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科普:什么是群体免疫?否可以用来抵抗新冠病毒?

时间:2020-03-16 14:19:50       来源:知识分子

3月13日,英国政府首席科学家帕特里克·瓦伦斯(Patrick Vallence)在接受BBC Radio 4采访时提出了一个“群体免疫”的概念,让世界为之哗然。

对公众而言,个体免疫是一个熟悉的名词,但群体免疫却是一个陌生的概念。那么什么是群体免疫,它是否可以用来抵抗新冠病毒呢?

什么是群体免疫

群体免疫(herd immunity、population immunity、community immunity)指的是因为个体免疫的存在而保护一个群体免受某种传染病的侵害 [1]。

科学的定义有时候很晦涩,让公众难以一下理解,这也就是科普存在的必要性所在。让我试着慢慢把它解释清楚。

先说这里的个体免疫指的是什么。

个体免疫指的是个人对病原体(比如病毒)有了免疫力,产生了针对病毒的抗体和特异性T细胞。这种免疫力可以通过两种方式获得,一是被病毒感染后痊愈,二是接种有效的疫苗。

当一个人对病毒有了免疫力,病毒再来到他(她)的身体里的时候,就很快会被消灭。这样的个体免疫就是群体免疫的基础。

可能有人会问,个人有了免疫力也只能是保护自己啊,如何能够去保护没有免疫力的人呢?

请看下面的这张图:

群体免疫是什么,它能用来防疫新冠病毒吗?

群体免疫的效应原理(绘图:商周)

先解释一下图中的各种符号,绿色的人脸代表的是对病毒有免疫力了的人(通过之前的感染或者接种疫苗获得的),淡蓝色人脸代表是对病毒还没有免疫力的人(没有被感染过也没有接种疫苗),而红色的人脸代表的是被病毒感染后得病的人(可能有症状、也可能没有症状)。图中的那个菱形标志代表的就是病毒。

如果病毒是随机传播的,而且无处不在,那么个人的免疫力只能保护自己免受病毒侵害。就像图A里显示的那样,10个人里假设有6个人有免疫力,剩下4个人没有,那么这4个人将会被病毒感染得病。

但在现实的世界里,病毒的感染并不是随机的,更不是无处不在。因为病毒需要在宿主细胞里繁殖,病毒的传染也是在人和人之间以某种方式进行的。所以一般来说一个传染源只能把病毒传给附近的人。

假设一个病毒的基本传染数(R0)是2,也就是说一个人被病毒感染后可以进一步把病毒传给2个人。那么,情况就会像图中B里显示的那样,10个人里依然是6个人对这个病毒有免疫力,4个人没有。假设其中1个没有免疫力的人被病毒感染得病,然后他把病毒传给了附近的两个人,而这两个人对病毒有免疫力。在这种情况下,病毒就不能够继续传染下去,随着那个最初被感染的人的死亡或痊愈,病毒也就自然消亡。

就这样,虽然10个人里依然有3个人对这个病毒没有免疫力,但他们不会被感染而得病,原因就是因为其他个体有了免疫力而对整个群体都有了保护作用。

上面就是群体免疫的原理。

看到上面的解释,有些读者可能会说,在上面的图里如果那个病人把病毒传给了那三个没有免疫力的人,那传染不就依然可以发生吗?

的确,这种情况的确可能存在,问题是出现的概率。所以,群体免疫的效果取决于两个因素:一是群体里对病毒有免疫力的人的比例(越高越好),二是病毒的基本传染数(越低越好)。

根据病毒的基本传染数,我们大致可以估算出群体里需要多少比例的人有免疫力才能控制这种病毒的流行。

群体免疫是什么,它能用来防疫新冠病毒吗?

常见传染病的群体免疫阈值(数据来源:Wikipedia)

从上图中我们可以看到,当一个传染病的基本传染数越高,群体免疫阈值也就越大。换句话说,当一个病毒能够由一个人传染给其他人,可以传染的人数越多,在群体水平上要控制这个病毒就需要更高比例的人有免疫力。

说到这里总结一下:个体免疫是群体免疫的基础,但两者很不相同。个体免疫是通过对病毒的生物学反应起作用,从而将病毒清除;而群体免疫是通过阻断病毒在人与人之间的传播起作用,从而让病毒消亡。

群体免疫不仅是一个理论,而且可以应用到实处。天花病毒的消灭就是一个好的例子:天花疫苗的接种并没有达到100%,而且也不是100%的天花疫苗接种都有效,但只要人群里有90%的人因为疫苗接种而有了免疫力的时候,天花就会因此而消亡。

但无论是面对个体免疫还是群体免疫,病毒都不会束手就擒。就像反击人体免疫系统一样,病毒对群体免疫也会做出相应的反应。

病毒对群体免疫的对策

从科学层面来说,无论是个体免疫还是群体免疫,对病毒都是一种很强的选择压力,这种选择压力将让病毒产生适应性的变化,从而让自己生存下去。病毒为了活命,需要做出改变。如果不改变或者改变的不够,病毒就得消亡。只有那些做出了有效改变的病毒才能继续生存下去。

面对群体免疫,病毒做出的最有效的改变是抗原漂移(antigenic drift)[2]。抗原漂移指的是病毒通过改变自己的基因,让蛋白的序列和结构改变,当蛋白改变得让原本有免疫力的人识别不了的时候,这就是抗原漂移。因为原本有免疫力的人不再能识别这些改变了的病毒,那么群体免疫的基础就失效了。

什么样的病毒有“抗原漂移”的能力呢?要产生抗原漂移,病毒必须要有比较高的突变能力。按照核酸的类型,病毒可以分为两类:DNA病毒和RNA病毒。其中DNA病毒发生基因突变的概率较低,而RNA病毒发生变异的概率就高得多 [3]。

DNA病毒的代表是乙肝病毒和天花病毒,正是因为他们变异得慢,人类开发得疫苗容易持久有效,于是天花灭绝了,乙肝也大大地受到了控制。

RNA病毒则不同,因为它们的突变率很高。

在这方面最好的例子是流感病毒。季节性流感的基本传染数只有1.3左右,从理论上来说,只要有30%的人对流感病毒有了免疫力,那么流感病毒就难以在人群里传播下去。但流感病毒善变,能够快速地发生抗原漂移,于是流感一直都会发生 [4] 。

新冠病毒是RNA病毒,虽然我们不能预测它是否会像流感一样变异,但它潜在的高变异能力是我们需要考虑的。

那么,我们如果用群体免疫的策略来对付新冠病毒会如何呢?

新冠病毒和群体免疫

无论用哪种方法来控制病毒的传染都要付出代价,付出代价更小的方法才是可取的方案。

新冠病毒的基本传染指数在2.3左右[5] ,如果用群体免疫来控制它的流行,那么大约需要让60-70%左右的人有针对这个病毒的免疫力才行。新冠肺炎会导致15%左右的重症患者、还有随之而来大约2%的病死率[5](注:这两个值可能比实际要高,因为有些轻症患者没有被检测到),这就是要付出的代价。

因为现在还没有新冠病毒的疫苗,假设英国真的要采用让人自然感染的方式来逐渐获得群体免疫这个策略来应对新冠病毒,那么6600万人口的英国将陆续迎来数以百万的重症患者,还有数以十万计的死亡。

而且,以上估算还有两个前提:新冠病毒不发生抗原漂移、人在感染后会产生长时间的保护免疫。如果新冠病毒发生了变异导致了抗原漂移,或者人对新冠病毒的免疫不能够长久有效,那么人类面临的代价将会更高。

我们目前还不清楚人们感染新冠病毒后的免疫力能保持多久,作为RNA病毒的新冠病毒也存在着“抗原漂移”的可能。

当然,就像上面说的,群体免疫的获得除了自然感染外,还有接种疫苗的方法,这也是众多公司正在努力开发疫苗的原因。尽快开发出有效的疫苗,在病毒没有发生抗原漂移之前诱导群体免疫,无疑是在群体水平上控制这个病毒的有效办法。

但对于一个新的病毒,开发疫苗需要时间。现在全世界面临的紧急问题是,如何去控制病毒的传播。

中国为了控制病毒,采取了历史上前所未有的严格防控的措施,而且以及初步把病毒控制的下来。与此同时,中国人民为此付出了巨大的代价。

每个国家国情不同,中国的经验很难在其它国家复制。中国的防控经验最大的启示,可能就是这个病毒可以控制。

除了中国以外,还有一些在新冠防控方面取得了不错效果的国家,比如新加坡和韩国。这些有效防控新冠病毒的国家的措施有一些相同之处,比如尽可能地检出感染者,还有对感染者的严格隔离。这些相同之处,很可能就是控制新冠病毒上关键的所在。

病毒没有国界,防控需要全世界所有国家的努力。虽然每一个国家都可以采取适合自己的策略,但如果在防疫上采取了放弃的姿态,受害的将是整个世界。

所幸的是,英国并没有放弃(而且,英国卫生大臣已在3月15日撰文澄清,“群体防疫”并非英国的目标或战略),欧洲各国也在进一步加强对新冠病毒的防控。在有效的疫苗出现之前,全人类一起努力尽量控制新冠病毒的蔓延,才是当前需要做的事情。

参考文献

1. Fine et al. Epidemiol Rev. 1993;15(2):265-302.

2. Kanai et al. Vaccine. 2010 Jul 26;28(33):5437-44.

3. Duffy ey al. PLoS Biol. 2018 Aug 13;16(8):e3000003.

4. Boni et al. Theor Popul Biol. 2004 Mar;65(2):179-91.

5. https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/who-china-joint-mission-on-covid-19-final-report.pdf