（生态学专业论文）病毒感染动力学模型分析.pdf

摘要 本文的目的是建立几个病毒感染数学模型并研究这些模型的动力学性态 我们首先研究了一类具有溶非溶细胞免疫效应病毒感染模型的全局稳定性，获 得了病毒来感染平衡点和病毒感染平衡点全局稳定的充分条 牛特别地，当忽 略溶细胞机制效应时我们采用l i 和m u l d o w n c y 提出的几何方法得到了病毒感 染平衡点全局稳定的充分条件，拓展了病毒感染模型全局稳定性的研究方法。 注意我们获得的病毒基本再生数独立于免疫系统的有关参数，因此我们的结果 具有较好的生物学意义，说明了当病毒的基本再生数大于l 时，仅靠宿主免疫系 统的活性不足以完全消灭体内病毒，最多仅能够降低体内病毒感染的强度。 由于机体生理节律的普遍存在性，免疫系统也不例外。在忽略非溶细胞机 制效应情形下，本文的第二部分建立了一个时变系统描述溶细胞机制的周期效 应利用解析的方法我们获得了宿主体内病毒感染与末感染的阈值并且得到病 毒一旦感染就必然表现为波动性态进一步，通过计算机模拟，我们发现该模 型具有复杂动力学性态，随着模型参数的变化波动周期可能发生三倍和双倍的 增加而导致混沌性态，并且逆周期加倍分支现象也被发现这些结果能够用来 解释在慢性h b v 或h c v 患者体内观察到的病毒载量波动现象，符合有关文献的 实验报道结果。 许多文献表明抗原刺激产生免疫细咆c t l s 可能需要一定的时间周期，因此 本文的第三部分构建了一个具有滞后免疫反应的病毒感染模型并且证实了病毒 感染平衡点稳定和周期波动都可能出现。同时。随着时滞的增加，稳定开关发 生并最终导致混沌模式出现。进一步，我们还分析了从周期解到混沌的形成路 径。这些结果也可以用来解释有关文献的实验报道结果。 本文的第四部分研究了病毒感染的空问效应。首次利用反应扩散方程模拟 了具有空间效应的h b v 感染过程，通过几何奇异扰动方法证明了系统行波解的 存在性并得到了最小波速的估计。数值模拟结果表明除了单调行波解模式之外， 模型还存在非单调行波解模式。我们还进一步模拟了备种参数对行波解性态及 其最小波速的影响并从生物学意义上对观察到的现象给出了合理解释。 关键词：病毒动力学；免疫效应；分支混沌；扩散；波 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sw o r ki st oc o n s t r u c ts e v e r a lv i r a li n f e c t i o nm o d e l sw i t h i n - h o s ta n dt oa n a l y z et h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h c s em o d e i s i nt h ef i r s tp a r t ， w ei n v e s t i g a t et h eg l o b a ls t a b i l i t yo fav i r a li n f e c t i o nm o d e lw i t hl y t i ca n d ( o r ) n o n l y t i ci m m u n er e s p o n s e sa n dt h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rt h cg l o b a ls t a b i l i t y o ft h ed i s e u s c - f r e es t e a d ys t a t ea n dt h ed i s e a s es t e a d ys t a t ea r eo b t a i n e d e s p e - e i a l l y , w h e nt h ee f f i c a c yo ft h el y t i cc o m p o n e n ti sn e g l e c t e d ，u s i n gag e o m e t r i c a l a p p r o a c h ，w eo b t a i nad i f f e r e n tt y p co fc o n d i t i o n sf o rt h eg l o b a ls t a b i l i t yo ft h e d i s e a s es t e a d ys t a t e n o t et h a tt h eb a s i cr e p r o d u c t i o nr a t i o ( b r r lo fv i r u si s i n d e p e n d e n to ft h ep a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h ei m m u n es y s t e m t h i si sa ni n t e r - e s t i n ga n a l y t i c a lr e s u l tw i t har e l e v a n tb i o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e ：t h ed i s e a s en e v e r b e c o m e se x t i n c ti ft h eb r ri 8g r e a t e rt h a no n e i n d e p e n d e n t l yo ft h e p r o m p t - n e 8 s o ft h ei m m u n e s y s t e mo ft h ep a t i e n t w h i c hh a sa c t i o no n l yi nr e d u c i n gt h e “f o r c eo fi n f e c t i o n ” n o t et h a tm a n yw o r k so ni m m u n ec i r c a d i a nr h y t h m sh a v eb e e nd o n eb y e x p e r i m e n t a li m m u n o l o g i s t sf o rt h ea s p e c t so fi m m u n o c y t e ，i m m u n o r e s p o n s i o n a n di m m u n o m o d u l a t i o n av i r a li n f e c t i o nm e d e li sp r o p o s e dt od e s c r i b et h e p e r i o d i cl y t i ci m m u n er e s p o n s ei nt h es e c o n dp a r t t h et h r e s h o l dv a l u ef o rv i r u s t e n dt oe x t i n c t i o no rp e r s i s t e n c ei sg a i n e da n dt h ev i r u sl o a dm u s tb ef l u c t u a n t a ss e e n 腿i ti sp e r s i s t e n t f u r t h e r m o r e ，u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，w ef i n d t h a tt h e r ea r ec o m p l e xd y n a m i c s u n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h em o d e l ， p e r i o dt r i p l i c a t i o na n dp e r i o dd o u b h n gb i f u r c a t i o n sm a y b eo c c u ra n dt h ep e r i o d d o u b l i n gc a s c a d ep r o c e e d sg r a d u a l l yt o w a r dc h a o t i ca st h ea m p l i t u d eo fl y t i c c o m p o n e n ti si n c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，t h ei n v e r s ep e r i o dd o u b l i n gc a nb e o b s e r v e d t h e s er e s u l t sc a nb eu s e dt oe x p l a i nt h e0 6 c i l l a t i o nb e h a v i o r so fv i r u s p o p u l a t i o n w h i c hw a so b s e r v e di nc l l r o n i ch b vo rh c vc a r r i e r s a ss h o w ni ns o m er e f e r e n c e , a n t i g e n i cs t i m u l a t i o ng e n e r a t i n gc t l sm a y n e e dap e r i o do ft i m e t h u s ，t i m ed e l a y sc a n tb ei g n o r e di nm o d e l sf o ri m m u n e r e s p o n s e i nt h et h i r dp a r t ，w ec o n s t r u c tav i r a li n f e c t i o nm o d e lu n d e rt h e 西南大学 l 擘士学位论文 a s s u m p t i o nt h a tt h ei m m u n er e s p o n s ei sr e t a r d e d a n a l v t i c a la n dn u m c r i c a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e g r a t i v ee f f e c to fs t r e n g t ho ft h el y t i cc o m p o n e n t ，t i m e d e l a yo fi m m u n er e s p o n s ea n db i r t hr a t eo fs u s c e p t i b l eh o s tc e l l si st oc r e a t e r i c h 吐y n a m i c s ，w h i c hi n c l u d et h eo c c u r r e n c eo fs t a b l ep e r i o d i cs o l u t i o n sa n d c h a o t i cd y n a m i c a lb e h a v i o r t h er o u t ef r o mp e r i o d i co s c i l l a t i o n st oc h a o si sa l s o i n v e s t i g a t e d t h e s er e s u l t sc a na l s ob eu s e dt oe x p l a i ni r r e g u l a rr e a lt i m es e r i e s d a t ao fi m m u n es t a t eo fp a t i e n t s i nt h el a s tp a r t am t h e m a t i c a lm o d e li sp r o p o s e dt os i m u l a t et h eh e p a t i t i s bv i r u s ( h b v ) i n f e c t i o nw i t hs p a t i a ld e p e n d e n c e t h ee x i s t e n c eo ft r a v e l i n g w a v e si se s t a b l i s h e dv i at h eg e o m e t r i cs i n g u l a rp e r t u r b a t i o nm c t h o da n dt h e m i n i m a lw a v es p e e di sa l s of o u n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h er o o d e l a d m i t sn o n m o n o t o n et r a v e l i n gp r o f i l e s i n f l u e n c e so fv a r i o u sp a r a m e t e r s0 i 1t h e m i n i m u mw a v es p e e da r ea l s od i s c u s s e d ，m o r e o v e r t h ec l i n i c a li m p l i c a t i o n so f t h er e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：v i r u sd y n a m i c s ；i m m u n er e s p o n s e ；b i f u r c a t i o na n dc h a o s ；d i f f u - s i o n ；w a v e s 独创性声明 学位论文题目：瘟圭盛装盈左堂搓型佥堑 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西南大学或其他敦育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者：王哥友 签字日期：妒7 年妒月l7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院i j 丁以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：留不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：王哥炎导师签名：互 雠 签字日期： 如7 年妒月1 7 日签- ；7 日期：锣口7 年尸月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：箜三至匡盍堂 电话：iq ! ! i 8 1 2 211 通讯地址：筮三至匡态堂基塑整数堂熬亟窒 邮编： 40 0 0 3 8 论文创新点 ( i ) 尽管对病毒感染的群体动力学模型已有大蓬的研究工作，但绝大 部分只涉及局部稳定性分析，全局稳定性的研究相当少。本文对一类具有 溶非溶细胞免疫效应病毒感染模型的全局动力学性态进行了完整分析，引入 了l i 和m u l d o w n e y 提出的几何方法，拓展了病毒感染模型全局稳定性的研究方 法 ( 1 1 ) 找到了宿主体内控制病毒感染的病毒基本再生数和免疫应答能否产 生的基本再生数，并具有较好的生物学意义。说明了仅靠? 苦主免疫系统的活性 通常不足以完全消灭体内病毒，最多仅能够降低体内病毒感染的强度。 ( 1 1 1 ) 在病毒感染模型中引入了机体的生理节律，即溶细胞机制的周期效 应。结果汪实了该周期效应能够引发系统出现复杂动力学性态，周期分支会发 生并将导致混沌振荡。说明机体的生理节律能够引起体内病毒载量的波动，可 以用来解释实验观察到的病毒载量波动现象，符合有关文献的实验报道结果。 ( 1 v ) 在病毒感染模型中引入了抗原刺激产生免疫细胞c t l s 需要的时间 滞后效应。结果证实了随着时滞的增加，稳定开关发生并最终导致混沌模式出 现。说明除了机体的生理节律之外，滞后免疫反应也能够引起体内病毒载量的 波动 ( v ) 在病毒感染模型中率先引入了病毒感染的空间效应。得到了行波解的 存在性，并获得了最小波速的估计，还模拟了各种参数对行波解性态及其最小 波速的影响并从生物学意义上对观察到的现象给出了合理解释。 第一章绪论 本章首先介绍了传染病动力学的研究意义，并说明其研究方法已从传统的 宏观( 仓室模型) 范畴发展到微观( 宿主体内的群体动力学) 范畴；其次为了背 景知识的完整性，我们简介了宿主体内病毒的增殖与抗病毒免疫机理：然后综 述了宿主体内病毒感染动力学模型的研究进展；最后简要陈述了本文的主要工 作。 1 1传染病动力学的研究意义及其研究方法 传染病是指由病原体( 细菌、原虫、病毒) 引起的、能在人与人之间或人与 动物之间传播的疾病。传染病的突出特点就是具有传染性和流行性。纵观人类 历史的发展，传染病历来就是危害人类身体健康的重要因素之一从雅典瘟疫 的流行到本世纪初s a r s 的爆发，人类历史经历了多次传染病的疯狂洗礼，波及 了世界上的众多国家和地区，夺取了数以亿计的生命。姑世界卫生组织( w h o ) 预测，到2 0 1 0 年爱滋病( a i d s ) 将导致南非的撒哈拉沙漠一半的人口死亡。众所 周知，我国是乙型肝炎病毒( h e p a t i t mbv i r u s ，h b v ) 感染高流行区，有约1 2 亿 以上的慢性h b v 携带者，其中约1 0 2 0 逐渐发展为慢性肝炎、肝硬化、肝癌。 因此，传染病的防制是关系到人类健康和国计民生的重大问题，而对疾病 流行规律的定量研究则是防制工作的重要依据。目前，对传染病的研究主要有 四种方法( 【1 ，2 1 ) ：描述性研究，分析性研究、实验性研究和理论性研究。在理 论研究中数学模型起着极其重要的作用传染病动力学就是根据疾病发生、发 展及环境变化等情况。建立能反映其变化规律的数学模型，通过模型动力学性 态的研究来显示疾病的发展过程，预测其流行规律和发展趋势，分析疾病流行 的原因和关键因素，寻求对其进行预防和控制的最优策略。为人们防制决策提 供理论基础和数量依据 利用数学方法定量研究传染病流行规律的最早工作当属1 7 6 0 年b e r n o u h i 对 牛痘接种与天花传播关系的研究( | 3 1 ) ，但是直到1 9 2 6 年k e r m a c k 和m c k e n d r i c k 为 了研究1 6 6 5 1 6 6 6 年黑死病在伦敦的流行规律以及1 9 0 6 年瘟疫在盂买的流行 规律，构造了著名的s i r 仓室模型( c o m p a r t m e n tm o d e l ，【4 1 ) 并提出了区分 l f 町南大学博士学泣论文 疾病流行与否的“阙值理论”之后，才为传染病动力学的研究奠定r 基础。 此后，传染病动力学的建模与研究得到了迅猛发展。许多重要的生物学因 素( 种群的出生和死亡、疾病的潜伏期、人口的年龄结构、预防接种等) 陆 续被引入到经典的传染病模型以反映客观实际，丰富了传染病模型的类型 并获得许多重要并且有趣的结论，极大地促进了人们对传染病流行规律的了 解( 【5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，l o ，l l ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 1 ) h e t h c o t e 2 1 1 的综述 和马知恩等的专著( f 2 2 1 ) 系统总结了这些研究工作 传统的传染病模型( 仓室模型) 主要是从宏观角度来建立的。他们通常是 把宿主( 例如人口) 分为易感者、感染者和恢复者等类型来讨论疾病流行与否 的条件然而，近几十年来，越来越多的学者开始从微观的角度对传染病的流 行条件进行了研究，也就是从宏观关注传染病本身转变到聚焦于导致各种传染 病的罪魁祸首病原体。事实上，自p a s t e u rl o u i s 乖i r o b e r tk o c h 以来，人们 己对感染性疾病进行了大量研究。经典的微生物学和免疫学研究集中于揭示病 原体( 细菌、原虫、病毒) 和不同类型宿主细胞之间的直接相互作用，他们在 各自的研究领域进行了越来越深入和精细的探索。但是，绝大多数工作停留于 隔离的、分散的、定性的、静态的描述( 遗传、生化、生理等特性) 。虽然这些 研究为我们理解感染的发病机制和宿主的免疫反应提供了必不可少的基础，但 他们只是对感染与免疫的局部认识。在错综复杂的感染与免疫网络的生态演化 过程中，生物学现象与其背后隐藏的决定因素( 规律) 之间，存在相当大的鸿 沟，单靠生物学本身隔离的、分散的、定性的的精细研究不足以充分认识现象 背后的规律性，这只能依赖于数理科学强大的、巧妙的概括和整体分析能力。 基于生物学相互作用基础上的数学模型，可以为宿主针对病原体的反应动力 学提供非直觉的深入了解，对生物学实验研究能启发提出新的途径，对理解宿 主体内病原复制的动力学和由此获得的药物治疗与免疫治疗最佳时间大有裨 益( 【2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 6 1 ) 。 近1 0 年来，群体与进化生物学同微生物学、免疫学、流行病学和传染病学 等多学科的交叉与融合己成为一种趋势，开辟了感染性疾病的群体生物学研 究( 2 6 ，2 7 ，2 8 1 ) 。这一崭新领域给相关学科提供了许多研究热点和生跃点。宿 主体内的群体动力学( w i t h i n - h o s tp o p u l a t i o nd y n a m i c s ) 以个体为主要对象， 把病原体与宿主的非线性相互作用视为一个整体，从多元的、综合的、定量 的、动态的角度进行讨沧，着重考虑决定病原体群体丰度( a b u n d a n c e ) 、多样 性( d i v e r s i t y ) 和分布( d i s t r i b u t i o n ) 的主要因素以及对免疫反应进行定量描述 2 和数学分析，以揭示病原体感染的生态演化特征及机制，帮助认识感染与免疫 这种非线性相互作用网络导致的复杂的、通常是非直觉的的行为。实验技术 和数学模型的结合开创了病毒群体动力学研究新路，已取得了卓有成效的进 展( 【2 9 1 ) 1 2 病毒的增殖与抗病毒免疫 病毒( v i r u s ) 属非细胞型微生物，在自然界分布非常广泛，可在人、动物、 植物、昆虫、真菌和细菌中寄居并引起感染。病毒是体积最小、结构最简单的微 生物，它仅有一种核酸( d n a 或r n a ) 作其遗传物质。病毒必须在宿主活细胞 内寄生，依靠细胞提供的能量、营养物质及生物大分子合成机制完成病毒的复 制过程。病毒与人类疾病的关系极为密切一人类的传染病约7 5 是由病毒引起 的( 【3 0 1 ) 。 。 病毒侵入肌体，并在宿主体内细胞中增殖的过程称为病毒感染( v i r a l i n f e c t i o n ) ，病毒感染的实质是病毒与机体、病毒与易感细胞和免疫细胞相互作 用的过程病毒致病是由侵入宿主、感染细胞开始的，其致病作用表现在宿主 整体和细胞两个层次上。下丽我们分别对病毒的增殖与抗病毒免疫机理作一简 单介绍q 3 0 ，3 1 ，1 0 1 1 ) 。 图1 1 ：病毒的复制周期 3 西南大学博士学位论文 1 2 1 病毒的增殖 病毒严格的寄生性决定了它必须在活细胞内进行生命活动和增殖。 病毒的增殖不是二分裂方式，它是以其基因组为模板，藉d n a 多聚酶以及 其他必要因素，经过复杂的生化合成过程，复制出病毒的基因组。此时宿主细 胞的生化合成受到抑制，病毒基因组则经过转录，翻译过程，产生大量病毒蛋 白质，再经过装配，最终释放出子代病毒。病毒这种以核酸分子为模板进行增 殖的方式称为自我复制( s e l fr e p l i c a t i o n ) 。其整个过程包括吸附、穿入、脱壳， 生物合成、组装、成熟和释放等5 个步骤。从病毒进入细胞开始，经基因组复制 到子代病毒的释出，称为一个复制周期( r e p l i c a t i o nc y c l e ) 复制周期是一个连 续过程，如图1 1 所示 一，吸附 病毒增殖的第一步就是吸附( c a d s o r p t i o n ) 于易感细胞，即病毒体的特异性 结合。该过程需要一定的温度条件，以促进与酶反应相类似的化学反应。吸附 是特异的，不可逆的，这种特异性就决定了病毒嗜组织的特征，如脊髓灰质炎病 毒( p o l i o m y e l i t i sv i r u s ) 的衣壳蛋白与人及灵长类动物细胞表面脂蛋白受体结 合，在体外不感染兔或小鼠的细胞；流感病毒( i n f l u e n z av i r u s ) 包膜上的血凝素 蛋白与宿主呼吸道粘膜细胞表面唾液酸寡糖支链结合，导致吸附；而h b v 则具 有强烈的嗜肝特性 二、穿入 吸附在易感细胞上的病毒，通过不同方式进入细胞内的过程即称为穿 入( p e n e t r a t i o n ) 。不同的病毒其穿入的方式也不尽相同，但至少可分为病毒胞 饮、融合和转位作用三种不同的情形 三、脱壳 穿入胞质中的核衣壳脱去蛋白质农壳，使基因组核酸裸露的过程称为脱 壳( u n c o a t i n g ) 这是病毒在细胞内能否进行复制的关键，病毒核酸如不暴露出 来则无法发挥指令作用，病毒就不能进行复制。 四、生物合成 病毒基因一经脱壳释放，就能利用宿主细胞提供的低分子物质合成大量的 病毒核酸及结构蛋白等，此过程称为生物合成( b i o s y n t h e s i s ) 。指导病毒成分 合成的程序包括3 个重复的过程：病毒m r n a 的转录；病毒复制子代病毒核酸； 4 第一章绪论 特异性m r n a 转译子代病毒结构蛋白及功能蛋白。生物合成中的关键产物是病 毒m r n a ，但是不同种类的病毒( d n a 病毒、r n a 病毒、逆转录病毒) 的生物合 成过程各不相同 五、组装与释放 子代病毒的核酸与蛋白质合成后。当农壳蛋白达到一定浓度时，将聚合成 衣壳并包装相应的核酸而形成核衣壳，成为子代病毒，称为组装( a s s e m b l y ) 无胞膜病毒组装成核衣壳即为成熟的病毒体，而有胞膜病毒一般是在胞核内或 胞质内组装核衣壳，然后以出芽形式再包上宿主细胞的核膜或胞质膜释放才为 成熟，所以成熟是感染性病毒的形式 成熟病毒向细胞外释放( r e l e a s e ) 有两种方式 j 破胞释放无胞膜病毒在宿主细胞内经复制周期可增殖数百至数下个子 代病毒，致使细胞破裂而一次性将病毒全部释放至胞外。 曼芽生释放有胞膜病毒在宿主细胞内复制时，细胞膜上会出现病毒基因 编码的抗原物质，这些部位也是核衣壳出芽的位置。在子代病毒装配成核衣壳 移向细胞膜边缘出芽时，很可能先包上一层核膜( 核内包装病毒) ，再包上一层 胞质膜。病毒芽生释放，细胞一般不会死亡，仍可照常分裂繁殖。 病毒完成一个复制周期约1 0 h 左右 1 2 2 抗病毒免疫 生命体内有免疫系统。顾名思义，免疫性就是免除疾病的意思它的英文 是i m m u n i t y ，最初意味着抗感染不生病随着免疫学的进步，人们对它涉及范 围的认识更加深入免疫系统的重要功能之一是清除异物异物可以是微生物、 异型血细胞、移植器官等。它们都称作抗原抗原由载体和半抗原组成，其中半 抗原又称作抗原决定簇或表位 当外部病毒或细菌侵入机体时，免疫系统能识另铲自己”和“非己”，清除和 消灭异物一般地，有机体内的免疫系统识别“自己”和“非己”并使自身分化激 活而最终清除抗原的这个全过程就叫做免疫应答。有的免疫细胞不管抗原决定， 簇如何，都能清除而吞噬之，这种免疫方式称作非特异性免疫：另一种情况则与 此不同，免疫细胞表面上具有特殊结构的受体，它只能识别和结合相应抗原决 定簇却不能识别和结合其他抗原上面的抗原决定簇，这种免疫方式称作特异性 免疫。 5 听南大学博士学位论文 在谈抗病毒感染免疫时，常要联系到免疫细胞和免疫调节。为了方便理解。 先就有关免疫细胞和免疫调节的内容作一简单介绍。 免疫细胞( i m m u n o c y t e s ) 是指所有参与免疫应答过程或与免疫应答相关的 细胞。其种类甚多，依其功能特点可分为以下三类： 淋巴细胞在识别抗原分子并作出特异的应答反应过程中，淋巴细胞是起 着核心作用的由于反应具有特异性，所以这类细胞又叫做抗原识别细胞。按 免疫功能不同，淋巴细胞可分为三大类：t 细胞和b 细胞是主要的两大类，分别 负责细胞免疫和体液免疫，故称免疫活性细胞( i m m u n o c o m p e t e n tc e l l s ，i c c ) ， 也叫抗原特异性淋巴细胞。第三类是具有非特异性杀伤功能的淋巴细胞，不需 要预先接触抗原，就能杀伤某些被病毒感染的宿主细胞和某些肿瘤细胞，称为 自然杀伤细胞( n a t u r a lk i l l e rc e l l s ) ，简称n k 细胞，在抗病毒感染和抗肿瘤免疫 方面有一定的作用。 抗原提呈细胞外周血中单核细胞和组织中的巨噬细胞及分布在皮肤、其 他非淋巴器官和淋巴器官中的树突状细胞，均能捕获和处理抗原并能把抗原 提呈给t 淋巴细胞，称为抗原提呈细胞( a n t i g e np r e s e n t i n gc e i l s ，a p c ) 。b 细胞 也是很重要的a p c 。因a p c 在免疫应答中起重要的辅佐作用，故也称为辅佐细 胞( a c c e s s o r yc e i l s ) ，简称a 细胞。 表j j ：参与病毒免疫的主要细胞及其功能 免疫细胞功能 淋巴细胞 b 细胞 c d 4 t 细胞 c d 8 t 细胞 树突状细胞 巨噬细胞 n k 细胞 产生抗体以中和抗原 辅助，分泌细胞因子( 如白介素、干扰素等) ， 识别m h d i i + 抗原 细胞毒活性，杀伤感染细胞肿瘤细胞， 识别m h g i + 抗原 提呈抗原 吞噬和杀伤细胞内的病原体，吞噬死亡细胞 自发地溶解多种肿瘤细胞和被病毒感染的细胞 炎症反应细胞分布在外周血和多种组织中的各种粒细胞，肥大细胞以及 血小扳等在免疫应答的效应阶段发挥作用，参与免疫应答所致的各种炎症反应， 6 所以也叫炎症细胞。巨噬细胞不仅是a p c ，在细胞免疫所致的炎症反应中也起 着重要的作用。 综上所述，具体参与病毒免疫的主要细胞及其功能可总结为表1 1 。 在免疫应答过程中免疫系统内部各细胞间，免疫细胞与免疫分子间以及免 疫系统与神经内分泌系统间的相互作用称为免疫调节，从而构成一个相互协助 又相互制约的网络结构，使免疫应答维持合适的强度以保证机体内环境的稳 定。 病毒感染细胞后表达其基因编码的蛋白，或者改变细胞的藻些膜分子的结 构使细胞表面出现新的膜蛋白，出芽释放或细胞坏死后病毒蛋白释放到体液中， 这些对宿主来说是“非己”的物质都具有免疫原性，能诱导机体产生抗病毒免疫 应答，包括一种特殊的获得性非特异免疫及特异的体液免疫及细胞免疫。具体 地，抗病毒免疫机理可分为如下三种情形。 一、干扰素的抗病毒作用 干扰素( i n t e r f e r o n ，i f n ) 是由病毒或干扰素诱发剂等刺激体细胞及巨噬细 胞、单核吞噬细胞、淋巴细胞等多种细胞，由细胞基因编码产生的一组具有高 度活性及多种功能的蛋白质，是后天获得的非特异性免疫成分，其功能是抗病 毒、抗肿瘤和免疫调节等。 干扰素对所有的病毒均有一定的抑制作用但它并非直接灭活病毒，而是 选择性地作用与病毒感染的细胞，抑制病毒蛋白质的合成，还可影响病毒的组 装和释放，从而使得病毒不可能增殖，达到抗病毒感染的作用。其中y 干扰 素( i n f - y ) 是由抗原致敏的t 细胞产生，因而又称免疫干扰素，对病毒感染的 恢复和防御再感染有一定的意义，并能增强n k 细胞、t c 细胞等的活性，促进巨 噬细胞的吞噬与抗原加工、提呈作用。 二，体液免疫的保护作用 病毒感染或接种疫苗后，机体产生多种特异性抗体，其中具有保护作用主 要是中和抗体。它是由病毒衣壳或包膜上的抗原刺激机体产生。这些抗体能与 病毒的表面抗原结合，阻止病毒吸附和穿入易感细胞，保护细胞免受病毒感染， 并可有效地防止病毒通过血液播散 抗体只能作用于细胞外液中游离的病毒，而且无直接灭活作用，病毒与抗 体结合可经调理作用，促进吞噬细胞对病毒的吞噬。抗体与包膜病毒结合后可 活化补体成分，经类似溶细胞作用方式将包膜病毒溶解破坏。对细胞内病毒，抗 7 西南大学博士学位论文 体可与由病毒编码而表达在感染细胞表面的病毒抗原结合，通过活化补体，发 挥溶细胞作用。 三、细胞免疫的保护作用 病毒性感染主要依靠细胞免疫予以清除，其主要机制是通过致敏t 细胞的 免疫应答。致敏t 细胞主要涉及细胞毒t 细胞( c t l ) 及迟发型超敏反应性t 细 胞( t d ) 。 c t l 可直接杀伤或破坏表面带有特异病毒抗原的靶细胞( 即受病毒感染的 细胞) ，此类杀伤受m h c - i 类分子的限制。杀伤作用是通过c t l 分泌穿孔素( 或 溶细胞素) 将靶细胞膜穿出许多小孔，另分泌一种细胞毒素可降解靶细胞的细 胞核。t d 细胞当再次接触病毒感染的细胞时可释放多种细胞因子，发挥直接 杀伤病毒作用，活化吞噬细胞，增强n k 细胞杀伤靶细胞作用，终止病毒性感 染。 由此可以看出，当人体感染病毒后，首先是非特异的免疫应答途径被激活， 继非特异的免疫之后，特异性针对病毒蛋白的免疫应答变得更加重要，致敏淋 巴细胞分泌的细胞因子更有助于病毒的排除。在大多数人类感染中，几种免疫 功能同时发挥着对病毒复制的限制作用。 1 3 宿主体内病毒感染动力学模型研究进展 从生态学的观点来看，微生物或寄生虫在脊椎动物宿主体内发生感染 的过程，本质上是病原体种群在宿主生态环境中生存，进化与适应的斗争过 程( 3 3 1 ) 病原体在其生境( h a b i t a t ) 宿主组织中增殖，通常会受到宿主理 化屏障或捕食者( p r e d a t o r ) 和竞争者( c o m p e t i t o r ) 的限制和约束比如皮肤粘 膜机械屏障、补体、粘膜表面分泌型抗体( s l g a ) 、吞噬细胞、t 细胞、其他微生 物的存在等。入侵的病原体通常有一些性状适合于侵袭及在宿主体内生存( 如 粘附、定植、侵袭能力，抗吞噬能力，毒力因子等) 。病原体种群和宿主免疫系统 均发生进化。一方面，病原体介导的自然选择使特异性捕食者( 如b 细胞，t 细 胞) 增殖。另一方面在宿主免疫压力下，病原体种群也发生选择，导致变异株 的不断涌现：抗原变异或栖息地改变为免疫效应较弱或难以发挥的部位，使病 原体可以逃避特异性免疫细胞的捕食。病原体与免疫细胞之问相互作用的力量 偏向，决定病原体种群是受到控制还是被清除，是停留于一定水平( 宿主发病) ， 还是大量繁殖导致免疫防御失败( 宿主死亡) 。以病毒为例感染与免疫的相互 8 第一章绪论 作用可用一个简图来表示( 【2 t ，图1 2 ) 。 图1 2 ：病毒感染与免疫的群体动力学网络简图病毒在受感染宿主中的繁殖与 自然生态系统是一致的：其中有资源、捕食者( 特异性免疫细胞) 和猎物( 免疫 细胞的猎物为病毒及感染细胞，病毒的猎物为未感染细胞) 痔毒捕食易感靶细 胞并掠取资源；同时，病毒及受感染靶细胞又被免疫细胞所猎食 由于病毒载量受病毒增殖和宿主生态系统综合反馈的双重影响，是反映 病毒宿主相互作用最直接的指标，对许多病毒感染的结局至关重要，与病毒 的致病性、疾病期的长短和疾病的进展密切相关。例如。人t 细胞白血病病 毒( h t l v - 1 ) 感染中高病毒载量与感染中的慢性炎症状况有关；乙型肝炎病 毒( h b v ) 感染时。病毒血症的水平则与慢性感染的危险性相关；而在巨细胞病 毒( c y t o m e g a l o v i r u s ) 感染中，组织损伤的程度与病毒载量有关因此，病毒载 量成为病毒感染群体动力学的重要特性指标之 2 0 世纪后期，为了研究人免疫缺陷病毒( h i v ) 如何感染人体而导致a i d s ， 刺激了宿主体内病毒感染群体动力学模型的建立与讨论，如 2 3 ，3 4 ，3 5 】p e r e l - s o n 和n e l s o n 3 6 与n o w a k 和m a y 3 7 】的综述很好地总结了前面的有关研究结果 同时，文献 3 t i 还进一步拓展了模型的应用。使得它们也可以用来研究宿主体 内其他病毒的侵入感染机理，例如s i v ( 猿猴免疫缺陷病毒) 、h b v 等。同早期 的传染病动力学模型关注于人群效应不同，这些模型更加着重于关注染病个体 9 西南大学博士学位论文 体内的疾病动力学效应过程。因此，宿主体内病毒感染群体动力学模型对更好 地理解疾病发生、发展及不同的药物治疗策略效应具有重要作用。例如他们 对h i v 感染中的长渐近状态时期内的病毒产生水平就从定量的角度提供了很好 的理解( 见 3 6 ，3 7 ，3 9 1 ) 下面我们关于宿主体内病毒感染群体动力学的基础模 型、免疫调节模型和抗病毒治疗模型三方面的研究进展作一综述。 1 3 1 病毒感染的基础模型 目前，宿主体内的群体动力学研究主要集中于持续性病毒感染。为了定量 地分析体内病毒感染的过程以及病毒载量的数量变化，结合上节介绍病毒在 体内的增殖过程。它的最基础的变量应该包含未感染目标细胞( z ) 、被感染细 胞( ) 和游离病毒( ”) 三个。根据三者的相互作用生态关系，利用化学反应记 号，可以建立如下结构模型，简记为 + 口。y 。n v 睦“ b t ， 这里函数，随不同的建模机理而有不同的定义，包括 ( 1 ) p e r e l s o n 和n e l s o n 3 6 定义i ( x ) = ( z ) 兰a d x + p x ( 1 一- ) ； ( 2 ) n o w a k 和m a y 3 7 定义，( z ) = ，2 扛) 兰a d x 。 其中参数a ，d ，鼠a ，n ，1 1 , ，p 和2 ：m a x 均为正常数。 下面简要解释模型中各参数的意义。参数d 。a i t 分别为宋感染细胞、感染细 胞和游离病毒颗粒的死亡率：口是未感染细胞和游离病毒颗粒的接触率；a 表示 未感染细胞从前体组织( 例如胸腺) 中的常数产生率；表示一个被感染细胞在 它的生活期内产生的游离病毒颗粒平均数。如果f = ，则假设末感染细胞的 繁殖遵循l o g i s t i c 生长规律，其中p 和z 。分别为其增长率和环境容纳量。 巨_ 旺z ， 塑窒奎兰矍圭兰篁篁圣 这样一个拟不变性假设，即自由病毒颗粒的数量简单地正比于感染细胞的数 量，所以被感染细胞的数量y ( t ) 就可以作为病毒载量u ( t ) 的一个度量，从而模 型( 1 1 ) 可以简化为( 【5 6 ，5 7 1 ) ( 1 3 ) 当，= 时，c u l s h a w 等 6 0 1 舭简化模型讨论了细胞从未感染发展到感染细 胞这段滞后时间对模型动力学的影响，分支得到了周期解的存在性，解释了文 献 5 0 ，5 1 ，5 2 j 在病毒感染者体内观察到的病毒载量波动现象。 1 3 2 免疫调节的数学模型 机体的免疫压力是决定体内病原体感染动力学参数的主要因素，最终影响 感染的进程、严重程度及结局。因此，对宿主免疫反应的定量理解也是非常重 要的。越来越多的群体生物学研究开始关注宿主体内针对感染病原体的免疫细 胞的群体动力学( 1 2 3 ，2 7 ，6 1 ，6 2 ，6 3 ，6 4 ，6 5 ，6 6 】及其参考文献) 。 细胞毒性t 淋巴细胞( c t l ) 通过作用于病毒感染细胞而在抗病毒防御机 制中起重要作用。它们是限制病毒在体内复制的主要宿主免疫因子，因而决定 病毒的的负载。已有许多研究结果表明，c t l 能控制h i v - 1 、h t l v 1 ，h b v 等 病毒的自然感染。如果将宿主对感染细胞的免疫应答考虑在内，则前述模 型( 1 1 ) 和( 1 3 ) 需进行扩充。当，= ，2 时，我们得到 1 2 塞= a 一如一肋， 象= 肚”一叼一船毛 d v ， 一d t 2 自一“” 鬲d z ：9 ( 玑z ) 一b z , 面2 9 2 ) 一 ( 1 4 ) 鲈胁 啪 一 一 硝 ， 疗 = = 如一出咖一出 ，、l 第一章绪论 和 ， i 鲁= a 一如一触口 象= 肪v 一。一础z ， ( 1 5 ) i 老吲舭) - - b z ， 其中变量z 代表c t l 反应的强度，即病毒特异性c t l 的强度在无刺激存在的情 况下，c t l 在速率k 下蜕变。感染细胞则在速率r j z 下被c t l 所杀伤，参数p 则代 表c t l 杀伤感染细胞的速率。c t l 对抗原增殖反应的速率以9 ( 弘：) 表示，其早 期的定义乃指特异性c t l 遭遇感染细胞后的生长速率。由于机体免疫反应的复 杂性，函数g 在不同的假设机制下有不同的表达形式( b o e r 等【6 7 ，6 8 】) ： ( 1 ) 如果假设c t l 的产生仅仅依赖于被感染细胞的数量，那么9 ( f ，。) = g l ( 玑z ) 兰c y ； ( 2 ) 如果假设c t l 的产生还依赖于c t l 的量，那么g ( 玑。) = 9 2 ( y ，z ) 兰c ! ，。 由于抗病毒免疫效应机制可分成溶细胞和非溶细胞机制，b a r t h o l d y 等f 5 8 】和 w o d a r z 等 5 9 1 建立了模型 f 面d x “一如一篇， 面d y = 旦1q - q z 删一m ( 1 j ) 1 d 亡 ”。1 卜 i 出 i 面2 q 一坛， 其中1 + q z 表示免疫效应