轮状病毒剂量-反应评估的更新：纳入宿主免疫力的单次击中模型再分析

《Microbial Risk Analysis》：Updated Rotavirus Dose-response Assessment Incorporating Host Immunity

　　

摘要专业翻译 轮状病毒（Rotavirus, RV）喂养试验数据提示试验受试者中存在部分免疫个体。本研究通过引入正式的免疫力参数更新了轮状病毒的剂量-反应（dose-response）模型。分析结果表明，先前报道的轮状病毒单次击中概率（single-hit probability）可能被高估。更新后的模型与喂养试验数据一致，并为轮状病毒的定量微生物风险评估（quantitative microbial risk assessment, QMRA）提供了更高的准确性。研究人员将模型分别拟合至以聚焦形成单位（focus forming unit, FFU）和病毒粒子（virion）为剂量单位表达的数据，并对两种剂量单位下的模型拟合结果进行了对比分析。

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一、研究背景与问题

轮状病毒是一种无包膜双链RNA病毒，是引发人类尤其是儿童胃肠道感染的重要病原体。尽管自2000年代中期以来广泛推行疫苗接种，轮状病毒仍每年导致全球超过20万人死亡，其中以5岁以下儿童和70岁以上成人死亡率最高。轮状病毒被世界卫生组织（WHO）在《饮用水水质准则》（第4版）中推荐为定量微生物风险评估（QMRA）的参考病原体，其剂量-反应模型在废水回用、地表水娱乐、灌溉农产品污染及饮用水安全等研究中被广泛使用。

既往针对轮状病毒的剂量-反应模型主要包括近似贝塔-泊松（approximate beta-Poisson）模型和精确贝塔-泊松（exact beta-Poisson）模型，二者均基于同一项志愿者喂养试验（Ward et al., 1986）。精确贝塔-泊松模型拟合得到的参数（α=0.167, β=0.191）均小于1，这一参数区间暗示研究受试者中存在免疫亚群——模型将受试者二分为几乎完全免疫和几乎完全易感两类人群。然而，此前尚无研究采用包含显式免疫力参数（形式为P=(1–φ)×f(D)，其中φ为完全免疫人群比例）的模型来重新拟合轮状病毒剂量-反应数据。因此，既往轮状病毒风险表征可能因剂量-反应模型对免疫力的错误表征而存在未知程度的偏倚。

二、研究目的

本研究旨在基于单次击中剂量-反应模型中关于免疫力的新理论，重新分析Ward et al.（1986）的轮状病毒剂量-反应数据，提供关于这些数据所支持的最佳模型的最新指导，并识别未考虑免疫力的早期剂量-反应模型可能存在的偏倚。

三、主要技术方法

研究人员采用最大似然估计（maximum likelihood estimation, MLE）进行参数估计，并通过马尔可夫链蒙特卡洛（Markov chain Monte Carlo, MCMC）模拟（Metropolis算法）进行不确定性评估。模型拟合优度通过偏差信息准则（deviance information criterion, DIC）进行比较。对于嵌套模型，采用参数自助似然比检验（bootstrap likelihood ratio test）进行统计比较，以规避小样本量、数据离散性及参数边界效应导致的卡方分布近似失效问题。数据来源为Ward et al.（1986）的对照喂养试验，涉及57名健康成年男性受试者，覆盖8个剂量水平，剂量分别以聚焦形成单位（FFU）和病毒粒子（virion）两种单位表达。

四、研究结果

4.1 基于FFU剂量单位的MCMC分析

研究人员将五种单次击中剂量-反应模型拟合至Ward et al.（1986）的轮状病毒喂养试验数据。精确贝塔-泊松模型的最大似然估计（α=0.17, β=0.19）与此前Teunis和Havelaar（2000）的报道（α=0.167, β=0.191）一致。在MCMC分析中，精确贝塔-泊松含免疫力模型在10,000次迭代中退化至多种更简模型形式：指数含免疫力模型占5,532次（55.3%），含免疫力项的模型合计占80%，精确贝塔-泊松模型约占20%。基于DIC比较，指数模型拟合较差（DIC=139.0），其余四种模型拟合良好（DIC范围为18.7至22.2），其中指数含免疫力模型DIC最低（18.7）。值得注意的是，指数含免疫力模型估计的非免疫宿主单次击中概率E[r]=0.21，仅为精确贝塔-泊松模型估计值（0.47）的一半以下，提示既往模型可能高估了非免疫宿主的易感性。

4.2 基于病毒粒子剂量单位的MCMC分析

当剂量单位从FFU转换为病毒粒子时，指数模型和指数含免疫力模型的参数r下降了约4个数量级，与试验中报道的病毒粒子/FFU比值（15,600）一致。精确贝塔-泊松和精确贝塔-泊松含免疫力模型的E[r]同样下降了约4个数量级。分数泊松（fractional Poisson）模型是唯一无法沿剂量轴平移以适应单位变化的模型，因此对病毒粒子数据拟合较差（DIC=53.6）。在病毒粒子剂量单位下，含免疫力项的模型在超过90%的MCMC迭代中被优先选择，精确贝塔-泊松模型仅占约9%。

4.3 自助似然比检验的模型比较

自助似然比检验结果在两种剂量单位下一致。分数泊松模型和指数模型在与任何比较模型的检验中均被显著拒绝（p值≈0），表明拟合较差。精确贝塔-泊松含免疫力模型相对于指数含免疫力模型无显著改进（p值≈1，与更一般模型退化至简化模型一致），相对于精确贝塔-泊松模型也无显著改进（FFU和病毒粒子数据的p值分别为0.359和0.328）。因此，指数含免疫力模型和精确贝塔-泊松模型是两种最佳候选模型，但二者为非嵌套模型，无法通过似然比检验直接比较。然而，在两种剂量单位下，指数含免疫力模型均以相同参数数量取得了比精确贝塔-泊松模型更高的最大似然值。

五、讨论总结

5.1 剂量-反应模型中免疫力的表征

在QMRA的单次击中剂量-反应模型中，表征免疫力的机制一致性形式为P=(1–φ)×f(D)。分数泊松模型将f(D)仅表示为暴露的函数，假设所有非免疫受试者在足够高剂量下必然感染；指数含免疫力模型将f(D)表示为暴露和宿主易感性的函数；精确贝塔-泊松含免疫力模型进一步通过贝塔分布引入宿主间易感性的变异性。研究人员强调，添加免疫力参数需谨慎，因为该参数可能充当调参项以补偿候选模型在高剂量数据不足时的拟合缺陷。高剂量数据平台低于100%强烈支持免疫力的存在；在本研究数据中，感染频率在最初几个剂量水平急剧上升，随后在跨越三个数量级剂量的四个剂量组中维持在71%–88%之间。尽管最高剂量组达到100%感染率，但该组仅含3名受试者，此结果可能具有随机性。

5.2 模型拟合的统计评估

多种模型对Ward et al.（1986）数据的拟合均较好，且并非所有模型均为嵌套关系。指数含免疫力模型与精确贝塔-泊松模型之间的选择尤为困难，因为二者DIC和最大似然值均相近。精确贝塔-泊松模型可通过将人群划分为接近完全免疫（r接近0）和接近完全易感（r接近1）来补偿免疫力的缺失，这解释了两种模型均能良好拟合数据的原因。研究人员利用精确贝塔-泊松含免疫力模型作为中间桥梁——该模型可退化为指数含免疫力模型或精确贝塔-泊松模型——在MCMC分析中，该模型在两种剂量单位下均明显倾向于退化至指数含免疫力模型，尽管先验分布强烈偏向于较小的免疫力参数值。精确贝塔-泊松模型对持续低于100%的高剂量平台数据的拟合会导致贝塔分布形状参数均小于1，人为地将许多宿主的易感性提升至接近100%，因为这是该模型反映免疫力的唯一途径。

5.3 与原始喂养研究的一致性

本研究结果提示Ward et al.（1986）研究受试者中存在免疫力，这与该研究筛选受试者的程序一致。受试者筛选所用毒株为组织培养适应株，但试验开始后发现该筛选毒株与挑战毒株不同——筛选毒株是挑战毒株与第三种轮状病毒毒株的重配体。因此，尽管Ward et al.最初努力排除有免疫力的受试者，纳入研究的受试者仍可能对挑战毒株具有获得性免疫。Ward et al.提供的血清学证据显示许多受试者曾暴露于挑战毒株，血清中和抗体滴度最高达1,600（几何均值为97.7），而筛选时仅召回滴度≤30的受试者，提示滴度>30可视为既往暴露和可能获得性免疫的证据。

5.4 剂量单位：病毒粒子与FFU

感染性测定（FFU）可能低估感染性病毒颗粒数量，因为感染性测定常在较高的感染复数（multiplicity of infection）下进行，多个病毒可能对应一个FFU；且Ward et al.使用MA104细胞量化未经传代的人轮状病毒，非培养适应株感染MA104细胞的效率较低。另一方面，病毒粒子计数可能高估感染性剂量，因为形态完整的衣壳并不保证病毒具有活力。因此，真实感染性剂量可能介于两种测量之间。Ward et al.报道的粒子/FFU比值为15,600，远高于其他研究中报道的数值（如1,312粒子/FFU和630完整粒子/TCID₅₀），可能反映了高感染复数或低平均感染性的影响。同时纳入FFU和病毒粒子两种剂量单位为评估竞争模型提供了稳健的证据基础。

5.5 对QMRA的启示

本分析提供了令人信服但非决定性的统计证据，表明既往对Ward et al.（1986）数据的轮状病毒剂量-反应理解可能过度局限于免疫与接近完全易感之间的极化，原因在于广泛使用的（精确）贝塔-泊松模型遗漏了免疫力参数。指数含免疫力模型是这些数据的最佳拟合模型，无论使用何种剂量单位。然而，将该模型直接应用于QMRA存在关于拟合免疫力参数（0.16）对其他人群代表性的问题。研究人员建议在QMRA应用中应将免疫力参数设为零，以反映非免疫个体所面临的风险。据此，推荐使用r=0.21（FFU剂量）或r=1.3×10^-5（病毒粒子剂量）的指数剂量-反应模型。研究人员指出，如果>90%的病毒确实具有感染性，则基于轮状病毒剂量-反应制定的饮用水处理要求可能过高达3个对数（log）级别。

六、研究结论翻译

基于FFU和病毒粒子两种剂量单位的分析结果一致表明，在与备选单次击中模型比较时，指数含免疫力模型是轮状病毒的最佳拟合模型。支持这一结论的证据包括偏差信息准则、贝叶斯后验分布分析及似然比检验。喂养研究受试者中的免疫力也与筛选程序一致。指数含免疫力模型估计的非免疫宿主轮状病毒单次击中概率比既往基于FFU剂量的估计低2倍；若病毒粒子剂量更接近临床试验中实际施予受试者的感染性单位数量，则该概率低数个数量级。在QMRA应用中，建议将指数含免疫力模型中的免疫力参数（无论FFU还是病毒粒子剂量更适合于具体应用场景）设为零，以反映非免疫个体所面临的风险。