病原體競爭預測新理論：新興菌株如何崛起

新冠疫情顯示，預測新型病原體對人類羣體的侵入情況及其產生新變種的進化潛力，對於預防未來的疫情暴發極爲關鍵。

普林斯頓大學和芝加哥大學開展的新研究發表於《科學》雜誌，提出了一個用於預測此類入侵及其對競爭病原體影響的統一理論。

“衆多不同的病原體會感染人類羣體，所以解釋菌株循環模式的差異始終是一項重大挑戰，”主要作者 Sang Woo Park 說，他是普林斯頓大學生態與進化生物學系最近的博士畢業生，也是芝加哥大學生命科學研究基金會的研究員。

“比如，流感和新冠病毒呈現出菌株替代的情況，這意味着新菌株的出現致使之前的菌株消亡。這給疫苗研發帶來了重大難題。但對於其他病原體而言，情況未必這般。比如，RSV，一種常見的呼吸道病原體，尤其在兒童中引發感冒，有兩種菌株共同傳播。”

“其他研究人員爲理解流感、新冠病毒和 RSV 之間的病原體競爭提供了關鍵見解，”Park 說。“相反，我們期望開發出一個單一且統一的理論，能夠解釋爲何我們在某些病原體中能看到菌株替代，而在其他病原體中卻看不到。”

“開發一個統一的理論非常重要，因爲這能讓我們對不同的病原體進行比較，並找出導致病原體之間菌株傳播模式存在差異的機制，” 合著者 C. 傑西卡·梅特卡夫（C. Jessica Metcalf）說道，她是普林斯頓大學生態學與進化生物學及公共事務教授，也是普林斯頓高草地環境研究所的相關教員。

在這篇論文裡，作者對來自羣落生態學的經典理論進行了擴展，用於預測物種競爭的結果。他們表明，同樣的想法可以應用於比較相互競爭的病原體菌株，並預測新菌株是否會取代其競爭對手。

“從生態學的術語來講，一個菌株在已經有另一個菌株存在的羣體中進行傳播的能力，是菌株共同傳播的關鍵預測因素，” 合著者喬納森·萊文（Jonathan Levine）說道，他是普林斯頓大學環境研究的 J.N. 艾利森教授、生態學與進化生物學系主任，也是高草地環境研究所的相關教員。

“令人驚訝的是，我們的模型預測，在常見人類病原體（如流感和新冠病毒）存在競爭菌株的情況下，大多數競爭菌株都能傳播，”布萊恩·格倫費爾說道，他是這篇論文的資深作者，也是普林斯頓大學的凱瑟琳·布里格和薩拉·芬頓生態學與進化生物學及公共事務教授，同時也是高草地環境研究所的相關教職人員。

“這一結果最初看似與在流感和新冠病毒中觀察到的菌株替換情況相矛盾。相反，這項研究表明，預測菌株共同傳播還有另一層複雜性。”

該研究發現，菌株共存還要求兩個競爭菌株在最初入侵之後能在種羣中持續存在。作者隨後表明，人羣層面的免疫力能夠預測新菌株和舊菌株是否會留在人羣中，以及最終是否會共同傳播。

帕克說：“當一種新的毒株首次進入人羣，它會感染衆多人，讓他們獲得免疫力。”

這種免疫力的逐步形成會阻止該毒株再次侵入人羣，一直到人羣中由於出生或者免疫力減退而出現數量充足的易感個體。

合著者、芝加哥大學生態與進化系的莎拉·科比教授說道：“疫情爆發後，易感人羣增長的速度是決定再次爆發可能性的關鍵因素，進而也決定了毒株共同傳播的能力。”

總的來講，這項工作表明有許多病原體具備入侵人羣的潛力，”帕克補充說。

這項工作凸顯了了解不同病原體之間的相互作用對於預測未來疫情以及進行預防的重要性。