格物志
时至今日，天花仍是唯一被消灭的人类疾病。在天花被消灭之前，它已困扰人类至少3000年，仅在20世纪就夺去了超过3亿人的生命。尽管我们现在已经消灭了天花，但是关于天花的研究和讨论从未停止。
谈“花”色变
天花 (smallpox/variola), 是一种由天花病毒 (Variola Virus/VARV) 感染引起的烈性传染病，是最古老的传染病之一，也是有史以来最具破坏性的病毒性传染病之一。英文中天花之所以被命名为 smallpox，主要因为它的病变面积比梅毒 great-pox (syphilis) 小。
天花病毒 (Variola Virus/VARV) 属于痘病毒家族的脊椎动物痘病毒亚科正痘病毒属 (Orthopoxvirus)，是一种双链DNA病毒，病毒粒子大且呈砖状。正痘病毒属的11个成员和脊椎动物痘病毒亚科的其他病毒成员相比，基因组同源性更强，而且不同成员间存在着广泛的血清交叉反应。此外，正痘病毒和其他DNA病毒有一个很大的区别，它们的复制场所在宿主细胞的细胞质而非细胞核中。
图1 显微镜下的天花病毒粒子照片。图源：sites.google.com
原则上，天花病毒可以分为两种，通常我们所说的比较经典的天花是由大天花病毒（Variola major）导致的，这种天花感染过程比较严重，致死率较高（20-30%）。另一种较温和的天花是由小天花病毒（Variola major/Alastrim virus）感染引起的。小天花病毒感染的过程较温和，死亡率约为1%。
天花病毒可在空气中通过气溶胶传播，这意味着在一定的距离内，正常人都有可能通过在空气中吸入受感染者的呼吸道分泌物而感染天花病毒。同时，这种病毒也可以通过接触皮肤、体液或状物而感染。
天花感染后的潜伏期约为7-19天，患者在此期间的症状并不明显，也并不具有传染性。在接下来的前驱期，患者会出现高烧、不适和头痛。天花最显著的特征是皮疹导致的皮肤病变。皮疹开始的第一周是最具传染性的，皮疹开始于身体的不同部位（口腔，皮肤），然后蔓延至全身，经过斑疹、丘疹和水泡阶段后，形成结痂，最终在接下来的2-3周脱皮，形成典型的痘痕。天花感染者在所有结痂脱落之前都具有传染性。天花病灶直径约为0.5-1厘米，深埋于表皮。
重型天花病人常伴有很多并发症，如败血症、骨髓炎、脑炎、脑膜炎、肺炎、支气管炎、角膜炎甚至失明等，是天花致残和致死的主要原因。天花感染者的病死率非常高，根据1972年印度的一项研究统计显示，在感染天花的群体中，未免疫人群病死率达30%，重型天花患者病死率高达97%，出血性天花患者死亡率几乎100%。
虽然自1977年以来，世界上没有自然发生的天花病例，但疑似患者的天花鉴别和诊断仍是公共卫生和临床医疗不容忽视的问题。2016年，美国疾病控制和预防中心(CDC)开发了一种患者评估方法，以帮助医生和卫生工作者更加全面准确地评估疑似天花病人的症状（Evaluating Patients for Smallpox: Acute, Generalized Vesicular or Pustular Rash Illness Protocol | Smallpox | CDC）。
天花作为一种疾病，因其特有的皮肤病变而相对容易识别，几乎不存在隐性感染（亚临床感染）的情况，也就是我们常说的无症状感染者。但出现以下发疹性疾病也必须考虑进行天花的鉴别诊断:严重水痘疹、猴痘、全身痘苗病毒或牛痘病毒感染、痘苗湿疹、播散性水痘-带状疱疹、单纯疱疹病毒感染、药物反应、多形红斑、肠病毒感染、立克次体痘疹、继发性梅毒、疥疮、虫咬、脓疱病和传染性软疣。此外，一些常与出血性天花相混淆的疾病包括急性白血病、脑膜炎球菌血症和特发性血小板减少性紫癜等，也应纳入鉴别的范围。
假设与争议：天花病毒溯源
从1967年全球根除天花运动起，有一个研究领域至关重要，那就是确定是否存在天花病毒的天然动物宿主，这关系着天花能否被根除。因为从理论上讲，动物宿主的存在是病毒复发最重要的潜在来源。
首先，在自然爆发的天花疫情的记录中，天花从未被追溯到动物源头。其次，1967年以来的大量对天花病毒的实验观察表明，与具有广泛宿主范围的牛痘病毒不同，实验室动物也很少能感染天花病毒。
然而，在19世纪后半叶出现了有关于灵长类动物可能感染天花的报道，一些实验室研究也发现了某些猴子可以感染天花病毒。因此有人推断，如果存在天花病毒的天然宿主，非人灵长类动物是重要的候选者。但是，在已报道的动物感染事件中，自然感染天花的的灵长类动物都与人类天花病例有着密切的接触和联系。实验研究也发现，尽管天花病毒可以感染某些灵长类动物，但任何特定物种的灵长类动物种群都太小，无法维持这种病毒的持续传播。而且，灵长类动物在非洲和亚洲的许多天花曾经流行的国家很常见，有时与人密切接触，但自从天花被根除以来，在这些国家中没有发现任何一例天花病例。
大量的研究和调查表明，人类是现代天花病毒的唯一宿主，也就是说，现代天花病毒只感染人类。但天花在人类身上出现的时间尚不清楚。关于可能的天花感染的书面记录可以追溯到至少3000年前。公元前1156年去世的埃及法老拉美西斯五世的木乃伊上有疑似天花皮疹的迹象，表明天花可以追溯到3570年前，但这些都是基于历史记录的简单推测。
真正具体的实验证据支持来自于从被发掘出的古人类遗骸标本中提取天花病毒的DNA，然后进行测序和基因组重建，与已有病毒序列进行比对分析，从而对天花病毒的起源和进化史进行逆向推测。因此，从某种意义上，天花病毒起源和进化的研究非常依赖于考古学的发现。尽管如此，探究古代天花病毒与现代天花病毒的关系对于我们认识病毒的进化还是有很大意义的。
图2 \上图：来自立陶宛的一具性别不明的幼儿木乃伊遗骸 (VD21) 。下图：维京时代人类遗骸样本（VK533）。图源：上图：17th Century Variola Virus Reveals the Recent History of Smallpox (cell.com) 下图：Diverse variola virus (smallpox) strains were widespread in northern Europe in the Viking Age (science.org)
对一具17世纪的立陶宛木乃伊、两具19世纪和20世纪的捷克博物馆标本以及在天花根除运动中采集的20世纪的天花病毒的序列分析表明，它们最近的共同祖先(MRCA)可以追溯到16或17世纪。
2020年，来自丹麦的一个研究小组从北欧、俄罗斯西部和英国的考古人类遗骸(牙齿和骨骼)中提取并重建了4个近乎完整的古代天花病毒基因组，这些遗骸可以追溯到维京时代（公元600-1000年左右），这项研究将天花病例最早出现的时间向前推了约1000年。这些古代维京天花病毒的基因组结构与现代毒株差异很大，似乎与现代天花病毒由共同的祖先天花病毒进化而来，但分属不同的进化分支。
现代天花病毒（VARV）的起源，是一个有争议的问题。有一种观点认为，人类(或者可能是原始人类)可能长期以来一直是一种祖先“天花病毒”的宿主，这种病毒随着人类的进化而不断传播和演化，但这似乎不能很好地解释天花病毒在经历了几千年的进化依然保持着高“致命性”。
2020年，天花病毒学家Antonio Alcami在《科学》（Science）杂志上对维京病毒的文章发表了一篇评论，提出了天花病毒在进化过程中可能会变得更加“致命”的假说：
几千年前，一种来自非洲（或欧洲）的类天花病毒的祖先可能从啮齿类动物传播给人类。啮齿类动物是痘病毒的常见宿主，与感染沙鼠的现代VARV-tatapox病毒和感染骆驼的骆驼痘病毒在基因上最接近的亲属，也是由非洲一种啮齿动物类天花病毒祖先进化而来。
在早期人类传播中，古代天花病毒基因组中一些控制宿主免疫逃避和宿主感染范围的基因仍然存在，也就是说，在这段时间里，天花病毒宿主范围也比较广泛（人畜共患），毒性也并没有很强。在几个世纪的传播过程中，这些基因在人类宿主中逐渐失活(缺失、截断或突变)，天花病毒的宿主范围变得受限于人类，但毒性也更强，从而导致了一种高度致命的、人类特有的现代天花病毒的产生。这与此前科学家们观察到的，在自然界的痘病毒中，较少的基因往往意味着更致命的病毒相符合。
而天花病毒的不同分支可能从一个共同的祖先进化而来，但只有导致现代天花的分支一直持续到20世纪，而另一个低传染性、低致病性的古代天花病毒进化支则灭绝了。
图3 天花的演变假说。红色：共同的祖先；黄色：古代VARV支的进化(已灭绝)；紫色：选择进化路径；蓝色：现代VARV进化支；绿色：欧洲起源进化支；方框由灰至白：毒性由弱至强。图源：Was smallpox a widespread mild disease? (science.org)
传统观点认为病毒随着流行时间变长，病毒毒性会减弱，但这种片面的观念长期以来备受质疑，也并没有可靠的实验证据支持。Antonio Alcami关于天花的假说挑战了传统的观点，至少对于天花病毒，在长达几千年的进化过程中，似乎是朝着毒性增强的方向进化的。
通过测序和基因组重建观察到的基因失活模式可能赋予了天花病毒更高效的传播和复制能力，然而却不能很好地解释天花病毒的毒性。因为从逻辑上讲，病毒免疫逃避基因的失活对病毒是不利的。有一种解释认为，这说明了病毒造成的部分损害可能是由于过度的宿主免疫反应引起的，但需要更全面的研究去研究免疫逃避基因变异与病毒毒性间的关系。
对于病毒的变异和进化，似乎是没有统一的规律可寻的，也是很难预测的。病毒变异是核酸遗传物质的改变：首先，不同种属的病毒的遗传物质信息差异很大；其次，在不断复制过程中，病毒基因组的自然突变是随机的，同时病毒变异也受外界物理、化学、生物等因素的影响和选择。因此，我们不能以偏概全，也不能随便把一类或一种病毒的变异和进化模式应用到其他病毒上。至于病毒和宿主（尤其是和人）的关系，这是相当复杂的生物学问题，我们将在后续的推送中详细探讨。
“姗姗来迟”的抗天花病毒药物
东晋著名医学家葛洪是中国古代第一个也是世界上较早记载天花病情并提出治疗方法的人。他在其著作《肘后救卒方》里曾经描述天花的发病过程：“比岁有病时行，乃发疮头面及身，须臾周匝，状如火创，皆带白浆，随決随生。不即治，剧者多死；治得差者，疮瘢紫黑，弥岁方灭，此恶毒之气”。他给出的治疗药方是：“取好蜜通身上摩，亦可以蜜煎升麻，并数数食；又方，以水浓煮升麻，棉沾洗之，若酒渍弥好，但痛难忍”。从葛洪开始，历朝历代的中医治疗天花基本上就是沿用他的方法：内服解毒去火的汤药，外敷消肿祛瘀的药物。但是受限于当时的科学水平，中医疗法的效果并不好。
英国医生托马斯·多佛（Thomas Dover）在《古代医生给国家的遗产》记载，在17世纪的英国，医生采用放血以及给病人喝硫酸酸化的酒等方式来治疗天花患者，但并不奏效，并且治疗过程给病人带来极大的痛苦。
图4 上图：17世纪英国，采用舌头放血的方式治疗天花。下图：托马斯·多佛的《古代医生给国家的遗产》。图源：Smallpox | History of Vaccines
时至今日，尽管人类已经通过接种疫苗消灭了天花，但仍未找到临床治疗天花的有效方法和特效药物。
由于没有特效的抗天花病毒药物，现代西医的治疗原则是加强对症支持，维持患者水、电解质平衡，防治继发性感染，以帮助患者度过极期。高热、头身痛可采取物理降温或给予解热镇痛药；烦躁者用小剂量镇静剂；注意维护口腔、鼻咽部、眼睛等部位的清洁卫生，预防及治疗各种继发感染；皮疹可用高锰酸钾溶液、硼酸溶液、或碳酸氢钠溶液清洗或湿敷，以止痒消毒；继发细菌感染或败血症时，加用抗生素及全身支持疗法；重型患者可采用被动免疫疗法，比如肌内注射抗天花丙种球蛋白，亦可考虑肌内注射人血丙种球蛋白或冻干人胎盘血丙种球蛋白（胎盘球蛋白）。
2018年以后，有两款抗病毒药物先后通过了美国FDA的审批，可以被用于天花的治疗，但需要指出的是，这两种药物是根据FDA的“动物法则”获批的。“动物法则”规定，在人体试验不符合伦理或不可行的情况下，根据严格的动物实验结果，可以批准药物。
第一个药物是由SIGA Technologies公司开发的用于治疗天花的Tecovirimat (TPOXX)，它于2018年通过了美国FDA的批准并上市。该药物靶向抑制正痘病毒中与痘苗病毒F13L基因产物VP30同源的包膜蛋白，这是一种棕榈酰化外周膜蛋白，该蛋白参与细胞内成熟病毒(IMV)颗粒的包膜，以产生一种能出口的包膜病毒颗粒。如果没有这种包膜，病毒颗粒就留在产生它们的细胞内，而不能扩散到细胞外并感染其他细胞。
Tecovirimat是首个获批用于治疗天花的药物，首个获批用于治疗一种已灭绝疾病的药物，也是首个完全依赖于动物疗效数据而获批用于人类的药物。Tecovirimat还获得了FDA的快速通道资格、优先审评资格、以及孤儿药资格，并由美国国家战略储备了将近200万个疗程的用量，以防范天花病毒泄露和生物恐怖主义的潜在风险。
2021年6月，FDA又批准了第二个药物Brincidofovir (TEMBEXA)用于治疗天花。Brincidofovir适用于成人和儿科患者，包括新生儿。Brincidofovir是一种烷氧烷基酯前体药物，含有人工合成的无环核苷单磷酸类似物Cidofovir，通过其膦酸基团与3-十六烷基-1-丙醇相连，具有抗双链DNA病毒的抗病毒活性。
这种脂质缀合物设计模拟一种天然脂质溶血磷脂酰胆碱，从而可以让Brincidofovir利用内源性脂质吸收途径进入细胞。一旦进入细胞内，Brincidofovir的酯键将被切断以释放Cidofovir，然后被磷酸化以产生有活性的抗病毒药西多福韦二磷酸（Cidofovir diphosphate）。西多福韦二磷酸，与核苷酸结构相似，可以与脱氧胞嘧啶-5-三磷酸(dCTP)竞争病毒DNA聚合酶，从而掺入复制中的病毒DNA链。因此，它可以阻止病毒DNA聚合并破坏病毒DNA复制。
TPOXX
TEMBEXA
图4 两款抗天花病毒药物化学分子式。图源：上：label (fda.gov) 下：Tembexa - Chimerix : Chimerix
Cidofovir（西多福韦）本身对与天花高度同源的痘病毒也具有抗病毒活性，但与静脉注射Cidofovir相比，Brincidofovir具有更好的口服生物利用度、更低的毒性和更强的细胞穿透性。Cidofovir目前还未获美国FDA的批准用于治疗天花病毒感染，但可在适当的监管机制下(如临床试验新药[IND]协议或紧急使用授权)在疫情期间使用。此外，由于西多福韦对其他很多DNA病毒具有广泛的抗病毒活性，因此很多研究正基于Brincidofovir开发广谱的抗DNA病毒药物，用于预防和治疗巨细胞病毒(CMV)、BKV病毒(BKV)、腺病毒(AdV)和EB病毒(EBV)等。
安全有效的抗病毒药物的研发是一项非常不容易的事情，广谱的抗病毒药物则更难。这依赖于我们对于病毒本身运作机制的了解，也常常受限于难以捉摸的病毒变异。以正痘病毒为例，由于属内成员类似的包膜形成和病毒复制的机制，以TPOXX和TEMBEXA为基础的抗天花病毒化合物显示出了对其他痘病毒广谱抗性的潜力，但从进化上来讲，抗病毒化合物和抗生素的使用不可避免地伴随着发生耐药性突变的潜在风险。目前已经有研究发现了一些介导不同痘病毒对TPOXX耐药的突变，持续的研究需要依据这些突变研发新的抗病毒药物。