《人類與病毒之戰》:颱風式的急速感染模式,每隔一段時間就會週期性出現

《人類與病毒之戰》:颱風式的急速感染模式,每隔一段時間就會週期性出現
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我們想讓你知道的是

打完一場流行病戰爭後,不要忘記,惡毒的新病毒已經又開始成形。這是人類與自然的戰爭之一,以前如此,現在如此,將來也會是如此。

文:徐明達

目前已知病毒影響人類的傳播模式有四種:一、颱風式的急速感染模式;二、持續性的感染模式;三、對宿主有利的持續性病毒感染;四、移民式的感染模式。

颱風式的急速感染模式

第一種感染模式是颱風式的急速感染模式。像颱風一樣突然出現,快速散播,造成很大的傷害後又很快消失。這種流行病在歷史上常常發生,若只在某個地區出現,稱為小流行病(epidemic),每年在世界各地不同時間發生的流行性感冒就屬於小流行病。但若病毒同時散播到世界許多地區,就是所謂的泛流行病(pandemic),最有名的就是1918年的世界大流感,2003年的SARS也算是泛流行病。

造成這類傳染病的病毒,通常都是遺傳物質為RNA的病毒,可能是從動物傳到人的新病毒,或是在人體內經突變而成為傳染性及毒性增高的新病毒株。人類剛開始對這些新病毒都沒有抵抗力,因此若傳染的方式很快(例如空氣或飛沫傳染),會造成殺傷力很大的流行病。

但也因為殺傷力太大,大家會開始警覺並做積極的預防措施。當受感染的病人死亡或被隔離,病毒的傳播便會產生困難,受感染的人數快速減少,免疫系統也開始對抗入侵的病毒,使受感染的人體內病毒消失,或使病毒的繁殖力降低,使感染停止。

1918年美國流感大流行,傳染約兩、三個月就幾乎消失,2003年SARS也是。這種感染會產生高峰再下降,傳染消失所需的時間,則要看病毒的傳染速度、死亡率及隔離與治療的措施而定。

感染後、發病前的空窗期愈長,以及得病但還沒有症狀的人愈容易散播病毒,流行的時間拖得愈久。例如,愛滋病的傳染要經過特殊的途徑(性行為、輸血與吸毒),傳播的速度比經由空氣傳染的速度慢很多,而且要一段時間後才會發病。所以愛滋病從1980年代開始到現在,仍繼續在散播中。

根據以往的研究,這種傳染病有一個特徵:每隔一段時間會發生一次。例如1973年,有論文針對1928到1972年之間,幾種病毒在紐約市及巴爾的摩兩大都市的發生率做研究,發現病毒很規則地每隔一段時間就出現一次(圖1-8)。近代在美國發生的流行性感冒也出現類似的週期性(圖1-9)。

西方的研究發現,從1580年到現在,大約有31次流行感冒,每10幾年就發生一次。日本學者的研究發現,從西元862至1868年,日本共出現46次流行感冒,差不多平均每20年發生一次。專家估計,流感病毒每30到50年會出現一種殺傷力強的新病毒,造成嚴重的世界性大流行。

這些研究清楚指出,打完一場流行病戰爭後,不要忘記,惡毒的新病毒已經又開始成形。這是人類與自然的戰爭之一,以前如此,現在如此,將來也會是如此。距上次泛流感發生(2009年)到現在,已超過10年,新一波大流行病蠢蠢欲動,隨時可能發生。

研究也發現,1550至1800年之間,倫敦平均兩年發生一次天花流行病,另一個城市則每五年發生一次。這些流行病早期沒什麼有效的治療方法,研究顯示,在沒有有效醫療的情形下,很多病毒的傳播也可以自然停下來。相隔幾年又會有另一波感染,因為第一波病毒只感染一部分人口。

同時,在兩個流行病高峰期間,因為新的出生人口及人口的流動,對病毒沒有抵抗力的人口密度又慢慢增加,而原有免疫力的人在隔了一段時間後,免疫力也開始下降。當這些易受感染、沒有抵抗力的人口達一定密度時,另一波感染就會再度開始,產生週期性感染模式。

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Photo Credit: 天下雜誌

如果病毒在第一波感染結束後就消失,那麼第二波感染的病毒從何而來?要回答這個問題,得先看看第一波感染結束後、第二波感染開始前,病毒到哪裡去了?研究發現有下列幾種可能模式。

第一種模式是,在兩次感染高峰之間,病毒其實並沒有消失,而是藏在某些人的身上。而且病毒不斷在身體免疫系統的壓力下,產生各種變異株,宿主的免疫力降低時,病毒就又開始繁殖。當對新病毒免疫力低的人口達一定程度時,傳染就會迅速蔓延,造成另一波流行病。

第二種模式是,病毒在兩次流行病之間,藏在動物、家禽,或者攜帶病毒的昆蟲身上(如蚊子)。病毒在這些生物體內產生突變種,或與生物中類似的病毒產生交配,造成對這種新病毒沒有抵抗力的人產生另一波感染。

千面病毒

造成流行性感冒及SARS的元兇冠狀病毒,其基因體都是單鏈的RNA,這種RNA的核酸序列,複製時容易產生突變,而且很容易與其他種病毒的RNA交換產生新品種,因此這類病毒的變異可以非常快。流感病毒的基因體由七至八段RNA組成,基因交換更為方便。

這種快速的變化像千面人,幾年一小變,過幾年一大變,使免疫系統疲於奔命、無法對付,也造成開發疫苗及抗病毒藥物的困難。當身體好不容易產生抵抗力,或者才剛研發出一種剋制病毒的疫苗或藥物,病毒的基因又改變,免疫系統與辛苦發展的治療又失效了。

學者研究古代英國病毒流行病週期,發現有趣的現象。有時候,同一種病毒出現的週期會變長或變短。經過仔細分析後發現,病毒流行病的週期與糧食的價格關係密切。大麥是英國人的主要糧食,收成不好時,價格因為供給不足而高漲,老百姓買不起,營養不良,抵抗病毒的能力也跟著降低,導致病毒的感染速度加快。這個分析清楚指出國民的基本健康是預防傳染病的重要因素之一。

若病毒引起的傳染病真的有規律週期性,我們能否利用這種知識,預測下一波流行病感染會在什麼時候出現?做這種預測之前,必須把現象量化。換句話說,我們需要數學家將週期性的現象換成數學公式,有了公式以後,就可以推算下一波流行病可能出現的時間。

目前也有數學家及流行病學者從事相關研究。其實這種數學分析並不難,數學家最喜歡這樣有規律的變化模式。自然界有很多相似的現象,狼與兔子的消長就是很好的例子。兔子很多時,狼吃到兔子的機會很大,繁殖沒有問題,數目就愈來愈多。

但狼多到某個程度時,兔子被吃掉太多而變稀少,狼找不到兔子吃而餓死。於是,狼的數目開始減少,而兔子因為沒有狼來吃,數目又開始增加。這樣此消彼長、此長彼消的模式,形成波浪狀的生長方式。

若把狼換成病毒,兔子換成人,幾乎就是圖1-8及1-9所顯示的病毒生長曲線。不過,我們暫時先不要開始寫X及Y,因為關鍵不在數量,而在狼與兔子的生育速度有多快,以及狼多快可以找到兔子等等。這些參數是決定曲線形狀的重要因素,這些因素當然也受環境及其他因素的影響,相當複雜,有時甚至波狀形的模式都會不見。

希望有一天,這種理論可用來推斷下次病毒出現的時間,就像預報颱風來襲一樣,幫助我們早點做好應付流行病感染的準備。也許有一天,看電視新聞時會聽到「流行病」預報員報告,某某病毒「暴風」正在形成,它的行徑路線及暴風範圍如何,行政院或市政府正組成防災中心,民眾出門時要多穿衣服戴口罩、多洗手、多喝水。

持續性的感染模式

第二種感染的模式是病毒長期寄居在被感染的人體。有些寄居的病毒會產生少量病毒,短期內看不出對寄主的傷害,但常常造成長期累積的傷害,例如慢性B型肝炎,或是被乳突狀病毒感染的子宮頸。布倫柏格(Baruch Blumberg)就因為發現B型肝炎的傳染模式,得到1976年諾貝爾醫學獎。

有些病毒則是靜悄悄地隱藏在人體裡,幾乎沒有活動,當然也不會產生病毒。這兩類病毒會等到免疫力降低時才開始繁殖作怪。這種例子很多,最有名的是皰疹病毒(herpes virus)。身體不適或精神壓力太大,導致抵抗力下降時,許多人都會有俗稱「臭嘴角」(或說火氣大)的情形發生,就是病毒再度活躍的現象。

另外,這種隱藏的病毒會在器官或骨髓移植時趁機繁殖(病毒可能來自移植器官或病人)。醫生為了降低排斥,移植時會壓制病人免疫力,此時病人免疫力很低,很容易因為這種趁火打劫病毒的大量繁殖而死亡,這是器官移植時相當令人頭痛的問題。

這種情況也會發生在愛滋病人,及接受化療的癌症病人身上。這兩種病人免疫力都很低,前者免疫系統受愛滋病毒破壞,後者免疫系統受治療癌症(如抗癌藥物)時的抑制或傷害,常導致癌症病人因感染而死亡。

此外,婦女懷孕時,為了避免胎兒被母親的免疫系統視為「異體」而發生排斥,母親的免疫力會降低,病毒會趁機繁殖,感染胎兒,造成胎兒不正常發育或死亡。因此,懷孕婦女若感染病毒,對胎兒相當危險。

近年來的研究發現,有一些病毒會影響胎兒腦部發育,導致長大後行為的偏差,德國麻疹就是一例。因此,懷孕婦女不能打三合一疫苗,打完疫苗後也應避孕幾個星期。每一個人身體裡,平日都有一群微小的房客與我們共存,然而一旦身體虛弱,它們就會出來搗蛋。

相關書摘 ▶《人類與病毒之戰》:為什麼每年都有腸病毒疫情?它藏在何處?

書籍介紹

《人類與病毒之戰:一本書看懂病毒為什麼可怕、如何預防傳染、疫情爆發時的生活準則》,天下雜誌出版
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作者:徐明達

僅僅幾奈米的病毒,卻是人類的千年宿敵。我們擺脫不了病毒的致命威脅,該如何自保?臺灣第一本病毒專書,解析臺灣在對抗病毒的攻防中,學到什麼、做對什麼、未來如何戰勝病毒。

作者徐明達教授是臺灣病毒學權威專家,師承國際病毒學大師與諾貝爾獎得主柏格,專長分子生物學、腫瘤基因、表觀基因體學及電子顯微鏡,曾任陽明大學副校長與生科院院長。教授將研究病毒數十年的經驗,精煉為淺顯生動的語言,從SARS到COVID-19、從腸病毒到伊波拉。

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航