综述：基于无序列比对的机器学习方法对登革热病毒血清型的分类

《Viruses》：Alignment-Free Machine Learning Serotype Classification of the Dengue Virus Vladimir Gajdov, Isidora Prosic, Mihaela Kavran, Filip Bosilkov, Tamas Petrovic, Jelena Konstantinov and Gospava Lazic

　　

摘要 西尼罗河病毒（West Nile Virus, WNV）是一种由蚊子传播的黄病毒（flavivirus），具有全球最广泛的分布之一。自1937年在乌干达首次发现以来，它已成为一种重要的人畜共患病原体。在其于1999年传入美国后，该病毒迅速在美洲大陆传播，成为神经侵袭性虫媒病毒病的首要病因。其扩张展示了其卓越的生态适应性，而气候变化进一步加剧了这一点。在拉丁美洲和加勒比地区，西尼罗河病毒在鸟类、马匹和蚊子中的传播已被持续记录；然而，与北美和欧洲相比，已确认的人类病例数量不成比例地稀少。报告包括巴西（2014年以来>100例）、墨西哥（约13例）、阿根廷（2006-2007年）、波多黎各（2007年）、尼加拉瓜和海地的零星人类病例，而动物和媒介证据则延伸至危地马拉、萨尔瓦多、伯利兹、哥斯达黎加、玻利维亚、巴拉圭、哥伦比亚、委内瑞拉、古巴和厄瓜多尔。这种矛盾现象可能反映了区域内卫生系统的结构性局限，包括诊断不足、诊断能力有限以及显著的监测空白，特别是在轻度发热综合征可能被误分类为登革热、寨卡病毒或基孔肯雅热的背景下。气候变异性、生态变化以及日益加剧的人类-野生动物相互作用进一步放大了该地区新发疾病的风险。欧洲的经验凸显了早期检测、输血安全和“一体化健康”（One Health）框架内综合监测的重要性。加强拉丁美洲的防范准备需要对诊断基础设施进行投资、实施标准化的血清流行病学调查、开发适应当地生态环境的预测模型，以及开展强有力的跨部门合作。

1. 引言

西尼罗河病毒（WNV）是一种由蚊子传播、人畜共患的黄病毒，也是全球分布最广的虫媒病毒之一。它于1937年首次从乌干达西尼罗地区一名发热患者的血液中分离出来，属于日本脑炎病毒血清群，该血清群还包括圣路易斯脑炎病毒（SLEV）、墨累谷脑炎病毒（MVEV）和阿尔夫伊病毒（ALFV）。由于西尼罗河病毒和圣路易斯脑炎病毒同属日本脑炎血清群，由保守表位驱动的血清学交叉反应很常见，并对黄病毒流行区的诊断构成主要挑战。仅凭临床表现不足以可靠地区分这些感染。在这种情况下，初步筛查通常基于免疫球蛋白M（IgM）或免疫球蛋白G（IgG）酶联免疫吸附试验；然而，要最终区分西尼罗河病毒和圣路易斯脑炎病毒，则需要确证性的噬斑减少中和试验（PRNTs），这仍然是参考标准。分子方法，包括逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）和基因组测序，可以在急性病毒血症期实现特异性鉴定，但可检测病毒血症的持续时间较短限制了其应用。最初由于其主要表现为轻度或亚临床症状而被视为对人类相关性有限的病原体，西尼罗河病毒现已被认为是主要的公共卫生威胁，能够导致人类和多种脊椎动物（包括鸟类、马、爬行动物和小型哺乳动物）产生显著的发病率和死亡率。过去几十年，西尼罗河病毒的全球流行病学发生了显著变化。在美洲，自1999年传入美国后，该病毒迅速在美洲大陆传播，成为神经侵袭性虫媒病毒病的首要病因。1999年至2017年间，美国报告了近22,999例神经侵袭性病例，源于数百万的感染。在欧洲、中东和俄罗斯，发生了多次大规模疫情，其中包括2018年史无前例的欧洲大流行，导致超过1900例人类病例。最近，在德国和荷兰等先前未受影响的地区也记录了本地感染，突显了西尼罗河病毒生态位的扩大。最近的流行病学转变凸显了西尼罗河病毒对不断变化环境的显著适应能力。在希腊，2022年在活跃的蚊子种群中发现的越冬证据，增加了该病毒在温带地区全年传播的可能性。同样，早在2024年6月以色列报告了异常高数量的神经侵袭性病例，说明更温暖的冬季和春季可能会加速病毒的增殖。南欧的模型研究预测，气温升高会延长传播的季节窗口期；而在美国，降水模式和蚊子种群的大规模空间同步性已被证明与疫情强度相关。综合来看，这些发现将气候变化定位为西尼罗河病毒动态的关键驱动因素，重塑了媒介分布和地理传播。相比之下，在拉丁美洲和加勒比地区，西尼罗河病毒在媒介和动物宿主中的传播被反复记录，但已确认的人类病例数量与北美和欧洲相比仍然不成比例地低。这种“矛盾”指的是拉丁美洲和加勒比地区记录的西尼罗河病毒在鸟类、马匹和蚊子媒介中广泛且持续的动物地方性流行，与该地区报告的已确认人类病例数量（特别是与北美和欧洲相比）不成比例地少之间的显著对比。这种差异引发了关于诊断不足、生态和免疫学因素以及区域监测能力结构性空白的重大问题。在此背景下，本文旨在全面概述当前关于西尼罗河病毒在拉丁美洲感染的证据，并探讨其对区域公共卫生和一体化健康战略的广泛意义。

2. 病毒学与传播动态

西尼罗河病毒在自然界中通过鸟-蚊子传播循环得以维持。鸟类作为主要的扩增宿主，维持着高效度病毒血症，使得病毒能够高效地传播给蚊子，特别是库蚊属（Culex）的蚊子。相比之下，人类和马被认为是终端宿主，因为它们的病毒血症水平不足以维持传播循环。虽然蚊虫叮咬仍然是主要的传播途径，但实验和临床背景下也记录了替代途径，包括输血、器官移植、宫内传播和母乳喂养。病毒在尿液中的脱落进一步表明，环境介导的传播是可能的。在美洲，尖音库蚊复合体（Cx. pipiens）、致倦库蚊（Cx. quinquefasciatus）和环跗库蚊（Cx. tarsalis）被认为是北美洲最有效的媒介，它们在城市和城郊环境中的丰度与疫情高峰相吻合。在拉丁美洲，致倦库蚊及相关物种分布广泛，并在生态上适合维持西尼罗河病毒的传播。在墨西哥和中美洲的研究表明，具有病毒血症的候鸟，加上库蚊的广泛存在，促进了病毒的区域引入和持续存在。在国际机场检测到库蚊进一步突显了人类介导传播的潜力。从遗传学角度看，西尼罗河病毒包含多个谱系，但只有谱系1和谱系2被认为具有全球主要相关性。谱系1分布最广，与非洲、欧洲、中东和美洲的疫情爆发有关。谱系2曾局限于撒哈拉以南非洲，现已成为欧洲人类疾病的重要病因。实验和现场证据表明，谱系特异性在毒力、媒介能力和生态适应方面的差异可能部分解释了观察到的人类疾病发病率的地理异质性。

3. 拉丁美洲和加勒比地区的现有证据

3.1. 动物和媒介中的传播

自21世纪初以来，西尼罗河病毒在拉丁美洲和加勒比地区的传播主要是通过动物和媒介中的发现记录下来的。南美洲首次确认分离发生在2006年的阿根廷，从患有脑炎的马匹中分离出病毒，并通过病毒分离和分子检测提供了活动性感染的明确证据，标志着该病毒正式传入该地区。此后，多项血清学研究（最常见的是基于中和抗体的检测）在留鸟、马匹、非人灵长类动物和爬行动物中发现了西尼罗河病毒暴露的证据，通常通过噬斑减少中和试验（PRNTs）来解决黄病毒的交叉反应性，以及从蚊子中分离出病毒，证实了其在多种生态系统中的活跃传播。在墨西哥，证据广泛且一致，血清学调查已在野生鸟类、爬行动物和哺乳动物中检测到西尼罗河病毒抗体，并且已从致倦库蚊和其他物种中分离出病毒，表明已建立了地方性动物流行病循环。在加勒比地区，从北美首次传入后进行的监测研究证实了本地传播：波多黎各和古巴的留鸟显示出经PRNT确认的西尼罗河病毒中和抗体，排除了仅在候鸟中发生感染的可能。在中美洲，证据也很确凿。在危地马拉（2005-2008年），从致倦库蚊中分离出西尼罗河病毒，并通过昆虫学研究检测到年度循环，但未发现人类临床证据。在萨尔瓦多，2001年至2003年间，一次动物流行病导致203匹马死亡；随后的分析表明，25%的幸存同厩马匹具有西尼罗河病毒抗体，其中10例经PRNT确认，从而证实了病毒向中美洲的扩张。在伯利兹，2003年初的一份报告记录了一例经实验室确认的临床感染马匹，构成了该国传播的第一个证据。在哥斯达黎加，使用西尼罗河病毒特异性检测的血清学研究（辅以确认性中和试验）表明，黄病毒在鸟类、马匹和野生灵长类动物中共同传播，并在一些动物中特异性检测到西尼罗河病毒中和抗体，尽管迄今为止尚未报告人类病例。在南美洲，除阿根廷外，在多个国家记录了传播。在玻利维亚，2011年的一项研究显示，通过竞争性酶联免疫吸附试验（ELISA）检测，160匹马中有59.4%具有抗体，其中三分之一经PRNT确认，但无近期感染证据。在巴拉圭（2016-2018年），对留鸟的血清学调查在一只横斑蚁?（Thamnophilus doliatus）中鉴定出西尼罗河病毒中和抗体，代表了该国该病毒的首次血清学证据。在哥伦比亚和委内瑞拉，多项研究已证明病毒在鸟类、马匹和其他动物（包括圈养火烈鸟和马科动物）中传播，主要是通过血清学检测并经中和试验确认，尽管尚未报告确诊的人类病例。在厄瓜多尔，实验证明加拉帕戈斯群岛的致倦库蚊种群具有传播西尼罗河病毒的能力，而对马的血清学研究迄今结果为阴性，反映了潜在的但尚未建立的传播循环。

3.2. 人类病例：已确认但数量有限

与北美和欧洲不同，拉丁美洲尚未记录到西尼罗河病毒的大规模人类流行病。确诊的病例仍然零散，整个地区总共只有几十例。在巴西，最近的一项多中心研究报告了2014年至2024年间13个州的110例确诊病例，临床表现包括发热性和神经侵袭性形式，以及4例死亡。病例通过血清学检测（IgM/IgG）结合分子检测（RT-PCR）在急性病例中得到确认，首例国际确诊的病例发生在2015年的皮奥伊州，与急性弛缓性麻痹相关。在墨西哥，尽管病毒在动物中广泛传播，但2002年至2023年间仅确认了13例人类病例，早期病例依赖于逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）或病毒分离进行确认，后期调查则依赖于血清学结合中和试验确认，首次病毒分离在2005年，2009年发生一例死亡病例。在阿根廷，2006-2007年间在至少五个东北部和中部省份报告了散在的人类病例，主要通过血清学检测诊断，在选定病例中进行分子确认，这与南美洲首次在马匹中分离出病毒的时间相吻合。在尼加拉瓜，一项儿科队列研究在三名儿童中检测到西尼罗河病毒的抗-prM抗体，其感染发生在2007-2009年之前，提供了中美洲西尼罗河病毒的人类感染的首个证据。在加勒比地区，波多黎各在2007年通过对一名献血者和一名有症状患者的实验室检测记录了人类传播，使用了血清学筛查结合确认性检测，背景是包括蚊子和猛禽在内的主动监测。在海地，一项基于人群的血清学检测研究在673名参与者中，有7人（约1%）检测到西尼罗河病毒的免疫球蛋白G（IgG）抗体，尽管提示可能与登革热存在交叉反应；从历史记录看，该国仅确认过两例人类西尼罗河病毒病例。现有数据表明，拉丁美洲人类西尼罗河病毒感染的临床谱与其他地区观察到的情况相似，范围从无症状感染、轻度发热性疾病到神经侵袭性疾病，包括脑膜炎、脑炎和急性弛缓性麻痹。然而，对该地区疾病严重程度的系统描述仍然有限。在报告确诊病例数量最多的巴西，已记录了发热性和神经侵袭性表现，并有少数死亡病例。在其他国家，人类病例主要通过针对性调查、献血者筛查或回顾性血清学研究来识别，而不是通过常规临床监测。神经侵袭性疾病报告的明显稀少很可能反映了病例检测和报告有限的情况，而非拉丁美洲确实不存在严重感染，这凸显了提高该地区临床意识和加强监测整合的必要性。

4. 公共卫生影响

西尼罗河病毒在拉丁美洲的现状是矛盾的：血清学和昆虫学证据证实了其在野生动物和媒介中的广泛传播，但已确认的人类病例仍然罕见。这种差异很可能反映了严重的漏报和诊断局限，因为轻度发热病例可能被误诊为登革热、寨卡病毒或基孔肯雅热。尽管西尼罗河病毒在几乎所有国家都属于法定报告疾病，但人类监测主要是被动性的，且局限于神经系统或脑炎综合征，这妨碍了对散在或轻度病例的及时检测。除了诊断不足和监测局限外，几种补充性假说也可能有助于解释拉丁美洲报告的西尼罗河病毒人类病例相对较少的原因。这些假说包括：因高度接触登革热、寨卡病毒和圣路易斯脑炎病毒等其他地方性黄病毒而产生的部分交叉保护性免疫力，这可能调节了对有症状或神经侵袭性西尼罗河病毒感染的易感性。该地区传播的库蚊物种在媒介能力、摄食行为和宿主偏好方面的差异可能进一步影响人类暴露和传播的可能性。此外，谱系特异性的病毒特征以及宿主-病毒相互作用可以塑造致病性和神经侵袭潜力，导致临床表现和检测的异质性。重要的是，这些机制并非相互排斥，它们很可能与结构性的诊断和监测空白相互作用，共同塑造了观察到的流行病学模式。从公共卫生角度来看，其影响是重大的。气候变化通过扩大库蚊的栖息地、缩短病毒的外潜伏期以及改变鸟类迁徙模式，成为一个关键的驱动因素。欧洲的经验说明了这些风险：在荷兰和德国，气候变化和土地利用变化与西尼罗河病毒和乌苏图病毒（USUV）的爆发有关。这些发现表明，病毒向拉丁美洲新地区扩张是可能的，并且可能被低估了。另一个令人担忧的问题是输血相关传播，这在北美和欧洲已有记录，并导致受影响地区在献血中实施核酸检测（NAT）。类似的措施在拉丁美洲可能变得至关重要，特别是在血液采集中心附近检测到动物或媒介中的病毒活动时。最后，欧洲的经验强调，在一体化健康框架下的综合监测——结合昆虫学监测、兽医监测和人类病例检测——是预测疫情爆发的最有效方法。意大利于2008年启动并在后来推广至全国的规划，成功地将蚊子、鸟类和人类数据关联起来，以指导实时控制措施。荷兰的类似模式，包括公众科学、动物园和候鸟采样，对早期检测和预测至关重要。然而，在拉丁美洲，综合方法仍处于起步阶段。文献记载的动物界中的传播、有利的环境条件以及零散的监测系统表明，人类疫情爆发的风险被低估了。加强兽医、公共卫生和保护部门之间的跨部门合作，对于确保早期发现新的传播区域、保障输血安全以及降低该地区大规模流行病爆发的可能性至关重要。

5. 一体化健康框架下的研究与监测重点

基于上述影响，我们建议从零散的活动转向综合的一体化健康防范议程，将技术严谨性与社区参与和跨部门治理相结合。

5.1. 基于人群的血清流行病学研究

实施标准化的、基于人群的血清学调查（按生态区域和城乡梯度分层），以估计真实的感染流行率，包括经常被误诊为其他虫媒病毒的无症状和轻度感染。纳入社区抽样和参与性设计，以扩大难以到达地区的覆盖范围并减少选择偏倚。

5.2. 加强诊断能力和临床意识

在所提出的研究和监测重点中，加强公共卫生和动物卫生部门的诊断能力，代表了在资源有限环境下最高效、最可立即采取行动的干预措施。提高诊断可用性是早期病例检测、准确评估疾病负担、及时应对疫情以及所有后续监测、建模和防范工作有效性的基础。因此，在投资旨在降低西尼罗河病毒新发风险的所有其他一体化健康干预措施之前或同时，应优先投资于诊断能力。克服目前的分子和血清学能力差距，以及在黄病毒流行区导致病例归因困难的交叉反应问题至关重要。关键优先事项包括：扩大逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）和基因组测序技术的可及性，验证高度特异性的血清学平台（例如PRNT），以及投资于与国家参考中心相连的分散化中心实验室，以加快确认和报告速度。同时，应加强临床意识，提高对发热性和神经系统综合征中可能感染西尼罗河病毒的警惕性，并改进与登革热、寨卡病毒和基孔肯雅热的鉴别诊断。这需要对跨学科团队（包括临床医生、神经科医生、微生物学家、兽医、昆虫学家和公共卫生官员）以及社区领导者进行有针对性的培训，重点是病例识别、生物安全、采样和及时报告。

5.3. 气候与生态预测模型

开发针对区域的预测模型，整合温度、降水、土地利用变化、库蚊动态和鸟类迁徙/物候学，以预测疫情热点区域，并指导季节性媒介控制、输血安全政策和资源分配。地中海地区的经验表明，气候异常（例如更温暖的春季、更早的季节性高峰）可能预示着重大疫情的爆发。整合地方性和传统知识（例如物候信号、繁殖地点的变化）作为定性协变量，以提高模型性能和可操作性。

5.4. 迈向综合的一体化健康与社区监测

正如在欧洲和地中海地区所展示的，当人类、动物和媒介数据整合时，监测最为有效。在拉丁美洲，建立跨部门和跨国的框架，以实现早期病毒检测、加强输血安全，并为决策者提供可操作的指标。定义一体化健康治理架构（角色、决策流程、问责制），并提供可持续的资金支持（应急资金和与气候变化相关的拨款），部署具有近实时数据和跨境共享协议的区域仪表板。同时，与社区组织和原住民共同设计监测系统，利用公众科学来报告患病/死亡的鸟类、绘制库蚊孳生地地图和记录环境信号，并提供多语言材料（包括西班牙语和葡萄牙语，以及在原住民和农村社区在环境监测和早期检测中发挥核心作用的环境中，使用相关的原住民语言），以提高报告的及时性、可接受性和对监测活动的本地参与度。

6. 结论

西尼罗河病毒经历了显著转变，从一种曾被视为对人类相关性有限的病原体，演变为一种全球性的人畜共患威胁，其特点是地理分布广泛，并且具有适应不断变化的生态和气候条件的非凡能力。虽然其流行病学影响在北美和欧洲等地区已有明确记录，但拉丁美洲的情况仍不太明确。该地区多个国家报告了病毒在媒介和动物宿主中传播的一致证据，但已确认的人类病例仍然异常稀少。这种差异很可能反映了区域卫生系统的局限，包括诊断不足、诊断能力受限以及监测方面的显著差距。气候变化、生态改变以及日益加剧的人类-野生动物相互作用的汇聚，放大了西尼罗河病毒在拉丁美洲和加勒比地区新领地新发和扩张的风险。欧洲的经验强调了早期检测、输血安全以及将昆虫学、兽医学和人类数据整合到监测规划中的重要性。通过一体化健康框架加强区域防范，对于应对西尼罗河病毒至关重要，这需要对诊断基础设施进行投资、实施标准化的血清流行病学调查，以及开发适应当地生态环境的预测模型。