怎样确定病原体和传染病的关系?

传染病是一大类疾病的统称,这类疾病由明确的病原微生物感染所致,并且能在动物和人群或者人群间传播。许多人类常见传染病的病原体早已经被确定清楚,比如乙型肝炎的病原体是乙型肝炎病毒,流行性感冒的病原体是流行性感冒病毒,疟疾的病原体是疟原虫,肺结核的病原体是结核杆菌。

有人可能会笑出来了,某某疾病的病原体就是某某病毒或者细菌呗,这也太简单了。可是,事实上,这些今天看来“理所应当”的事情,当初却不一定是那么的理所应当。

自然界的微生物种类是天文数字,这其中仅有一小部分能够感染人类,而对人类致病的就更微乎其微了,我们通常把这一类微生物称为病原微生物。然而,由于病原体的亚型以及宿主遗传个性的关系,病原微生物感染并不一定会导致所有人都出现疾病症状。感染病原微生物不出现症状的现象叫做隐性感染,被感染者在没有任何察觉的情况下经历了被感染和自体清除病原体的过程,这里面很多人都是在例行的体检中发现体内存在某种病原微生物的抗体,才知道自己曾经“不幸”中过招。

问题就出在这里,能够感染人类的微生物数量大于能够致病的微生物数量,感染了病原微生物又不一定会生病,这也就是说,一个看似健康的人,他的体内就已经存在多种致病或不致病的微生物了,这时,当医生从一个新型传染病患者体内分离到一种病原体的时候,肯定不敢拍着胸脯说这就是导致这种传染病的病原体。而现实中情况则更为复杂,因为当你在一个病人身上做微生物分离的时候,你会发现呈现在面前的微生物往往不是一种。

一百多年前,就有人意识到这个问题了。为了解决这个问题,德国著名的微生物学家罗伯特·科赫在1890年公布了由他修正完善的“科赫法则”,这个法则成为了传染病病原学鉴定的金标准。当然,科赫能够建立这个黄金法则,和他在微生物学上的孜孜钻研是分不开的,由于在微生物学上的贡献,科赫获得了1905年的诺贝尔生理学或医学奖。(赵承渊老师在科学松鼠会群博上发表的《医学诺贝尔之路(1905):最好的礼物》更为详细的介绍了罗伯特·科赫和他的研究 http://songshuhui.net/archives/56142

科赫法则包含四条,同时符合这四个条件的病原微生物才能被确定为某种传染病的病原,这四条是:

一,这种微生物必须能够在患病的生物体内(大量的)找到,而不能在未患病的个体内找到;
二,这种微生物必须能够从患病的生物体内得到分离并且能够在体外条件下进行纯种培养;
三,经过培养的微生物接种入健康生物个体后,会导致其出现同样的疾病症状;
四,在(三)中受感染的实验个体内必须能够分离出同样的微生物。

确定一个病原微生物和疾病的关系需要这么麻烦的步骤并不是为了显示科学研究的高大上,而是其中每一条都是必要的,不相信的话咱们一条一条依次来看:

首先,导致一种疾病的病原体必须要能够在患病的个体内找到,这是病原体和疾病产生关系的前提条件,所以第一条一定是必要的。

第二条描述的是一个技术问题,只有能够分离并且在体外纯种培养这种微生物,才能够进行下面两条的验证,如果没有了第二条,则第三和第四条就没有办法实现,科赫法则变成了只有第一条的法则,由前面的论述可知,只有第一条显然不能够确定微生物和疾病的关系。举一个简单的例子,一个病人出现了感染症状,表现为高热,粘膜和皮肤出现出血点或瘀斑,继而出现低血压,少尿和严重出血,现在我们知道这是可能由于流行性出血热病毒感染所致。可是,当医生从病人体内分离到的是乙型肝炎病毒,在没有患病的个体内又找不到乙型肝炎病毒,按照第一条所述,这个医生就有可能得到错误的结论。

接着是第三条,这一条可以比较好的避免出现上述例子中的问题,当医生从病人体内分离到乙型肝炎病毒之后,在把它接种到健康人体内(这个显然是不能做的,这里只是为了描述方便,这种验证只能够在实验动物上做),如果这个健康人随后出现了同样的症状,那我们就可以进一步的判断乙型肝炎病毒是导致病人出现这种疾病的病原体。而实际上,乙型肝炎病毒在感染后一般只会导致病人出现急性肝炎的症状。所以,通过这样一个验证,就可以很容的排除乙型肝炎病毒的嫌疑了。

第四条是在第三条所述的实验中进行进一步的验证,需要从受试生物个体内分离到与最初从病人体内分离到的一模一样的病原体才行,这样做是为了防止在第三个条验证过程中出现假阳性的结果。什么情况下会出现假阳性的结果呢?比如,第二步体外培养过程中出现了问题,导致培养的疑似病原微生物全部失去感染性,但在第三步中,实验受试动物也出现了同样或者类似的症状,而实际上,这种症状不是由之前的病原微生物引起的。

科赫法则是判定病原微生物和传染病关系的金标准,这个法则是科学研究严谨性和逻辑性的典范。可以说,符合科赫法则的病原微生物,一定可以被判定为是这个传染病的病原体,或者换句话说,如果一个病原微生物是这个传染病的病原体,那么它一定(或在理论上)符合科赫法则。

然而,科赫法则并不是完美的,它存在很多问题。

文章前半部分提到的隐性感染的问题就能够把科赫法则搞崩溃。比如,医生从一个肝炎患者体内分离到了乙型肝炎病毒,想确定它是不是导致肝炎的病原体,于是医生又找到一个健康人,结果在他的体内也分离到了乙型肝炎病毒,而后者是一个刚刚受到乙型肝炎病毒隐性感染还没有自发清除的人。由科赫法则第一条可知,这个医生十有八九会否定乙型肝炎病毒和肝炎的关系。

除了隐性感染的问题,同一种病原体在不同个体身上还可能会表现出不同的症状。所以有的时候,医生将经过培养的微生物接种入健康生物个体后,得不到一样疾病症状。此时,由于不符合第三个条件,这种病源微生物就会被否定掉。

还有一个很严重的问题,那就是现在自然界中的微生物,特别是病毒,只有很少很少一部分能够在体外成功培养,这个问题一直都在困扰着微生物学家。如果出现了一种新型的传染病,但是病原体不能够成功的在体外培养,那根本没有办法通过科赫法则来进行验证。

另一个问题就更严重了,无论是伦理还是道德,都不允许医生用人来验证科赫法则,也就是不能够去把未知的病原体直接接种给人。这时候,只能用实验动物来替代,用实验动物需要面对两个新的问题,一个是病原体能不能感染这种实验动物,另一个是实验动物出现的症状和人身上出现的症状不一定具有可比性。

由于这些问题的存在,所以科赫法则还需要补充一条:不符合科赫法则的病原微生物,不一定不是这个传染病的病原体。

在科赫法则里,有一个问题一定不能忽视,那就是如何来判定这种微生物是这种微生物。科赫那个年代还没有分子生物学研究手段,电子显微镜也是在他去世之后才出现的。那个时候发现的病原微生物主要是细菌,细菌在普通光学显微镜下是可见的,而且不同的细菌形态特征差别比较容易区分,所以科赫可以通过观察形态来确定验证过程中的微生物是不是同一种。然而,仅通过观察长相的差别对病原体进行判定,显然是不够可靠的,而且对于病毒这一大类病原微生物,很难一睹它们的真容。

在分子生物学技术,尤其是测序技术发达的今天,通过病原体核酸序列进行判定的方法更为可靠。由此而来的新法则已经推出,这个法则一共有七条:

1,对于一个假定的病原体,它的核酸序列应该在大多数病例中都能找到。相比没有患病的器官,应该(优先的)更容易的在患病的器官或解剖学部位找到该病原体的核酸;
2,在没有患病的宿主或组织内,应该找不到或者很少能找到与病原体相关的核酸序列;
3,随着疾病症状的缓解,与病原体相关的核酸序列的拷贝数量应该会降低或者下降到检测不到;
4, 如果在疾病症状出现之前就检测到病原体相关的核酸序列,或者(在疾病症状出现后)该核酸序列的拷贝数量与疾病症状的严重程度有相关性,则表示这个病原体和疾病很有可能具有因果关系;
5,从现有的核酸序列推断出的微生物,其生物学特性应该符合该生物类群已知的生物学特性;
6,应该在细胞水平上探索患病的组织和微生物的关系:最好能够使用原位杂交的方法在发生了病理变化组织的特定区域显示出病原体的核酸序列,或者在病原体假定出现的位置显示出病原体的核酸序列;
7,这些基于核酸序列分析所获得的病原体和疾病关系的证据应该是可以重复的。

我尽可能的将这些条条款款翻译的易于理解,但由于新的法则过于抽象,没有生物学背景的读者可能难以理解,要完全解释清楚这些法则可能需要几倍于本文的篇幅,所以就不在这里详述了。

新的法则完全基于分子生物学检测技术,可以快速的得到更为精确的验证结果,而且不需要细胞和动物感染模型,所以在很大程度上克服了传统科赫法则的局限性,更适用于我们这个时代。

虽然科赫法则显得有些“过时”,但它仍然是一套十分完善的理论体系。不管通过什么方法判定的病原体,都一定不能违背科赫法则的基本原则。科赫法则映射出了老一辈科学家对于科学问题的严谨态度,这种对于真理不懈追求的精神将一直在前进的道路上激励着我们。

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