輪狀病毒

症状及征象

轮状病毒肠胃炎是一种中等或重度的急性疾病，会引起恶心、呕吐、水状腹泻，以及低程度的发热。当儿童受到这类病毒感染时，在症状发生前大约会有两天的潜伏期。症状通常是从呕吐开始，接着是四到八天的大量腹泻。轮状病毒感染比起其他细菌性肠胃炎更容易引起脱水的现象，也是轮状病毒感染的最常见的死因。
每个人终其一生都可能受到A种轮状病毒的感染。初次感染通常会产生症状，再次感染则通常只产生轻微症状或没有症状，因为免疫系统提供了部分的保护机制。所以，感染症状发生的比例于两岁以下的儿童最高，之后渐渐降低直到45岁为止。虽然新生儿感染的机会很常见，但是通常都是温和的症状或是无症状疾病；最严重的症状都会发生在比较大一点的出生六个月到两岁的小孩，以及发生在有免疫缺陷的小孩身上。大部分的成人因童年时期获得的免疫力，因此对于轮状病毒感染影响不大；成人发生的肠胃炎通常是因为其他病因而非轮状病毒，但是成人的无症状感染依然在社群中带有感染症的传染性。有症状的再感染通常因为感染了不同血清型的轮状病毒A种。

传染途径

轮状病毒是由粪口路径（fecal-oral route）所传染的，借由与接触弄脏的手、弄脏的表面以及弄脏的物体来传染，而且有可能经由呼吸路径传染。受感染病患的粪便每克可以包含超过10兆个有传染性的病毒颗粒；而其中只要10颗到100颗就可以借由传播而感染另一个人。
轮状病毒在自然环境中是稳定的，也可以在河口的样本中发现，其样本大概每美制加仑可以发现1至5颗有传染性的轮状病毒颗粒。消灭细菌与寄生虫的卫生设备似乎对于轮状病毒的控制是无效的，因为在高卫生水平与低卫生水平的国家中，轮状病毒感染的发病率是相似的。

致病机转

腹泻是肇因于轮状病毒的多重活动。因为称之为肠黏膜细胞（enterocyte）的肠细胞遭到该病毒的破坏而导致吸收不良（malabsorption）。产生肠毒素（enterotoxin）的病毒蛋白质NSP4制造了倚赖钙离子的氯化分泌物，破坏了钠-葡萄糖协同运输蛋白1（sodium-glucose transport 1，SGLT1）载体居中调节的水分再吸收，这个显然降低了刷状缘（brush border）薄膜双糖酵素（disaccharidase）的活动，而且可能激化肠神经系统中依赖钙离子的分泌（secretion）的反射作用。健康的肠黏膜细胞会分泌乳糖酶进入小肠；所以因乳糖酶缺乏而造成的乳糖不耐症也是轮状病毒感染经常出现的症状，这个症状可以持续数周。乳糖不耐症的再次发生通常与牛奶再次引入儿童的日常饮食有关，因为细菌发酵了在肚子内的双糖乳糖。

诊断与检测

轮状病毒感染的诊断一般都伴随着有严重的腹泻症状的肠胃炎。大部分的因为肠胃炎进入医院的儿童病患都被检测出轮状病毒A种。对于轮状病毒A种传染病的专门诊断方式是对病患的粪便利用酵素免疫分析法去作病毒的识别。目前市场上已经有几种核准的监测设备，这些监测设备对于轮状病毒A种的所有血清型都可以敏感，个别的检测出来。其他的检验方法，如电子显微镜法或是凝胶电泳法，则是使用在研究实验室之中。逆转录聚合酶链锁反应（RT-PCR）可以检测并识别所有种与所有血清型的人类轮状病毒。

治疗与愈后

剧烈的轮状病毒感染症的治疗方法并不特别，这包括了症状的控制与最重要的补充水分（Rehydration）。如果没有治疗，儿童可能会因为严重脱水而死亡。依据腹泻的严重度，治疗包含使用口服补液盐作为口服补液疗法。。有一些感染症状较为严重，足以住院治疗，住院治疗时这些液体则是经由静脉滴入或是经由鼻胃管（nasogastric tube）进入病童身体，而病童的电解质与血糖必须要特别注意。
轮状病毒感染很少造成其他的并发症，而且对于症状控制良好的儿童来说，愈后是极佳的。极少数的报告有出现在中枢神经系统（CNS）的并发症案例，在中枢神经系统中的液体中发现了轮状病毒，并且引起了脑炎与脑膜炎，而近期的研究结果也确认了轮状病毒并不会永远只限制在内脏里，还可能会引起病毒血症（viremia）。

预防方法

于2006年，两种对抗轮状病毒A种感染的疫苗已经证明对儿童是安全而且有效的：分别是由葛兰素史克制造的“罗特律”（Rotarix）与由默克大药厂制造的“轮达停”（RotaTeq）。两种疫苗皆是用口服接种，并且都包含了无作用力的活病毒。轮状病毒疫苗目前在澳洲、欧洲、加拿大、巴西、埃及、印度、以色列、台湾、南非、巴拿马、阿根廷与美国等地都可以取得。
轮状病毒疫苗计划（Rotavirus Vaccine Program）是一个适宜卫生科技组织（Program for Appropriate Technology in Health，简写为PATH）、世界卫生组织与美国疾病控制与预防中心的合作计划，该计划由全球疫苗与免疫联盟（GAVI Alliance）资助。该计划的目的是借由制造可以让发展中国家使用的轮状病毒疫苗，来降低儿童因为痢疾而产生的疾病与儿童死亡率。

动物的感染

轮状病毒也会感染年幼的动物并造成腹泻。各项研究显示，轮状病毒会感染哺乳动物（如：猿猴、牛、猪、羊、田鼠、猫与狗、家鼠、马与兔子等）以及鸟类（鸡与火鸡等）等。这些感染动物的轮状病毒是有与感染人类的轮状病毒产生基因交换的潜在可能性。目前已经证明感染动物的轮状病毒也可以感染人类，感染途径包括病毒的直接传染以及提供感染人类的病毒株一段或是数段的核糖核酸片段来进行基因重整（reassortment）。轮状病毒是家畜的病原体之一，并且治疗的费用、家畜的高罹病率与高死亡率都会造成农人的经济损失。

轮状病毒的种类

轮状病毒总共有七种，分别以英文字母编号为A、B、C、D、E、F与G等。人类主要是受到轮状病毒A种、B种与C种的感染，而其中最常见的是轮状病毒A种的感染。而这七种轮状病毒都会在其他动物身上造成疾病。
在轮状病毒A种之中有不同的病毒株，称之为血清变异株（serovar）。与流行性感冒病毒类似，轮状病毒使用了双重的分类系统，这样分类法是依据这个病毒体表面的两个结构性蛋白质来作分类的。糖蛋白VP7定义了G型而对于蛋白酶敏感的蛋白质VP4则定义了P型（这些蛋白质的细节请见下文）。P型会以一个数字来标示出P血清型，并用方括弧内部的一个数字来标示所对应的P基因型。G血清型的表示方法很类似，但是G基因型的数字会与G血清型的数字相同。举个例来说，“轮状病毒Wa病毒株”（rotavirus strain Wa）就会被标示成“P1A[8]G1”。因为这两个决定G型跟P型的基因可以被分开传送而产生后代，所以两基因不同的组合就会产生各种不同的病毒株。

结构

轮状病毒的基因组包括了11条独特的核糖核酸双螺旋分子，这11条中总共有18,555个核苷碱基对。每一条螺旋或是分段即是一个基因，并且依照分子尺寸由大到小依次编号为1到11。每一个基因都可以编码成一种蛋白质，而其中第9基因与第11基因比较特别，它们都可以编码成两种蛋白质。核糖核酸外围则是包围了三层二十面体的蛋白质壳体。病毒颗粒大约直径76.5 nm，并且并没有病毒包膜（Viral envelope）。

蛋白质

有六个病毒蛋白质（viral protein，VP）架构了整个病毒颗粒（病毒体）。这些“结构性”的蛋白质分别被称为VP1、VP2、VP3、VP4、VP6与VP7。除了这些结构性蛋白质之外，还有六个非结构性蛋白质（nonstructural protein，NSP），这六个蛋白质仅仅在轮状病毒感染的细胞中制造，而没有构成病毒体的结构。这六个非结构性蛋白质分别称为NSP1、NSP2、NSP3、NSP4、NSP5与NSP6。
由轮状病毒基因组所编码的12个蛋白质中，至少6个会与核糖核酸结合。这些蛋白质在轮状病毒复制时所扮演的角色目前还没有完全被了解；它们的功用被认为有可能是与病毒体内核糖核酸的合成与包装相关，或是与将信使核糖核酸输送至基因体复制现场相关，或是与信使核糖核酸转译与基因表现调节相关。

结构性蛋白

VP1蛋白质位于病毒体核心，是一种核糖核酸聚合酶。在被感染的细胞中，这种酶会产生病毒蛋白质合成所需的信使核糖核酸转录复本，以及产生轮状病毒基因体核糖核酸片段拷贝来提供新产生的病毒体使用。
VP2蛋白质形成病毒体的核心层，并且结合核糖核酸基因体。
VP3蛋白质是病毒体内核的一部分，而且是一种称为鸟苷酸转移酶（guanylyl transferase）的酶。这种酶是一种加帽酶（Capping enzyme），也就是制作信使核糖核酸转录后修饰时候所用的5'端帽的酶。这个5'端帽保护病毒的信使核糖核酸免受核酸酶（以核酸为底物的水解酶）水解，使之能够保持稳定。
VP4蛋白质位于病毒体的表面，突出来而成为一个刺突（spike）。它连接细胞表面的受体分子，并且驱使病毒进入那个细胞。在病毒有传染性之前，VP4蛋白质会被一种可以在内脏发现的蛋白酶改变成VP5*蛋白质与VP8*蛋白质。VP4蛋白质决定了该病毒的毒性（Virulence），而它也决定了该病毒的P型。
VP6蛋白质形成壳体的体积。它是抗原性强的蛋白质，并且可以被用来分辨轮状病毒的种类。这个蛋白质被实验室用来进行轮状病毒A种感染症的各种测试上。
VP7蛋白质是一种建立病毒体外层表面的糖蛋白。扣除掉它在病毒结构上的功用之外，它也决定该病毒珠的G型。VP7蛋白质跟VP4蛋白质一样，都被免疫力（immunity）当作是防止感染的途径。

复制

轮状病毒感染小肠绒毛（villi）的肠黏膜细胞，改变上皮组织的结构与功能。轮状病毒的三重蛋白质外层使它们可以抵抗胃中的胃酸以及消化系统中的消化酶（digestive enzyme）。
病毒借由受体媒介的内吞作用进入细胞，并且形成一个称作核内体（endosome）的囊泡。轮状病毒第三层的蛋白质（即VP7与VP4刺突）会分解核内体的外膜，而创造一个钙浓度不同的外膜。这个改变导致了VP7蛋白质三聚体破裂为一个单一蛋白质的子单元，留下围绕在病毒双链核糖核酸外面的VP2与VP6蛋白质，形成双层构造的病毒颗粒（DLP）。
七条双链核糖核酸链依旧维持两层蛋白质层，并提供病毒核糖核酸依赖性的核糖核酸聚合酶（RNA replicase或RNA-dependent RNA polymerase，RdRp）创造双链病毒基因体的信使核糖核酸转录复本的保护。借由把病毒核糖核酸保持于病毒核心，病毒核糖核酸躲避了先天宿主的免疫反应。这个免疫反应称为核糖核酸干扰，会因为双链核糖核酸链的表现而触发。
在感染的过程中，轮状病毒产生信使核糖核酸来生物合成蛋白质并且进行基因复制。大部分的轮状病毒蛋白质都堆积在病毒质中，病毒质也是核糖核酸复制的地方，以及双层构造病毒颗粒组装的地方。病毒质于病毒感染细胞约两个小时之内就会快速地在细胞核周围形成，而组成所谓的“病毒工厂”，这个病毒工厂是由两个病毒非结构性蛋白质（NSP5与NSP2）所制成。NSP5蛋白质如果因为核糖核酸干扰而被压抑功能，会明显地减弱轮状病毒复制功能。新生的双层构造病毒颗粒则会移动到内质网，它们将在此处获得它们第三层外层（由VP7与VP4蛋白质所构成）。最后，这些后代病毒就会经由细胞裂解（lysis）释放到细胞之外。

发现历史

1943年，雅各·莱特（Jacob Light）与荷瑞西·赫德斯（Horace Hodes）证明了在感染传染性腹泻的小孩身上有一种滤过性的病媒，这个病媒也会造成家畜腹泻。30年后，被保存下来的病媒样本证明此病媒是轮状病毒。从1943年到1973年间，研究发现老鼠身上的病毒与引起成腹泻的病毒间有相关性。1973年，位于澳洲的露丝·毕夏普（Ruth Bishop）在儿童肠胃炎的研究报告上描述出类似的病毒。
1974年，汤玛斯·亨利·费留特（Thomas Henry Flewett）在通过电子显微镜观察过这类病毒之后，建议将其命名为“轮状病毒”（rotavirus），因为轮状病毒的颗粒看起来很像轮子，而拉丁文中“rota”的意思即为“轮状”；这个名称四年后经由国际病毒分类委员会（International Committee on Taxonomy of Viruses）正式认可。1976年，相关类似的病毒也在许多其他种动物的研究上被描述到。这些被报告描述的病毒，通通都会导致急性肠胃炎，并且被认定为影响全世界人类与动物的集体病原体。轮状病毒的血清型于1980年首次发表，而在隔年，来自人体的轮状病毒借由添加胰蛋白酶（一种发现于哺乳动物十二指肠的酶，目前已知是轮状病毒复制所必须的物质）首次在从自然环境中猴子肾脏取得的细胞培养中成功栽培。成功培养轮状病毒的能力加速了研究的脚步，且在1980年代中期，首批候选的疫苗已经开始进行评估。
1998年，首种轮状病毒疫苗（Rotavirus vaccine）获得在美国使用的执照。在美国、芬兰与委内瑞拉的临床试验发现该疫苗可以对于成功预防轮状病毒A种所产生的严重腹泻比率高达80%至100%，而研究者也没有发现显著的严重药物不良反应。然而，在该疫苗被发现会增加肠套叠（即肠梗阻（bowel obstruction）的一种）的风险之后，疫苗制造商在1999年将疫苗从市场上全部撤回，研究显示每12,000注射过疫苗的婴儿有一个会有肠套叠的症状。这次经验也引发了关于轮状病毒疫苗的相关风险与益处的激烈争论。2006年，两种对抗轮状病毒A种的新疫苗被证明对儿童是安全而且是有效预防的。