【Gene 愛聊科學】基因體研究顯示,霍亂抗藥菌株來自亞洲,但總在非洲造成大量死亡

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英國醫生約翰·斯諾(John Snow,1813 –1858)在 1854 年在倫敦繪製了霍亂(Cholera)病例地圖,指出布羅德街上的水泵可能是致命爆發的來源,開啟了流行病學研究的濫觴。由於他在 1854 年布羅德街霍亂爆發事件研究中作出重大貢獻,被認為是公共衛生醫學之父,也是麻醉學的開拓者。

本著斯諾醫師的精神,現在科學家利用 21 世紀的新技術,在全球範圍內做了類似的偵探工作。通過上千株霍亂弧菌基因體進行定序和比較,他們發現,過去半個世紀以來,非洲和美洲爆發的霍亂爆發性流行,是在亞洲演化出新的菌株之後出現的。

在斯諾生活的年代,對霍亂的起因的主流意見是空氣污染論,認為霍亂像黑死病一樣透過空氣傳播,另一方意見是未被廣泛接受的病菌學說。斯諾並不清楚究竟霍亂是通過哪種途徑傳播的,但是經過研究提出的證據,使他相信霍亂的傳播並不歸咎於吸入了被「污染」的空氣,而是因嚴重的水污染傳播。

他對霍亂傳播方式研究足以令人信服,並成功說服當地市政將水泵手柄移走。斯諾使用一張地圖來闡明霍亂是如何集中於水泵旁的,同時將統計學應用於水質和霍亂個案聯繫的研究中,斯諾的研究可以說是公共衛生學歷史上一大里程碑。

我們現在知道霍亂是由霍亂弧菌的某些致病株感染小腸而導致的急性腹瀉疾病,症狀可輕可重。典型症狀為連續數日嚴重水瀉,還可能伴隨有嘔吐、肌肉抽搐的現象 。霍亂所導致的嚴重腹瀉可能造成脫水及電解質失衡,甚而導致眼窩凹陷、皮膚濕冷且缺乏彈性,以及手腳出現皺紋等。一般是在接觸病原體後會在兩小時至五日內發病。

儘管霍亂在已開發國家是少見的,仍可能以流行病或地區流行病出現,持續增加霍亂風險的區域包含非洲與東南亞,雖然被感染後的死亡風險通常小於 5%,但對沒有渠道接受治療的族群,死亡率可能高達五成。

發表在《科學》(Science)的兩篇論文 [1, 2],可能會終止人們對環境因素在霍亂全球傳播中的作用的論戰。這些研究也可能對對抗這種疾病的戰鬥有很大的影響,因為可以讓公共衛生官員把火力集中在可能是最危險的外來菌株上。而且這顯示在非洲或美洲霍亂沒有會大規模爆發的潛藏地方性菌株,這意味著消滅這些地方的霍亂可能是完全可行的。

幾個世紀以來,危險的細菌似乎已經從亞洲傳播到世界其他地區好幾波。自 19 世紀以來,全球共發生七次霍亂流行,造成數百萬人死亡。第七次霍亂大流行於 1970 年首次傳入非洲,非洲自此成為受此病影響最嚴重的大陸 [3]。 到了 2016 年,仍有 38 個國家報告了病例,每年仍有近十萬人喪生,目前還在持續中,每年估計有三百萬例。

20 世紀 70 年代,美國馬里蘭大學的 Rita Colwell 認為,霍亂暴發可能起源於當地的環境 [4]。她認為,霍亂弧菌生活在許多河流和沿海水域,附著在浮游生物上,當聖嬰現象等氣候事件觸發浮游生物大量繁殖時,霍亂疫情可能在衛生條件差的地區爆發。她警告說,氣候變遷可能會使這種疫情爆發更加頻繁。Colwell 的霍亂研究和倡導清潔飲水為她贏得了許多喝彩,包括國家科學獎,但她不想公開評論新的研究,因為不想再被攻擊。

專家們一直爭論有多少大型霍亂疫情是由這些地方事件引起的,而非旅客帶來的。非洲在過去的五十年中曾經發生過十幾起大規模疫情,一個理論認為,亞洲霍亂弧菌菌株曾經引入一次,然後在新環境中建立起自己的惡勢力,多次肆虐非洲。過去即使是利用分子的證據也難以解決霍亂弧菌來源的問題,因為細菌會互相交換基因。

為了解決這個問題,英國劍橋桑格研究所的 Nicholas Thomson 和法國巴斯德研究所的 François-Xavier Weill 等組成的研究團隊花費了數年的時間,在亞洲、非洲和美洲聚集了半個多世紀的 714 個菌株。他們對所有的基因體進行了定序,並比較了這些基因體以及之前發表的數百種基因體。總共進行了 1,200 多株霍亂弧菌的基因體分析後,揭示了自 1961 年以來不同霍亂爆發之間的聯繫 [5]。

在 44 年的時間裡,霍亂菌已經在非洲引入了至少 11 次,總是來自亞洲,人類是整個非洲疾病傳播的主要載體,而且大部分抗藥菌株來自亞洲。

絕大多數情況下,細菌隨著時間的推移而產生的多重抗藥性,在從南亞引入非洲之前就已經發生了。霍亂一再被引入西非和東非的兩個主要地區——查德盆地或大湖地區,顯示了這是非洲最容易引進霍亂的地區,如果要遏制霍亂對整個非洲大陸的肆虐,要先挑這兩個地區整治。

在過去的半個世紀裡,霍亂在缺席 100 年後出現在拉丁美洲。美洲發生了兩次重大的霍亂爆發:一次是在秘魯開始的,拉丁美洲在 1991 年至 1993 年幾乎全部被掃過,另一次是在 2010 年的海地。這一分析證實了過去海地霍亂的爆發是由尼泊爾的聯合國維和人員無意中引入的,並且 90 年代的疫情爆發也是由於 1991 年引入的亞洲毒株引起的。拉丁美洲的零星病例則是由似乎沒有流行潛力的當地毒株引起的,非洲和拉丁美洲本地菌株有時會導致疾病,但沒有一個導致爆發性疫情流行。

上個月,世衛組織公佈了一項計劃,希望到 2030 年將霍亂死亡人數減少九成,方法是改善獲得安全飲用水的渠道,並使用一種口服霍亂疫苗。這項基因體分析的成果能讓疫情的預防如虎添翼,現在當一個新的霍亂病例出現時,研究人員可以對這個細菌進行定序,以確定它是否是屬於來自亞洲的譜系。這項研究也強調了在亞洲消除大流行性霍亂弧菌的重要性。

這些發現對控制霍亂流行病有重要意義,可用於改進的對付霍亂的戰略,也有助於更好地理解一個簡單的細菌如何對人類健康構成長久的威脅。

參考文獻:

1) F.-X. Weill, et al. Genomic history of the seventh pandemic of cholera in Africa. Science 10 Nov 2017: Vol. 358, Issue 6364, pp. 785-78. DOI: 10.1126/science.aad5901
2) D. Domman, et al. Integrated view of Vibrio cholerae in the Americas. Science 10 Nov 2017: Vol. 358, Issue 6364, pp. 789-793. DOI: 10.1126/science.aao2136
3) Wellcome Trust Sanger Institute. "Risk of cholera epidemics estimated with new rule-book: Cholera repeatedly traveled out of Asia to cause epidemics in Africa and Latin America." ScienceDaily. 9 November 2017.
4) K. Kupferschmidt. Genomes rewrite cholera's global story. Science 10 Nov 2017: Vol. 358, Issue 6364, pp. 706-707. DOI: 10.1126/science.358.6364.706
5) Institut Pasteur. "Cholera: The link between the world's major outbreaks leads to better control strategies”. EurekAlert!. 13 November 2017. 

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