探寻路径：研究新发病毒性疾病的传播途径

《Environmental Research》：Walking the path: exploring the pathways of emerging viral diseases

　　洛朗·加沃特|塞德里克·戈谢雷尔|蒂埃里·古比耶|罗杰·弗鲁托斯
法国蒙彼利埃大学UMR 228开发实验室，地址：让-弗朗索瓦·布雷顿街500号，34393蒙彼利埃cedex 05

**摘要**
**背景**
COVID-19大流行凸显了我们目前对新疫情爆发背后机制理解上的局限性。循环理论为解释人类病毒性疾病爆发机制提供了一种假设。我们通过对该理论进行建模，以验证这一假设的合理性。

**方法**
我们采用工程和工业领域中用于评估模型有效性与合理性的方法，来检验关于病毒性疾病爆发的各种科学理论。具体而言，我们使用了基于定性离散事件形式的EDEN可能性建模框架。

**结果**
基于离散事件系统的可能性模型验证了病毒人畜共患疾病爆发的循环理论。该模型梳理了病原系统内的所有潜在路径，并分析了已知人畜共患RNA病毒以及一种DNA病毒（猴痘病毒）的传播动态。共有五条与循环理论相关的路径，能够解释病毒性疾病爆发的所有动态特征。

**结论**
本研究表明，简单的生物路径即可解释人畜共患病毒的起源。同时，循环模型具有合理性，且符合佩特里网测试的要求。此外，该模型还可分解为若干与已知病毒传播过程相对应的路径。

**引言**
COVID-19引发了人们对疾病爆发机制的极大兴趣。过去五年间，出现了众多相关观点。作为首例在互联网和社交网络时代爆发的全球性疫情，这些技术成为了各类观念传播的强力放大器。溢出理论[1]被广泛视为病毒性疾病爆发的主要机制，但这一机制背后的具体过程仍缺乏完整描述。现有文献中提出的定义至少有十种变体，彼此之间存在显著差异，这也限制了形式化模型的发展[2]。所谓“人类病毒”被认为原本就存在于野外的“宿主物种”中，不会发生进化[2]，只是从这些所谓的野生宿主那里“溢出”到人类身上。然而至今，尚未在野外种群中明确识别出确定的宿主物种或已形成具备感染人类能力的病毒[3]。

基于实际观察，循环理论被提出作为另一种解释机制[4]。该理论将病毒视为动态传染过程中的主动因素。正如SARS-CoV-2所示，病毒会通过连续的临时变异不断进化[5]。RNA病毒是人畜共患病毒中最为重要的类别[6]，这并非巧合。RNA病毒表现出准物种进化模式，这是一种能够使其快速适应新宿主及宿主防御机制的有效策略[7]。建模是一种严格验证理论假设的方法，本文对循环理论提出的各种路径进行了分析，以评估其合理性。相比确定性或概率模型，构建可能性模型[8]具有很大优势，因为它能够识别所研究系统——即病原系统——的所有潜在路径。目前的模型尚未涵盖病原系统的所有组成部分，尤其是环境和社会层面因素，未来计划将这些因素纳入模型中。为此，我们采用了工程和工业领域中常用于验证流程的佩特里网家族理论计算机科学离散事件模型[9]，并对其进行了改良，形成了定性且异步的版本[13]。该模型通过分析已知人畜共患病毒的传播路径来验证其正确性。

**材料与方法**
**离散事件模型**：我们利用基于定性离散事件形式的EDEN可能性建模框架，计算了流行病学系统的可能发展轨迹。EDEN通过连续的状态转换来描述系统的动态变化[14]，这种建模方式易于处理，且能提高模型对参数变化和不确定性的抵御能力[15]。某一时刻所有选定变量的数值共同决定了系统的状态。EDEN框架采用基于“如果-那么”规则的表述方式，用于描述各种复杂的物理-社会-生态过程，具体规则已在先前研究中阐述过[15,17]。事件发生的特定条件由相应规则规定，这些规则同时说明了该事件会对相关变量状态（布尔值）产生的影响（见表1）。例如，“Vh0+，H0+ >> H1+”表示当出现首例感染者（H0+）时，病毒感染（Vh0+）可能会在当地人群中传播（H1+）。该模型为非确定性模型，会计算所有可能的转换路径，从而体现并发和偶然的传播路径。这种方法被称为可能性分析[13,14]。每个EDEN模型都会从选定的初始状态出发，计算出所有可能的规则执行序列。在此例中，初始状态对应于动物群体中传播的动物源病毒变异株（Va+，A+）。模型的输出为状态转换图，其中节点代表系统状态，边则代表状态转换。该模型的详细内容已在先前研究中有所介绍[13,14]。

表1. 模型中变量、规则及约束条件的清单与说明。各类变量、规则和约束条件分别列在三个子表中，包括变量代码、描述信息以及初始状态。

| 变量 | 代码 | 初始状态 | 描述 |
|------|------|----------|------|
| A | | | 动物宿主 |
| H0 | | | 人类初始宿主 |
| H1 | | | 初始感染人群 |
| Hh | | | 全球人类人口宿主 |
| Va+ | | | 动物源病毒变异株 |
| Vh0 | | | 来自动物变异株的人类病毒变异株 |
| Vhh | | | 来自人类变异株的传染性变异株 |

**规则**
| 描述 | 规则内容 |
|------|----------|
| Va+ >> A+ | 动物早期感染（病毒复制与变异） |
| Va+ >> Va- | 动物病毒可能消失，或动物产生抗性 |
| Va- >> A | 动物群体内部形成传播循环 |
| Va+，A+，H0- >> H0+ | 人类个体首次感染动物源病毒变异株 |
| H0+ >> Vh0+ | 人类病毒变异株出现（病毒复制与变异） |
| Vh0+ >> Vh0-，H0 | 人类病毒变异株可能消失 |
| H1+，Vhh+ >> A+ | 动物可能再次被感染 |
| Hh+，Vhh+ >> A+ | 动物可能再次被感染 |
| Vh0+，H0+ >> H1+ | 当地人群被感染（疫情起始） |
| H1+ >> Vhh+，Vh0- | 传染性病毒出现（原始病毒消失），引发疫情 |
| Vhh+，H1+ >> Hh | 疫情扩散（病毒增殖） |
| Vhh+ >> Vhh | 疫情变异株可能消失 |
| Vhh- >> Hh | 全球人类人口产生抗性，病毒消失 |

**约束条件**
| 描述 | 约束内容 |
|------|----------|
| Va- >> A- | 若没有动物源病毒变异株，动物宿主无法被感染 |
| Va-，Vh0- >> H0- | 若没有人类病毒变异株，人类宿主无法被感染 |
| Vh0-，Vhh- >> H1- | 若没有高致病性病毒，当地人类人群无法被感染 |
| Vhh- >> Hh- | 若没有高致病性病毒，全球人类人口无法被感染 |

**建模方法与路径分析**
用于描述循环理论的EDEN模型被命名为“病毒循环模型”（VC模型）。该模型重点关注通过人畜共患途径病毒出现的各个阶段，不过为简化分析，仅考虑了一个动物群体和一个单一的传播动态。该模型包含了不同（空间/时间）尺度下的宿主描述，以及病毒演化形式的相关信息（见图1）。VC模型的每个阶段都对应着不同变量的状态变化（见表1）。此外，模型还包含了一系列约束条件，这些条件反映了生物学上的不可能情况（例如，若系统中不存在病毒，则不可能出现受感染的宿主）（见表1）。规则清单见表1。目前的模型并未专门考虑虫媒病原体传播的特殊规律，而是将虫媒视为病原体传播网络中的普通宿主，这一处理方式在生物学上是合理的。

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图1. 循环理论的示意图。该图为使用EDEN建模框架生成的病毒循环模型图形化表现。如需更详细的模型结构，请参见补充图1。

**模型验证**
我们利用已知的多种人畜共患病毒数据来验证该模型的有效性（见表2）。这些病毒的实际传播动态被纳入VC模型计算出的可能性空间中，即状态转换图中，以此来验证模型并确认所计算的传播路径。根据VC模型中得到的相同（定性）状态路径，这些病毒被分为不同的类别（见表2）。当每种疾病的传播路径都能在模型计算的结果中找到对应表现时，即可认为该模型得到了验证，这样我们就能更准确地理解其他可能的传播路径。本研究共分析了五种典型模型，涵盖了所有被研究的病毒类型（见表2）。

表2. 典型模型及其对应病毒的描述与清单。该表展示了在病毒循环模型框架下，主要RNA病毒类型的特征，以及符合这些特征的病毒种类。

| 类型 | 特征描述 | 对应病毒 |
|------|----------|----------|
| 动态型 | 仅有首例感染者，无人际传播 | 病毒性流感病毒、马尔堡病毒、SARS-CoV、HIV、汉坦病毒、MERS-CoV、脊髓灰质炎病毒、拉沙病毒、阿尔库姆拉病毒 |
| 多重独立型 | 出现多例独立首例感染者，人际传播有限 | 猩红热病毒、埃博拉病毒、天花病毒 |
| 散发性短暂型 | 出现零星短暂的疫情，动物传播循环持续存在 | 2024年牛源H5N1病毒株、胡宁病毒、塔卡里贝病毒、马丘波病毒、瓜纳里托病毒、萨比亚病毒、查帕雷病毒 |
| 疫情后灭绝型 | 疫情出现后病原体随之消失 | 无 |
| 无动物循环型 | 疫情和全球大流行发生，但动物传播循环不存在 | 无 |

**典型病毒种类**
狂犬病病毒、尼帕病毒、埃博拉病毒、天花病毒、SARS-CoV-2

**其他病毒**
病毒性流感病毒、马尔堡病毒、SARS-CoV、HIV、汉坦病毒、MERS-CoV、脊髓灰质炎病毒、拉沙病毒、阿尔库姆拉病毒、猴痘病毒、亨德拉病毒、风疹病毒、卢霍病毒、2024年牛源H5N1病毒株、胡宁病毒、塔卡里贝病毒、马丘波病毒、瓜纳里托病毒、萨比亚病毒、查帕雷病毒

**结果**
我们对循环理论进行了建模，其模型结构如图2所示。图中展示了不同的步骤和病毒发展阶段。最初，感染动物的病毒会在野外传播。如果人类对该病毒易感，那么在发生有效接触后，他们就会进入感染链。这就是首例感染者，即第一个被该病毒感染的人类个体或小群体。需要注意的是，首例感染者与首例确诊病例有所不同，后者是指最早出现疾病临床症状的人。由于该建模框架允许不激活某些传播规则，因此它抽象出了与人类感染相关的各种条件——比如接触频率、接触的持续性或偶然性等。最初感染首例感染者的病毒是动物源变异株，但RNA病毒具有通过准物种进化快速在宿主体内适应的能力[7]，从而生成更适合感染人类并在人与人之间传播的变异株（模型中的Vh0）。在人类群体中，该病毒可通过准物种进化[7]以及适应性突变[18]继续进化。在某些情况下，这些突变会使人类变异株具备极高的传染性（模型中的VHh），进而引发疫情（见图2和图3）。需要注意的是，高度传染性人类变异株的出现并非疫情的直接原因，它只是必要条件而非充分条件。要引发疫情，高度传染性变异株还需处于有利于疫情扩散的社会环境中，这样才能在短时间内实现大量接触，促使病毒种群快速增殖[4]。在任何时候，人类变异株和高度传染性人类变异株都可能感染动物物种，而在某些情况下，它们也可能重新回到人类身上[19,20]。

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图2. 循环理论的整体模型图。该图展示了该模型在不同发展阶段的具体结构和各个病毒发展阶段的情况。

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图3. 病毒出现路径的模型图。该图展示了各类人类RNA病毒典型菌株的特定传播路径。

**不同病毒疾病出现路径的验证**
每种病毒都可能遵循特定的传播路径，而实际观察到的路径则因病毒种类而异。随着时间的推移，病毒也可能因为突变或特殊环境因素而改变传播路径。通过对比不同病毒的疫情动态，我们将它们分为五类（见表2），这五类的典型病毒分别为：狂犬病病毒、尼帕病毒、埃博拉病毒、天花病毒和SARS-CoV-2。每种病毒都有其独特的传播路径，并用相应的单倍型来表示（见表2、图3）。第一类病毒以狂犬病病毒为代表，它属于丽沙病毒科[21]，其特点是仅有首例感染者，即病毒仅从动物传播给人类，不存在人际传播，随后病毒的发展会逐渐终止（见表2、图3a）。从生物学角度来讲，通过咬伤也有可能实现人际传播，但由于社会环境的原因，这种情况并不常见。第二类病毒以尼帕病毒为代表，它属于亨尼帕病毒科[22]，其特点是会出现多例独立的初始感染者，即有多个同时出现的首例感染病例，但人际传播程度较低（见表2、图3b）。这一类别还包括禽流感病毒、汉坦病毒、拉沙病毒、卢霍病毒、胡宁病毒、塔卡里贝病毒、马丘波病毒、瓜纳里托病毒、萨比亚病毒、查帕雷病毒、乳鼠肝炎病毒以及亨德拉病毒、亨尼帕病毒。人类感染主要来自初始病例，但在特定条件下也可能发生人际传播，这类情况通常与护理或家庭内部接触有关。第三类传播途径以埃博拉病毒、丝状病毒[23]（表2，图3c）为代表，这类病毒会导致零星且短暂的疫情爆发，同时仍保持动物宿主循环。这一类别还包括马尔堡病毒、MERS-CoV、冠状病毒以及阿尔库姆拉病毒（某些文献中也拼作阿尔库尔马），后者会在沙特阿拉伯引发零星的血热疫情。关于这种病毒存在争议，有人认为它通过直接接触传播，也有人认为它是通过媒介传播的[24]。第四类传播途径的特点是先出现疫情并伴随人际传播，随后病原体又会消失（表2，图3d）。这类途径的典型病毒就是现已被根除的天花病毒，即正痘病毒[25]。这一类别还包括导致SARS疫情的冠状病毒。有趣的是，天花的消失得益于疫苗接种，而SARS的消失则是自然发生的。第五类传播途径以SARS-CoV-2、冠状病毒[26]为代表，此外还包括人类免疫缺陷病毒，即HIV（逆转录病毒）、猴痘病毒、正痘病毒（一种DNA病毒）、脊髓灰质炎病毒、肠病毒以及风疹病毒（Rubivirus）（表2，图3e）。这类途径的特点是疫情出现后不会维持动物宿主循环，这类病毒也容易引发大流行。随着系统中各组成部分的演变，可能会出现新的状态或新的转变，从而使病原体的传播路径从一类变为另一类。2024年的牛源H5N1流感病毒及其传播路径的变化。最近发现了一种新的H5N1流感病毒谱系，这种病毒在牛群中进化后能够感染人类[27]。该病毒属于HA亚型2.3.4.4b，通过鸟类从欧洲传到了美洲大陆。这一病毒代表了H5N1病毒传播路径的转变。它最初属于第二类传播路径，其典型病毒是尼帕病毒，这类路径的特点是多次独立疫情爆发（初始病例），且人际传播较为有限（表2，图3b）。鸟类感染后的临床表现与哺乳动物有很大不同，鸟类的疾病主要影响内脏，且主要通过粪便传播，而哺乳动物的则为呼吸道疾病，通过飞沫传播。高致病性H5N1病毒能够识别这两种类型的受体，并已被证明可以通过鼻内感染有效感染实验用的哺乳动物宿主[27]。因此，这种高致病性H5N1病毒有可能进入高效的人际传播循环，从而像人类流感病毒一样具备引发疫情和大流行的潜力。而普通的禽类病毒则仍会停留在第二类传播路径中，而牛源高致病性H5N1病毒则会属于第六类传播路径。2024年猴痘1b变异株的出现。猴痘病毒很好地诠释了传播循环理论，表明这一理论并不局限于RNA病毒。1970年，非洲首次报告了人类猴痘疫情[28]。从1970年到21世纪20年代，非洲多次爆发猴痘疫情，其主要原因被认为是天花疫苗接种率的下降。2022年情况发生了变化，非洲以外地区也出现了大规模疫情，但此次疫情并非由与野生动物的直接接触引起，因为疫情发生在同性恋群体中，98%的病例为男男性行为者[28]。此次疫情是由2b基因型的B1谱系引发的，该谱系具有较高的APOBEC相关核苷酸多态性，这表明在疫情爆发之前，该病毒已在人类体内长期传播并发生适应性变化[28]。2024年刚果民主共和国及其他非洲国家再次爆发的猴痘疫情则与1基因型的1b变异株有关。与2022年不同，这次并非社区性疫情，而是波及大量儿童的普通人群疫情。目前还无法预测1b变异株是否会引发大流行，因为这取决于社会模式、潜伏期（潜伏期越长，在疾病显现前被感染的人数就越多）以及无症状者的比例。症状出现的延迟至关重要。新的猴痘1b变异株可能会带来大流行的风险，因此可能会从第4类传播路径转变为第5类路径。讨论理解病毒出现的机制之所以困难，往往是因为人们只关注疾病本身。疾病并非有形的生物实体，而是对个体或群体健康状况的一种认知。然而，这种认知是人为中心的，因为它仅着眼于疾病对人类群体的影响。从医学角度来看，这种做法合乎逻辑，但却可能导致认知偏差。任何生物只要存活，都会对其所处的环境产生影响并使其发生变化，病原体也是如此。不过，病原体，尤其是病毒的环境，同样是另一种生物。传染病的症状只是病原体生命周期对宿主造成的影响，它们反映了宿主的反应以及病原体生命周期带来的损害。因此，传染病应被视为类似生态系统的现象。患病个体只是所有被感染者中的一部分，很大一部分被感染者，有时甚至是最重要的部分，是无症状的。例如，2020-2021年几内亚埃博拉疫情背后的病毒，已在人类群体中无症状传播了6年[29]。这些无症状感染者虽已被感染，但按定义并不算患病。要了解病毒出现的机制，就必须将宿主-病原体-环境-社会系统视为一个整体，而不能仅仅从医学角度来分析，而应将其看作特定社会-生态系统——即病系系统——中的各种生态互动。这或许可以解释为什么基于“溢出效应”的框架在全面解释传染病起源方面存在困难：由于这些框架将分析重点放在宿主层面，可能会低估病原体作为活跃生物实体所参与的动态生态互动。传播循环理论认识到了这一关键点，这也解释了为何该理论能够被轻易建模，并分解为不同的具体传播路径（图3）。生物会不断进化以适应不断变化的环境，从而导致物种的兴起和灭绝。病毒也是如此。病毒会随着时间和空间的变化在易感物种之间传播。它们很可能自生命诞生之初就存在于地球上，被视为最古老的生物形式之一[30]。然而，病毒的进化和适应过程十分复杂且多面。病毒的“环境”也在积极应对并自我防御，同样具有进化和适应的机制。病毒依赖宿主细胞的机制，正是其对特定环境的一种极致适应。事实上，宿主进化出针对自身核心细胞机制的防御能力的能力本身就存在局限，这就为病毒提供了相对稳定的生存空间。病毒正在以极快的速度不断进化和适应。通过种群动态，它们构成了病系系统中具有侵袭性的部分，而宿主则更多是通过免疫系统作出反应的被动部分，甚至可能被病毒操控[21, 31]。这项研究证明，传播循环理论在佩特里网建模下能够通过合理性检验。这一传播模型不仅合理，还可以进一步分解为不同的传播路径，这些路径对应着不同的生物学、生态学和社会背景。宿主物种的生物学特性和免疫防御能力、病毒的嗜性、宿主的生态特征、宿主的取食行为以及社会背景等因素的不同组合，会导致不同的传播路径。实际上，这些生物学因素固然重要，但决定疾病爆发的最主要因素还是社会背景[32]。导致疾病的本质是生物学因素，即病毒，但促使疾病在人类群体中出现并蔓延的则是社会因素。传播循环理论也强调了人类社会在病毒性疾病出现过程中的关键作用[4]。该理论还明确了初始病例与指数病例的区别，以及病毒在这两个阶段之间的演变过程（见补充图1）。病毒会利用宿主的生态环境进行传播，有时还会直接操控宿主以影响传播过程。人类物种的“生态”本质上是由人类社会塑造的。因此，病毒一方面在“社会化”，即依赖人类社会进行传播，另一方面也在“人类化”，即发生突变并适应人类宿主。这项研究强调，应将人畜共患病毒视为不断进化的活体，它们能够轻易在不同物种之间传播，在宿主体内以疫情前的形态进化，并适应宿主的防御机制。自疫情开始以来，SARS-CoV-2变异株的不断出现便是这一机制的典型例证。得益于当前先进的测序和生物信息学技术，人们能够实时监测变异株的出现，因为它们会不断适应人类的免疫防御和疫苗[5]。SARS-CoV-2的多宿主特性以及其感染多种动物物种的能力，都为传播循环理论提供了支持[18, 19, 20]。此外，还观察到了人类与水貂、仓鼠等动物物种之间的反复跨物种传播现象[118-20, 33]。SARS-CoV-2在初次感染后也会出现针对宿主的特异性适应性突变，这一现象也有明显体现[18]。奥密克戎变异株就是一个典型例子，它以新一代人类变异株的形式再次出现在人类群体中，并持续传播[20]。建立有效的疫情预防体系至关重要，尤其是在全球人口不断增加以及全球环境发生变化的背景下，人们遭遇和传播新病毒的可能性也在上升。然而，任何监测和干预体系都必须基于经过验证的有效方法。这项研究强调了将病系系统视为一个复合系统的价值，即将引发感染的病毒种群动态与推动疾病出现的更广泛的生态和社会因素联系起来。虽然目前的模型主要聚焦于病原体传播的生物学和生态学路径，但将社会和环境因素纳入其中，是未来发展的必然趋势。深入理解病毒的本质及其传播路径，仍是构建有效监测和预防体系的首要步骤。作者贡献声明Roger Frutos：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，方法学，研究，正式分析，数据整理，概念构建。Laurent Gavotte：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件应用，方法学，研究，正式分析，数据整理，概念构建。Thierry Goubier：写作——审阅与编辑，验证，软件应用，方法学，正式分析。Cedric Gaucherel：写作——初稿撰写，可视化，验证，软件应用，方法学，正式分析，数据整理，概念构建。未引用参考文献：16；33。资金支持本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何专项资助，不存在利益冲突。