全球冠狀病毒研究態(tài)勢分析及其啟示

陳大明， 趙曉勤， 繆有剛， 毛開云， 熊 燕*

1. 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所，上海 200031 2. 上海圖書館(上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所)，上海 200031

2019年12月以來，湖北省武漢市陸續(xù)出現(xiàn)不明原因的肺炎病例，經(jīng)各方研究，最終被確定為一種新型冠狀病毒感染所致。為此，世界衛(wèi)生組織將該病毒暫時(shí)命名為“2019新型冠狀病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)”。2020年2月8日，國家衛(wèi)生健康委員會決定將“新型冠狀病毒感染的肺炎”暫命名為“新型冠狀病毒肺炎”，簡稱“新冠肺炎”(novel coronavirus pneumonia, NCP)。NCP的肆虐嚴(yán)重威脅人類健康，給我國經(jīng)濟(jì)、社會帶來了沉重的負(fù)擔(dān)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，與之相應(yīng)的病毒溯源、傳播機(jī)制和防控策略等方面的研究成為重大需求。NCP與歷史上發(fā)生的嚴(yán)重急性呼吸綜合征(severe acute respiratory syndrome, SARS)、中東呼吸綜合征(Middle East respiratory syndrome, MERS)一樣，均由冠狀病毒(coronaviruses，CoVs)的感染引起。因而，針對CoVs已有研究進(jìn)行梳理和總結(jié)，對當(dāng)下NCP的防控研究或具有啟示作用。

CoVs是外包有囊膜的單股正鏈RNA病毒，在系統(tǒng)分類上屬巢狀病毒目(Nidovirales)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、冠狀病毒亞科(Coronavirinae)。2011年，國際病毒學(xué)分類委員會(International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV)將冠狀病毒亞科又分為α、β、γ、δ 4個(gè)屬。自1937年分離出第一種冠狀病毒——禽類傳染性支氣管炎病毒(infectious bronchitis virus，IBV)以來，人類研究CoVs已有數(shù)十年的歷史。2003年以來，嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronaviruses，SARS-CoV)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome coronaviruses，MERS-CoV)和2019-nCoV感染導(dǎo)致的疫情均引發(fā)了全世界的關(guān)注。

本文基于文獻(xiàn)計(jì)量、引文分析和知識圖譜等方法，就全球CoVs研究的學(xué)科和主題內(nèi)容進(jìn)行分析，以期總結(jié)全球CoVs研究的基本態(tài)勢，為當(dāng)下及今后CoVs所致疾病的疫情防控提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及分析

1.1 數(shù)據(jù)來源 選取Web of Science?數(shù)據(jù)庫作為主要的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源，以“冠狀病毒”及其各個(gè)屬為主題，在“Web of Science核心合集”中選擇“高級檢索”進(jìn)行檢索(檢索時(shí)間為2020年1月28日)，文獻(xiàn)類型限定為“Article”“Review”和“Letter”，出版年限定為2000年至2019年。檢查策略見表1。

表1 文獻(xiàn)檢索策略

1.2 分析方法 采用文獻(xiàn)計(jì)量、聚類分類等方法對文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并運(yùn)用引文分析和內(nèi)容分析法進(jìn)一步開展分析，闡述研究產(chǎn)出的分布、前沿和趨勢。首先，運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量法，對文獻(xiàn)的年度分布、學(xué)科領(lǐng)域分布、主題分布等進(jìn)行分析。其中，主題分析運(yùn)用引文分析法，根據(jù)引證關(guān)系篩選出100篇高被引文獻(xiàn)(其中2016年前的文獻(xiàn)被引頻次均為100次以上，2016—2019年的文獻(xiàn)根據(jù)引證關(guān)系選擇年度的高被引文獻(xiàn))，并根據(jù)文獻(xiàn)間的引證關(guān)系總結(jié)其研究主題。其次，再通過內(nèi)容分析與聚類分析，繪制CoVs研究的知識圖譜。最后，再基于國內(nèi)外研究背景和熱點(diǎn)的綜合分析，梳理CoVs的主要研究動向，總結(jié)由其帶來的啟示。

2 冠狀病毒研究的論文產(chǎn)出

2.1 年度分布 20世紀(jì)60年代，在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩種CoVs——人冠狀病毒229E(human coronavirus 229E， HCoV-229E)和人冠狀病毒OC43(human coronavirus OC43， HCoV-OC43)，分屬于α冠狀病毒和β冠狀病毒，其感染所致疾病均為普通感冒。直到2003年前，在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的CoVs仍僅有這兩種，因而全球CoVs的研究論文產(chǎn)出始終維持在較低的水平。2003年SARS暴發(fā)后，CoVs的研究在短期內(nèi)成為焦點(diǎn)，隨后逐年下降。2012年，MERS暴發(fā)后，CoVs再次引發(fā)關(guān)注，并在幾年內(nèi)再度成為全球病毒研究的熱點(diǎn)。2003年之前，β冠狀病毒的研究在α、β、γ、δ 4個(gè)屬中最多，而SARS-CoV、MERS-CoV又均為β冠狀病毒，因而全球CoVs的研究論文總量與β冠狀病毒研究論文量變化趨勢總體一致。2019年底發(fā)現(xiàn)的2019-nCoV也屬β冠狀病毒，可以預(yù)見，2020年全球β冠狀病毒研究論文，以及CoVs的研究總體都將呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，論文發(fā)表量或?qū)⒊?003年的規(guī)模(圖1)。

圖1 2000—2019年全球冠狀病毒研究論文產(chǎn)出的年度變化

2.2 國家(地區(qū))分布 全球CoVs的研究以美國和中國較多。2003年SARS疫情暴發(fā)后，中國有關(guān)CoVs的研究論文快速增長，此后總體上與美國維持同一數(shù)量級的水平。近年來，美國的CoVs研究論文量基本在每年250～300篇，而中國的研究論文產(chǎn)出量整體呈上升的態(tài)勢，至2019年，論文量已與美國大體相當(dāng)(圖2)。其中，2019年中國的α冠狀病毒研究的論文量(121篇)是美國(56篇)的2倍，而β冠狀病毒的研究論文量則少于美國。2019年NCP暴發(fā)后，中國更加關(guān)注β冠狀病毒的研究，預(yù)計(jì)研究論文量的增長趨勢仍將延續(xù)。

2.3 主題分布 近20年來，一批高水平的研究論文得到發(fā)表，通過其引證關(guān)系可以了解冠狀病毒研究主題的發(fā)展脈絡(luò)(圖3)[1-100]。2003年對嚴(yán)重急性呼吸綜合征的病原體SARS冠狀病毒(SARS-CoV)的研究，是高被引論文發(fā)表的起點(diǎn)[1-4]。此后，研究者對SARS-CoV開展了基因組和分子進(jìn)化方面的研究[15-17,28]，探討SARS的動物傳染源[23-24,41-42]，研究SARS傳播模型及其公共衛(wèi)生主題[21,26-27,43,56]，研發(fā)SARS疫苗[32-33,40]和抗SARS的中和抗體[29]，發(fā)現(xiàn)相關(guān)受體[25,34-37]及小分子藥物篩選[22,38-39]。其中， SARS-CoV的傳染源和貯存宿主的重點(diǎn)聚集于中華菊頭蝠等蝙蝠[41-42]。繼SARS-CoV之后，研究者分別于2004年和2005年發(fā)現(xiàn)了人冠狀病毒NL63[54]和HKU1[55]。2012年12月發(fā)現(xiàn)了第6種人冠狀病毒，2013年世界衛(wèi)生組織將其命名為MERS-CoV[59-61]。自此，MERS-CoV研究相關(guān)的高被引論文[62-78]產(chǎn)出不斷增加。除SARS-CoV和MERS-CoV外，多種其他冠狀病毒研究也在近年來得到重視，如豬流行性腹瀉病毒(PEDV)的變異和進(jìn)化[86-91]即為熱點(diǎn)之一。

圖2 2000—2019年不同國家(地區(qū))冠狀病毒研究論文產(chǎn)出的年度變化

2.4 機(jī)構(gòu)分布 對SARS研究高峰期(2003—2005年)、SARS研究和MERS研究間隔期(2006—2011年)以及MERS研究和CoVs綜合研究高峰期(2012—2019年)3個(gè)階段的各個(gè)主題加以細(xì)分，分別統(tǒng)計(jì)各階段、各主題的研究論文發(fā)表較多的機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)我國香港大學(xué)的研究較為系統(tǒng)，在各個(gè)階段和各類主題均有涉及，是全球該領(lǐng)域的領(lǐng)先研究機(jī)構(gòu)，另外還有中國科學(xué)院、加拿大多倫多大學(xué)、美國加州大學(xué)等。在人冠狀病毒的臨床研究方面，中國香港和沙特的研究機(jī)構(gòu)，分別在SARS和MERS的研究中發(fā)表論文最多(圖4)。

3 冠狀病毒研究的知識圖譜

在已知的人類冠狀病毒(HCoV)中，HCoV-NL63和HCoV-229E屬于α冠狀病毒屬，HCoV-OC43、HCoV-HKU1、SARS-CoV、MERS-CoV以及2019-nCoV都屬于β冠狀病毒屬[101]。在β冠狀病毒屬中，2019-nCoV被發(fā)現(xiàn)前，關(guān)注最多、開展相關(guān)研究最多的是SARS-CoV和MERS-CoV。以SARS-CoV、MERS-CoV相關(guān)研究的高被引論文內(nèi)容分析為基礎(chǔ)，繪制了冠狀病毒研究的知識圖譜(圖5)。

病毒溯源和傳播機(jī)制的研究是SARS-CoV和MERS-CoV早期研究的重點(diǎn)。研究表明，SARS-CoV和MERS-CoV的天然宿主可能都是蝙蝠[102]，但是可能的中間宿主卻很可能不同，因而SARS-CoV和MERS-CoV如何由動物向人類傳播則是諸多研究的重點(diǎn)。從已有研究來看，果子貍和麝香貓可能是SARS-CoV的中間宿主，而MERS-CoV可能由單峰駱駝直接傳播給人[103]。然而，從天然宿主到中間宿主，再到人傳人傳播，仍然有許多環(huán)節(jié)尚待進(jìn)一步的流行病學(xué)和多學(xué)科研究加以綜合闡明。反映在知識圖譜上，對冠狀病毒的分子進(jìn)化研究、傳播機(jī)制研究和防控策略研究中，需要進(jìn)一步的有機(jī)集成。

目前，諸多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也開展了抗病毒的小分子藥物篩選以及單克隆抗體、疫苗等研究，其中靶向CoVs的表面刺突糖蛋白的研究較多，然而至今尚未成功開發(fā)出針對SARS-CoV和MERS-CoV的特效藥物[104]，且疫苗開發(fā)也面臨不少的困難[105]。表現(xiàn)在知識圖譜中，冠狀病毒的多個(gè)蛋白與RNA的復(fù)合體結(jié)構(gòu)研究仍有空白，而MERS-CoV感染的實(shí)驗(yàn)動物模型較少。雖然已建立了多個(gè)模擬SARS-CoV感染的動物模型，而且所構(gòu)建的模型充分考慮了年齡等群體差異因素(如分別建立了年輕小鼠和衰老小鼠的模型)，但MERS-CoV感染的嚙齒動物(小鼠、倉鼠和豚鼠)模型和雪貂模型建立相對較難，這在很大程度上限制了關(guān)于MERS-CoV感染的抗病毒藥物和疫苗的研發(fā)。

在SARS-CoV和MERS-CoV感染的發(fā)病機(jī)制研究方面，研究揭示CoVs蛋白的論文較多[106]。SARS-CoV和MERS-CoV的單正鏈RNA基因組都編碼表面刺突糖蛋白(S)、包膜蛋白(E)、外膜蛋白(M)和核衣殼蛋白(N)。S蛋白是病毒表面三聚體糖蛋白，引導(dǎo)CoVs進(jìn)入宿主細(xì)胞。SARS-CoV和MERS-CoV分別以人血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(ACE2)和人二肽基肽酶(DPP4，又名CD26)作為主要受體。其中，ACE2廣泛表達(dá)于肺泡、氣管、支氣管、支氣管漿液腺、肺泡單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，同時(shí)在動脈和靜脈的內(nèi)皮細(xì)胞、腸黏膜細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞也有表達(dá)。免疫病理學(xué)的研究表明，SARS-CoV和MERS-CoV都可導(dǎo)致免疫紊亂[107]。SARS-CoV感染引發(fā)的細(xì)胞因子風(fēng)暴[108]是導(dǎo)致患者病情加重乃至死亡的重要原因。因此，在尚無高效抗病毒藥物的前提下，通過調(diào)節(jié)機(jī)體狀態(tài)以提升免疫力，目前已是臨床實(shí)踐中的主要策略。在這方面，關(guān)于傳統(tǒng)中醫(yī)藥在SARS防治中的實(shí)踐應(yīng)用有不少論文發(fā)表[109-110]。

圖5 冠狀病毒研究的知識圖譜

4 展望與啟示

近20年來，全球冠狀病毒研究力度明顯提升，成果顯著，對相關(guān)傳染性疾病的防治和疫情防控發(fā)揮了重要支撐作用。雖然如此，人類對冠狀病毒及其所致疾病的了解仍然有限，存在很多未知及空白，仍有待進(jìn)一步提高，NCP的流行就是一個(gè)典型的例子?？上驳氖牵虻目茖W(xué)家尤其是中國的科學(xué)家反應(yīng)迅速，短時(shí)間內(nèi)快速分離并鑒定出病原體并提出了有效的防控措施，后續(xù)關(guān)于2019-nCoV的病毒溯源、傳播機(jī)制、病毒檢測、疾病診治以及藥物及疫苗研發(fā)和疫情評估等方面的研究也正陸續(xù)開展。梳理既往包括SARS-CoV、MERS-CoV等的研究脈絡(luò)，總結(jié)研究思路及路徑，可對當(dāng)前和未來冠狀病毒的深入研究和傳染病防控提供有益的啟示。

4.1 從流行病學(xué)研究到疾病預(yù)警和防控策略的完善 明確病毒的天然宿主和中間宿主，識別冠狀病毒的系統(tǒng)進(jìn)化特點(diǎn)，是科學(xué)有效地預(yù)警和防控策略制定的基礎(chǔ)。當(dāng)前，人們對SARS-CoV和MERS-CoV的天然宿主已有所了解，但對于SARS-CoV和MERS-CoV的傳播途徑仍尚未完全掌握，對于SARS-CoV、MERS-CoV和2019-nCoV由中間宿主向人傳播的路徑仍然有待進(jìn)一步研究。在從人到人的傳播上，針對SARS-CoV和MERS-CoV的研究[27， 111]表明，室內(nèi)環(huán)境的空氣流動、動物內(nèi)臟等廢棄物的處理等細(xì)節(jié)，同樣十分重要。此外，利用新技術(shù)、新方法完善病毒傳播模型，對病毒傳播的趨勢預(yù)估在病毒防控中也十分必要。

4.2 從免疫病理學(xué)研究到冠狀病毒感染患者的臨床診治 由于缺乏特效的抗病毒藥物，提高自身免疫力和對癥治療是應(yīng)對當(dāng)下新型冠狀病毒肺炎患者的主要舉措。目前，很多患者存在病情突然惡化或者好轉(zhuǎn)后突然進(jìn)展的現(xiàn)象，發(fā)病的免疫學(xué)機(jī)制尚不清楚，臨床處置相當(dāng)棘手，也無法預(yù)判，顯著降低了患者預(yù)后。既往SARS-CoV、MERS-CoV感染患者診治經(jīng)驗(yàn)表明，很多重癥患者體內(nèi)會出現(xiàn)細(xì)胞因子風(fēng)暴，給組織帶來嚴(yán)重?fù)p傷，引發(fā)多器官功能衰竭。細(xì)胞因子風(fēng)暴相關(guān)因子包括干擾素(IFN)、白細(xì)胞介素(IL)、趨化因子、集落刺激因子(CSF)、腫瘤壞死因子(TNF)等。目前，相關(guān)的研究已取得了不少進(jìn)展，如研究發(fā)現(xiàn)IL-6可以作為判斷疾病嚴(yán)重程度和預(yù)后指標(biāo)的重要生物標(biāo)志物[112]。然而，冠狀病毒感染引發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑尚未完全闡明，臨床治療方法和手段也有待進(jìn)一步研究。

4.3 從結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究到抗病毒抑制劑的研發(fā) 冠狀病毒對宿主細(xì)胞的附著和進(jìn)入、基因組轉(zhuǎn)錄、復(fù)制酶和結(jié)構(gòu)蛋白的翻譯等主要過程目前已經(jīng)基本明確，這為抗病毒抑制劑的開發(fā)提供了依據(jù)。然而，從病毒的復(fù)制機(jī)制到抗病毒抑制劑的開發(fā)仍有許多難題有待攻克。首先，對于N蛋白-RNA、M蛋白-RNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)了解不足[113]，冠狀病毒組裝過程的研究仍有空白，這在一定程度上限制了抗病毒抑制劑的研究開發(fā)。其次，抗冠狀病毒的研究開發(fā)中，廣譜抗病毒藥物的篩選和研究相對較多(如利巴韋林和瑞德西韋作為RNA聚合酶抑制劑已受到較多的關(guān)注)，未來針對冠狀病毒的精準(zhǔn)靶向藥物研發(fā)需要加強(qiáng)。再次，盡管針對SARS-CoV感染的實(shí)驗(yàn)動物模型構(gòu)建已取得了諸多進(jìn)展，但針對MARS-CoV感染的實(shí)驗(yàn)動物模型仍然有限。這也說明抗冠狀病毒抑制劑開發(fā)所需的臨床前研究仍存在一些短板，需要在未來的研究中加以關(guān)注。

4.4 從病毒免疫學(xué)研究到人冠狀病毒疫苗的制備 疫苗制備需要兼顧安全性、有效性和保護(hù)率，針對SARS-CoV的疫苗研發(fā)表明，結(jié)構(gòu)蛋白編碼基因中的變異給疫苗開發(fā)帶來了難題。在冠狀病毒的結(jié)構(gòu)蛋白中，S蛋白是主要的抗原成分，重組載體疫苗、DNA疫苗和亞單位疫苗的很多開發(fā)以此為基礎(chǔ)展開，其中又以基于受體結(jié)合區(qū)域(RBD)的疫苗研究最受關(guān)注。基于全長S蛋白的冠狀病毒疫苗，可能會誘導(dǎo)有害免疫反應(yīng)[114]；基于S蛋白亞單位的疫苗，免疫原性又相對較低[103]。滅活病毒疫苗、減毒活病毒疫苗的開發(fā)也存在瓶頸。目前，針對SARS-CoV的疫苗評價(jià)已有研究，分別建立了基于年輕小鼠和衰老小鼠的模型。這提示人冠狀病毒疫苗的開發(fā)需要充分考慮個(gè)體差異。因此，有待病毒免疫學(xué)的基礎(chǔ)研究進(jìn)一步取得突破，從而為人冠狀病毒疫苗的開發(fā)提供更有力的支撐。已有較多針對豬、貓、狗、牛、家禽及其他鳥類的冠狀病毒感染預(yù)防疫苗的研發(fā)，對其研究經(jīng)驗(yàn)和效果評價(jià)的總結(jié)也可為針對人冠狀病毒疫苗的開發(fā)提供一定的參考。

綜上所述，重大突發(fā)傳染病的防控是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要建立跨學(xué)科、跨部門的傳染病防控體系，才能使科學(xué)研究及其應(yīng)用更為有序、有效。這有賴于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、公共衛(wèi)生等相關(guān)學(xué)科的整合，有賴于科學(xué)研究與臨床實(shí)踐、疾病防控的協(xié)同，有賴于建立覆蓋疾病防控、醫(yī)療衛(wèi)生等多部門的全球數(shù)據(jù)信息共享和整合體系，從而為冠狀病毒的防控提供更有力的支撐。面對冠狀病毒，人類是命運(yùn)共同體。相信在全球科學(xué)家的共同努力下，我們一定能有效防控新冠肺炎，一定能戰(zhàn)勝冠狀病毒。