一个传染病高发的春季、
一片卫生条件不佳的荒地
和一个不到4岁的我，
完美构成了病原感染的全部时空条件。
大家好，我是崔樱子，来自中国科学院过程工程研究所，今天想跟大家分享一下我跟病毒打交道的故事。具体来说，我研究的是一类导致小儿手足口病的病毒。
大家如果经过早上的幼儿园，可能见过这样的景象。每天早晨入园之前，保健医生会仔细检查孩子们的小手和小嘴，避免发生手足口病的园内感染。这是因为手足口病是通过粪口途径传播，而幼儿园和中小学不一样，小朋友们有很多生活区域内的活动，大大增加了传播的风险。那什么是手足口病，又为什么叫做手足口病呢？其实，这是一类由肠道病毒感染引起的急性传染性疾病，它的主要临床表现就是患儿手、足及口腔内的红色疱疹。口腔内的疱疹可能发展为疱疹性咽峡炎，甚至导致重症的病毒性脑炎，严重威胁幼儿的健康。而且就算你熬过了高热和疱疹，还可能有其它症状找上门。近年来，有越来越多的报道提到，手足口患儿出现脱皮和指甲脱落的症状。有群体性研究发现，有60%的患儿在发病后7天出现脱皮的现象，30%的患儿发病后30天会出现指甲脱落的现象。这样的临床描述立即把我拉回了我在幼儿园时期的一段经历。在1996年，我的父母在春天带我去上地附近的一片空地放风筝，回来之后我就高烧不退，住进了儿童医院。当时我只有3岁半，独自住在医院里面手脚脱皮，我又紧张又害怕，每天就在病床上抠我的小手。这个并发症的表现，和我后来在文献里读到的描述一模一样。现在回想起来，为什么我会生病呢？大家可以看到，1996年的上地还没有现在的商业区和住宅区。一个传染病高发的春季，一片卫生条件不佳的荒地，一个不到4岁的我，完美构成了病原感染的全部时空条件。在研究生阶段，我来到中国科学院微生物研究所，在高福院士的指导下攻读博士学位。而我的研究方向就是手足口病。读博期间，老师一直鼓励我们要勇敢地去探索科学研究的无人区。做科学研究其实就像是在玩一种解谜游戏，只不过是在探索大自然的秘密。那么，对于手足口病而言，还有哪些我们未知的秘密呢？我们已经知道，有20多种病毒都可能引发手足口病，而目前上市的疫苗还只能保护我们免于其中1种的侵害。近期，针对多种病毒的多价疫苗也进入了临床试验阶段。但是对于肠道病毒感染至脱甲症的研究，一直还是一片空白。为什么没有人去研究如何治疗并发症呢？这是由于从病毒到病症的这个“黑箱”，始终没有人能打开。如果我都不知道病毒是如何让我们生病的，那也就无从下手去治疗疾病。因此，我们解谜的第一步，就是看看病毒是如何进入我们的细胞的。病毒和细菌不一样，细菌可以独自在营养液中复制繁殖，而病毒必须要借助宿主细胞才能完成自身的复制，加工组装成下一代的子代病毒。对于病毒来说，细胞就像是一座工厂，而在细胞这座工厂里面，每时每刻都在发生着各种各样的生物学反应。大到机体的新陈代谢，小到细胞信号的传导，都依赖于各种各样受体和配体的相互作用。在这样的过程中，配体就像一把“钥匙”，而受体就像是看管细胞大门的这把“锁”。每一把“钥匙”都能精确地找到属于自己的那把“锁”，从而开启细胞的某一项功能。正是依赖于受体和配体精密的识别作用，细胞工厂才能得以运转。如果这时候病毒突然来了，会发生什么呢？病毒打开细胞大门的过程，就像是“撬锁”。病毒要把自己打磨成一把仿制钥匙来开门。一旦这把仿制钥匙插入细胞大门的锁芯，病毒就开始了它的变身过程。病毒要把自己的基因组释放到细胞内，借助细胞这座工厂生产病毒。而病毒的基因组就像是这条生产线的说明书。在这份说明书的外面，包裹着蛋白质外衣，一方面要保护它的基因组——也就是这份说明书——免受外界的伤害，另外一方面它还有一个非常重要的使命，就是要把自己制成这把仿制钥匙，去打开细胞的大门。因此，我们研究的第一步就要看看这把仿制钥匙长什么样。同学们可能在学校里都用光学显微镜观察过宏观的动物植物切片样本，但这样的光学显微镜是不足以看清病毒这样微小入侵者的。因此，我们在实验室中运用的是大型冷冻电子显微镜。在冷冻电子显微镜里，电子枪以近光速的速度把电子发射出来，穿透样品之后，特制的照相机把信号记录下来，再通过算法对图像分类收集处理，最终复原样品的全貌。通过电子显微镜，我们看到了这个直径30纳米的病毒颗粒。30纳米大概是什么概念呢？大概2000个病毒手拉手肩并肩，才是我们头发丝的粗细。在实验的过程中，我们就像是在公安局给嫌疑犯拍照片，从正面、侧面、再背过身去拍了一系列照片。然后通过计算来复原出病毒的三维结构，细致到每个原子是如何排布的。接下来在实验室中，我们用细胞上的“锁”当做诱饵，直接把病毒送到“锁”的面前，想通过这样的方式直击病毒犯罪的第一现场，看一看病毒究竟触动了细胞上的哪一道机关。在研究的过程中，我也在试图换位思考。小小的病毒面对与之相比巨大的细胞，该选择打开哪一扇门呢？如果我是病毒，我一定会选择一扇非常保守且普遍存在的受体。因为这能保证我无论遇到哪种细胞、进入哪种组织或者器官，都有我能打开的门，从而保证我的子代有不断复制的温床。找到这扇门之后，我们突然发现，病毒打开这把“锁”的过程非常巧妙。为什么这样说呢？这里的灰色分子就是我们刚才所说的这把“锁”。病毒结合在灰色分子的黄绿色高亮的部位，而细胞内的真“钥匙”也结合在这个部位。当我发现这个问题的时候，我印象特别清楚，我的导师立刻从深夜12点到凌晨2点查阅了多篇文献，然后特别激动地跟我说：“太好了，我们很可能发现了并发症的发生机制！”为什么这么说呢？大家试想，如果病毒以同样的机制去开细胞的这把“锁”，对于“锁”来说，只知道我要开门，但是并不知道放进来的是好人还是坏人。那如果是坏人，下面的故事该如何开展呢？于是我拿实验室最常用的模式动物小鼠做起了实验。建立实验动物模型的过程就像是在开盲盒，因为导致手足口病病毒的天然宿主只有人类。意思就是在大自然中，小鼠身上并不携带这种病毒。由于感染的主要群体是幼儿，我还要拿正在吃奶的乳鼠做实验。它大概也就是我小拇指的大小，白里透粉，粉里透白，刚开始我还真不太下得去手，但只能硬着头皮摸索。摸索的第一步，就是看病毒是否进入了我的动物模型体内，特别是指尖的部位。实验的方法就跟大家测核酸类似，我们把病毒注入小鼠体内之后，去检测它指尖的病毒含量，同时利用原位杂交的方法去定位病毒。右图里这些棕色的小点点，就是病毒在这里存在的指针。第二步，是要看看病毒进入了体内之后，对指甲发育过程造成了什么样的影响。我们同样用棕色的指针来指示小鼠指甲角质化的程度。可以明显看到，病毒感染之后指甲的角质化程度明显下降了，也就是指甲的发育出现了问题。第三步，我们利用了一种可以指示这扇大门是开是关的基因工程小鼠。正常小鼠体内蓝色的信号代表这扇大门处于开启状态，指甲干细胞在不停地分化生长成为指甲。而在病毒感染后的小鼠体内，我们再也没法检测到这种信号了。这下子逻辑打通了，病毒进到了我们的体内后，通过撬这把“锁”，把“门”给关上了，从而导致了后续并发症的产生。于是，我们接下来就在思考，能否给这扇“门”再施加一个推力，用一种药物把被病毒关上的“门”再次推开，从而实现对并发症的预防呢？其实，在这扇门之后，是一条科学家们已经研究得非常透彻的通路。科学家们已经知道了如何利用各种各样的药物来控制这扇门的开关。我想，我只要从中选择一个，把它放到小鼠体内，说不定就能验证这个药物是否有效。为什么这样说呢？因为我们研究的是并发症，所以既不能施予小鼠致死剂量的病毒，又不能看不到症状。同时，药物的剂量也需要摸索，什么时间给药、多长时间给一次药、给多长时间药……太多的变量了。起初我根本不知道我能不能完成这项研究。在前几年的时间里，我们实验小组的成员每天都要与小鼠手牵手。那种与婴儿小鼠手牵手的感觉，就像是手里握着一根棉签大小的树枝，你还要每天去观察它的枝桠是否完整。于是，我跟小鼠走过了好几个春夏秋冬。终于又在一个春天，我们看到了一些枝桠折断的小可怜。持续地观察之后我们发现，它们的指甲还能持续地生长。经过反复的验证，我们终于记录下了病毒感染后小鼠指甲脱落的全部过程。从甲板与甲基质的分离，到脱落、再生，再到恢复这个过程大概需要两个月的时间。这也解释了为什么孩子们在患手足口病一段时间之后，才会有指甲脱落的现象。于是，我们基于这个模型，对药物的效果进行了验证。最终的结果让我非常开心，在小鼠感染的急性期，只要在小鼠的指尖涂抹这样的药膏就可以实现对并发症的预防。我想在座的各位家长都应该体会过给孩子喂药的不易，所以我们的药物是溶解在凡士林软膏里的，在皮肤上原位涂抹就能吸收。而感染急性期可以理解为孩子们正在发烧的阶段，我想各位家长应该不会拒绝在给孩子喂完退烧药后，再在手上抹一点油吧？只要这样简单的操作就可以预防并发症的发生，给孩子多上一份“保险”。当然，从科学研究、药物发现到临床上市还有一段很漫长的过程。我们通过从选择一项疾病，开始研究挖掘它的致病机制，到现在刚刚完成了对于其靶点和药物的筛选。而我们的前期工作之所以能如此顺利地进行，还要感谢我的博士后导师，清华大学的陈晔光院士。正是科学家们对于细胞工厂内各个分子如何相互作用的细节研究，才能让我们在短时间内快速地缩小药物的筛选范围，从而实现从源头解决病症。打开这个“黑箱”后，我也在反思，想看看里面有没有什么隐藏功能可以为我所用。在前期工作中，我们探究的是病毒如何关上了这扇“门”，导致了疾病发生，并通过重新开门解决了临床上的困境。我们前面也说到，这扇门后面的通路是科学家们非常关注的，这是因为在许多肿瘤细胞中，这条通路的大门是敞开的，是无法关上的。于是这又给了我们启发，我们希望拿起病毒这个武器，主动出击，去看看它能否对抗那些大门敞开的肿瘤细胞。以往科学家们学习鸟类的飞行来设计飞机，学习昆虫的感知系统来设计传感器，现在我们希望通过改造病毒，把它制成我们靶向杀伤肿瘤细胞的“武器”。其实，我们的一生都在跟各种各样的病原抗争、较量，也在一场场争斗中成长、强大。自然法则一直是我们学习的方向，期待未来能和大家一起用生命本身的力量去制服疾病。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。推荐资源
关注使用“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节、格致论道演讲活动等科普活动报名信息。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全和信息化领导小组办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
