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蚊子的那些隱秘武器與修煉秘籍丨世界蚊子日

返樸
原創(chuàng)
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8月20日是“世界蚊子日”,這并不是要給蚊子過節(jié),設(shè)立這一紀(jì)念日的主要原因是提高人們對瘧疾等蚊媒傳染病的意識(shí)。蚊子能攜帶諸多危險(xiǎn)的病原體,可謂蚊子的“隱秘武器”,那它們又是如何傳染給人的?近年來,科學(xué)家在理解蚊蟲的媒介效能方面煞費(fèi)苦心,了解了不少蚊子的“修煉秘籍”。

撰文 | 陳璐(清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系)、劉建英(深圳灣實(shí)驗(yàn)室傳染病研究所)、程功(清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系)

蚊子作為一種常見的血吸昆蟲,歷來被人們視為夏季的討厭鬼,但其背后隱藏的健康威脅則遠(yuǎn)超過人們的認(rèn)知。蚊子是多種重要疾病的傳播者,稱其為“死亡之翼”絕非夸張。蚊媒傳染病指的是通過蚊子叮咬傳播的疾病。其中,瘧疾、登革熱、黃熱病、寨卡病毒病等均為人們耳熟能詳?shù)牡湫屠印_@些疾病每年造成的死亡和患病人數(shù)居高不下,嚴(yán)重威脅全球公共健康安全。為了提高人們對瘧疾等蚊媒傳染病的意識(shí),每年8月20日被定為“世界蚊子日”(World Mosquito Day)。就在今天,讓我們來看看一下蚊子是如何成為人類的“一生之?dāng)场钡摹?/p>

瘧疾:最古老的蚊媒疾病

瘧疾無疑是蚊媒傳染疾病中對人類最具殺傷力的一種。在許多瘧疾疫情嚴(yán)重的國家,它是導(dǎo)致人們患病和死亡的首要原因。其典型的癥狀為反復(fù)發(fā)作的寒戰(zhàn)、乏力、嘔吐和頭痛。如果未能及時(shí)治療,病狀可能進(jìn)一步發(fā)展為黃疸、脾腫大、貧血、癲癇甚至死亡。全球瘧疾的死亡率為0.3%-2.2%,而嚴(yán)重瘧疾死亡率能達(dá)到30%。瘧疾的影響之廣和之深已經(jīng)成為全球健康問題。估計(jì)每年有2億的瘧疾病例,其中有數(shù)十萬人死亡[1]。更令人震驚的是,歷史學(xué)家推測,自人類出現(xiàn)以來,瘧疾可能已經(jīng)導(dǎo)致了約60億人的死亡[2]。

瘧疾是人類歷史上最古老的疾病之一。古老的文獻(xiàn)記載,從中國到美索不達(dá)米亞,從埃及到印度,瘧疾席卷過各大文明。早在古希臘時(shí)期,人們就注意到生活在沼澤地區(qū)的人們經(jīng)常發(fā)燒和脾臟腫大。當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為這是由于呼吸了沼澤中產(chǎn)生的“瘴氣”所致,瘧疾“malaria”一詞即來源于“mala”(壞)+“aria”(空氣)。

直到19世紀(jì)末,科學(xué)家們才開始對這種疾病有了更深入的了解。1880年,阿方斯·拉韋朗(Charles Louis Alphonse Laveran)醫(yī)生在瘧疾患者的血液中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常特殊的生物體——瘧原蟲(圖1)。他觀察到這種生物不僅能夠移動(dòng),還會(huì)在宿主體內(nèi)繁殖,最終導(dǎo)致瘧疾的發(fā)病。自此,人類開始了與瘧疾的科學(xué)斗爭。

圖1. 阿方斯·拉韋朗繪制的瘧原蟲**[3]**。圖片來源:參考文獻(xiàn)[3]

瘧原蟲的傳播機(jī)制一度令科學(xué)家們困惑。盡管人們已知蚊子能傳播絲蟲病這種寄生蟲,但瘧原蟲的具體傳播者仍是個(gè)謎。羅納德·羅斯(Ronald Ross),一個(gè)駐印度的軍醫(yī),在瘧疾高發(fā)地區(qū)對數(shù)千只蚊子進(jìn)行了檢查,但未能發(fā)現(xiàn)瘧原蟲的蹤跡。然而,當(dāng)他嘗試將瘧疾患者的血液喂給不同種類的蚊子時(shí),他在某種按蚊體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了瘧原蟲的孢子(sporozoites)。1899年,羅斯成功利用感染了間日瘧原蟲的按蚊,感染了他的醫(yī)學(xué)生兒子及一名志愿者,從而確證按蚊是瘧疾的傳播媒介[4]。后來,他把自己發(fā)現(xiàn)瘧原蟲孢子的那天——1897年8月20日——稱為“蚊子日”?,F(xiàn)在這一天被作為“世界蚊子日”,人們將永遠(yuǎn)銘記羅斯的貢獻(xiàn)。

人們也發(fā)現(xiàn)瘧疾只能由蚊子傳播,而直到1957年,瘧原蟲在人體內(nèi)的生命周期才被完全理解。當(dāng)感染瘧原蟲的按蚊叮咬人類后,其唾液腺內(nèi)的瘧原蟲子孢子會(huì)隨著唾液一起進(jìn)入人體。隨后子孢子通過血液循環(huán)迅速轉(zhuǎn)移到肝臟中,感染肝細(xì)胞,并在那里成熟、繁殖。此階段視為潛伏期,且無任何臨床癥狀。一旦瘧原蟲完成增殖復(fù)制,大量裂殖子(merozoites)從感染的肝細(xì)胞中釋放并入侵紅細(xì)胞,此時(shí)感染者會(huì)開始產(chǎn)生臨床癥狀,甚至導(dǎo)致死亡[5]。

目前使用的兩種關(guān)鍵抗瘧藥物來源于兩種重要的植物:青蒿屬植物的青蒿素和金雞納屬植物的奎寧,奎寧與青蒿素是當(dāng)今最有效的抗瘧藥物。至此,人類探索瘧原蟲的故事終于基本完整。在諾貝爾獎(jiǎng)設(shè)立的120多年時(shí)間里,瘧疾的相關(guān)研究曾先后四次獲獎(jiǎng):1902年授予羅納德·羅斯,因其證實(shí)按蚊是瘧疾的傳播媒介,并闡明瘧原蟲的發(fā)育史;1907年授予阿方斯·拉韋朗,因其發(fā)現(xiàn)血細(xì)胞中的瘧原蟲;1965年授予羅伯特·伯恩斯·伍德沃德,因其首次人工合成了奎寧;以及2015年授予屠呦呦,因其分離出新型抗瘧藥——青蒿素。在人類與瘧疾的漫漫斗爭歷程里,他們在醫(yī)學(xué)史上起到了里程碑式的重大作用。

黃熱?。鹤钤绲奈妹讲《炯膊?/strong>

除了寄生蟲,病毒也是引發(fā)蚊媒傳播疾病的關(guān)鍵因素。黃熱病病毒是第一個(gè)確認(rèn)由蚊子傳播的病毒。歷史資料顯示,早在1648年墨西哥便有關(guān)于黃熱病暴發(fā)的記錄。隨后的200年里,黃熱病是最致命和最令人恐懼的傳染病之一,在非洲和美洲造成了大規(guī)模傷亡[6]。

黃熱病病毒感染會(huì)出現(xiàn)不同的臨床特征,比如表現(xiàn)為自限性疾病,如發(fā)燒、肌肉疼痛、頭痛、惡心嘔吐等類似輕度流感的癥狀;在大多數(shù)情況下,癥狀在3到4天后消失。然而,一小部分患者會(huì)在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)入第二個(gè)毒性更強(qiáng)的階段,在這一階段,患者可能會(huì)出現(xiàn)高燒復(fù)發(fā)、出血、黃疸、尿液變黑、肝腎功能衰竭等,半數(shù)復(fù)發(fā)的患者在7-10天內(nèi)死亡[7](圖2)。

圖2.19世紀(jì)繪出的黃熱病的四個(gè)臨床階段。圖片來源:Etienne Pariset and André Mazet. 1820. Four illustrations showing the progression of yellow fever.

在19世紀(jì)以前,人們一直不清楚黃熱病的病因和傳播方式,直到1881年古巴醫(yī)生卡洛斯·芬萊(Carlos Juan Finlay)根據(jù)流行病學(xué)提出了關(guān)于蚊子可能傳播黃熱病的“蚊子假說”,才為黃熱病后續(xù)的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。1901年瓦爾特·里德(Walter Reed)采用蚊子叮咬人類志愿者方式進(jìn)行研究,證實(shí)了伊蚊是黃熱病的主要傳播媒介。后續(xù)人們在古巴施行的蚊媒干預(yù)措施也的確控制了黃熱病的發(fā)病率。另外,里德還觀察到黃熱病是由患者血液中可以通過極小濾孔的物質(zhì)引起的,表明黃熱病的病原體遠(yuǎn)比細(xì)菌要小。但一直到了1927年,黃熱病病毒才被分離出來,成為了歷史上第一個(gè)被分離出來的人類病毒[8]。后來馬克斯·泰勒爾(Max Theiler)發(fā)現(xiàn),將黃熱病病毒在動(dòng)物上進(jìn)行多次傳代后,病毒毒性會(huì)逐漸衰減。經(jīng)過了多年的實(shí)驗(yàn),泰勒爾終于分離出一種稱為17D的減毒株。17D毒力很低,但能夠引起保護(hù)性免疫反應(yīng),由此泰勒爾研發(fā)出黃熱病疫苗,并在接種疫苗后有持續(xù)長達(dá)30-35年的免疫力,被認(rèn)為有史以來最有效的疫苗之一[9]。馬克斯·泰勒爾也因此獲得了1951年的諾貝爾獎(jiǎng)。

登革熱:熱帶地區(qū)的潛在殺手

登革熱是一種由登革病毒引起的急性熱帶病毒性疾病,該病毒有四種血清型。它主要通過埃及伊蚊和白紋伊蚊叮咬進(jìn)行傳播,該疾病在熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛傳播,我國的廣東、福建、云南以及臺(tái)灣等地都有過登革熱的疫情。大部分人感染登革病毒都是無癥狀感染,而有癥狀的感染則經(jīng)常呈現(xiàn)為流感癥狀,如高燒、頭痛、肌肉及關(guān)節(jié)疼痛、皮疹等。嚴(yán)重情況下,可能導(dǎo)致出血并伴有休克,甚至死亡[10]。

2019年,世界衛(wèi)生組織(WHO)將登革熱列為十大潛在威脅疾病之一,在全球范圍內(nèi),約35億人面臨被登革病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)估計(jì),1999年至2019年間,登革熱病例增加了600%[11]。由于人口的全球流動(dòng)、氣候變化以及城市化的持續(xù)擴(kuò)張,登革疾病的流行范圍還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。2023年7月,WHO警告稱,由于全球變暖利于蚊子生長和蚊媒疾病傳播,今年全球登革熱感染人數(shù)可能會(huì)創(chuàng)歷史新高。

日本乙型腦炎:亞洲的隱形威脅

與登革病毒不同的是,日本乙型腦炎病毒(JEV)通常由庫蚊傳播,且該病毒的自然循環(huán)涉及多種脊椎動(dòng)物宿主。豬和水鳥被認(rèn)為是兩種最重要的JEV擴(kuò)增宿主,雖然它們在感染后通常無臨床癥狀,卻會(huì)產(chǎn)生高病毒血癥,足以將病毒傳播給蚊子。人類和馬被視為JEV的偶然宿主,不是蚊子感染JEV的重要來源。在感染JEV后,人類只會(huì)出現(xiàn)低水平和短暫的病毒血癥,但仍有不到1%的感染者會(huì)展現(xiàn)出致命性腦炎的癥狀[12]。JEV主要流行于亞洲,包括中國、韓國、日本和泰國,是這些國家病毒性腦炎的主要病因。JEV能引發(fā)嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。急性腦炎階段出現(xiàn)的癥狀可能包括頸部強(qiáng)直、偏癱、抽搐和高熱,這是一種非常嚴(yán)重的疾病,腦炎患者的病死率可能高達(dá)30%。幸存患者中的30%至50%可能會(huì)出現(xiàn)永久性的智力、行為或神經(jīng)功能障礙,例如耳聾、癱瘓、無法說話等[13]。

寨卡病毒?。盒碌墓残l(wèi)生威脅

寨卡病毒最初是在1947年于烏干達(dá)的寨卡森林中,從一只哨兵獼猴中分離出來的。在2007年之前,寨卡病毒已經(jīng)在非洲和亞洲的許多地區(qū)悄然流行,但并沒有引發(fā)嚴(yán)重疾病或大規(guī)模暴發(fā)。大部分寨卡感染者的癥狀相對溫和,可能包括發(fā)熱、關(guān)節(jié)疼痛、皮疹和結(jié)膜炎。然而,在2015-2016年間,寨卡病毒引起了全球的廣泛關(guān)注。僅在2015年,巴西就報(bào)道了數(shù)百萬例寨卡感染病例。雖然感染寨卡病毒很少直接致命,但它可能導(dǎo)致罕見的免疫性疾病——格林-巴利綜合征。如果感染者是孕婦,這種病毒還可能引發(fā)胎兒的先天性小頭畸形以及流產(chǎn)[14, 15]。

蚊媒病毒傳播機(jī)制研究

人們都知道蚊子是在吸血時(shí)將病原體傳播到動(dòng)物體內(nèi),那究竟病毒是如何在蚊子體內(nèi)運(yùn)作的?

在蚊媒疾病領(lǐng)域,這一問題主要集中在蚊蟲的媒介效能(vector competence)研究上,即蚊蟲獲取、維持和傳播蟲媒病毒的能力。首先,我們應(yīng)了解,只有部分種類的雌蚊在卵孵化周期中需要吸取血液獲取營養(yǎng),而大部分蚊子都以花蜜和植物汁液為食。

研究發(fā)現(xiàn),蚊子在吸食包含病毒的血液后,病毒進(jìn)入中腸,并在蚊子的中腸上皮細(xì)胞中建立穩(wěn)定的復(fù)制;然后病毒會(huì)被釋放進(jìn)入蚊子的血淋巴中,進(jìn)而擴(kuò)散至蚊子的全身組織,如脂肪體、血淋巴細(xì)胞、肌肉、唾液腺和神經(jīng)組織等;隨后病毒在唾液腺中富集,在下一次吸血過程中,病原體會(huì)隨著唾液中的抗凝血物質(zhì)和致敏物質(zhì)一起進(jìn)入下一宿主(圖3)。蚊子唾液已經(jīng)被確認(rèn)為可以促進(jìn)蚊媒病毒向宿主傳播,并與相關(guān)疾病的發(fā)展有關(guān)。

圖3. 蚊子感染并傳播病毒的過程。圖片來源:Snodgrass, Robert Evans. 1959. "The anatomical life of the mosquito." Smithsonian Miscellaneous Collections, 139, (8), 1–87.

顯然,蚊子只有在吸食感染者才會(huì)獲取病毒并繼續(xù)傳播,那么為什么蚊子可以輕易找到感染者?人體氣味是調(diào)控蚊蟲行為的關(guān)鍵因素,登革病毒和寨卡病毒可以通過調(diào)控感染者的皮膚微生物,重塑感染者的氣味,進(jìn)而影響蚊子的嗅覺感知,使蚊子高效定位感染者并吸食帶有病毒的血液[16]。

最近的研究發(fā)現(xiàn),宿主血液中的成分(如鐵離子[17]和分泌的病毒非結(jié)構(gòu)蛋白NS1[18])可以調(diào)控蚊蟲獲取病毒。除了宿主血液成分外,蚊子的腸道共生菌在病毒的獲取中也起著重要作用。蚊子腸道中存在種類豐富、數(shù)目眾多的腸道微生物菌群。研究發(fā)現(xiàn)伊蚊腸道中存在一種粘質(zhì)沙雷氏菌能輔助病毒感染蚊子的腸道,顯著增強(qiáng)伊蚊對蚊媒病毒的易感性[19]。在近期的研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)一種唾液蛋白可以顯著增強(qiáng)寨卡病毒與登革病毒感染哺乳動(dòng)物免疫細(xì)胞,證明其是一種輔助蚊媒病毒傳播的關(guān)鍵因子[20]。這些研究不僅揭示了宿主、媒介蚊蟲和病毒之間的互作關(guān)系,也為重要蚊媒病毒防控提供了新的干預(yù)靶點(diǎn)及思路。

近年來,在蚊媒病毒感染和傳播領(lǐng)域取得的進(jìn)展令人振奮,大量的研究揭示了宿主、媒介蚊蟲和病毒之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系。雖然研究人員們對蚊子、病毒和宿主之間相互作用的認(rèn)知迅速拓展,但仍然有許多令人疑惑的謎團(tuán)需要深入研究,例如蚊子如何耐受病毒的復(fù)制而不產(chǎn)生嚴(yán)重的病理反應(yīng);不同病毒為何偏好不同的蚊種進(jìn)行傳播;遺傳背景和環(huán)境差異如何影響蚊子的媒介效能等。經(jīng)過數(shù)億年的演化,蚊子始終伴隨著人類的進(jìn)化歷程,可以預(yù)見的是,它們將繼續(xù)影響我們的生存。因此,如何有效減少蚊蟲對人類的威脅,以及如何與蚊蟲和平共處,將是我們未來持續(xù)探索的重要課題。我們需要進(jìn)一步探究蚊蟲與病原體之間的相互作用機(jī)制,從而開發(fā)更有效的控制和預(yù)防策略。此外,加強(qiáng)公眾健康教育,提高人們對蚊媒病毒傳播的認(rèn)識(shí),也是預(yù)防的關(guān)鍵。在面對這些挑戰(zhàn)時(shí),科學(xué)家、醫(yī)生和社會(huì)各界都扮演著重要的角色。合作和創(chuàng)新將是解決這些問題的關(guān)鍵。通過共同努力,我們有望在保障人類健康的同時(shí),與蚊蟲建立一種更加和諧的共存關(guān)系。

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本文受科普中國·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品:中國科協(xié)科普部

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