狂犬病与埃博拉病毒病的传播动态及其病原的系统发育地理学研究

摘要

概述：近几十年，人类的生产活动和生态环境的变化破坏了原有的生物群落，从一定程度上改变了传染病的生态系统及其病原的循化进化轨迹，对传染病的发生和流行产生了重要影响，表现为新发传染病的不断出现、一部分已控制传染病的复燃及其疫区的扩大和变迁，甚至引起疫情的暴发流行，严重威胁人类的生命安全。如近年来埃博拉病毒病、狂犬病、人感染禽流感、登革热等重要传染病的相继复苏和流行，不仅扩大了影响区域和受害人群，而且还带来了严重的经济损失。随着空间信息技术和系统发育地理学分析技术的快速发展，其先进的理论和独特的优势逐渐被传染病流行规律研究领域所关注，并分别获得了较为广泛的应用，取得了一系列重要的研究进展，但限于跨专业交叉研究中可能存在的技术难题，这两门技术的配套研究目前仍较少。由于传染病的发生、时空扩散、流行特征的变化不仅受到环境、宿主的影响，同时也受病原自身进化或变异的影响，而生态环境的变化、传染病的流行也可能反过来对病原的进化产生作用。因此，融合这两门技术不仅有助于认识传染病的流行病学特征、传播动态和病原体的进化历程，还能进一步挖掘宿主、病原、环境三者之间的时空关联，从而解决全球广泛关注的公共卫生问题，促进传染病预防和控制工作。
　　本研究创新性地融合了空间信息技术和系统发育地理分析技术，针对目前全球广泛关注、尤其是对发展中国家危害较大的狂犬病和埃博拉病毒病的流行病学研究中的关键科学问题，开展了这两种烈性传染病的时空分布、扩散动态、影响因素、干预效能及其病原的遗传多样性、迁移图谱、流行轨迹和进化历程等研究，以便于更好地认识两种传染病的传播规律，并为上述两种传染病针对性预防和控制措施的制定提供了决策依据。
　　背景：狂犬病（Rabies）是全球严重的公共卫生问题，它是由狂犬病毒（Rabies virus，RABV）引起人和动物急性致死性中枢神经系统的一种烈性传染病，其病死率可高达100％。20世纪末，我国遭遇自1949年以来的第三波狂犬病疫情，报告死亡人数一直居我国传染病死亡数的前三位。尽管我国狂犬病的发病人数自2007年达到高峰后开始逐年下降，但狂犬病的影响区域却在不断扩大，这大大地增加了我国旨在2020年实现消灭狂犬病计划的难度。目前国内较多地开展了狂犬病流行病学调查研究、分布特征研究，也有了分子进化溯源等研究，但尚未能综合地、全面地阐明我国狂犬病的传播动态及其病原进化规律。开展我国狂犬病的传播规律研究，明确狂犬病的扩散动态，探索狂犬病影响区域扩大的可能因素，并认识RABV的遗传多样性及系统发育地理学特征，从而为该病的预防、控制和消除计划提供科学指导与支持。
　　埃博拉病毒病（Ebola virus disease，EVD）又称埃博拉出血热，是由埃博拉病毒（Ebola virus，EBOV）引起的一种急性出血性传染病，主要通过直接或间接接触感染病人、动物的血液和分泌物而传播。2013-2015年，西非地区暴发了自1976年非洲发现EVD以来规模最大的一次疫情，发病人数、死亡人数均达历史最高水平。塞拉利昂是西非EVD暴发疫情中受灾最严重的国家，尽管疫情暴发后不久，塞拉利昂就开始采取不同干预措施，但此次疫情未能在短期内得到有效的控制，整体疫情仍持续了一年半左右。为了帮助塞拉利昂更好地控制EVD疫情和响应塞拉利昂政府的请求，我国政府在9月份就派遣了中国移动实验室检测队奔赴塞拉利昂执行―抗埃援塞‖任务，这些队员都是医学领域的实验室检测专家和流行病学专家，通过与塞拉利昂卫生部的沟通和合作，我们全面收集了塞拉利昂整个EVD疫情期间的采样、检测数据和EBOV分子序列数据。如能有效地整合这些宝贵资料，从更精细的时空尺度开展有关EVD的传播规律研究，系统地阐明塞拉利昂EVD的流行特征、扩散模式、影响因素、干预措施效能、家庭传播力及EBOV的遗传多样性和迁移图谱，这对未来EVD疫情暴发的预防和应对策略的制定具有重要意义，有助于提高EVD疫情的综合防控能力。
　　目的及内容：本研究共包括了三部分内容。
　　（1）构建我国狂犬病疫情监测及RABV分子序列数据库，描述我国狂犬病的时空分布特征，掌握其高发热点区的演化动态，从而明确狂犬病的扩散模式；探索与狂犬病传播相关的社会经济等影响因素，有助于规划狂犬病的重点防控区域，促进卫生资源的合理配置；阐述RABV的遗传多样性及其时空分布动态，认识其主要家系的迁移图谱和进化历程，有助于为未来的RABV监测及相关实验室研究提供指导。
　　（2）构建塞拉利昂EVD疫情采样检测信息数据库，在酋长领地（Chiefdom）的空间尺度上描述EVD疫情的时空分布特征，对全国各酋长领地的EVD流行模式进行聚类划分，归纳每种模式的流行特征，同时估算不同地区EVD疫情的实时有效再生数，从而全面地认识EVD的流行病学特征；模拟EVD在全国范围内的扩散动态，明确其扩散模式，并评估与EVD疫情扩散相关的社会经济因素，给未来控制EVD的扩散提供思路；构建EVD在酋长领地内、周边及远距离传播的时空传播模型，评价不同阶段所采取的干预措施的效能，同时挖掘与EVD传播相关的影响因素，为未来EVD干预措施的制定与实施提供科学支持；建立EVD家庭传播模型，评估家庭传播力及不同人群的易感性，并比较干预措施实施前后阶段的家庭传播力大小，有助于了解EVD疫情中家庭传播的作用和评估干预措施对家庭传播的影响。
　　（3）构建塞拉利昂EBOV分子序列数据库，阐述此次疫情EBOV的遗传多样性，比较各家系的时间分布趋势和流行区域，促进对EBOV的进化历程和探索各家系的传播性的认识；确定本次疫情流行的主要家系，掌握其迁移图谱和流行轨迹，为未来的EBOV监测提供方向；构建突变位点进化图谱，直观地展示突变位点的演化趋势，并找出可能的关键性位点，为未来EBOV疫苗研制和相关的实验室研究提供指导。
　　方法：
　　（1）收集2004-2013年我国狂犬病的疫情报告数据和RABV的N基因分子序列数据，将个案病例疫情数据与动物疫情数据、气象和社会经济数据等资料关联建库；通过ArcGIS软件的空间统计和制图方法研究EVD的时空分布特征，并利用SaTScan软件的时空聚集性扫描方法，确定狂犬病高发热点区的演化动态；应用面板Poisson回归模型定量评估可能与狂犬病时空分布异质性相关的影响因素；通过BEAST等软件进行系统发育分析和系统发育地理学分析，研究我国RABV的遗传多样性及其主要家系的迁移图谱。
　　（2）收集和整理塞拉利昂2014-2015年EVD疫情的采样与检测数据，并将病例的分布与自然地理环境、人口与社会经济、医院分布等数据进行关联建库；通过ArcGIS软件的空间统计和制图方法研究其时空分布特征；利用加权平均聚类方法划分流行模式；根据流行曲线估算每个市的有效再生数；确定每个酋长领地的首例发病时间，利用趋势面分析，模拟其扩散动态，并通过生存分析定量评估可能与EVD扩散相关的社会经济因素；构建Poisson传播模型，定量评估干预措施的效能和相关影响因素的作用；建立家庭传播模型，评估家庭传播力。
　　（3）收集塞拉利昂EBOV分子序列数据，关联病例数据库，补充序列缺失的信息；通过BEAST等软件进行系统发育分析，研究EBOV的遗传多样性和进化历程；通过BEAST等软件进行系统发育地理学分析，明确主要家系的迁移图谱和流行轨迹；根据系统发育树，利用Illustrator CS5软件手工绘制突变位点进化图谱。本研究应用的软件主要有：Microsoft office2010，Uedit32，ArcGIS v9.3，STATA v10.0， SaTScan v8.0，Illustrator v5.0，Python v2.7，R语言，MEGA v5.0，BEAST v1.8.0， FigTree v1.4.2，SPREAD v1.0.6，Tracer v1.5等软件和编程环境。
　　结果：
　　（1）我国狂犬病的传播动态及其病原的系统发育地理学研究：①2004-2013年间，我国内地报道了22684例狂犬病病人，主要发病人群为处于0-10岁、40岁以上的人群，以农牧民、学生和儿童为主，男性的发病率显著高于女性，发病率比为2.18。从时间分布上看，自2004年开始，狂犬病的发病数逐年上升，在2006年和2007年达到高峰，随后开始下降。除西藏自治区，我国内地其他30个省份都有狂犬病病人报道，高发省份都集中在我国南方的贵州省、广西自治区、广东省、湖南省等，低发省份主要包括山西省、陕西省、内蒙古自治区、云南省等。通过比较各省疫情的流行特征发现，我国南部、东部和中部的一些高发省份的发病人数逐年减少，而西部、北部、西北部等低发省份，如山西和陕西等，则具有明显的发病上升趋势。②进一步的时空聚集性扫描结果表明，全国在这10年间共探测到了23个高发热点区，大部分都集中在我国南部、东南部和中部地区，这些热点区域覆盖范围广、持续时间长，发病率显著高于其他地区。自2006年开始，我国的北部、西部和西北部等低发地区也开始出现了小范围的高发热点区，这种现象在2010年后表现得更加明显，热点区域的这种演化动态表明我国狂犬病疫情正从南部和东部地区向周边的西部和北部地区扩散。③面板Poisson模型回归显示与狂犬病传播相关的影响因素有：动物间疫情、温度、人均经济水平和人均教育水平。狂犬病的流行与滞后两个月的动物疫情和滞后一个月的温度呈正相关，动物疫情发生越频繁、温度越高的地区，疫情流行相对越严重，而人均经济水平越落后、人均教育水平越低的地区，则会有更高的传播风险。④RABV的系统发育分析结果显示，我国历史上曾存在过Clade I-V这五种家系的RABV。Clade I和Clade II流行范围较广，2004-2013年的流行毒株都属于Clade I和Clade II这两大家系，而2009年以后的流行毒株都属于Clade I，且大部分都是Clade I-G，这表明Clade I和Clade II是近些年来流行的主要家系，尤其是Clade I-G。RABV家系的分布复杂多样，几乎所有家系在广西、湖南等高发省份都有流行，而北京、河北、陕西、安徽等低发省份流行的家系比较单一，主要是Clade I-G或Clade II-B。⑤通过进一步的系统发育地理学分析，发现Clade I和Clade II都具有跨省传播特征，且Clade I（尤其是Clade I-G）近几年的跨省传播事件明显多于Clade II，这说明Clade I-G是近几年来的狂犬病流行和扩散的主要家系。
　　（2）塞拉利昂EVD的传播动态及干预措施效能研究：①建立的EVD数据库共包含了8358例确诊病人和3545例疑似病人，流行周期为2014年5月至2015年9月，涵盖了整个疫情的发病情况。②EVD的流行强度在前三个月相对低缓，之后迅速上升，并在11月达到了流行高峰，随后逐渐下降，但仍存在波动。一共307个医护人员在此次疫情中被确诊感染，发病时间大部分集中在2014年流行早期的6月到8月。在塞拉利昂的150个酋长领地中（三级行政区域：省、市、酋长领地），共有114个受到此次疫情的影响，EVD的逐月空间分布存在明显异质性，城市地区、人口密集地区比其他地区更为严重。③根据加权平均聚类的分析结果，发现可将这114个酋长领地的流行特征归纳为六种模式，每种流行模式都有特定的流行强度和周期。④趋势面分析结果显示此次疫情存在着两种空间传播模式：第一种是起源于东部地区的Kailahun市，第二种起源于西部地区，它们分别于2014年5月18日和6月25日报道首例病例后，均迅速向中部的Bo和Tonkolili市传播，随后降速分别向东北和西南地区传播。通过进一步的生存分析，发现这种空间传播模式与道路、医院的分布显著性相关，有主要道路穿过和距离医院较近的酋长领地，受到疫情侵袭的风险就越高。⑤Poisson传播模型结果显示，酋长领地内部的传播效能作用要远高于酋长领地之间的传播，人口密度、农耕地的分布、温度等因素与EVD的流行也存在显著性的非线性关联。此外，全国战略性防控计划（包括隔离病人、增加床位、执行安全葬礼）等干预措施被证实能有效地控制EVD的流行，与早期流行相比，第一阶段的干预措施使传播风险（一个病例每周能感染的新病例数）有效地减少了43%（95%CI：30%，52%），第二阶段的干预措施则有效地减少了65%（95%CI：57%，71%）。⑥家庭传播分析显示总体的家庭传播力（或家庭二代罹患率）为0.056-0.062，女性比男性、未成年人比成年人在家庭中具有更高的传播风险，比较了不同流行阶段的家庭传播力，发现家庭传播力在干预措施实施前后两个阶段下降了82%，这也进一步提示了全国战略性防控计划等干预措施对降低家庭传播风险起到了明显的作用。
　　（3）塞拉利昂EBOV的遗传多样性及其系统发育地理学研究：①构建了共包含514个病人的序列及其分离时间、分离地点等相关信息的塞拉利昂EBOV分子序列数据库，其中还包含了60条新的序列。②通过系统发育分析，发现此次流行的主要有SL1、SL2、SL3这三大家系，其中SL3还可划分为9个家系。③SL1和SL2主要出现在疫情初期，但在6月份开始，SL3就取代了SL1和SL2并成为了主流。在SL3的所有家系中，SL3.1.2、SL3.2.4和SL3.2.5的种群数量、流行区域和流行周期远大于其他家系，成为了2014年暴发流行期的主要家系。④进一步的系统发育地理学分析结果显示，尽管这三个主要家系都起源于东部地区，但它们的迁移图谱差异显著。SL3.1.2于8月底从东部地区传播到首都弗里敦后，由于竞争少、人口密度大等原因，使开始在该地区大规模流行，同时传播到周边地区；SL3.2.4于8月份首次出现在东部地区后，一直是东部流行的主要家系，同时传播到周边地区，并于9月跨区传播到西部地区后，不仅与SL3.1.2并存，成为了西部地区的主要家系，而且还传播到北部地区和南部地区。SL3.2.5在8月份只是散布在北部地区和东部地区的一些酋长领地，进入到9月份，SL3.2.5在北部地区的Buya Romende酋长领地开始规模化流行并向周边传播，成为了北部地区的主要家系，并于10月份传到西部地区，之后也成为西部地区的主要家系之一。通过比较SL3.1.2、SL3.2.4、SL3.2.5的迁移图谱和流行轨迹，发现SL3.2.5可能比SL3.1.2、SL3.2.4具有更强的适应性，而SL3.2.4可能比SL3.1.2具有更强的传播力。⑤绘制突变位点进化图谱，我们发现了一些可能与家系特征或适应性相关的关键位点，如T3008C，T3011C，T5849C，T10479A， C16895T等。
　　结论：本研究有效地融合空间信息技术和系统发育地理学分析技术，实现了对传染病多维信息的管理与集成分析，为有关传染病的传播规律研究提供了新的思路和先进的技术手段。该研究结果很好地提示了：①我国狂犬病的防控工作在近十年取得了不错的成效，但仍面临着疫区扩散的挑战；我国狂犬病的防控工作不仅要关注高发地区，也要加强对狂犬病低发地区、新发地区和贫困地区的防控工作，并严格控制跨区动物贸易和加强动物疫情监测；RABV的监测及相关的实验室研究应重点关注Clade I家系。②塞拉利昂每个酋长领地的交通设施、发展水平等与EVD的流行程度具有一定的关联，EVD的扩散受到交通和医院分布的影响。控制EVD扩散，应严格加强跨区监测、控制人员流动和防止医院内感染等工作；隔离病人、增加床位、执行安全葬礼等干预措施能有效地降低EVD传播风险；EBOV的监测及相关的实验室研究应重点关注SL3.1.2、SL3.2.4、SL3.2.5家系和T3008C，T3011C等突变位点。总的来说，本研究全方位地阐明了狂犬病和EVD这两种烈性传染病本身及其病原体的时空分布格局，并认识它们的传播规律，为正确的防控策略制定、快速有效的应急响应和传染病的预测预警提供了数据基础和科学支持。

目录

缩略词表

第一章 前 言

1.1空间信息技术与系统发育地理学分析技术在传染病研究中的应用

1.2本研究的设计方案

参考文献

第二章 我国狂犬病的传播动态及其病原的系统发育地理学研究

2.1研究背景

2.2资料来源及处理

2.3分析方法

2.4研究结果

2.5讨论

2.6结论

参考文献

第三章 塞拉利昂埃博拉病毒病的传播动态及干预措施效能研究

3.1研究背景

3.2资料来源

3.3分析方法

3.4研究结果

3.5讨论

3.6结论

参考文献

第四章 塞拉利昂埃博拉病毒的遗传多样性及其系统发育地理学研究

4.1研究背景

4.2资料来源

4.3分析方法

4.4研究结果

4.5讨论

4.6结论

参考文献

第五章 全文总结

个 人 简 历

研究生期间的研究成果

致谢

附 录 代表性论著