需要进一步的相关研究[14][15]。
2.1.4 加拿大
加拿大国家微生物实验室以及相关研究机构组织了SARS 研究小组,展开了对SARS
疾病的研究。
研究人员经过追踪调查,证实该国最初的SARS 患者曾经去过香港并在那里被感染,
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该患者返回加拿大并且将SARS 疾病传播到该国。研究人员所取得的样本即来自该患者(已
死亡)直接或间接传染的9 名患者。研究人员对1 例尸检组织样本进行了组织病理学检查,
对全部9 例患者的样本进行了微生物学检测。对尸检组织样本进行了免疫组织化学检验,以
检测是否存在流感病毒A﹑B,呼吸道合胞病毒﹑腺病毒﹑汉坦病毒﹑麻疹病毒﹑肠病毒﹑
黄病毒等已知常见病毒,以及立克次体﹑肺炎支原体﹑肺炎衣原体﹑耶尔森氏菌等,所有检
测结果均为阴性。对9 例患者的血液样本﹑呼吸道样本以及尿液样本进行了常规的细菌和真
菌检测,并对这些样本进行了培养,结果显示阴性,另外针对军团菌的专门检测亦显示阴性。
研究人员对呼吸道样本进行了常见细菌的分子生物学检测,抽提了DNA,进行了针对常见
肺炎菌,耶尔森氏菌及衣原体等微生物的RT-PCR,结果同样显示阴性。
研究人员还进行了常见病毒的检测,对9 例患者的所有呼吸道样本和粪便样本进行了常
规的直接病毒检测,包括电镜观察和直接荧光抗体检测,没有在样本中发现流感病毒A﹑B,
副流感病毒1﹑2﹑3,腺病毒﹑呼吸道合胞病毒等。同样,针对常见呼吸道病毒,研究人员
也进行了病毒的分子生物学检测,大多数的检测结果显示阴性,但对支气管冲洗液样本以及
咽拭样本进行的巢式RT-PCR 发现了人副粘液病毒,并且排除了实验室交叉感染的可能性。
另外,从以呼吸道样本接种的培养细胞中分离了一种新型冠状病毒,在9 例SARS 患者中5
例患者的样本分离出了这种病毒,在4 例患者的样本中分离到了副粘液病毒。至此,该研究
机构﹑香港研究小组和美国CDC 研究人员均报道了在SARS 患者体内分离到了新型冠状病
毒。研究人员随后对新病毒进行RT-PCR,扩增克隆了病毒的核苷酸序列,并对其进行了测
序,以生物信息学技术对测序结果进行了分析:新病毒的序列和已知冠状病毒的序列均不同,
但是由该序列推出的氨基酸序列与已知几种冠状病毒的氨基酸序列有较高同源性(78%),
新病毒的生物进化树分析显示新病毒同已知的冠状病毒家族(group1﹑group2 和group3)均
不十分接近。
基于已有的发现,研究人员得出结论,认为所分离的人副粘病毒和新冠状病毒可能都与
SARS 疾病相联系,但还不清楚是两者联合作用,还是两病毒分别单独作用,甚或还有其它
未被检测出的病毒在起作用,需要进一步研究以证实[16]。
2.2 中国
中国疾病预防控制中心病毒预防控制所洪涛院士领导的研究小组就SARS 的病原体展
开了研究,经电镜观察到SARS 患者尸检标本中发现了衣原体和冠状病毒颗粒,并在《中华
医学杂志》上发表了他们的研究文献。
该研究小组选择的样本来自7 例因患SARS 死亡的患者,研究人员采集了死者的脏器
组织标本,制作了电镜标本和病理标本。7 名死者中4 例来自广东,1 例来自山西,1 例来
自北京,1 例为死于成都的香港患者,具有一定代表性。为分离病原,将病人肺组织提取物
接种于293 细胞(人胚肾转化细胞系),并且对病人组织及其分离的病原进行免疫学鉴定,采
取了间接免疫荧光和免疫组织化学方法,所用材料包括鹦鹉热衣原体抗体﹑鹦鹉热衣原体与
肺炎衣原体阳性对照免疫荧光片、肺炎衣原体和衣原体属特异性抗体﹑肺炎衣原体IgM、IgG
诊断试剂盒等。同时,该小组还按WHO 提供的方法从部分患者肺组织样品中提取了RNA,
进行了冠状病毒RNA 聚合酶基因的巢式RT-PCR。
研究小组发现以下结果:
1.对7 例死亡患者的组织标本经超薄切片进行电镜观察,在肺等多个脏器中均发现了
衣原体样颗粒的存在。在肺、脾、肝、肾和淋巴结组织里都发现了衣原体的包涵体和相应组
成包涵体的网质小体、中间体和原生小体。
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2.在2 例广东死者和1 例香港死者的肺组织细胞的胞质内,除了衣原体样颗粒外,还见
到了疑似冠状病毒样颗粒,其大小约100-150nm,在电子致密的核心外周隐约可见少量纤突
状结构。
3.利用巢式RT-PCR 方法,从两例死亡患者(分别来自广东和香港)肺组织中扩增出长
度为440bp 的冠状病毒RNA 聚合酶基因片段,经序列分析表明所获得的cDNA 序列与WH0
公布的序列是一致的,并且从2 例患者肺组织中扩增出的基因序列也是一致的,表明患者肺
组织有冠状病毒存在。
4.将3 例广东死者的肺组织提取物接种于293 细胞,4 天后细胞出现聚集、圆缩、脱
落等病理改变。收集第2 代细胞进行超薄切片电镜观察,见细胞质内充满大量的原体样网质
小体、中间体和原生小体,其清晰度优于尸检组织。正常对照细胞中未见到衣原体样颗粒。
5.对107 份来自广东SARS 患者的血清进行了检测,只有15 份IgM 为阳性,因此肺炎
衣原体不可能是SARS 的病原体。将患者肺组织切片后,分别用衣原体属特异性单克隆抗体
和肺炎衣原体、鹦鹉热衣原体种单克隆抗体进行免疫组织化学和间接免疫荧光检测,结果均
为阴性。将组织培养物用衣原体属特异性抗体进行检测,结果也为阴性。这些结果提示所见
到的衣原体样颗粒的抗原性与现有已知的衣原体是不同的,已知的肺炎、鹦鹉热等衣原体不
是SARS 的病原体。
基于上述结果,研究小组得出了结论,认为一种新的衣原体样因子很可能是SARS 的
致病或死亡的病因之一,但不排除变异的冠状病毒引起本次爆发疫情的可能。研究人员同时
指出在新的疾病出现初期,关于病原体的研究出现不同的报道不足为奇,究竟衣原体样因子
和冠状病毒在SARS 的发病和死亡中发挥何种作用,尚需进一步研究[17][18]。
3 WHO 宣布SARS-CoV 为SARS 的病原体
2003 年4 月16 日,WHO 负责协调SARS 国际研究工作的滤过性病原体专家克劳斯•
托尔博士宣布科赫原则已经得到满足,现在可以肯定分离到的新型冠状病毒就是SARS 的病
原体。其实在3 月21 日,香港大学就已在患者体内分离出一种新型冠状病毒,推测新病毒
与SARS 爆发有关,但是该观点还没有完全满足科赫原则,因此WHO 及国际上有关研究机
构尚不能完全确认。所谓科赫原则就是指要证实某种病毒是引起某疾病的病原体,必须进行
四步实验,第一步要求在所有患有该疾病的患者体内均能检测到这种病毒,但该病毒不能存
在于健康人体内;第二步是从患者体内分离到这种病毒,并能在实验室环境下进行培养;第
三步是用培养的病毒感染实验动物,使之能患上同样的疾病;第四步则要求从患病的实验动
物体内分离出病毒,并能在实验室内进行培养。相关实验室在宣布在SARS 患者体内发现新
型冠状病毒之前,已经完成科赫原则前两步,但尚有两步待完成。
荷兰鹿特丹伊拉斯谟医疗中心病毒学主任艾伯特•斯特豪斯领导的研究小组率先完成
了后两步的检验,以猴子为实验对象的研究表明在SARS 患者身上发现的新型冠状病毒就是
导致这种疾病的病原体。同时该研究小组还证明了在最初研究中发现的一种副粘液病毒-人
类间质肺炎病毒和SARS 并没有必然的联系:研究人员让一组实验短尾猿感染新型冠状病
毒,另一组感染人类间质肺炎病毒,第三组则是先感染冠状病毒,然后感染人类间质肺炎病
毒。结果发现第一组动物出现与SARS 患者一样的症状,第二组症状不太严重,不属于SARS
疾病的范畴,第三组出现的症状并不比第一组严重,说明仅仅是新病毒本身就可以引起
SARS。
正是鉴于科赫原则已经得到满足,WHO才正式宣布SARS同一种变异的冠状病毒有关,
并且在日内瓦举行的国际有关专家的会议上,科学家正式把它命名为SARS 冠状病毒
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(SARS-CoV)。会议同时还表示该病毒与引起普通感冒的人冠状病毒相差很大,在遗传学上
新病毒与鼠肝炎病毒和禽传染性支气管炎病毒有一定的同源性,但无法进一步分析它的来
源,SARS-CoV 的遗传结构与已知的人类或动物冠状病毒均不十分接近,对它的详细生物学
特性的了解有待进一步研究。
4 联合研究带来的启示
4.1 寻找SARS 病原体的过程中产生了诊断用技术方法
WHO 已经给出了SARS 疾病的修改定义,并且对这种疾病的临床症状进行了描述,其
中值得注意的是近40%的患者发展为呼吸衰竭,需要辅助供氧,另外一些症状比如干咳﹑听
诊没有明显特征﹑胸部放射图象显示肺部实变,以及实验室检查显示淋巴细胞减少﹑白细胞
减少﹑血小板减少,肝酶升高﹑肌酸肝酶激酶升高等症状都可以帮助诊断SARS。但是总体
来说,该疾病最初的症状与其它病毒感染引起的普通呼吸道疾病的区别并不明显,如果不知
道医疗对象是否同SARS 患者有过接触史,那么对该疾病的鉴别诊断相当棘手,需要发展快
速准确的诊断工具。因此,在相关实验室对SARS 病原体鉴定中所采用的实验操作方法为临
床诊断提供了新的思路,比如RT-PCR,这项技术在鉴定其它呼吸道病原体时或许在实验研
究中才应用到,但在对SARS 的诊断中可能就要作为一项常规的检测手段。
4.1 联合寻找病原体的研究模式为未来研究提供了经验
幸运的是,针对这次SARS 的爆发,WHO 联合有关国家和地区的研究机构及时采取了
措施,通过有关实验室的共同努力,比如中国香港的相关研究机构﹑美国CDC﹑加拿大有
关实验室等协作,在不到两个月的时间即分离鉴定了SARS 的病原体,这在医学史上是一项
伟大的创举,同时也消除了令人们心理恐惧的部分阴影。这种全球合作进行病原体鉴定的工
作赢得了诸多赞誉,令人印象深刻,也对未来可能发生的流行病爆发提供了一个成功的典范
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