恶魔还是天使？ ——浅谈从致病病毒到工具病毒的发展史
2016-12-26 陈皮 醉心科学
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病毒，一个让人闻之色变的字眼，一个轻而易举就能叨扰我们的生活，甚至不费吹灰之力就能摧毁一个家庭甚至给一个国家带来重创的恶魔，但它同时又是一类同样在地球这大环境里生长、繁衍、又在这大环境里消失的，几乎没有任何智能的，只有借助别的动物植物才能活下去的，看上去有些微不足道的角色。
地球上生命类型发展的时间轴：人类在病毒的眼里可是最小的小字辈
流感病毒困扰着我们的生活
1、恶魔的一面：病毒的发现
自从病毒学之父迪米特里· 伊凡诺夫斯基（Dmitri Iosifovich Ivanovsky）在1892年发现了一种在烟草中特有的非细菌结构的病原体之后，病毒学才真正的开始建立了起来，人类才第一次对这个一直在我们身边和我们朝夕相处的恶魔小同伴有了初步的认知。
病毒学之父迪米特里 · 伊奥尔斯沃维奇 · 伊凡诺夫斯基（Dmitri Iosifovich Ivanovsky，1864.10.28——1920.6.20），俄罗斯生物学家，滤过性病毒的发现者之一，也是病毒学的创始人之一。尽管很多伟大的生物学家、化学家都前赴后继的投入到关于这类非细菌感染的疾病的研究中来，但是其实在相当一段时间内的病毒研究都是毫无建树的。无论是伟大的微生物学家路易斯巴斯德（Louis Pasteur），还是查尔斯张伯伦（Charles Chamberland），还是病毒学之父迪米特里本人，都囿于当时捉襟见肘的技术和资源而对于病毒的研究一筹莫展，他们始终认为有一种非细菌结构的能够侵染动植物的微生物，并且这种微生物极其微小，以当时的显微镜完全无法捕捉，这种微生物一定具有寄生性和传染性，但是更进一步的信息他们难以获取。
直到上个世纪的前叶，才由细菌学家弗里德里克（Frederick Twort）确切发现了一种能够侵染细菌的微生物，也就是现在大家耳熟能详的噬菌体。后续有一批学者对于这一研究成果进行了跟进，并发现了病毒最重要的特性之一：借助其他生物的细胞进行复制、分裂和包装。当时的人们相信噬菌体正是导致当时无法进行病理学解释的伤寒和霍乱的源头，这一观点也间接促进了当时饱受霍乱之苦的欧洲人对于病毒学的大力研究，才有了后续的这些长足的进步。
经典病毒噬菌体的模型以及其感染大肠杆菌的途径
2、恶魔的一面：病毒学的发展以及对于病毒的认识
随着研究的进展以及一战时期盘尼西林（也就是青霉素）的发明，病毒这一概念慢慢变的具体和统一，人们通过其寄宿性，感染性以及它在通过滤网时的尺寸对病毒进行了一个早期的定义。借助着上个世纪各类科学技术爆炸式的进步，病毒学也在飞速的发展着。随着1906年人们发明了在淋巴中培养组织的方法，1913年就由R.A.兰伯特（R.A. Lambert）等人带头，发明了在几内亚猪的角膜组织碎片中培养牛痘病毒的技术，这也是人类历史上第一次确定病毒的概念并成功进行人工培养，为以后的病毒学研究指明了道路，提供了诸多方便，这也为人类现代历史中最不可或缺的发明之一疫苗的发现和研究提供了良好的温床。
现代实验室高效的病毒培养技术
病毒的研究在上个世纪的中叶迎来了它的黄金时期，随着1931年人们发明了鸡胚培养技术，人类已经可以高通量的在培养皿上进行病毒的扩增，从而使得对于病毒和病毒疫苗的研究达到了一个空前的高度。人们相继发现了疫病毒，逆转录病毒，朊病毒等结构各异又突破生物学认知的新型病毒，也发明了霍乱疫苗、伤寒菌苗、麻疹疫苗等有效且常见的病毒疫苗，为我们的生活提供了坚实的保障。
现在的人们已经对于这个潜伏在我们身边的恶魔小伙伴有了比较系统和清晰的认识，我们已经成功发现了数千种病毒类型以及数百万种病毒的亚型，发明了上万种在临床上得以见效的疫苗和治疗药物，攻克了一个又一个可能如当年的黑死病和西班牙流感一样造成惨绝人寰的屠城事件的新型病毒的难题，无论是非典型性肺炎也好，还是埃博拉病毒也好，还是寨卡病毒也好，病毒已经不再是那个无法捕捉的杀人于无形的小恶魔，也不再完全的和人类站在对立面了。
主要感染人类的病毒以及其感染的对应部位
3、天使的一面：对于病毒更深层次的研究以及病毒工具的开发
人类作为地球上存在时间最为短暂的动物之一，凭借着我们极高的智能弥补了我们很多方面的不足，诸如体能，诸如力量，诸如速度。我们解决问题的方法也永远是思考多于行动，那么既然我们已经对于病毒这个小恶魔有了这么多的认识和了解，我们可否效仿在茹毛饮血的时候驯服马、驯服牛、驯服羊那样，去驯服这个小恶魔，让它来为我们所用呢，这是病毒学界以及其他生物学各界一直在思考的问题。除了头痛医头式简单的利用对于病毒的研究来制造疫苗和治疗药物之外，在神经学领域最近二十年左右的时间里，人们发现了很多感染神经系统的病毒可以用来作为神经元上下游连接的追踪工具。
神经系统相关的病毒会高效且快速的侵染动物的神经元，并且沿着神经元的突起进行顺行或者逆行的感染，神经元的轴突树突对于神经病毒来说就像是高速公路一样任由他们驰骋，这在对于病毒研究不足的情况下是非常可怕和致命的，也是神经病毒一直没有得到充分利用的原因之一。但是对于现在发达的科学技术而言，这样的一条条高速公路反而就是我们来驾驭病毒，驯服病毒，将其从恶魔改造成天使的康庄大道。
Kevin T.B. et al., Vesicular, Front Neural Circuits, 2013, 7:11各种功能的神经元追踪病毒工具以及效果
4、天使的一面：神经元病毒追踪技术
人们对于动物和人类大脑各个分区独立功能的研究已经趋于成熟，每个核团每个亚区所分管的职责也渐渐清楚明了，但是对于核团与核团之间的相互连接顺序、相互作用关系一直没有一个很好的研究工具和研究手段。早些年人们曾试着使用各类小分子对神经元的信号传递进行标记，由于小分子会从神经元轴突末端通过胞吞胞吐而扩散向下一级，很难控制其固定的传递向上游还是下游，又由于其对于细胞的感染也存在一定的随机性，因此一直不具备很好的特异性，如果想研究某一类神经元的功能的话就会存在一定的局限性。这种泛泛而谈的研究在时下已经很难说明大家想探求的问题了，这也是近几年神经环路研究以及应运而生的病毒追踪技术发展的起因。
A. Vercelli et al., Recent, Brain Res Bull, 2000, 51(1):11-28传统的神经元标记手段以及其特点，它们都有着这样或者那样的局限性，很难让研究人员满意
人们利用上述提到的神经系统病毒的特点，对相关的病毒进行了改装，在尽可能去掉病毒毒性，保证研究过程中神经元活性的基础上，同时通过分子生物学的手段对病毒进行功能性的改造，使得他可以特异性的侵染某一类我们需要的神经元，可以固定的进行顺行或者逆行的传递，成为了现在神经生物学研究领域，尤其是脑科学领域最重要的研究工具之一。
A. Vercelli et al., Recent, Brain Res Bull, 2000, 51(1):11-28神经元的形态尤其是突起的生长方向得以通过各类神经元病毒追踪工具进行展示
神经元病毒追踪技术的优势在于可以锁定到我们想要的单个神经元上，进行跨突触的精准传递，通过现在成熟的荧光蛋白和免疫组学技术进行清晰和可控的成像。神经病毒的优势相对于传统的小分子来说，一是具有自我复制自我组装的能力，有效时间长，传递范围远，可以做到以前无法做到的长程连接的研究，二是可以精确跨突触传递，三是具有更好的可操纵性，能够控制传递方向，传递速度，以及感染的目的细胞，这是对于神经环路研究，对于现在炙手可热的大脑各个脑区之间相互作用研究的一次巨大的技术革新。让病毒这个一直让人们既畏惧又厌弃的恶魔摇身一变成为了能够为人类的科技进步所用，能够受制于人类，为人类服务的工具，并且随着这样的环路研究的深入，一些经典的环路相关的疾病，譬如中风这样的人类历史上的顽疾之一，都能有着长足的发展，甚至有朝一日得到根除，那么病毒是真真正正做到了在人类的手上从恶魔涅槃成了天使。
病毒的天使恶魔的两面性：曾经涂炭生灵的病毒如今也能成为人们科学研究中的得力干将
5、天使的一面：功勋累累的狂犬病毒以及它的小伙伴们
现如今随着病毒学和神经生物学的高度发展，已经有许多病毒家族被“劝化从良”，加入到了工具病毒的大军中来，现在已经改造的较为成熟，被投入大量科研使用的病毒主要有：能够沿着神经元信号传递方向顺行传递的疱疹病毒（Herpes simplex virus）、水泡性口炎病毒（Vesicular stomatitis virus）、辛德毕斯病毒（Sindbis virus）以及应用极为广泛的腺相关病毒（Adeno-associated virus），以及沿着神经元信号传递方向反向传递至神经元上游的，逆行传递的伪狂犬病毒（Pseudorabies virus）（伪狂犬病毒是属于疱疹病毒家族的哦）和狂犬病毒（Rabies virus）（这才是狂犬病毒家族的唯一大将，可千万不能和伪狂犬病毒混淆了）。
当然还有亟待进一步研究和验证的诸如森林脑炎病毒（Tick-borne encephalitis virus）等。虽然这些病毒的名字听起来都毛骨悚然，但是它们都是很可能比你家里的猫猫狗狗还要温顺的，精确听从人类命令的工具病毒，他们能够完成各类精确且复杂的标记任务，并在几周到几个月的过程中传递遍全脑，为人类的研究提供巨大的便利。
在这并不算短的神经病毒标记的研究历史中，狂犬病毒一定是最受大家欢迎，也是目前最为常用的工具病毒之一，其拥有着改造性强，感染效率高，个别菌株毒性低，顺行逆行都可以标记等优势，并且由于其组装系统内特有的ΔG系统，从而能够实现如钥匙和门锁一样和目标神经元一一对应的标记模式，从而满足了现阶段人们对于环路研究的几乎所有要求，即效率高、特异性以及毒性低。
狂犬病毒原本是杀害人和狗以及其他共患病动物的恶魔，现在却是当今神经生物学尤其是环路科学内人类最大的帮手之一
随着分子生物学领域技术的进步，以及学科交叉的需求性增加，越来越多的分子生物学技术，以及分子构建技术加入到了工具病毒的改造中来，通过cre-loxp系统进行基因剪切从而做到在特定细胞内表达特定分子的技术，以及上文提及的通过ΔG系统做到的狂犬病毒准确定位的技术，都使得工具病毒在神经生物学研究的过程中越发的灵活和多样化，大家慢慢的可以开始研究一些长程的连接，一些多个脑区之间的连接，甚至一个脑区通向多个脑区不同功能的连接，这些现在看来司空见惯的研究内容在短短二三十年前都是不敢想象甚至难以企及的事，遑论现在还可以针对一个脑区内的某一类神经元进行操作，甚至在某些特殊的脑区可以针对某一类神经元中的某一类特殊群体进行操作，这不仅大大丰富了我们研究动物乃至人类大脑的手段，也大大提高了我们可以挖掘的信息的深度和广度，对于人类对于大脑认知的研究有着突飞猛进的促进效果。
图左是cre-loxp系统的实现原理，图右是ΔG系统的实现原理，二者共同协助着狂犬病毒进行特异性标记的任务
6、天使还是恶魔？
人类对于恐惧最根本的来源就是未知，当我们尚处在刀耕火种的年代时，很可能一个流感病毒就能迅速带走我们年轻的生命，那时的我们害怕，我们担忧，我们焦虑，我们觉得这是一种冥冥之中无形的杀手，是神祇显灵，是老天刻意赐给我们的一把达摩克利斯之剑，所以我们把病毒带来的疾病视为洪水猛兽，我们把病毒视为这个世界上最可怕的恶魔，我们会被霍乱击溃，会被黑死病击溃，会被牛痘击溃，我们捉摸不透它们，我们看不见摸不着它们，我们不能了解它们，所以我们胆怯并将所有的病毒拒之门外，对于病毒我们只敢去焚烧，只敢去坑杀。
诸如生化危机和行尸走肉这样的热门惊悚影视剧正是源于我们对于病毒最本源的恐惧
但是随着我们视野的开阔，随着越来越多伟大的研究者在我们前面生生的用科学的柴刀劈开了一条原本布满荆棘的道路后，我们开始认识到了病毒的存在，我们开始看到病毒，我们开始了解病毒，我们开始培养病毒，我们开始抵御病毒，最后，我们终于得以将病毒不再视为怪力乱神，终于将之视为和我们一样生活在这个拥挤而神奇的地球的一份子，我们得以像驯化乖戾的野兽一样驯服它们，改造它们，利用它们，从而使狂犬病毒也好，疱疹病毒也罢，这些曾经都轻易能够让我们谈之色变的病毒成为神经生物学研究领域最得意的新进工具，也应当是将来生物科学研究领域最不可或缺的一员。
所以从来也没有恶魔，从来也没有天使，大至鲸鱼大象，小至细菌病毒，大家都不过是地球这个大家庭中的一份子，作为目前地球这个家庭里的话事人，我们人类应当放宽自己的眼界，充分的去了解，去利用，去调动每一个成员的作用，作为科学工作者或者对科学充满热情的人们，更应该勇于去探求每一个事物的本质，一定还会有更多被我们认定有危害的恶魔也潜藏着它本质里天使的一面。
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