面對世界最致命病原體：BSL4 實驗室

埃博拉、天花、鼠疫——一長串高度傳染性的致命病原體清單令人不寒而慄，它們潛在的破壞力巨大，因此只能在生物安全等級4 (BSL4) 設施的嚴格控制下進行研究。這些預防措施使得在 BSL4 實驗室中的工作極具挑戰性、緩慢且體力消耗巨大，這也是此類研究落後於對低致命性生物體研究的原因之一。

然而，一個澳大利亞研究團隊最近取得了一項里程碑式的進展，他們成為首個篩選並編目 BSL4 病原體感染人類細胞時啟用的所有基因的團隊。他們的重點是鮮為人知但致命的亨德拉病毒，該病毒會導致馬匹呼吸道疾病，並可能傳播給人類；他們最近在PLoS 病原體上發表了他們的研究結果。

研究人員在微陣列板孔中的細胞內使用了 siRNA——用於沉默單個基因的合成 RNA 小片段——然後將細胞暴露於病毒，並檢查亨德拉病毒在何處繁殖以及在何處死亡。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織 (CSIRO) 的分子生物學家卡梅倫·斯圖爾特解釋說，孔中病毒很少或沒有病毒意味著 siRNA 抑制的基因對病毒複製很重要，他領導了這項工作，CSIRO 是澳大利亞的國家科學機構。

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該方法很簡單，但規模巨大，因為有多個孔用於質量控制，並且對大約 20,000 個人類基因中的每一個基因重複了該過程。這在常規實驗室中會很困難，但在 BSL4 實驗室這種對身體要求極高的環境中卻花費了數年時間。

斯圖爾特說：“數百種蛋白質參與導致感染，但影響最大的是一種叫做原纖維蛋白的蛋白質。” “如果你降低原纖維蛋白的催化活性，你就可以阻止亨德拉病毒感染。” 他解釋說，這令人驚訝，因為“原纖維蛋白位於宿主細胞核仁深處……[在那裡它]甲基化核糖體 RNA 分子，然後形成核糖體”，但其全部功能可能尚未完全瞭解。  

沉默產生原纖維蛋白的基因也阻止了尼帕病毒的複製。尼帕病毒是另一種亨尼帕病毒，是亨德拉病毒的近親，在從澳大利亞到孟加拉國的區域內的蝙蝠和人類中具有高死亡率。事實上，原纖維蛋白的功能似乎在整個副粘病毒科中是相似的，其中包括麻疹和腮腺炎，因此，或許將原纖維蛋白理解為干預目標並設計正確的治療方法可能對多種病毒有效。

BSL4 設施

埃博拉、MERS 和 SARS 等致命感染的持續出現，以及 2001 年炭疽桿菌的恐怖主義使用——當時寄給華盛頓特區民選官員和新聞媒體的摻有孢子的信件導致 5 人死亡，17 人患病——讓政府領導人意識到需要更多更好的 BSL 能力，此後他們為支援此類設施提供了大量持續的資金。儘管如此，世界上只有幾十個實驗室獲得 BSL4 設施認證；其中一些實驗室非常小，僅從事診斷、細胞培養或單一物種動物的研究。

大多數對 BSL4 設施的描述都側重於物理方面：精密的負壓空氣過濾系統、進入包含病原體的“熱”區的氣閘、“太空服”及其自身的供氣系統，以及嚴格的出口淨化程式。在某些方面，它與探索極地地區或外太空一樣艱鉅。

對每天穿著笨重防護服並在受限環境中工作的男士和女士的要求也是如此。

格倫·馬什說：“你很快就會學會不要喝咖啡或在感到飢餓時進入實驗室，他是澳大利亞 BSL4 實驗室內部的大部分體力勞動者。“防護服內的負壓氣流會很快使你脫水，因此我們儘量每次穿防護服的時間不超過三個小時左右。這非常累人。” 

“沒有什麼比穿著防護服時流鼻涕更糟糕的了，” NIH 馬里蘭州德特里克堡綜合研究機構副主任麗莎·亨斯利說。“你不能擤鼻涕，所以人們非常有創意地在脖子上圍上毛巾，以便他們可以吸乾鼻涕。如果你打噴嚏怎麼辦？你無法清潔你的面罩。” 這就是為什麼他們敦促研究人員判斷何時“穿上防護服”的原因。

裝置故障是另一個挑戰。“不止一次，格倫會打電話給我說，‘機器人壞了。我們無法修復它。’ 我們不得不關閉所有裝置。裝置必須從 BSL4 實驗室中移除，並且必須在修復前進行淨化處理，” 斯圖爾特回憶道。而那些花費兩週時間發育的細胞必須被丟棄。這為澳大利亞的多年專案增加了更多時間。

亨斯利說，德特里克堡實驗室的設計旨在最大限度地減少其中一些問題。它是世界上最大的 BSL4 實驗室之一，也是為數不多的旨在包括使用 CT 掃描和 MRI 對動物進行成像能力的實驗室之一。該裝置需要大量維護，因此該設施經過巧妙設計，大部分機械裝置位於實驗室的“冷”部分，在那裡採取正常的預防措施就足夠了，並且有一個管道從嚴格控制的實驗室“熱”部分延伸進來；研究動物被放置在管道中的移動床上進行成像。

研究人員尋求減少在 BSL4 設施中花費時間的另一種方法是構建假型病毒，這是一種人為地結合兩種不同病毒的元素的嵌合體，可以在限制較少的條件下進行研究。波士頓大學微生物學家約翰·康納已經用埃博拉病毒做到了這一點。他說，他將病毒外殼的糖蛋白與水皰性口炎病毒的核心功能基因結合在一起，前者“解鎖了病毒進入細胞的途徑”，後者對人類的風險很小。 這使他能夠在較低級別的 BSL2 設施中工作。康納說，這種方法可能適用於病毒生命週期的某些階段，但不適用於其他階段，並且對假型病毒的實驗始終需要使用實際病毒進行確認；有時這兩種生物體的行為會有所不同。

BSL4 研究的最終目標不僅僅是產生知識，而是朝著預防和治療致命疾病的方向前進。斯圖爾特說，他的團隊的初步工作不僅確定了原纖維蛋白對於可行的副粘病毒複製至關重要——它還表明，人們可以“從細胞中去除原纖維蛋白或阻斷其催化活性，並且細胞內仍然可以產生絕大多數細胞蛋白”，這表明它是干預的安全目標。他希望他們能夠開發出一種抗病毒藥物，該藥物將對整個副粘病毒科有效。