感染病毒后的168小时,你的体内都发生了什么?

感染病毒后的168小时,你的体内都发生了什么?
2020年02月19日 09:24 新浪科技综合

  来源:星球研究所

  原标题:感染病毒后的168小时,你的体内都发生了什么?

  我们的一生注定要与病毒搏斗

  它们数量庞大遍布陆地和海洋

  以及我们呼吸的空气有科学家估测仅海洋中的病毒颗粒就超过10000000000000000000000000000000即1×10³¹个(病毒数量依据微生物学家Lita Proctor的估算;下图大量紫色颗粒为中东呼吸综合征冠状病毒,附着在绿色的细胞上,扫描电镜成像,后期着色,图片源自@NIAID)▼

  它们行事狡诈可以感染一切生物可以突破种间屏障在人与动物之间跨物种传播(果子狸,SARS冠状病毒的中间宿主,摄影师@邹滔)

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  它们手段残忍可以置人于死地引发人类社会高度警惕甚至严重的恐慌(2020年1月27日,为防止新型冠状病毒传播扩散,农村开始封路,拍摄于浙江衢州,摄影师@拾城 朱骏)

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  恐慌的人们不知道病毒将如何对待他们不知道自己的身体将发生怎样的变化而本文就将为你揭示这一切

  Round 1 病毒的进攻

  病毒是一种寄生物它们没有细胞结构必须入侵人类等生物体借助生物体的细胞进行增殖

  因此入侵不择手段地入侵便是病毒唯一的目标(流感病毒在细胞内完成增殖后,正从细胞表面出芽释放,黄绿色为病毒,透射电镜成像,图片源自@NIAID)▼

  它们四处游荡寻找你身体的破绽包括以皮肤和黏膜为主的五大入侵方向首先是你的皮肤

  皮肤覆盖在我们的身体表面与外界大面积接触然而皮肤的最外层却是由死细胞组成的角质层极难突破几乎没有病毒能从这里入侵(手掌及脚掌皮肤的表皮结构示意,其他部位的皮肤没有透明层,制图@赵榜/星球研究所)

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  但是当你被蚊虫叮咬、猫狗抓咬

  文身、擦伤、皮肤溃疡以及用不洁净的针头注射均会令表皮防线出现漏洞由蚊虫传播的登革热病毒、寨卡病毒以及由猫狗等动物传播的狂犬病毒等多种病毒便会趁虚而入

  所以请爱护你的皮肤切莫自毁长城(蚊虫叮咬示意,制图@郑伯容/星球研究所)▼

  既然皮肤无法进入那么同样暴露在外的眼睛

  便成了第二个入侵方向然而包裹眼球的眼睑(结膜)每隔几秒便会扫过眼球一次以其分泌物清洗眼球、清除外来微粒让病毒很少有机会感染眼睛

  但是一些受污染的环境仍有可能带来危害例如不洁净的游泳池或者用沾染病毒的手触摸眼睛或者空气悬浮物中的病毒接触结膜本次新冠肺炎中北大第一医院呼吸内科主任王广发就被怀疑通过结膜感染(这也是为什么医护人员需要佩戴护目镜甚至面罩的原因,下图拍摄于湖北黄石市,摄影师@何戈)▼

  接下来的第三个入侵方向泌尿生殖道

  也没有那么容易以女性阴道为例阴道上皮表层细胞不断脱落不利于病毒附着且阴道中通常有黏液保护对人体有益的乳酸菌也会选择在这里生活创造出低pH的酸性环境许多病毒对酸性环境敏感只能退避三舍(嗜酸乳杆菌,阴道菌群中的一种,图片源自@Wikimedia commons)▼

  突破阴道防线的是人类的性行为性行为时阴道上皮组织被破坏或磨损病毒便获得了侵入内层的机会

  臭名昭著的人类免疫缺陷病毒(HIV,也称艾滋病毒)甚至可以不待磨损直接从上皮细胞中“挤身而过”片刻欢娱之间你就中招了(HIV以人类免疫系统的淋巴细胞为入侵目标,)

  第4个入侵方向为消化道

  这里的环境对病毒而言依然“恶劣”它们先是在口腔中遭遇能杀伤很多病毒的唾液当到达胃部又会碰到胃酸与消化酶

  好不容易到达肠道胆汁又将它们杀个几乎片甲不留而且肠道中众多的有益菌群也增加了病毒攻城掠地的难度可谓层层设防

  能在这种条件下生存下来的病毒往往得有点特殊技能可以造成肠胃炎的轮状病毒拥有三层蛋白质保护壳从而保护它抵消消化道“恶劣”环境的影响尤其是婴幼儿他们的肠道菌群尚不完善免疫系统也还未发育成熟一旦病毒入侵肠道便极易引发腹泻(轮状病毒的三层蛋白质外壳,制图@赵榜/星球研究所)

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  而尴尬的是对于成年人而言HIV也会通过消化道进入只不过是从“反方向”这个方向几乎不会遇到阻碍因为他们选择的是“肛交”

  肛交时直肠的上皮组织很容易被撕裂HIV就这样“破门而入”如入无人之境这正是男同性恋人群需要警惕艾滋病传播的原因(人体直肠结构示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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  说完皮肤、眼部、泌尿生殖道和消化道接下来的第5个入侵方向则是病毒们最“喜闻乐见”的一个即呼吸道

  大量病毒选择从这里入侵(呼吸道主要病毒示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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  以肺部为例人类的肺部拥有约3亿个终末肺泡展开后总面积高达100平方米吸入的气体就在这100平方米中充分接触、交换被病毒入侵的机率大大增加(人体肺部结构示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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  但呼吸道也并非毫不设防其表面覆盖有纤毛还有一层黏液包裹一些病毒颗粒被黏液捕获由纤毛推入咽喉随即被吞咽或被咳出从而失去入侵的机会(呼吸道上皮组织结构示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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  皮肤、眼部、泌尿生殖道以及消化道、呼吸道这便是病毒的5大入侵方向

  了解了这些想必你也已经明白你的身体已经为病毒设置了重重防线只要你注意保护以及改善个人卫生和生活习惯还是有很多机会阻止病毒的入侵

  你的敌人强大、阴险、狡诈但是你知彼知己也就有了御敌之道(病毒入侵的5大方向,制图@郑伯容/星球研究所)▼

  然而之前的你可能并没有意识到这一点残暴的欢愉终将引来残暴的结局病毒还是冲进了你的体内

  是时候启动下一个防御系统了即先天免疫系统来试试吧,禽兽们

  Round 2 人类的反击

  先天免疫系统之所以称为“先天”是因为它是人类历经百万年进化后为每个人类成员配备的与生俱来的防御系统该系统主要由三支大军构成

  当病毒进入人体受到攻击的细胞立即发出“警报”随后一支“警戒部队”便登场了即

  干扰素警告系统

  干扰素是一种信号蛋白它产生于受感染细胞的内部可以抑制该细胞的合成功能防止被病毒用于自我复制(下图是被牛痘病毒感染的细胞,蓝色荧光标记的圆形是宿主细胞的细胞核,而细胞核旁边的蓝色区域则是病毒进行复制、装配的“病毒工厂”,图片源自@VCG▼

  另一方面它也会被输送到细胞外表向周围的细胞发出预警“你们很可能被入侵”“请随时准备关闭合成功能”“以免被病毒利用”

  与此同时第二支大军真正的“攻击部队”也开始出动即吞噬细胞

  顾名思义即负责“吞食”病毒等有害物质的细胞(人体主要吞噬细胞示意,制图@赵榜/星球研究所)▼

  其中巨噬细胞是吞噬细胞家族中的大胃王它们平时处于“四处闲逛偶尔进食”的“静养”状态

  但当病毒出现巨噬细胞便会如触电般活跃起来大口吞食入侵者(巨噬细胞正在吞食细菌,仅作示意,扫描电镜成像,图片源自@NIAID)▼

  如果入侵者数量过多巨噬细胞还会召唤其他吞噬细胞前来助阵中性粒细胞便是最大的一支生力军成年人体内的中性粒细胞总兵力可以高达200亿只(病原体被中性粒细胞的胞外陷阱所捕获,扫描电镜成像,图片源自@NIAID)▼

  除了“预警部队”“攻击部队”考虑到许多病毒表面缺少“抓手”不利于吞噬细胞吞食先天免疫系统又贴心地组建了第三支大军负责补充辅助的“助攻部队”即补体系统

  补体系统的补体蛋白大量出动粘在入侵者的表面一番“修饰”后巨噬细胞、中性粒细胞对病毒狼吞虎咽得更方便了(补体的调理作用示意,制图@赵榜/星球研究所)▼

  不过也不要小瞧这些助攻手许多时候它们也会直接出手通过在病毒表面打孔

  让病毒裂解堪称“生撕活剥”

  警戒部队、攻击部队、助攻部队三支大军紧密配合病毒们损失惨重但是此时的你也相当不爽

  你的神经系统开始促使体温升高升高的体温再次加速免疫细胞向感染区迁移这种现象便是发烧(黑龙江大庆市一发热门诊,摄影师@王理达)▼

  为了向战斗部位输送援军

  你的血管舒张、血流加快毛细血管充血导致你的肤色发红甚至出现红斑

  血管的通透性增加血管中的细胞和体液更容易向周围组织渗透从而引发组织肿胀

  如果是鼻腔肿胀

  就会令你感到鼻塞鼻腔血管中的液体不断渗出又令你鼻涕大增激战中死去的细胞则会变成脓涕(流涕的症状在人群中十分常见,下图为2018俄罗斯世界杯小组赛,巴西队教练蒂特擤鼻涕被抓拍,图片源自@VCG)

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  另一些化学物质还会刺激神经末梢造成肌肉疼痛

  红、热、肿、痛以上所有反应被称为

  炎症反应

  是你的身体对抗入侵者的体现

  当你忍受炎症似乎胜利在望但是道高一尺,魔高一丈病毒在斗争中不断提高技能与免疫系统对抗

  包括以惊人的速度复制增殖天下武功,唯快不破流感病毒、鼻病毒在6-7个小时内就可以在一个细胞内复制成千上万的个体(甲型流感病毒H1N1亚型,曾引发1918年“西班牙流感”,死亡人数超过5000万人,图片源自@VCG) ▼

  腺病毒更是可以在一个细胞内制造多达10万个病毒颗粒是大多数病毒的10-100倍可谓“基建狂魔”

  此时即便先天免疫系统已经消灭了许多病毒但是病毒根本不在乎伤亡它们是拥有集群优势的狂热分子(腺病毒,具有二十面体的外形结构,图片源自@VCG)▼

  还有些病毒则以其人之道,还治其人之身它们找到了干扰“干扰素生产”的方法比如麻疹病毒、轮状病毒(轮状病毒,其外壳表面有大量刺突,图片源自@VCG)▼

  总之这是一场“非人”的入侵病毒的任何策略都残忍而合理

  幸运的是正当你手足无措之时数个“侦察兵”悄然来到了你身体的军火库一个隐藏的防御系统被惊醒了听!这是适应性免疫系统的怒吼!

  Round 3 决战先天免疫系统“广谱性”显著其工作方法是“使用相同的武器,防御不同的病毒”虽然可以消灭大部分入侵者但是对特殊的、罕见的以及“艺高人胆大”的狠角色则显得力不从心

  适应性免疫系统则改换策略“使用不同的武器,防御不同的病毒”来一个,打一个你的肉身就是这么强大(两大免疫系统特点示意,制图@郑伯容/星球研究所) ▼

  它由两支特种部队组成但因杀伤力太过强大稍有不慎便可能伤及自身造成组织损伤,甚至危及生命所以调用这两支部队必须得有凭证那么,凭证从哪里来呢?

  前文提到的“侦察兵”就担当了取得凭证的任务它们由少量巨噬细胞、树突细胞等组成在前线战场“肢解”部分入侵者后迅速撤出战场并将入侵者身体的一部分送达适应性免疫系统这,就是凭证(一个吞噬细胞正将病毒蛋白向多个T细胞传递,这个过程被称为“抗原呈递”,中间为吞噬细胞,图片源自@VCG)▼

  拿到凭证的第一特种部队

  T细胞

  立即对入侵者的残肢展开研究T细胞因在胸腺(Thymus)中成熟而以胸腺第一个英文字母命名在我们的身体中拥有300亿个这样的T细胞特种兵它们身怀各异的绝技针对性击杀某种特异的病毒(T细胞攻击受感染细胞概念图,灰色为T细胞,图片源自@NIAID)▼

  经过比对最能对付该病毒的那些T细胞被选中特种兵生产工厂随即开动以该T细胞为原型大量生产新的特种兵杀伤性T细胞(cytotoxic T lymphocyte,CTL)

  杀伤性T细胞出动逐个扫描感染区的细胞试图寻找被病毒入侵的细胞并杀死它们(3个杀伤性T细胞正在“围攻”中间的癌细胞,蓝色标记的是细胞核,红色标记的是含有杀伤性化学物质的囊泡,如同“死亡之吻”,攻击被病毒感染的细胞同理,图片源自@NIAID)▼

  而此时

  被病毒入侵的细胞也深明大义它们在表面放出一种蛋白质向杀伤性T细胞疾呼“向我开炮”

  于是杀伤性T细胞将一种酶注入被入侵的细胞从而“毒死”后者或者帮助后者启动“自杀程序”与细胞内的病毒同归于尽是为细胞凋亡(杀伤性T细胞工作原理示意,制图@赵榜/星球研究所)▼

  紧接着吞噬细胞将死亡的细胞连同病毒一起吞下干干净净、了无痕迹

  清除了受感染的细胞但在细胞外还有大量的病毒颗粒存在这时候就需要第二特种部队

  B细胞

  出场了它因在骨髓(Bone marrow)中发育成熟而以骨髓的第一个英文字母命名在我们的身体中拥有30亿个B细胞特种兵同样针对不同的病毒练就各自不同的本领(下图粉色的为B细胞,扫描电镜成像,图片源自@VCG) ▼

  当B细胞拿到凭证经过比对最能有效消灭某种病毒的某些B细胞被选中特种兵生产工厂再次开动不过这次工厂克隆出的细胞不再直接奔向战场而是把自己变成生产机器生产出专门针对某种病毒的蛋白质抗体(B细胞分化为浆细胞,浆细胞开始大量产生抗体,即图中Y型的小颗粒,概念图,图片源自@VCG) ▼

  抗体可以结合到病毒表面让病毒失去入侵细胞的能力也可以帮助补体标记病毒利于吞噬细胞的吞食甚至还可以通过胎盘进入胎儿体内为脆弱的新生儿提供保护

  可见抗体一出病毒也就基本走上了绝境(抗体大量附着在病毒表面,使其失去感染能力,概念图,图片源自@VCG)▼

  在抗体的作用下细胞外的病毒颗粒也终于被清除现在

  细胞内外,海晏河清你的身体也恢复了正常

  但是事情并没有结束一些B细胞与T细胞早就未雨绸缪它们不再生产抗体及杀伤性T细胞而是留存下相应的“档案”是为记忆B细胞和记忆T细胞

  有了它们当我们的身体再次遇到同样的病毒便会立即生产相应的抗体和杀伤性T细胞在你几无察觉的感染初期便将病毒清除这也正是人们感染某些病毒后不会再次感染发病的原因(面对相同的病毒记忆B细胞可以迅速产生大量抗体;下图为概念图,上部为B细胞,下部为病毒,图片源自@VCG)▼

  至此想必你也已经清楚皮肤等物理屏障先天免疫系统、适应性免疫系统构成了我们人体的三层防御体系再加上记忆细胞的“存档”人体每经历一次病毒的进攻免疫系统就有可能获得一次提升正所谓“杀不死我的,必使我更强大”

  正是这样的机制让人类在百万年来从绝大多数的病毒进攻中生存下来这也正是人体的强大之处(人体三层防御系统功能示意,制图@郑伯容/星球研究所) ▼

  但是这样的系统也存在明显的bug即

  时间

  适应性免疫系统虽然强大但是一般需要一周甚至更长时间才能生产出足够的抗体和杀伤性T细胞大军

  这给病毒留出了可趁之机它们往往在适应免疫系统还没有启动前便已经完成攻击我们体内就没有形成相应的记忆细胞导致病毒可以多次感染同一个人(T细胞,适应免疫系统的“特种部队”,黄色为血小板,图片源自@VCG) ▼

  再者人类向野生动物栖息地的扩张使之前较少与人类接触的动物与我们发生联系

  新病毒

  从这些野生动物身上不断跳跃到人类令我们的免疫系统应接不睱

  例如世界上已知最恐怖的病毒之一致死率超过50%的埃博拉病毒便可能是从果蝠跳跃到人类的(赞比亚卡桑卡国家公园中的果蝠,图片源自@VCG)▼

  而广为人知的HIV其1型病毒由黑猩猩跳跃到人类从识别至今不过数十年时间却已经感染了7500万人今天全球每200个人不到就有一个人携带该病毒

  HIV会把自己的基因整合到人类基因组中并占有人类的免疫系统造成该病毒的清除极为困难(非洲利比里亚黑猩猩,图片源自@VCG)▼

  更为严峻的是现有的病毒通过基因突变、重组重配也在不断

  进化

  加速了病毒在物种之间的跳跃1997年人们第一次发现基因重配后的禽流感病毒H5N1居然感染了人类之后又陆续发现了H7N7、H9N2、H7N9等诸多亚型可见进化之繁多(2005年11月8日禽流感疫情下的一张当天的报纸,拍摄于上海活禽交易市场,摄影师@吕威)▼

  2002年-2003年原本感染蝙蝠的冠状病毒传播给果子狸并发生突变突变后的病毒造成了严重的人类疫情SARS(2003年4月28日SARS疫情期间,西安公交公司给收回的钱消毒,摄影师@拾城 摄近求远)▼

  而17年后的今天这一幕居然又一次上演新冠病毒已经造成数万人感染是现代中国最严重的公共卫生事件之一(2020年1月25日湖北G50高速黄石出口,防疫人员在测量进城人员体温,摄影师@周巍)▼

  我们还有什么武器与病毒对抗呢?

  Round 4 下一场战争

  从约1000年前的北宋时起为了预防天花病毒的感染中国古人将天花患者的脓液或痂接种到健康人身上是为种痘

  18世纪90年代

  英国医生Edward Jenner将种痘法予以改进使用牛的天花病毒接种是为牛痘

  后来的人们终于知道种痘相当于利用记忆B细胞的特性促使人体产生了对抗天花病毒的抗体疫苗就此诞生(儿童计划免疫接种,拍摄于吉林洮南,摄影师@邱会宁)▼

  此后我们利用记忆B细胞的特性生产出了针对不同病毒的更多疫苗天花病毒也成为人类有史以来

  彻底消灭的第一种病毒这是人类抗击病毒战争的里程碑

  其中的关键就在于我们对病毒和人体免疫系统的

  科学认知

  这是人类想要在病毒战争中取得胜利所必须依赖的最强大的武器(现在我们有了更多技术进行疾病的诊断和治疗,下图是正在进行胸部CT检查的医护人员,拍摄于新疆伊犁,摄影师@赖宇宁)▼

  如今我们通过了解病毒的入侵方式以及人体免疫系统的防御原理在病毒入侵人体的各个环节“设卡”干扰还研发出了许多抗病毒药物

  有的药物成分可以阻止病毒进入细胞有的让病毒无法脱去其蛋白质外壳有的则可以干扰病毒的复制这正是我们今天对抗新冠病毒的坚实基础(2月9日米-171直升机运输抗击疫情的药物和各类物资,从安徽亳州出发只用2.5小时就抵达湖北黄石,摄影师@何戈)▼

  但是我们也必须看到直到1901年

  我们才发现了第一个人类病毒黄热病毒我们对病毒世界了解还远远不够我们对自身免疫系统的了解也远远不够

  路还很长也许我们无法预期人与病毒的战争多久结束但是科学研究将是整个人类必须坚持的方向也是中华民族想要走得更远更坚实所必须坚持的方向

  “登高极目方知天地之大置己苍茫乃知寸身之微”

  科学加油!人类加油!在下一波病毒来临之前请让我们更加强大(制图@郑伯容/星球研究所)▼

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