Nat Commun | 高致病性H5禽流感病毒从暴发到地方性流行的演变机制

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高致病性禽流感病毒的持续传播对全球家禽业和公共卫生构成重大威胁。为何病毒在大多数地区被成功消灭，却在少数地区演变为地方性流行？一项最新研究通过高分辨率系统发育地理学模型，揭示了病毒在中国台湾建立地方性流行的关键机制：即传播动力学从多中心扩散向单一“源”辐射的根本性转变，以及宿主生态位从水禽到鸡主导的转换。

-文献速递-
标题：From emergence to endemicity of highly pathogenic H5 avian influenza viruses in Taiwan
台湾高致病性 H5 禽流感病毒的出现到流行
通讯单位：英国格拉斯哥大学生物多样性学院
期刊：Nature Comminications
分区：综合一区/JCR Q1
影响因子：15.7（2024）/17.2（5年）
发表时间：2024.10.29


一、 研究背景与核心问题

高致病性禽流感病毒，特别是A/Goose/Guangdong/1/96-like H5N1病毒，自1996年出现以来，对全球家禽业和公共卫生构成持续威胁。大多数国家在病毒传入后能通过控制措施将其扑灭，但少数国家（如孟加拉国、中国、印度、印度尼西亚和越南）的病毒已演变为地方性流行。然而，病毒从“传入”到“地方性流行”的机制驱动因素尚不明确。

本研究聚焦于clade 2.3.4.4c病毒在中国台湾的传播动态。该病毒于2015年初在中国台湾引发大规模疫情，并在其他国家和地区被消灭后，唯独在中国台湾持续传播至2019年及以后，为研究病毒如何建立地方性流行提供了一个独特的案例。

核心科学问题：H5高致病性禽流感病毒在中国台湾是如何从暴发流行过渡到地方性流行的？其传播动力学和生态驱动因素是什么？

二、 研究方法

本研究采用了多学科交叉的研究方法，核心是系统发育地理学。

1. 全球持久性分析：

• 数据：收集截至2022年10月17日NCBI与GISAID上的H5病毒血凝素基因序列。
• 方法：构建时间尺度系统发育树，识别由引入事件产生的后代亚谱系，并计算其持续传播时间。
• 目的：将台湾的疫情置于全球背景下，确认其属于少数持续传播超过3年的亚谱系之一。
  

图1 GsGd爆发谱系的持续时间

2. 台湾Clade 2.3.4.4c的精细演化史重建

• 数据：整理了2015年1月至2019年3月期间台湾clade 2.3.4.4c病毒的252条HA基因序列（主要为H5N2, H5N8亚型）。
• 关键方法：时间异质性速率模型：研究者将时间划分为两个流行病学阶段：
  
  • T1（流行期）：2015年1月 – 2016年8月（初始大规模疫情）。
    
  • T2（地方性流行期）：2016年9月 – 2019年3月（疫情变得零星且反复）。
    
• 分别使用连续空间和离散空间的系统发育地理学模型，重建病毒在台湾各县市之间的传播路径。
• 处理采样偏差：对在屠宰场或化制厂采集的样本，其地理位置先验概率根据疫情报告数据进行校正，以更准确地反映病毒起源农场的位置。还通过降采样云林县的序列来验证结果的稳健性。
  

图2 2015年至2019年台湾出现高致病性禽流感GsGd分支2.3.4.4c及其后的流行

3. 驱动因素分析

• 方法：系统发育广义线性模型
• 预测因子：包括地理距离、是否接壤、养禽场数量、家禽种群、养殖异质性（辛普森指数）、耕地面积、序列样本量等。
• 目的：量化这些因素对病毒传播风险的影响。
  

4. 宿主生态转换分析

• 方法：将序列按宿主类型（雁形目：鸭/鹅；鸡形目：鸡/火鸡/鹌鹑）分类，同样使用离散系统发育地理学模型分析T1和T2时期病毒在两个宿主群之间的传播方向。
• 选择压力分析：使用SLAC和MEME方法检测HA和NA基因上的正向选择位点，以评估是否存在宿主适应性进化。
  

图3 2015年至2019年台湾分支2.3.4.4c扩散的重建

三、 核心发现与结果解析

1. 地理传播模式的根本性转变：从多中心扩散到单中心辐射

这是本研究最关键的发现。病毒在台湾的传播动力学在两个阶段表现出截然不同的模式。

• T1（流行期）：病毒传播网络复杂，多个县市（如云林YL、彰化CH、屏东PT）均是疫情扩散的源头，彼此之间存在频繁的、双向的病毒交换。这表明疫情初期病毒在全岛范围内快速、广泛地传播。
  

• T2（地方性流行期）：传播模式发生剧变。几乎所有有统计学支持的传播路线都源自单一县市——云林县。云林成为了维持病毒在台湾持续存在的“源”，不断向其他“汇”地区辐射病毒。系统发育树的“主干”也持续存在于云林县。
  

图4 台湾分支2.3.4.4c病毒在第一波流行和随后向地方性转变期间的主要扩散途径示意图

2. 地方性热点的预测价值

研究者利用系统发育地理学推断出的病毒位置（节点），在云林县地图上定义了“地方性热点”区域（以推断点为中心，1公里为半径的缓冲区）。

• 发现：2019年至2022年间（即基因组数据截止日期之后）在云林县新发生的H5高致病性禽流感疫情，有超过50% 位于这些系统发育学定义的热点区域内；若结合同期疫情报告地点定义热点，预测率可超过70%。而这些热点区域仅占云林县总面积的不到20%。
• 意义：这表明病毒在云林县形成了空间上高度集中的持久性疫源地。控制措施的失败导致病毒在这些特定区域持续存在，并成为后续疫情复发的源头。
  

图5 分支2.3.4.4c病毒在台湾县/市之间扩散的潜在预测因素

3. 宿主生态的转变：从水禽主导到鸡主导的传播

• T1（流行期）：病毒传播是双向的，但主要是从水禽（雁形目）向陆禽（鸡形目，主要是鸡）传播。这与2015年台湾鹅群中爆发严重疫情的报告相符。
• T2（地方性流行期）：传播模式转变为鸡主导的循环。从水禽到陆禽的传播路径不再具有统计学支持。系统发育树的主干也始终由在鸡群中传播的病毒谱系维持。
  

• 重要补充：选择压力分析并未发现病毒HA和NA基因有强烈的宿主适应性进化信号。因此，这种宿主生态的转变更可能由养鸡场的生产实践、生物安全水平或贸易网络等未知因素驱动，而非病毒本身的遗传适应性。
  

图6 云林县再次爆发H5高致病性禽流感疫情的空间分布评价

4. 风险因素分析

GLM模型未能识别出如地理距离、养禽场数量等共同的农业风险因子是病毒传播的显著预测因子。相反，模型突出了地点特异性随机效应的重要性，特别是指向和来自云林县的传播路线具有显著正效应。这间接支持了核心发现1，即地方性流行的建立是由云林县这个特定地点的独特因素驱动的，而非全岛共有的风险因素。

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图7 在台湾从流行到地方流行的转变过程中，传播从主要的家禽转移到鸡肉，传播量为2.3.4.4c

四、 结论

Clade 2.3.4.4c H5病毒在台湾从暴发流行到地方性流行的转变，其机制是形成了 “源-汇”动力学。云林县作为核心的“源”，由于当地无法有效中断病毒传播，形成了持久性热点，持续向全台其他“汇”地区输送病毒。同时，病毒的维持从水禽宿主生态位转变为鸡宿主生态位。

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cite：Li YT, Ko HY, Hughes J, et al. From emergence to endemicity of highly pathogenic H5 avian influenza viruses in Taiwan. Nat Commun. 2024;15(1):9348. Published 2024 Oct 29.

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来源：medsearch

常老师

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